1 引言

我國(guó)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(guó)家。因此，尋找區(qū)域水資源高效利用的方法，使整個(gè)國(guó)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(guó)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）。可選輸出數(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(zhǎng)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(yáng)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。

2.3 輸水觀測(cè)單元

輸水觀測(cè)單元用于測(cè)量流速?gòu)牡偷礁咦兓蟮乃鞯牧髁浚蟮乃魅缂竟?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(zhǎng)度需要足夠長(zhǎng)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)

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