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LMP-ENVIDATA小流域尺度水資源管理系統(tǒng)
LMP-ENVIDATA小流域尺度水資源管理系統(tǒng)

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1 引言

我國是一個(gè)水旱災(zāi)害頻繁,水資源時(shí)空分布極不均衡,,人均水資源貧乏,,且面臨水資源短缺、水質(zhì)污染,、環(huán)境惡化等許多水問題挑戰(zhàn)的國家,。因此,尋找區(qū)域水資源高效利用的方法,,使整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào),、快速,、穩(wěn)定發(fā)展,己被社會(huì)特別是學(xué)術(shù)界所關(guān)注[1],。

小流域是區(qū)域水資源管理的“分子”,,是區(qū)域水資源管理的**單元[2]。小流域尺度水資源管理與分配的研究,,是宏觀尺度水資源管理的重要理論基礎(chǔ),。近年來,小流域尺度水資源管理的研究正在起步,。2000年召開的第10屆世界水大會(huì)把流域水資源綜合管理列為四大議題之一,;全球水伙伴也把流域尺度的水資源綜合管理作為其推動(dòng)各國水資源可持續(xù)利用的主要方法[3]

對(duì)于一個(gè)小流域(閉合的集水單元)來說,,降雨是水資源的補(bǔ)給源,。降雨經(jīng)地表分配以后,轉(zhuǎn)化為地表徑流,、土壤水,、地下水等形式。當(dāng)有足夠的降水,、土壤水,、地表徑流等野外觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí),就可以結(jié)合數(shù)字高程圖(DEM)和土地利用圖進(jìn)行小流域水分空間預(yù)測(cè)研究,,建立土壤水和主要環(huán)境因子的多元回歸模型,,預(yù)測(cè)土壤水分空間分布[4],為小流域水資源管理提供科學(xué)依據(jù),。例如,,Wilson[5]利用地形圖和其它空間特征與平均濕度指數(shù)(wetness index)的關(guān)系,在澳大利亞東南部和新西蘭北部的一些小流域建立了土壤水時(shí)空分布預(yù)測(cè)的多元線性回歸模型,;邱揚(yáng)[4]在陜西省安塞縣大南溝利用土地利用與地形等6類20個(gè)環(huán)境因子變量,,建立了黃土丘陵區(qū)小流域土壤水分空間預(yù)測(cè)的6種多元線性回歸模型。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1目標(biāo)

LMP-ENVIdata 小流域尺度水資源管理系統(tǒng)按降水的空間分配格局,, 分為降雨,、土壤聚水、輸水,、ENVIdata生態(tài)環(huán)境信息系統(tǒng)等四個(gè)測(cè)量,、管理功能單元,完成小流域降水,、地表徑流,、土壤蓄水的實(shí)時(shí)觀測(cè)和數(shù)據(jù)管理。

2.1管理系統(tǒng)組成

2.1.1降雨單元

降雨觀測(cè)單元采用先進(jìn)的激光雨滴譜儀進(jìn)行測(cè)量。既可以測(cè)量降雨情況,,又可以對(duì)降雨進(jìn)行質(zhì)的分析,。激光雨滴譜儀可以監(jiān)測(cè)區(qū)分下落中的毛毛雨、大雨,、冰雹,、雪花、雪球以及各種介于雪花和冰雹之間的降水,??梢杂?jì)算各種降雨類型的強(qiáng)度、總量,、能見度,,并且進(jìn)行必要的分析,繪出雨滴譜圖,,還可以對(duì)氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正,,同時(shí),可測(cè)量降雪,。測(cè)定對(duì)象*小直徑達(dá)到0.16mm,。

主要輸出數(shù)據(jù):降雨量,降雨速度,,降雨粒徑大小,,降雨強(qiáng)度,,降雨等級(jí)(SYNOP/METAR),,雷達(dá)校正(Z/R Ratio),能見度(MOR),??蛇x輸出數(shù)據(jù):風(fēng)速,風(fēng)向,,空氣溫度,,相對(duì)濕度

觀測(cè)點(diǎn)布設(shè):選擇不同的地形、地貌,、植被類型等布設(shè)降雨觀測(cè)單元,。若需要研究水土流失、侵蝕機(jī)理等過程,,需要研究降雨類型,、雨滴粒徑和速度與泥沙輸移關(guān)系。

2.2土壤聚水觀測(cè)單元

土壤聚水觀測(cè)單元采用世界上先進(jìn)的基于TDR(時(shí)域反射)技術(shù)的TDR土壤墑情傳感器TRIME和張力計(jì)系統(tǒng),,可以實(shí)現(xiàn)高精度快速的測(cè)量土壤水分和墑情變化,。觀測(cè)系統(tǒng)的采集器可以定時(shí)采集并記錄數(shù)據(jù),并可通過GPRS進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸給客戶或中心站,進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總,。

TDR傳感器用以直接測(cè)量土壤的介電常數(shù),,介電常數(shù)又與土壤水分含量的多少有密切關(guān)系,土壤含水量即可通過模擬電壓輸出被讀數(shù)系統(tǒng)計(jì)算并顯示出來,。測(cè)量時(shí),,金屬波導(dǎo)體被用來傳輸TDR信號(hào),TRIME工作時(shí)產(chǎn)生一個(gè)1GHz的高頻電磁波,,電磁波沿著波導(dǎo)體傳輸,,并在探頭周圍產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)。信號(hào)傳輸?shù)讲▽?dǎo)體的末端后又反射回發(fā)射源,。傳輸時(shí)間在10ps-2ns間,。這種**測(cè)量技術(shù),使得儀器可以檢測(cè)到小至3ps的時(shí)間信號(hào),。建立了時(shí)間采樣的方法,。從而使得土壤水分的測(cè)量變得更為準(zhǔn)確和方便。

