新型蒸渗仪及其在农田水文过程研究中的应用

摘 要：一台用于测定农田蒸腾蒸发和地下水—土壤水转化的新型称重式蒸渗仪在中国科学院禹城试验站建造完成，并连续数年成功运行。新型蒸渗仪主要有以下特点：(1)蒸渗仪精度0.016mm，可同时准确测量蒸腾蒸发量和地下水对土壤水的补给量与入渗量；(2)蒸渗仪面积3.14m2，深度5m，充分允许农作物根系发育与吸水、土壤水和地下水水分转化、地下水位变化等过程的进行，可以较好的代表大田的情形；(3)蒸渗仪的供排水系统能够在蒸渗仪内模拟实际地下水位变化；(4)土柱重30～34Mg，包含非饱和与饱和土壤，土壤质地以粉沙和轻壤为主。自1998年10月至1999年6月冬小麦生长期蒸渗仪运行结果表明：在冬小麦生长期，当地下水在1.6～2.4m变动时地下水对土壤水的补给量约占总蒸腾蒸发量的16.6%.过多的灌溉量不仅削弱了地下水对土壤水的补给，而且多余的灌溉水下渗补给地下水。中子仪和负压计数据表明潜水对土壤的水分分布和土水势分布有很大影响。

关键词：GSPAC系统；蒸渗仪；蒸腾蒸发；水分转化；土壤水；地下水

　　在地下水浅埋区，地下水、土壤水和大气水联系密切、转化频繁，潜水参与和影响了SPAC系统的水分、生物、化学等过程。为此笔者提出将SPAC系统与地下水层纳入到同一体系中，构成地下水层—土壤—植物—大气连续体(GSPAC)系统[1]。GSPAC系统的界面水分转化包括蒸腾蒸发、地下水对土壤水的补给和降水对地下水的入渗补给等是农田水分平衡的重要组成。水分运移转化规律的深入研究使得定量测定水分转化的系统方法尤为必要。

　　蒸渗仪已经成为测定蒸腾蒸发的标准试验仪器[2-4]。Aboukhaled等，Marek等和Howell等对蒸渗仪的设计、建造和应用进行了回顾与总结[2,5,6]。蒸渗仪的应用大致可分为三个方面：(1)测定蒸腾蒸发量，或蒸腾量和蒸发量，研究农作物的耗水规律[6～10]；(2)和其它仪器一起测定土壤水中各种化学成分的含量，研究化肥和农药等对土壤水和地下水的作用与影响[11～14]；(3)测定土壤水向下的渗漏量，研究土壤水量平衡和地下水补给[15～18]。在地下水浅埋区，对于水文过程研究蒸渗仪的深度应该容许农作物的生长与吸水、土壤水运动、地下水与土壤水的水分转化、地下水位变化等过程的进行。限于其研究目的与深度，目前还没有一台蒸渗仪同时考虑这些水文过程。考虑地下水作用的蒸渗仪均是在固定地下水位条件下工作的，这与随时空而变的地下水位的实际情形是不符合的。蒸渗仪设计的主要困难在于大的称量同时又要求小的感量。为了获得更高的精度，需要较大的土柱面积与深度比值[7]。因此，已有的蒸渗仪尽管多数精度为0.02～0.05mm，但很少超过2.5m的土壤深度。

　　禹城地区位于山东省境内的黄河下游冲积平原上。受引黄水影响，区内地下水埋深较浅，常年在0.2m到4.2m之间变动。由于地下水埋深浅，地下水和土壤水的交换转化关系十分活跃。为了深入研究该区农田水分运移转化规律，我们设计和建造了一台新型蒸渗仪。这台蒸渗仪对以前的蒸渗仪功能进行了扩展，能够同时测定腾发量和地下水对土壤水的补给量，这样就可以鉴别在浅埋深地下水作用下作物的耗水模式。本文旨在描述新型蒸渗仪的设计和结构，在叙述过程中，强调了满足本区特别条件的设计要求；同时，对蒸渗仪的运行结果进行了初步分析。

1 蒸渗仪测量原理

　　对于蒸渗仪中被分离的土柱，其水量平衡方程为

         式中ΔS为土壤蓄存水量的变化量，P为降水量，I为灌溉量，Q为地下水流，ΔR为净地表径流量，ET为蒸腾蒸发量。

　　对于蒸渗仪，ΔR一般可忽略，方程(1)可改写为

  　降水量(P)和灌溉量(I)很容易由雨量计和水表直接测得。土壤蓄存水量的变化量(ΔS)代表降水或灌溉后水分的增加，或蒸腾蒸发作用导致水分的损失，较难测量。我们设计了一台高精度的称重系统来测定ΔS.

