[发明专利]一种水汽再循环比测定系统及其测定方法

权利要求书

1.一种水汽再循环比测定系统，其特征在于，所述水汽再循环比测定系统包括模拟单元、辅助单元和采集分析单元，

其中，所述模拟单元，用于模拟水汽再循环过程的定量计算再循环比，以明确蒸发和蒸腾分割比例；

所述辅助单元，用于实现系统内部真空状态，后避免装置内水汽同外界交换，提高实验可靠度；

所述采集分析单元，用于实时采集模拟单元中的模拟数据，通过计算机可视化，实现再循环比的测定；

所述模拟单元包括：主体、滑轨、刻度线、注气口、传感器安装口、水位测量装置和若干采样口，

所述主体呈圆柱形，顶部设有上盖，上盖上设有通孔，所述上盖与所述主体之间设有密封垫，

所述滑轨和刻度线对称设置在所述主体的外侧壁上，外侧壁上的另外两端分别设有注气口、采样口和传感器安装口，所述采样口包括第一采样口、第二采样口、第三采样口和气体取样与抽气口，

所述水位测量装置设置在所述滑轨上；

所述辅助单元包括真空泵、手套箱、采样管和惰性气体瓶，

其中，所述真空泵通过管路与所述气体取样与抽气口连接，所述手套箱设置在所述通孔内，所述惰性气体瓶通过管路与所述注气口连接，

所述采样管的一端通过卡环分别与所述采样口连接，另一端设有止水夹，且所述采样管上均设有阀门；通过注气口往仪器主体的内部连续通水汽，后关闭所有的阀门和止水夹，使仪器主体的内部处于密封隔离状态；然后通过第一采样管、第二采样管和第三采样管按一定间隔时间取水样，通过手套箱采取植物茎干水样 。

2.根据权利要求1所述的水汽再循环比测定系统，其特征在于，所述采集分析单元包括土壤温湿度传感器、环境监测仪和上位机，

其中，所述土壤温湿度传感器安装在所述传感器安装口上，

所述采样管分别与所述采样口连接，

所述环境监测仪设置在所述主体内部，固定安装在所述上盖的下端，

所述上位机分别与所述真空泵、土壤温湿度传感器、水位测量装置和环境监测仪连接。

3.根据权利要求1所述的水汽再循环比测定系统，其特征在于，所述主体采用亚克力制成，

所述水位测量装置为激光仪；

所述第一采样口、第二采样口和第三采样口从上到下等距设置在所述主体的一侧的外侧壁上，所述气体取样与抽气口设置在与所述第一采样口、第二采样口和第三采样口相对称的所述主体的外侧壁上。

4.根据权利要求3所述的水汽再循环比测定系统，其特征在于，所述注气口位于所述采样口的上方，所述气体取样与抽气口位于所述注气口和所述第一采样口之间。

5.一种采用如权利要求1-4任意一项所述的水汽再循环比测定系统的测定方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

S1）搭建系统，启动辅助单元对模拟单元进行排空气处理，随后通入惰性气体，使模拟单元的内外大气压相等；

步骤1:搭建实验装置，对实验仪器中输入水汽、输出水汽、空气水汽、土壤水和植物水进行一定时间的间隔采样，根据质量守恒实验装置内同位素存在如下关系：

（1）,

式中：Q为水汽通量，Q_ad为外来水汽、Q_ev为本地蒸发的水汽，Q_tr为本地蒸腾产生的水汽；

但是由于实际采样和计算过程中,和皆不易测量，因此实际计算时将以上方程转化为:

（2），

式中，为出气孔处采集的样品为混合水样的同位素值，为外来水汽的同位素值 ，为蒸发水汽的同位素，为蒸腾水的同位素值，i为时刻，为外来水汽对降水贡献的百分比值，为本地蒸发水汽对降水贡献的百分比值和为本地蒸腾水汽对降水贡献的百分比值，

步骤2:进行室内实验，其中测量注入气体的同位素为本底值，作为外来水汽的同位素值;采集植物茎干的同位素值作为蒸腾水的同位素值；出气孔处采集的样品为混合水样的同位素值,

步骤3:对于下垫面为水体蒸发实验，蒸发器中的水不断减少，属于非稳态过程，基于瑞利分馏公式，蒸发水汽的同位素由以下公式确定:

（3）

其中为时刻的蒸发比，为蒸发器皿中蒸发前的水同位素，为蒸发器皿中的剩余水的同位素，为富集系数，通过测量气温获得,

同时根据水量平衡方程，得到与和之间的关系可以表示为:

（4）

则根据公式（3）和公式（4）综合得到的表示方程如下：

（5）

步骤4:实验装置内下垫面为土壤水，则根据土壤水计算蒸发水汽的同位素,则由土壤水同位素按照土壤水含量加权获得，加权的计算公式为:

（6）

式中，为分层土壤水的同位素，为分层土壤的厚度，为分层土壤的含水量;为土壤平均含水量，为土柱总深度，

步骤5:综合上述，根据公式（2）-（6）即利用实验装置计算得到水汽再循环比，明确蒸发和蒸腾对于降水的贡献，

步骤6:展开流域尺度水分再循环计算，在研究区流域布置大气降水测样点、河流水监测点、土壤水监测点和植物水监测点，其中，样点覆盖流域不同土地类型和地形位置，以便能够代表流域整体同位素实际状况，

步骤7:通过连续测定方法，获取流域内降水、河流、土壤水和植物水数据，连续测定方法记录取样时间涵盖研究区温湿度情况，以便能够代表所述研究区同位素变化情况，

步骤8:随后，降水同位素样品需要利用Froehlich模型矫正云下再蒸发过程作为来外水汽，而河流水和土壤水则能够计算蒸发水汽，而植物水样品则可以计算蒸腾水汽，再次利用公式（2）-（6）即能够计算流域尺度水汽再循环比。