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一,、應(yīng)用

SoilScope 土壤生態(tài)水文觀測模擬設(shè)施可實(shí)現(xiàn)地下水位調(diào)控,，超滲產(chǎn)流實(shí)時(shí)監(jiān)測，是水文,、水資源領(lǐng)域研究“四水”轉(zhuǎn)換的重要設(shè)施,，為發(fā)展區(qū)域水文模型、水資源管理提供支撐數(shù)據(jù),。

SoilScope設(shè)施既可人為設(shè)定蒸滲罐體內(nèi)的水位,，得到實(shí)時(shí)潛水蒸發(fā)量,，也可自動(dòng)記錄水位、水勢的瞬時(shí)值,，在與大田水勢梯度一致的情況下,，得到罐體內(nèi)的土壤水動(dòng)力學(xué)參數(shù)，水位變化量,、滲漏量,，揭開大田“黑箱”中的水文過程。

在降雨和灌溉過程中,，還可以實(shí)時(shí)自動(dòng)記錄產(chǎn)流量,。

高精度稱重單元可測量各種類型降雨，從結(jié)露到下霜等,。在各種氣候和水分條件下測量與大田相同情況的蒸散量,、表層的實(shí)時(shí)蒸散值。

因蒸滲儀表面積可用戶定制,，可得到**降雨數(shù)據(jù),。物質(zhì)平衡、水量平衡和其它結(jié)果可從蒸滲儀尺寸及表面推廣到更大的尺度,。

SoilScope設(shè)施在作物主根域,，通過測量土壤不同深度的水量平衡和基質(zhì)勢，提供可用水量,、干旱脅迫,、過度施肥和過度灌溉預(yù)警?？紫端?，可將大田可用的水、肥可視化,，用于確定可用肥力和地下水污染的潛在威脅。

二,、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成和功能

SoilScope 生態(tài)水文過程觀測模擬設(shè)施由土柱,、稱重系統(tǒng)、地下水連通單元,、產(chǎn)流儀,、土壤水溫電導(dǎo)率傳感器、土壤溶液取樣單元,、EcoScope蒸滲中心軟件組成,，電源、維護(hù)井或地下室組成,。

2.1.1兩種水位調(diào)控模式

罐體內(nèi)地下水位控制有兩種模式,，即自動(dòng)跟蹤與人為設(shè)定,，水位精度可達(dá)0.2mm。 補(bǔ)水,、排水精度達(dá)到0.001mm,。

1）實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的固定地下水位

人工設(shè)定固定水位，水位平衡系統(tǒng)自動(dòng)控制水泵,，當(dāng)罐體內(nèi)水位低于設(shè)定值,，水泵向罐體內(nèi)注水；當(dāng)罐體內(nèi)水位高于設(shè)定值,，水泵自動(dòng)從罐體向外抽水,，始終保持罐體水位在設(shè)定值附近。向罐體內(nèi)注入的水和從罐體向外抽出的水,，都經(jīng)過高精度電子稱精確稱量,，分辨率高達(dá)0.001mm。

罐體底部的地下水連通器,，與受控的雙向高壓泵相連,，當(dāng)罐體內(nèi)的水位低于設(shè)定值時(shí)，水泵通過連通器向罐體內(nèi)注水,，使罐體內(nèi)水位上升,，達(dá)到預(yù)定水位時(shí)，停止注水,。 反之,，當(dāng)罐體內(nèi)的水位高于設(shè)定值時(shí)，水泵通過連通器向罐體外抽水,，使柱體內(nèi)水位下降,，達(dá)到預(yù)定水位時(shí)，停止抽水,。

向罐體內(nèi)注入的水量和從罐體向外抽取的水量,，都會(huì)被設(shè)置的稱重單元精確計(jì)量，計(jì)量精度達(dá)到0.001mm,。 罐體內(nèi)的水位值,，由精密的水位計(jì)測量，測量精度達(dá)到0.2mm,。