　　地下水流Q代表由蒸渗仪供排水系统供进和排出土柱的水量。在地下水位不发生变化时，加入到土柱的水量为地下水对土壤水的补给量(Eg)，Eg=Q，由土柱排出的水量为地下水补给量(Rg),Rg=Q.如果大田中地下水位发生了变化，为了保持仪器内水位与大田水位一致，须向土柱内加入或排出一定水量，地下水对土壤水的补给量与入渗量可由其间接计算得出。如果地下水位上升了ΔH

　　a和b为由吸水和脱水试验测定的系数。实际上，a=b=Δθ，Δθ为地下水位上升或下降时含水量的变化，可由中子水分仪测得。

2 蒸渗仪的设计与结构

　　新型蒸渗仪位于山东省禹城综合试验站。蒸渗仪的结构与已有蒸渗仪的结构不同，包括主体系统、称重系统、供排水系统和数据采集系统。蒸渗仪的俯视图与侧剖面图如图1.

图1 蒸渗仪俯视图与侧视图                       图2 蒸渗仪称重系统测量原理示意图

2.1 主体系统 蒸渗仪的主体系统是指装有饱和非饱和土柱的钢筒、外壁以及土壤中的测试仪器。土柱表面积为3.14m2,可以种植1500株小麦或21株玉米。土柱深达5m，以满足土壤剖面上地下水位不断变动的要求。地下水位最深为4.2m，是1985年5月5日观测到的。3.14m2的表面积和5m深的土壤深度使得蒸渗仪的水分运动条件与大田类似。钢筒采用物理力学性质较好的16mm厚的城市给排水钢管。底部采用3.14m2×16mm圆形钢板。钢筒内装4.5m厚的当地壤土，其下为0.5m厚的反滤层(图1).钢筒上端高出土柱表面约10cm.

　　土壤是从蒸渗仪旁大田中按10cm一层分层挖出，分层拌匀后再按原来层次依次回填，浸水压实。土壤主要由粉沙和轻壤组成。经过数年运转，土壤容重已与原容重非常为接近。土壤容重为1.27～1.41Mg/m3.底部反滤层由粗沙和卵石组成。

　　土柱中的测试仪器包括负压计、中子水分仪、盐分传感器、土壤溶液提取器和温度计等。各仪器埋设深度(单位：cm)如下：

　　负压计：20，40，50，60，70，80，90，100，120，140，160，180，200，220，240，260，280，300，330，360，390，420，450

　　盐分传感器：5，15，25，40，70，110，160，220

　　溶液提取器：30，50，100，150，200

　　温度计：0，10，20，30，40，60，100，150，200

　　中子水分仪：可测定小于4.5m深度任意点的含水量。

2.2 称重系统 蒸渗仪钢筒与土柱重约30Mg，当土壤含水量增大时，重量也随之增大，最重可达34Mg.尽管如此重的土柱，蒸渗仪要求有较高的分辨率。在禹城地区，年潜在蒸腾蒸发量为900～950mm，平均日蒸腾蒸发量只有2.6mm.据此，蒸渗仪的分辨率是按0.02mm设计的。如果采用普通的称重系统，具有3.14m2土柱面积和5m土壤剖面深度的蒸渗仪的精度将大大降低。我们与长春试验机研究所合作研制的机械称重系统成功地解决了这一难题。

　　该机械称重系统采用柔性支撑承受土柱的基础荷载，采用杠杆传力，位移传感器显示位移变化。图2表明了称重系统的测量原理。图中，α为杠杆摆角。当土壤含水量发生变化时，ΔS=Pli-Pli+1，杠杆摆角也相应发生变化，Δα=αi-αi+1，这相当于Δm=mi-mi+1，Δm可由位移传感器测得。测量结果显示，ΔS和Δm呈良好得线性关系：

