水循环与生态水文实验探究

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：瞄准国际地球科学水循环生物圈方面及其环境生态影响的科学前沿，结合山东省需求和实验室建设提出创新发展战略性和前沿性目标，开展流域水循环和生态水文过程及流域水资源综合管理的基础实验研究创新。

瞄准国际地球科学水循环生物圈方面及其环境生态影响的科学前沿，结合山东省需求和实验室建设提出创新发展战略性和前沿性目标，开展流域水循环和生态水文过程及流域水资源综合管理的基础实验研究创新。吸取国内外生态水文实验和流域综合管理的经验，采用先进的实验观测仪器，建设一个自动化程度高、观测全面、精度高的坡面降雨径流和生态水文过程的长期观测和实验基地。

1.流域生态水文过程研究

坡面植被状况与水的关系极为密切，植被可增强局地水分小循环而减弱区域水文大循环，改变了水文循环的方向与速率，并影响到水量平衡各要素间的数量关系，进而影响到流域产水量和水资源评价。流域生态水文过程研究正是基于上述原因，以流域为平台，以植被与水的关系为核心，以水文过程监测为主，研究植被是如何影响到水文循环的各个环节，其相互作用关系及响应时间及强度等。具体实验研究内容包括：“土壤-植被-大气”（SVAT）界面过程研究；流域水量转化模式与量化研究；植被与水互馈作用的尺度效应研究；土地利用覆被变化的流域水文过程响应的情景分析；流域生态水文模型的研制。

2.坡面物质迁移过程

坡面物质迁移是指以水循环为载体的物质迁移，包括泥沙、元素（C、N、P等）、化学物质（营养盐、污染物）的迁移。土壤侵蚀、土地退化和由此引起的河道、湖泊淤积，不但直接影响到径流的水质，而且也影响流域对径流的调节能力。因此，在生态水文的实验研究中，必须研究水循环与泥沙循环的耦合关系，研究水与泥沙的相互作用，将以水循环为载体的各种形式的物质迁移统一在流域水系统的框架中，建立有中国特色的水与物质循环理论。具体研究内容包括：坡面系统中水沙、化学物质的耦合与相互作用；泥沙通量和元素通量（C、N、S、P）对全球气候变化和人类活动的响应；不同土地利用和土地覆被、不同作物结构、不同灌溉技术条件下农田水分养分运移规律、作物耗水规律、水肥耦合过程、农田水分养分循环过程等。图6-3-1和图6-3-2分别为坡面降雨径流试验场平面设计示意图及坡面降雨径流试验场示意图。

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图6-3-1　坡面降雨径流试验场平面设计示意图

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图6-3-2　坡面降雨径流试验场示意图

3.综合管理虚拟现实系统

流域是自然水循环的基本单元，也是水资源开发利用、水环境保护和水资源合理配置和高效利用的基本系统。气候变化以及人类活动对流域水循环过程影响的响应规律和机理，包括流域水文-生态过程、水循环泥沙物理过程以及随水迁移的点源与非点源污染物质的化学过程、土壤侵蚀与输移过程的规律和机理，是国际水文科学研究的前沿和热点。基于虚拟现实的流域综合管理是水资源可持续利用的手段和保证，是解决我国水问题特别是缺水地区水危机的有效途径，有极大的需求。流域综合管理虚拟现实系统可进行不同需水管理的情景分析，为山东解决水问题提供科学依据。具体研究内容包括：流域综合管理虚拟现实技术；生产、生活、生态共享的流域综合管理模式；现状与未来水资源开发利用工程、土地利用变化、城市化对流域水循环和水资源的影响机理；生态需水观测与评价；河流湖泊的生态多样性研究；变化环境下流域综合管理的不同情景与响应对策分析。

4.实验设备和设施建设

建立水循环与生态水文实验小流域和实验坡面，配套的流域生态水文要素观测、数据自动采集和处理系统。

主要实验设备：自动气象站、地下水位测量系统、土壤水分取样器、标准雨量桶、土壤水分自动测量系统、便携式土壤呼吸测量系统、土壤氮循环监测系统、树木茎干截流测量系统、数字植物冠层分析系统、一体化涡动协方差系统、七层梯度观测系统、大孔径闪烁仪、蒸渗仪系统、河流断面流量、水位和水质测量系统等。

在基地内布设气象站、大型陆（水）面蒸发、植被蒸腾、土壤水分监测系统、地下水位水质监测系统、环境生态观测系统，开展区域水循环过程、下垫面蒸散发、水分贮存能力、径流量变化及对周边农业生产影响的观测试验，研究小流域水循环及生态过程和规律。具体包括以下设施：

（1）常规自动气象站。对研究区内气候进行全天候连续监测，传感器包括降水、雪深、大气压、风速、风向、太阳辐射、空气温度、相对湿度等常规参数。

为便于对比观测，规划在基地内安装5处陆地多功能自动气象站（图6-3-3），其中龙虎沟流域3处，金泥湾流域1处，小三峡流域1处。龙虎沟流域3处，分别安装在金鱼湾塘坝上游山坡的阳坡和阴坡各1处（具体位置见水土保持观测场），下游现代农业高效节水研究试验区1处。水面安装浮标式常规气象站2处，分别在金鱼湾塘坝和湿地处。

（2）蒸发蒸腾观测。

1）水面、陆面蒸发观测设施：按国家标准建设E601型水面蒸发器（图6-3-4）、20m2蒸发池及陆面蒸发设施（图6-3-5）。水面、陆面蒸发观测设施（图6-3-6）安装在现代农业高效节水研究试验区。

