1  引言

水量平衡是水文現(xiàn)象和水文過程分析研究的基礎(chǔ)，也是水資源數(shù)量和質(zhì)量計(jì)算及評價(jià)的依據(jù)。通過水量平衡的研究，可以定量地揭示水循環(huán)過程與陸地自然生態(tài)系統(tǒng)之間相互聯(lián)系、相互制約的關(guān)系；揭示水循環(huán)過程對人類社會(huì)的深刻影響，以及人類活動(dòng)對水循環(huán)過程的消極影響和積極控制的效果。水量平衡又是研究水循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)在結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制，分析系統(tǒng)內(nèi)蒸發(fā)、降水及徑流等各個(gè)環(huán)節(jié)相互之間的內(nèi)在聯(lián)系，揭示自然界水文過程基本規(guī)律的主要方法。通過水量平衡分析，能夠?qū)Ω鞣N生態(tài)系統(tǒng)和植被類型的水分循環(huán)規(guī)律做出合理評估，由于不同植被對水分的利用狀況不同，因此分析不同植被條件下水分循環(huán)的差異、水量平衡各影響因素之間的不同，對于進(jìn)行生態(tài)植被建設(shè)具有十分重要的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

2  觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 目標(biāo)

AZ-W0401水量平衡觀測系統(tǒng)根據(jù)水量平衡方程，按照空間尺度，層次清晰地測量降雨量、植物蒸騰量、地面蒸發(fā)散量、地表徑流量、土壤蓄水量、地下蓄水量。為分析區(qū)域水量平衡，揭示各生態(tài)系統(tǒng)類型水文要素的時(shí)空規(guī)律，為研究不同植被變化及植物生長對水分分配的調(diào)節(jié)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2 水量平衡場的建立與觀測

水量平衡場一般在研究區(qū)域選擇植被、地形、土壤、地質(zhì)、坡向、坡度有代表性的地區(qū)。水量平衡場地上部分的形狀、結(jié)構(gòu)、尺寸與一般的坡面徑流場相類似，其差別在于該場的四周筑有隔水墻。一般用混凝土或木質(zhì)構(gòu)件砌筑。如果土壤層下面的不透水層較淺，則其隔水墻也可以用緊實(shí)的軟粘土構(gòu)成，墻的厚度為20～25cm，寬度為50cm，長400cm，隔水斜墻直插入不透水層30cm，斜墻的地上部分，用土筑起高出地面20cm的土推，以防地表徑流進(jìn)入場內(nèi)。另外，在隔水墻外邊20cm處與墻平行挖一條截水溝，以降低土壤的滲透壓力。

2.2.1 降雨量觀測

在空曠地、冠層下方分別雨量傳感器，觀測降雨量、穿透雨量。

2.2.2 植物蒸騰量觀測

采用徑階標(biāo)準(zhǔn)株法，調(diào)查觀測樣地內(nèi)植物的胸徑，按胸徑對其進(jìn)行分級（一般2～4cm為一個(gè)徑級），從各級植物中選取2～3株標(biāo)準(zhǔn)株進(jìn)行植物蒸騰量觀測。然后每株安裝植物液流測量單元，進(jìn)行人工或自動(dòng)觀測。

2.2.3蒸發(fā)散量觀測

    根據(jù)水量平衡場觀測資料，利用水量平衡公式求算得到。

2.2.4 地表徑流量觀測

在水量平衡場下部設(shè)置集水槽，在集水槽出水口，安裝地表徑流測量系統(tǒng)的平緩導(dǎo)流槽進(jìn)行引流，承接全部水量平衡場出水。應(yīng)用自記翻斗觀測地表徑流量。

2.2.5 土壤含水量觀測

土壤含水量觀測樣地設(shè)置應(yīng)根據(jù)典型植被所在地形和土壤物理性質(zhì)空間差異來確定。對于典型植被來說，分別設(shè)置一個(gè)大小為10m×10m的觀測樣地，在每個(gè)觀測樣地內(nèi)設(shè)置3個(gè)觀測點(diǎn)，觀測點(diǎn)位置宜沿觀測樣地對角線均勻分布。

觀測深度根據(jù)土壤層最大土層深度確定，一般為1.0m左右。埋設(shè)1m長TDR土壤水分觀測管，把時(shí)域反射儀的探頭放入觀測管內(nèi)，分別測量0～10cm、10～20cm、20～40cm、40～60cm、60～80cm、80～100cm土壤含水量。

2.2.6 壤中流量觀測

有坡面水量平衡場壤中流觀測設(shè)備的，從地表徑流集水槽下端混凝土澆筑的擋墻留有的水孔，用導(dǎo)管將地下徑流引入量水器，進(jìn)行地下蓄水量觀測。

2.3 觀測系統(tǒng)組成

   AZ-W0401水量平衡觀測系統(tǒng)由：數(shù)據(jù)采集器、降雨監(jiān)測單元、植物液流測量單元、土壤水分測量單元、地表徑流觀測單元共同組成。

3 技術(shù)參數(shù)：

3.1 ENVILog數(shù)據(jù)采集器：

  CPU：32位處理器FPU，180MHz

A/D轉(zhuǎn)換： 24位

模擬通道： 8個(gè)，外接擴(kuò)展模塊可擴(kuò)展到100個(gè)以上

報(bào)警：條件：高、低范圍內(nèi)和范圍外；延遲：可選擇報(bào)警延遲時(shí)間；動(dòng)作：設(shè)置數(shù)字輸出，傳輸報(bào)警信息，執(zhí)行設(shè)定任務(wù)。

采集頻率：1s到天可自由設(shè)置

顯示：2.54’OLED屏，帶按鍵及狀態(tài)指示燈，包括采集狀態(tài)、存儲(chǔ)指示、警告顯示和電源指示，內(nèi)部電池充電指示和充滿指示等。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：內(nèi)置512MB（約1千萬個(gè)數(shù)據(jù)）；可插拔U盤，最大支持32G容量

通訊：以太網(wǎng)、USB、RS232、RS485，支持modbus-RTU/TCP協(xié)議

無線功能：內(nèi)置4G DTU模塊、WIFI模塊，全網(wǎng)通，支持ENVIData云平臺(tái)

3.2降雨監(jiān)測單元：

  雨強(qiáng) 0-5mm/min

分辨率0.1mm 

3.3植物液流測量單元：

傳感器長度：10mm，直徑：1.2mm

溫度傳感器數(shù)量：1對

  探針間距：40mm

  探頭功耗：0.08-0.12W

  纜線：15m

3.4土壤水分測量單元：

適應(yīng)土壤電導(dǎo)率范圍：0 - 20dS/m，>20dS/m可通過材料特殊標(biāo)定

土壤水分測量范圍：0-100%體積含水量

土壤水分測量精度：±1%（0-40%），±2%（40-70%）

3.5 地表徑流觀測單元：

傳感器類型：機(jī)械計(jì)量翻斗

翻斗容積：1000ml

準(zhǔn)確度：±3%

3.6 系統(tǒng)附件：

  太陽能供電：40w太陽能板，60AH 蓄電池

  防護(hù)機(jī)箱：鋼質(zhì)噴塑，防腐蝕。

 支架：鋁合金材質(zhì)，高度2米。

4 產(chǎn)地：中國