式中ΔS以mm水深表示蒸渗仪重量变化，1mm=62.8g,Δm为位移传感器读数显微镜的读数变化值。

2.3 供排水系统 蒸渗仪将其内地下水与大田地下水分离开来，但实际上，蒸渗仪内外的地下水是一体的。为了模拟地下水的实际状态，需向蒸渗仪内加入或排出一定水量使内外地下水位保持一致。我们所设计的供排水系统可以实现这一功能。供排水系统包括供水箱、排水箱、Mariotte瓶和供排水管道。Mariotte瓶可以沿竖直导轨上下移动通过向蒸渗仪内加入或排出一定水量控制蒸渗仪内地下水位。加入或排出的水量由供水箱和排水箱测量得出。

2.4 数据采集系统 供水箱和排水箱的读数由人工读出。称重系统的数据可由人工或自动数据采集系统获得。自动数据采集系统由信号放大器和数据采集器组成。通过一组位移传感器和两个压力传感器，信号放大器能够探测位移与压力变化，然后通过电路放大，再将这些数字信号传输到数据采集器。数据采集器采用16位单处理片作为CPU控制板，采用E2PROM(8K)作为数据记录介质。它可以储存256个或10d的测量数据。RS-232将数据传输到打印机或计算机。

3 蒸渗仪测试与校验

　　蒸渗仪建造完成后我们对蒸渗仪的量程、稳定性、重复性和敏感性进行了测试和校验。在测试中，蒸渗仪地下水埋深固定在2.1m，供排水系统关闭，表面覆盖以防止蒸发。量程的测试采用依次加载已知重量的砝码20～3000Kg然后再依次减载的方法，测试结果如图3(a)(b)。测试数据表现出良好的线性关系(R2＞0.999).为了测试其稳定性，在2h内向蒸渗仪加载3000Kg，然后每30min测量读数。从图3(c)可以得出，蒸渗仪在短时间内添加大负荷后在3h内就可稳定。当加载或减载小负荷(＜200Kg)时，称重系统不显示滞后性。蒸渗仪的敏感性采用依次加载和减载100g、200g、200g、300g、200g、1000g、1000g、2000g的方法来测试的(图3(d).结果表明，称重系统的绝对分辨率为100g，实际分辨率为50g，相当于0.016mm水深。测试还表明，当加入蒸渗仪的负荷不均匀分布时称重系统表现出易变性，说明大风和偏载对测量结果有一定的影响。

图3 蒸渗仪测试结果

4 结果与讨论

　　从1998年10月8日至1999年6月7日采用蒸渗仪对冬小麦生长期进行了测量。小麦品种为植选1号，前茬为夏玉米。试验是在天然降水和现行灌溉制度条件下进行的。

4.1 水量平衡 在冬小麦生长期，农田水平衡中最主要的支出项农田腾发量累计为456.66mm.用于供给农田蒸散量以满足冬小麦耗水的水分来源有三种：天然降水、地下水对土壤水的补给和人工灌溉。冬小麦生长期为一年中的干旱季节，累计降水量仅为115.30mm，占农田蒸散量的25.3%.由此可见，冬小麦的需水规律与天然降水时间分布有着很大矛盾，天然降水量远不能满足冬小麦的耗水需要。地下水对土壤水的补给在一定程度上缓解了冬小麦需水的紧张程度。冬小麦生长期地下水埋深在1.60～2.40m之间变动，地下水对土壤水的补给量累计可达75.61mm，约占农田蒸散量的16.6%，这样在冬小麦的耗水量中有相当比例是由地下水所“贡献”的。天然降水量和地下水对土壤水的补给量之和为190.91mm，为农田蒸散量的41.8%.为了保证冬小麦的用水需求，还必须进行人工灌溉。人工灌溉以地下水为水源，累计灌溉水量为275.31mm，成为冬小麦生长期间土壤水分的主要补给来源。

