UGT湿地地下水生态观测蒸渗仪

                    
  湿地是地球上最为重要的生态系统类型，具有巨大的环境功能和效益，在提供水源、补充地下水、抵御洪水、调节径流、蓄洪防旱、控制污染、调节气候、控制土壤侵蚀等方面有其它系统不可替代的作用，被誉为“地球之肾”。
 
湿地地下水生态观测蒸渗仪通过地下水位模拟控制系统、精准称重系统、根系观测单元、气体通量观测单元、溶质在线分析单元等，原位（In-situ）观测或异地（Ex-situ）模拟观测地下水位变化（0－2m）与湿地土壤蒸散、渗漏、降雨及溶质运移的即时（高时间分辨率）动态变化关系，研究分析湿地土壤水通量、溶质通量、气体通量、持水状况等与地下水位的动态关系，适于三角洲、河滩及洪泛平原、泥炭地、高山湿地及其它地下水位较浅（常年一般维持在0－2m）的土地类型。
    
    
    湿地地下水生态观测蒸渗仪由德国UFZ环境研究中心Meissner教授与德国UGT公司研制（Patent-No.: 19907462），利用公司特制的原位取土系统采取原位湿地土柱，采用精确的地下水控制系统，可精确重现真实的野外条件。原位湿地地下水生态观测蒸渗仪直接安装在湿地现场（如图一所示），蒸渗仪底部经由平衡水箱通过压力转换器和流量表直接与外界环境（河流或湖泊水体、湿地地下水）相通。异地湿地地下水生态观测蒸渗仪可以安装在远离现场湿地的实验场（比如研究所院内等），原位地下水位经由实时水位监测和数据无线传输，及时在线调控蒸渗仪水位（如图二所示），使蒸渗仪水位一直保持与原位湿地水位一致。如果目标水位（原位水位）与蒸渗仪内的水位相差1cm或以上，地下水位模拟控制系统会自动触发调节机制，使蒸渗仪与原位湿地水位始终保持一致。
 

1.   原位土柱
2.   温度、TDR、水势等传感器及溶液取样器等。
3.   地下水水位
4.   滤层
5.      称重系统
6.      平衡箱
7.      储水罐
8.      调节阀
9.      数据采集器

图二 安装在异地试验场的湿地地下        水生态观测蒸渗仪
 
地下水位模拟控制系统的调控机理为：当水位出现不一致（相差1cm）时，首先关闭蒸渗仪和平衡水箱的阀门，然后向平衡水箱注水（或从中抽水），注水水源来自储水罐（抽出的水会存放在储水罐）。此后关闭储水罐和平衡水箱间的阀门，打开平衡水箱和蒸渗仪间的阀门，使得蒸渗仪和平衡水箱水位进行平衡。此过程反复进行，直到蒸渗仪水位达到目标水位。
 
湿地地下水生态观测蒸渗仪每分钟即可称量记录一次。不仅是降雨、蓄水，还可记录括露水、霜、降雪、沙尘等轻微输入，使得即使是较小的蒸散也可记录到。将15分钟数据的平均，以减小风或野外动物的影响。水分平衡公式如下所示：
P + Pond = E_t + ( R_out– R_in) ± Δ S
其中P是降雨量， Pond是表面蓄水，E_t是蒸散，R_in是地下水流入，R_out是地下水流出，Δ S是持水量改变。
 
一旦水分平衡公式中各组分精确测量计算出后，溶质平衡情况可由如下公式计算出：
L＝Cs×S
其中L为溶质输入，Cs为渗漏溶质浓度，S为渗漏液体积
 
技术指标：
 
1.        蒸渗仪规格：表面积1m²，高2m；滤层25cm；可根据需要定制其它规格的蒸渗仪
2.        装土类型：特别设计的湿地取土系统取原位湿地土柱
3.        高精度称重系统，分辨率：0.01mm，采样频率1min，15min平均一次
4.        渗漏测量：翻斗计数器，精确度0.1mm
5.        高精度即时地下水位模拟控制系统，精确度1cm
6.        BTC-100微根窗根系生态观测系统（备选）观测根系生长状况
7.        气体通量观测单元用于测量分析湿地土壤CO2、O2和甲烷通量（备选）：

• 气体抽样模块具Baseline配置，可手动或自动定时切换测量大气CO2、O2等气体含量（baseline）和呼吸室内CO2、O2等气体含量，从而更加精确地测量监测土壤气体通量

• 内置温度和大气压传感器，温度压力自动补偿，高稳定性、高精确度

• 氧气测量分析：燃料电池O₂分析仪，不受水汽、CO2及其它气体的影响，测量范围1－100％，分辨率0.001%

• 二氧化碳测量分析：双波段非色散红外技术，测量范围0－5％，分辨率0.0001%

• CH4分析器（外置备选）：双波段非色散红外技术，量程0-10%，精度优于1%，分辨率1 ppm/0.0001%

8.        在线原位测量分析总氮、硝态氮和亚硝态氮等
9.        传    输：无线传输，用户可在ENVIdata服务器上下载；若用户有固定IP，可
直接传输至用户服务器
10.    传 感 器：土壤水势、TDR土壤含水量、温度传感器，可根据用户要求选择不同传感器。
11.    安装层数：标准30、60、90、120cm深处，每层均安装各种传感器。
 
国外应用：
 
Doerthe Bethge-Steffense等（2004）利用湿地蒸渗仪控制地下水状况研究了2003年2月对德国schönbergg Deich 和W örlitz湿地的地下水位、土壤含水量、土壤水量平衡（降雨、蒸散、渗漏等）进行了研究。在研究湿地采用梯度气象站监测环境因子，包括土壤温度、水势、含水量，降雨，空气温湿度，地下水位传送给蒸渗仪的控制中心。研究首次直接得到了蒸散和渗漏，结果显示湿地土壤含水率受湿地的地下水位动态影响，受蒸散影响有限。在水量平衡中，蒸散和渗漏使得土壤水储量减少，而这是2月降雨无法补偿的。
 
参考文献：
 
1.          Doerthe Bethge-Steffens, Ralph Meissner, and Holger Rupp (2004) Development and practical test of a weighable groundwater lysimeter for floodplain sites. J. Plant Nutr. Soil Sci, 167, 516-524

1. R. Meißner , M. N. V. Prasad, G. Du Laing and J. Rinklebe（2010）  Lysimeter application for measuring the water and solute fluxes with high precision. CURRENT SCIENCE, VOL. 99 NO. 5 601-607.

2. R. Meißner and Manfred Seyfarth (2004). Measuring water and solute balance with new lysimeter techniques. SuperSoil 2004: 3rd Australian New Zealand Soils Conference, 5 – 9 December 2004, University of Sydney, Australia. 1-8