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图6-3-3　陆地气象观测

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图6-3-4　水面气象观测

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图6-3-5　水面蒸发观测设施

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图6-3-6　陆面蒸发观测设施

2）蒸渗仪（图6-3-7）：主要用来研究水文循环中的下渗、地表径流和地下径流、蒸散发等过程，包括陆地土壤蒸渗仪和湿地地下水生态观测蒸渗仪两种。陆地蒸渗仪安装在现代农业高效节水研究试验区（土壤蒸渗仪12套），湿地地下水生态观测蒸渗仪布置在人工湿地水位变动带（图6-3-8）。

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图6-3-7　陆地土壤蒸渗仪

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图6-3-8　湿地生态观测蒸渗仪

3）植被蒸发蒸腾作用观测、植物生理生态监测（图6-3-9）：植被的蒸发蒸腾量是发生在土壤、植被、大气复杂的系统体系内的连续循环过程，是水分运移的关键环节。植物生理生态监测系统由数据采集器、植物茎流传感器、植物生长传感器、植物叶绿素荧光监测单元、植物根系监测单元、智能土壤水分传感器、气象因子传感器等组成，可自动监测植物生长状态、植物胁迫生理生态、植物水分利用等及与土壤水分和气象因子的相互关系、植物根际及土壤呼吸测量、植物茎流叶温监测等。

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图6-3-9　植被蒸发蒸腾、生理生态监测

为便于选择不同区域和不同植被类型进行对比研究，规划在本区域内安装20处植被蒸发蒸腾、植物生理生态观测点，其中金泥湾流域3处、小三峡流域3处、龙虎沟流域15处。

农作物蒸发蒸腾作用观测、生理生态监测见现代农业高效节水研究试验区。

（3）地表径流观测及水质监测（图6-3-10～图6-3-12）。结合在基地内新建及改建的10处河道拦蓄工程，7处桥涵、湿地和其他景观水系建设，对其水文及水生态影响效应进行观测和对比研究。

1）河道拦蓄工程地表径流观测：在河道拦蓄闸坝处建设规则过水断面，布设流速、水位自动监测设备，观测各闸坝处过水流量及水位。规划金泥湾流域出口断面1处、小三峡流域出口断面1处、龙虎沟流域10处，雪野湖入口处1处。

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图6-3-10　流量测量设施

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图6-3-11　水位、流速自动测量设备

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图6-3-12　景观水系控制断面

2）桥涵及其他过水断面地表径流观测：在基地内共新建桥涵7处，布设流量监测设备，其他景观水系处建设三角或梯形堰。

3）水位观测：在金鱼湾塘坝和湿地处及拦河闸处安装水位自动观测设备，共12处。

4）水质监测（图6-3-13）：在金鱼湾塘坝和人工湿地处安装浮标式水质自动监测设备，监测内容包括浊度、溶解氧、电导率、pH值酸碱度、浊度、叶绿素、蓝绿藻、若丹明WT等指标，水质监测设备可与水面气象站放于同一浮标上。

（4）土壤水观测。基地范围内以丘陵山区为主、岩性主要为强风化-中风化花岗岩，表层土壤较少。结合金鱼湾塘坝下游现代农业高效节水研究试验区开展土壤含水量、土壤电导率，土壤入渗量、土壤水势以及土壤热通量、土壤水气通量、地温等方面连续监测工作，对灌溉效果进行监测、水分和养分流失的测定和控制、植物有效水利用、水平衡分析研究（图6-3-14）。

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图6-3-13　水质测量探头

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图6-3-14　土壤水观测仪器

（5）地下水动态实时监测研究。基地范围内以丘陵山区为主，一般无地下水赋存条件，只在现代农业高效节水研究试验区或较深风化层及构造破碎带处有地下水存在。规划流域下游靠近雪野湖入湖口附近设置监测井5眼，安装设备自动监测地下水位、水质及水温变化情况；在高效农业节水研究试验区布置9眼水质分层监测（取样）井，监测农业活动对地下水质的影响；选择在构造破碎带处打深井1眼，安装分层监测设备自动监测不同层位地下水位、水质及温度变化情况（图6-3-15和图6-3-16）。

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图6-3-15　分层监测示意图及监测探头

（6）生态环境观测站。除上述几种水文循环参数外，基地范围内还需要对反映大气-植被-地表水-土壤-地下水之间的生态环境变化的其他参数进行监测，主要包括太阳总辐射、直接辐射、散射辐射、太阳辐射收支平衡，长、短波辐射、太阳紫外辐射及光合有效辐射；区域点、面降雨总量、降水动能、雨滴谱、降水相态、水汽浓度及湿度、温度、全类型降水、酸雨监测，植被指数、植被光谱、波文比参数、梯度观测；区域三维风、碳通量、二氧化碳、负氧离子以及反映扬尘与雾霾天气的视程能见度、PM10、PM2.5、PM1、大气气溶胶浓度、臭氧变化量、二氧化硫、二氧化氮等的连续监测；从而获得各种陆地生态系统与大气之间二氧化碳、水分、热量、氮等物质的传输和能量交换及不同下垫面的边界层能量、辐射、多种物质交换、阻尼和扰动相关数据，为气候变化、湿地生态、植被生态、农田生态、气候生态、大气污染、光合作用、酸雨、作物改良与生长监测、生态环境提供科学依据（图6-3-17～图6-3-28）。