图4 冬小麦生长期地下水对地下水的补给量、地下水入渗量、蒸散量和降水量+灌溉量累计变化曲线

图5 地下水对土壤水的补给量、地下水入渗量和冬小麦蒸散量逐日变化 图6 蒸腾蒸发与地下水对土壤水补给日变化

4.2 蒸腾蒸发和地下水对土壤水补给日变化 在冬小麦抽穗期典型的晴天对蒸腾蒸发和地下水对土壤水的补给的日变化进行了观测。地下水对土壤水的补给变化比蒸腾蒸发变化平缓、稳定(图6).太阳辐射、风速和云量对蒸腾蒸发速率影响很大，但对地下水补给土壤水的影响间接并且微弱。与蒸腾蒸发速率相比较，地下水对土壤水的补给表现出一定的滞后性。

4.3 土壤水分和土水势 图7是蒸渗仪内实测土壤水势剖面。1999年5月11日至12日灌水107.18mm，5月18日降水14.90mm，5月25日降水23.0mm.灌水前(5月6日～5月11日)土壤呈单一蒸发型水势分布；灌水开始后，上部土水势迅速变大，水分向下入渗，而下部土水势还未受影响，地下水向上运动补给土壤水；随着土壤水分下渗，所形成的入渗型零通量面不断下移，土壤水势分布也由聚合型(5月12日)变为单一入渗型(5月14日)；随着农田蒸散作用的进行，上部土水势逐渐变小，分散型零通量面下移，一定时间后(5月21日)又恢复到蒸发型水势分布；两次降水使得土壤水势反复变化，但最终成为单一蒸发型水势分布(5月31日).这表明，在浅埋深地下水存在条件下，灌溉或降水形成的土壤水分入渗在短时间内超过非饱和带，对地下水进行补给，灌溉或降水停止后，随蒸腾蒸发的进行土壤水分消耗后又得到地下水的回归补给，构成作物覆盖田间的潜水蒸发，形成在作物覆盖条件下降水(灌水)—土壤水—地下水—土壤水—植物水—大气水连续的水分过程。

　　图8是同期土壤水分剖面。从图中可以看出，在浅埋深地下水作用下，潜水面以上存在着毛细水带(张力饱和带)，深度在80cm以下的土壤由于得到毛细水的补给，体积含水量变化较小，80cm以上的土壤含水量受降雨、棵间蒸发和作物根系吸水的影响变化较大。

图7 土壤水势剖面                图8 土壤水分剖面

5 结论

　　本文描述了一台用于测定蒸腾蒸发和地下水—土壤水转化的新型蒸渗仪。蒸渗仪有如下特点：(1)蒸渗仪精度0.016mm，可同时准确测量小时蒸腾蒸发量和地下水对土壤水的补给量与入渗量；(2)蒸渗仪面积3.14m2，深度5m，充分允许农作物根系发育与吸水、土壤水和地下水水分转化、地下水位变化等过程的进行，可以较好的代表大田的情形；(3)蒸渗仪的供排水系统能够在蒸渗仪内模拟实际地下水位变化；(4)土柱重30～34Mg，包含非饱和与饱和土壤，土壤质地以粉沙和轻壤为主。新型蒸渗仪为农田水分过程研究提供了一种更系统更综合的测量工具，在地下水浅埋区农田水分系统研究领域有着广阔的应用前景。

　　采用蒸渗仪对8个月的冬小麦生长期进行了观测，通过分析可得到如下几点认识：(1)浅埋深地下水对土壤水分分布和水势变化具有很大的影响，农田蒸散量中有相当比例是由潜水蒸发所贡献的。潜水对土壤水的补给和天然降水一起构成了冬小麦蒸散作用所需水分的天然补给；(2)为了保证冬小麦的正常生长，必须进行水分的人工补给。现行的漫灌方式存在着两方面的问题：一方面灌溉时间不尽合理，在冬小麦生长的局部阶段水分供应不足，不能满足冬小麦的耗水需求，另一方面一次灌溉量偏大，导致水分的深层渗漏；(3)目前的灌溉没有考虑地下水对土壤水的补给作用，过多的灌溉量不仅会削弱地下水对土壤水的补给，而且多余的灌溉水还会下渗补给地下水，造成动力能源的损耗。

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来源：刘士平，杨建锋，李宝庆，李运生.新型蒸渗仪及其在农田水文过程研究中的应用