張力計(jì)可以實(shí)現(xiàn)自注水功能,。有各種不同長度的組合,。適合多種測(cè)量的需求??砂床煌慕嵌冗M(jìn)行安裝,。

土壤聚水測(cè)量單元可采用太陽能供電或交流電源直接供電。具有IP67的防水等級(jí),,很適合在野外工作,。工作溫度-30°C 至 +70°C。低能耗設(shè)計(jì),,人機(jī)界面友好,,使用和操作也非常簡(jiǎn)單。

數(shù)據(jù)校準(zhǔn):標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)用于大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)土壤類型,,可存儲(chǔ)*多15個(gè)用戶自定義校正曲線

輸出數(shù)據(jù):土壤水分,、土壤水勢(shì)、土壤溫度,、土體含水量

觀測(cè)點(diǎn)布設(shè):一般與降水觀測(cè)單元配套布設(shè),。觀測(cè)點(diǎn)深度應(yīng)覆蓋包氣帶??赏瑫r(shí)配置空氣溫濕度,、輻射、風(fēng)速風(fēng)向傳感器,、求算ET,。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 輸水觀測(cè)單元

輸水觀測(cè)單元用于測(cè)量流速從低到高變化大的水流的流量,,大的水流如季節(jié)性降雨或暴雨導(dǎo)致的大地表徑流,也適合測(cè)量農(nóng)田灌溉水流或高山融化的雪水水流或工業(yè)排污的水流量,。

排水量是指在一定時(shí)間內(nèi)流過水堰的水量,。一般測(cè)量流速,流速的單位是升/秒或立方米/小時(shí),。輸水觀測(cè)單元可在明渠端口準(zhǔn)確測(cè)量大氛圍變化的水流量,,這時(shí)流出的水量因重力是自然排放的。即使流出的水量淹沒30%,,對(duì)測(cè)量的結(jié)果影響小于1%,,淹沒50%時(shí),影響小于3%,。

輸水觀測(cè)單元有一個(gè)導(dǎo)流槽,,導(dǎo)流槽的寬度和高度與堰口一樣,其長度需要足夠長使水流的寬度與渠道相同且水面平緩,,以便進(jìn)入堰口,。

該系統(tǒng)應(yīng)用平緩導(dǎo)流槽將地表徑流引入已知規(guī)格的堰口,然后采用超聲波測(cè)距原理,,測(cè)量通過堰口的地表徑流的水位,。 輸水測(cè)量單元有兩個(gè)超聲波傳感器:一個(gè)測(cè)量堰口水面的高度(垂直方向的超聲測(cè)距傳感器),該數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集器自動(dòng)測(cè)量,、記錄,;另一個(gè)是參照傳感器(水平方向超聲測(cè)距傳感器),測(cè)量已知物理距離,,作為因不同天氣狀況對(duì)超聲測(cè)距傳感器影響的修正,。由于堰口的規(guī)格是已知的,則可以利用修正后的水位數(shù)據(jù),,根據(jù)下表得出水體流速和水流量等參數(shù),。

輸出數(shù)據(jù):流速和流量

觀測(cè)點(diǎn)布設(shè):輸水觀測(cè)單元布設(shè)在集水區(qū)的出口,。根據(jù)地形,、地貌和植被條件確定數(shù)量和地點(diǎn)。

2.4 ENVIdata生態(tài)環(huán)境信息管理單元

由野外站和中心服務(wù)器組成,。野外站的記錄器采用數(shù)據(jù)推送模式,,將記錄的數(shù)據(jù)從野外發(fā)送到服務(wù)器上。這種新設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)的用電話MODEM將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器更穩(wěn)定,、更可靠,,費(fèi)用更低。

ENVIdata 服務(wù)器軟件既可以作為獨(dú)立的應(yīng)用軟件,,運(yùn)行在用戶的服務(wù)器上,;也可以運(yùn)行在澳作公司安全的服務(wù)器上,為多個(gè)用戶提供數(shù)據(jù)接收服務(wù),同時(shí)幫助用戶監(jiān)控野外測(cè)點(diǎn)硬件系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),。

參考文獻(xiàn)

1. 馮浩,,邵明安,吳普特,。黃土高原小流域雨水資源化潛力計(jì)算與評(píng)價(jià)初探[J ],。自然資源學(xué)報(bào);2001:06(02)

2. 李錦秀,,肖洪浪,。流域尺度土壤水研究進(jìn)展[J ]。中國沙漠,,2006,;26(4):536~542

3. 柳長順,陳獻(xiàn),,喬建華,。流域水資源管理研究進(jìn)展[J ]。水利發(fā)展研究,,2004,;11:19~22

4. 邱揚(yáng),傅伯杰,,王軍等,。黃土丘陵小流域土壤水分空間預(yù)測(cè)的統(tǒng)計(jì)模型[J]。地理研究,,2001,,20(6):739~751

5. Wilson D G, Western A W,, Grayson R B. A terrain and data based method for generating the spatial distribution of soil moisture [J]. Advances in Water Resources ,,2005 ,28 :43~54

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