2）自動(dòng)跟蹤水位模式

水位平衡系統(tǒng)同時(shí)測量罐體內(nèi)部水位和大田地下水位,，自動(dòng)跟蹤大田水位，保持罐體內(nèi)水位與大田的地下水位在相同的水平,?？刂苿?dòng)作過程與人為設(shè)定模式一樣。大田的水位值,，也是由精密的水位計(jì)測量,，測量精度達(dá)到0.2mm,。 自動(dòng)水位調(diào)控方式，相當(dāng)于把罐體內(nèi)的地下水位與大田地下水位連通,，用于完全模擬自然的田間水分狀況,。

水位控制系統(tǒng)，每小時(shí)測量一次水位,，并補(bǔ)充或抽取蒸散水量,，可以得到罐體內(nèi)蒸散的日變化曲線。

3）人為設(shè)定水位調(diào)控模式 水位調(diào)控可以兼容兩種控制,、調(diào)節(jié)方式,，即人為設(shè)定和自動(dòng)調(diào)控。

人為設(shè)定模式：罐體內(nèi)部水位完全由人工任意設(shè)置,，**可以到罐體內(nèi)土壤表面,，*低可以將罐體內(nèi)部自由水完全排空。人為設(shè)定模式可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，任意改變罐體內(nèi)的地下水位,，并觀察在不同的地下水位時(shí)作物的水分利用情況。

2.1.2 產(chǎn)流（Runoff）收集與測量

由罐體內(nèi)地表產(chǎn)流的收集裝置,、導(dǎo)流管,、200kg緩沖儲(chǔ)水箱、高精度電子稱組成,。

徑流收集裝置可設(shè)置在罐體內(nèi)土壤表層的中部,，一個(gè)漏斗形的帶過濾網(wǎng)的進(jìn)水口，可以調(diào)整進(jìn)水口高度,，避免被土壤堵塞,。

2.1.3 地下水連通控制器

1）確保罐體內(nèi)的土壤水文過程與大田一致

蒸滲儀柱體底部的水勢參數(shù)是衡量蒸滲儀土柱與野外實(shí)際情況是否一致的必要指標(biāo)，也是影響蒸滲儀土柱內(nèi)植物生長環(huán)境的關(guān)鍵指標(biāo),。

國內(nèi)蒸滲透儀系統(tǒng)底部的處理一般采用碎石和細(xì)砂作為濾層,，使用過程中無法得到底部水勢參數(shù)，此外,，長年的運(yùn)行,，也會(huì)導(dǎo)致底部的微生物環(huán)境與罐體外大相徑庭。

SoilScope系統(tǒng)底部的地下水連通器可實(shí)現(xiàn)底部的注水或排水,，且質(zhì)地堅(jiān)硬，能承載數(shù)十噸重的土體重量,。除用于測定田間水勢的變化外,，還可測量排水量，定量控制蒸滲儀柱體底部的水勢,。蒸滲儀底部水勢和罐體外部水勢始終保持一致,。

2）自動(dòng)實(shí)施排水和補(bǔ)水：當(dāng)?shù)叵滤裆畋容^深,，傳統(tǒng)的蒸滲儀系統(tǒng)的土柱體高度無法達(dá)到地下水位時(shí)，無法調(diào)節(jié)柱體底部水勢,。SoilScope系統(tǒng)配置了帶有稱重系統(tǒng)的水桶,，能提供或接收連通器的排水，也能從水桶中抽水,，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)水,，且排水量和補(bǔ)水量自動(dòng)被數(shù)據(jù)采集器存儲(chǔ)和記錄。

2.1.4自動(dòng)溶液取樣單元：土壤溶液的取樣是系統(tǒng)自動(dòng)完成的,。自動(dòng)采樣泵的數(shù)據(jù)也可記錄在數(shù)據(jù)采集器中,。傳統(tǒng)的蒸滲儀系統(tǒng)一般采用人工采樣，耗時(shí)耗力,，且無法實(shí)現(xiàn)定時(shí)采樣,。

自動(dòng)采樣泵：可連續(xù)輸出或張力控制輸出。帶鍵盤和彩色,、背景光顯示屏幕,，可方便設(shè)置和查看?？砷L期,、連續(xù)運(yùn)行。用于精確的孔隙水和滲漏水取樣,。是目前國際**技術(shù)和產(chǎn)品,，廣泛用于歐盟蒸滲站。

