岩溶关键带碳-水耦合过程多界面协同监测系统

 

岩溶关键带碳-水耦合过程多界面协同监测系统

1  引言

水量平衡是水文现象和水文过程分析研究的基础，也是水资源数量和质量计算及评价的依据。通过水量平衡的研究，可以定量地揭示水循环过程与陆地自然生态系统之间相互联系、相互制约的关系；揭示水循环过程对人类社会的深刻影响，以及人类活动对水循环过程的消极影响和积极控制的效果。水量平衡又是研究水循环系统内在结构和运行机制，分析系统内蒸发、降水及径流等各个环节相互之间的内在联系，揭示自然界水文过程基本规律的主要方法。通过水量平衡分析，能够对各种生态系统和植被类型的水分循环规律做出合理评估，由于不同植被对水分的利用状况不同，因此分析不同植被条件下水分循环的差异、水量平衡各影响因素之间的不同，对于进行生态植被建设具有十分重要的参考价值和指导意义。

2  观测系统设计

2.1 目标

AZ-W0401水量平衡观测系统根据水量平衡方程，按照空间尺度，层次清晰地测量降雨量、植物蒸腾量、地面蒸发散量、地表径流量、土壤蓄水量、地下蓄水量。为分析区域水量平衡，揭示各生态系统类型水文要素的时空规律，为研究不同植被变化及植物生长对水分分配的调节提供基础数据。

2.2 水量平衡场的建立与观测

水量平衡场一般在研究区域选择植被、地形、土壤、地质、坡向、坡度有代表性的地区。水量平衡场地上部分的形状、结构、尺寸与一般的坡面径流场相类似，其差别在于该场的四周筑有隔水墙。一般用混凝土或木质构件砌筑。如果土壤层下面的不透水层较浅，则其隔水墙也可以用紧实的软粘土构成，墙的厚度为20～25cm，宽度为50cm，长400cm，隔水斜墙直插入不透水层30cm，斜墙的地上部分，用土筑起高出地面20cm的土推，以防地表径流进入场内。另外，在隔水墙外边20cm处与墙平行挖一条截水沟，以降低土壤的渗透压力。

2.2.1 降雨量观测

在空旷地、冠层下方分别雨量传感器，观测降雨量、穿透雨量。

2.2.2 植物蒸腾量观测

 

 

 

 

采用径阶标准株法，调查观测样地内植物的胸径，按胸径对其进行分级（一般2～4cm为一个径级），从各级植物中选取2～3株标准株进行植物蒸腾量观测。然后每株安装植物液流测量单元，进行人工或自动观测。

 

2.2.3蒸发散量观测

    利用直接称重法，测量林下土壤蒸发量、入渗量。

 

 

 

 

 

 

2.2.4 地表径流量观测

在水量平衡场下部设置集水槽，在集水槽出水口，安装地表径流测量系统的平缓导流槽进行引流，承接全部水量平衡场出水。应用自记翻斗观测地表径流量。

2.2.5 土壤含水量观测

在径流场坡上、坡中、坡下位置，分别测量：10cm、20cm、40cm、60cm、100cm土壤深度的土壤含水量、温度、电导率等指标。

2.2.6 壤中流量观测

有坡面水量平衡场壤中流观测设备的，从地表径流集水槽下端混凝土浇筑的挡墙留有的水孔，用导管将地下径流引入量水器，进行地下蓄水量观测。

2.3 观测系统组成

   AZ-W0401水量平衡观测系统根据用户的测量需求，可选择：降雨测量单元（激光雨滴谱仪）、树干截流测量单元、穿透雨测量单元、地表径流量测量单元、土壤剖面水蚀测量单元、土壤储水量测量单元、树木液流测量单元、林地蒸发/入渗测量单元等。

 

 

 

 

 

 

 

 

