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

    根据水量平衡场观测资料，利用水量平衡公式求算得到。

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

土壤含水量观测样地设置应根据典型植被所在地形和土壤物理性质空间差异来确定。对于典型植被来说，分别设置一个大小为10m×10m的观测样地，在每个观测样地内设置3个观测点，观测点位置宜沿观测样地对角线均匀分布。

观测深度根据土壤层土层深度确定，一般为1.0m左右。埋设1m长TDR土壤水分观测管，把时域反射仪的探头放入观测管内，分别测量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水量平衡观测系统由：数据采集器、降雨监测单元、植物液流测量单元、土壤水分测量单元、地表径流观测单元共同组成。

3 技术参数：

3.1 ENVILog数据采集器：

  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，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降雨监测单元：

  雨强 0-5mm/min

分辨率0.1mm 

3.3植物液流测量单元：

传感器长度：10mm，直径：1.2mm

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

3.4土壤水分测量单元：

适应土壤电导率范围：0 - 20dS/m，>20dS/m可通过材料特殊标定

土壤水分测量范围：0-99%体积含水量

土壤水分测量精度：±1%（0-40%），±2%（40-70%）

3.5 地表径流观测单元：

传感器类型：机械计量翻斗

翻斗容积：1000ml

准确度：±3%

3.6 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：中国