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，也是水資源數(shù)量和質量計算及評價的依據(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、相互制約的關系；揭示水循環(huán)過程對人類社會的深刻影響，以及人類活動對水循環(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)在結構和運行機制，分析系統(tǒng)內(nèi)蒸發(fā)、降水及徑流等各個環(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，能夠對各種生態(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，對于進行生態(tài)植被建設具有十分重要的參考價值和指導意義。
2 觀測系統(tǒng)設計
2.1 目標
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、坡向、坡度有代表性的地區(qū)。水量平衡場地上部分的形狀、結構、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構件砌筑。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的軟粘土構成，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
采用徑階標準株法，調(diào)查觀測樣地內(nèi)植物的胸徑，按胸徑對其進行分級（一般2～4cm為一個徑級），從各級植物中選取2～3株標準株進行植物蒸騰量觀測。然后每株安裝植物液流測量單元，進行人工或自動觀測。
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)的平緩導流槽進行引流，承接全部水量平衡場出水。應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置應根據(jù)典型植被所在地形和土壤物理性質空間差異來確定。對于典型植被來說，分別設置一個大小為10m×10m的觀測樣地，在每個觀測樣地內(nèi)設置3個觀測點，觀測點位置宜沿觀測樣地對角線均勻分布。
觀測深度根據(jù)土壤層土層深度確定，一般為1.0m左右。埋設1m長TDR土壤水分觀測管，把時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，用導管將地下徑流引入量水器，進行地下蓄水量觀測。
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 技術參數(shù)：
3.1 ENVILog數(shù)據(jù)采集器：
CPU：32位處理器FPU，180MHz
A/D轉換： 24位
模擬通道： 8個，外接擴展模塊可擴展到100個以上
報警：條件：高、低范圍內(nèi)和范圍外；延遲：可選擇報警延遲時間；動作：設置數(shù)字輸出，傳輸報警信息，執(zhí)行設定任務。
采集頻率：1s到天可自由設置
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：內(nèi)置512MB（約1千萬個數(shù)據(jù)）；可插拔U盤，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
3.2降雨監(jiān)測單元：
雨強 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：
適應土壤電導率范圍：0 - 20dS/m，>20dS/m可通過材料特殊標定
土壤水分測量范圍：0-99%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：機械計量翻斗
翻斗容積：1000ml
準確度：±3%
3.6 系統(tǒng)附件：
太陽能供電：40w太陽能板，60AH 蓄電池
防護機箱：鋼質噴塑，防腐蝕。
支架：鋁合金材質，高度2米。
4 產(chǎn)地：中國
