湿地地下水生态观测蒸渗仪

湿地地下水生态观测蒸渗仪通过地下水位模拟控制系统、JZ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。

图一 原位（In-situ）湿地地下水生态观测蒸渗仪

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，即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。

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。

湿地蒸渗仪水分平衡模型为：

P + Pond = E_t + ( R_out– R_in) ± Δ S

其中P是降雨量， Pond是地表水如洪水流入，E_t是蒸散，R_in是地下水流入，R_out是地下水溢出，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. PE-HD一体式蒸渗仪室规格：标配高200cm，壁厚40mm，重1500kg

2. 不锈钢蒸渗仪柱体：表面积1m²，高170cm，壁厚8mm，具备无损伤原位土柱体自动提取装置；可根据需要定制其它规格的蒸渗仪

3. 原位土柱体：特别设计的无损伤湿地取土系统取原位湿地土柱

4. 3个坚固承重架可承重6000kg，3个剪切梁式称重传感器，OIML（国际法定度量衡组织）C3认证，IP68，范围2500kg，分辨率可达0.01mm，具LCD显示屏，简单零校准和量程校准；

5. 不锈钢蒸渗仪圈盖，护围蒸渗仪柱体与蒸渗仪安装口之间的缝隙，有效降低蒸渗仪地表边缘效应；

6. 蒸渗仪底部三层过滤，过滤颗粒直径分别为：0.1-0.5mm、0.71-1.25mm，3.15-5.60mm

7. 高精度即时地下水位模拟控制系统，包括水位传感器、双通道水位自动调控等，精确度1cm

8. DL-105数据采集系统，32通道，512kb RAM，15bit ADU，内置精密时钟，RS232接口，LCD实时显示数据，UGT-Log软件，用于参数设置、测量过程观测、图表显示、数据储存等

9. UMP-1土壤水分、温度、电导传感器，土壤水分测量范围0－100%，精确度优于±2%，分辨率0.1%；土壤温度测量范围-40－60°C，精度±0.2°C；土壤电导测量范围0－4mS/cm，精度优于±0.1%

10. Tensio160土壤张力计，为蒸渗仪专门设计，可长期水平安装于蒸渗仪中，可自动注水，免维护，标配直径10mm，长度30cm，测量范围+25－-85kPa，精确度±0.3kPa

11. BTC-100微根窗根系生态观测系统（备选）观测根系生长状况

12. 在线原位测量分析总氮、硝态氮和亚硝态氮等（备选）

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

2. 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.

3. 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