3 技术参数：

3.1数据采集器 ENVILog：

  CPU：32位处理器FPU，180MHz

A/D转换： 24位

模拟通道： 8个，外接扩展模块可扩展到100个以上

报警：条件：高、低范围内和范围外；延迟：可选择报警延迟时间；动作：设置数字输出，传输报警信息，执行设定任务。

采集频率：1s到天可自由设置

显示：2.54’OLED屏，带按键及状态指示灯，包括采集状态、存储指示、警告显示和电源指示，内部电池充电指示和充满指示等。

数据存储：内置512MB（约1千万个数据）；可插拔U盘，最大支持32G容量

通讯：以太网、USB、RS232、RS485，支持modbus-RTU/TCP协议

无线功能：内置4G DTU模块、WIFI模块，全网通，支持ENVIData云平台

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2降雨测量单元（激光雨滴谱仪）AZ-LPM-Thies：

   测定区域：46 cm² (23 x 2.0 cm) 

测量粒径范围：0.16….8 mm

粒子速度范围：0.2 … 20 m/s

粒子等级：440种（22种直径x 20种速度）

降雨降雪等级区分度：> 97 %

强度：0.005-250 mm/h

数据GPRS传输。

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3 树干截流测量单元        FR201L：

翻斗容积：100ml，10ml可选 

准确度：±3%

数据GPRS传输。

3.4穿透雨测量单元 ENVIdata-LR：

 

 

 

 

 

 

 

测量原理：翻斗式，

雨强 0-5mm/min 

分辨率0.1mm

数据GPRS传输

 

 

 

 

 

 

 

3.5 地表径流量测量单元 AZ-SF-1：

超声波传感器测量范围：0-400mm

分辨率：0.1mm

精度：1%

堰槽规格尺寸：304不锈钢

长1米，宽60cm，高40cm，其他尺寸可定制

数据GPRS传输。

 

 

 

 

 

 

 

3.6 土壤剖面水蚀测量单元         ST-W3：

用于径流场收集径流样品、径流流速/流量/壤中流

样品取样时间间隔：10min

径流测量单位：500ml/次。

数据GPRS传输

 

 

 

 

 

 

 

 

3.7土壤储水量测量单元 ENVILog-100：

土壤水分量程： 0-100%，精度：±3%

温度量程： -20到+60℃，精度：±0.5℃

孔隙水电导率（ECP）量程：0-1800 mS/m，

孔隙水电导率（ECP）精度：典型±5%， 

体积电导率（ECb）量程： 0-2000 mS/m

体积电导率测量精度: ±（6%+10 mS/m）

 

3.8 树木液流测量单元 ENVIdata-DD：

传感器长度：10mm、20mm 30mm可选

温度传感器数量：1对

  探针间距：40mm

  探头功耗：0.08-0.12W

  缆线：15m

数据GPRS传输

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.9 林地蒸发/入渗测量单元ENVIdata-ET：

测量原理：高精度直接称重法

底部边界层控制功能测量结果能够代表周围土壤

测量面积:1平米，深度:0.9m

蒸发量测量精度:0.1mm

渗漏量测量精度:0.01mm

数据GPRS传输。

  

3.8 ENVIdata数据传输和管理

ENVIdata 服务器软件运行在用户的服务器上，为多个用户提供数据管理服务，同时帮助用户监控野外测点系统的运行状态。

我公司ENVIdata系列生态环境监测系统是业内首家成功获得 ISO9001国际质量体系认证，于2010年获得 ISO9001 质量认证书，至今全部通过专家的年度复核，确保系统集成的品质。用户采用用户名和密码登陆，只要能上网，就能浏览实时和历史数据。ENVIdata 数据云服务平台已为国内的客户服务多年，系统稳定、可靠。

 

历史数据浏览和下载                 用户选择时间段绘制数据变化曲线

 

3.9 系统附件：

  太阳能供电：40w太阳能板，60AH 蓄电池

  防护机箱：钢质喷塑，防腐蚀。

  支架：铝合金材质，高度2米。

 

4 产地：北京澳作生态仪器有限公司