2.1.5土壤傳感器

EcoScope系統(tǒng)中采用的土壤水分傳感器有兩種可選,。此兩種傳感器都獲得了“水利部水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心”檢測合格證,。

來自德國是市場**的TDR原理土壤水分傳感器，確保在測量土壤水分的過程中,，不受土壤溫度,、電導(dǎo)率的影響。該傳感器技術(shù)在全球已經(jīng)使用了近三十年,，用戶遍布?xì)W盟,、美國、英國,、加拿大,、亞洲等國家實(shí)驗(yàn)室、大學(xué)和科研機(jī)構(gòu),。

采用負(fù)壓原理測量土壤水勢,，不受土壤電導(dǎo)率的影響，適用于農(nóng)田研究,。采用外部注水,，維護(hù)方便,。帶有溫度傳感器，液面指示器,，便于注水時(shí)檢測氣泡,，同時(shí)便于冬季排水，保護(hù)凍土層陶瓷杯,，性能穩(wěn)定,、耐用是目前廣泛用于歐盟蒸滲站的傳感器。

2.1.6 SoilScope設(shè)施數(shù)據(jù)采集和傳輸

中心控制軟件EcoScope 是澳作生態(tài)儀器公司自行研發(fā)設(shè)計(jì),、擁有軟件著作權(quán)的的專業(yè)生態(tài)環(huán)境采集,、計(jì)算軟件。用戶可自由選擇同時(shí)顯示在屏幕上的測點(diǎn)數(shù)據(jù),，如瀏覽各柱體的重量,、產(chǎn)流量、各層土壤水分,、溫度,、EC數(shù)據(jù)；同一界面顯示同一柱體多層,、或不同柱體同一層的土壤參數(shù),；對(duì)比顯示不同柱體的重量、產(chǎn)流量,、各層土壤水分,、溫度、EC數(shù)據(jù),；顯示計(jì)算的參數(shù)如ET,、潛水蒸發(fā)量。

2.2 系統(tǒng)布設(shè)

系統(tǒng)可以按照維護(hù)井和土柱井分別放入大田的方式建造如圖1,，也可以將多個(gè)土柱放入一個(gè)地下室,，如圖2。罐體內(nèi)的布設(shè)圖如圖3 ,，用戶可自設(shè)定土體剖面監(jiān)測的深度和層數(shù),。

2.3 數(shù)據(jù)采集頻率

2.4觀測指標(biāo)

三、應(yīng)用案例

1,、地下水位調(diào)控系統(tǒng)

德國UMS公司建造的意大利NaPles 蒸滲儀系統(tǒng)用于原油事故污染土壤的生物修復(fù),。此外，也研究化學(xué)物質(zhì)在固態(tài),、液態(tài),、氣態(tài)轉(zhuǎn)換中的運(yùn)移。用戶是Naples University。

該系統(tǒng)帶地下水位調(diào)控,，根據(jù)野外的地下水位調(diào)控罐體內(nèi)的地下水位，使它們保持一致,。 如下圖：

2,、地表徑流收集系統(tǒng)

Dedelow 蒸滲儀系統(tǒng)是歐盟大型項(xiàng)目TERENO的 蒸滲儀站之一，帶地表徑流收集功能,，用于研究氣候變化,。歐盟TERENO SoilCAN-氣候反饋機(jī)理項(xiàng)目的研究目標(biāo)是氣候變化對(duì)如下生態(tài)因子影響的特征分析和定量分析：

?C-/N 循環(huán) 和 C-/N 儲(chǔ)量的變化

?生物-大氣界面上溫室氣體的交換

?植被和微生物多樣性及C和 N的動(dòng)態(tài)變化，以及與生物多樣性變化的耦合關(guān)系

?陸地水文（水量平衡,，降雨變化,，極端水文-氣象事件（洪澇、干旱）,、滲漏水質(zhì)和水量,、持水能力）

研究入滲能力的蒸滲儀設(shè)計(jì)圖如下，在Dedelow 蒸滲系統(tǒng)中,，罐體表層中間有個(gè)地表徑流收集器,，比土壤表層高10mm，比罐體外沿低20mm,。罐體外有地表徑流的水管,。

部分國內(nèi)外應(yīng)用如下：