地表径流测量系统

水，我们生活中无处不在的重要元素。它润泽着大地，孕育着生命。然而，水的旅程并不仅仅局限于地表，它通过蒸发和降水，与大气、植被形成了紧密的互动。而这种互动的背后隐藏着一系列的谜题，需要科学家们通过不断研究来揭示。水同位素研究便是一种重要的手段，通过分析水中的同位素元素，科学家们能够了解水的来源、循环和变化。水同位素研究为科研人员提供了一种宝贵的工具，帮助他们更好地了解水、植被和气候之间的复杂关系。一起来了解一下，来自西北师范大学的研究团队，用全自动真空冷凝抽提系统（LI-2100，北京理加联合科技有限公司）做的相关研究。水资源是制约干旱区社会发展的主要自然资源，山区是内陆干旱区重要的水源涵养区，山区冰川积雪融水对干旱区淡水供应至关重要。随着气候变暖，冰川积雪融化加速，地表蒸散发增强，降水变异性加剧，气候变化将增强山区河流水文过程的复杂性。水稳定同位素是深入了解区域水文过程的有效方法，研究内陆山区径流同位素时空变化的主要控制因素，对认识内陆山区水文过程变化，合理调配干旱区水资源至关重要。基于此，在本研究中，来自西北师范大学的研究团队监测了中亚干旱区典型的内陆山区流域-西营河流域不同水体同位素数据（地表水、降水、地下水以及积雪融水）和相关水文气象数据，结合相关气象观测数据及植被覆盖指数（NDVI)，评估气候和景观对内陆山区径流稳定同位素的影响。研究可以为厘清内陆山区径流稳定同位素的控制机制提供更全面的参考。01 不同水体稳定同位素组成西营河流域不同景观区域气象要素和水体稳定同位素特征。(a)不同景观区域气温、相对湿度以及降水量的变化；(b)不同水体稳定同位素在不同景观区域的组成特征，P为降水，R为径流，M为积雪融水，G为地下水；(c)~(e)不同水体δ2H与δ18O的关系，(c)为冰川-灌丛区，(d)为中高覆盖度草地-森林区，(e)为低覆盖草地-裸地区。02 不同景观区域的径流同位素组成西营河流域不同景观区域径流同位素随NDVI指数以及海拔的变化特征。03 气候对山区径流同位素的影响西营河不同景观区域气象要素与降水稳定同位素的相关性分析，（a）降水δ18O与温度，（b）降水δ18O与相对湿度，（c）降水δ18O与降水量04 自然和人为景观变化对径流稳定同位素的影响西营河流域不同景观区域LEL的变化，LELs为局地蒸发水线。（a）冰川-灌丛区（GSARs）,（b）中高覆盖草地-林地区(MHGFARs),（c）低覆盖草地-裸地区（LGBARs）。X轴和Y轴上的柱状统计图代表δ18O和δ2H的分布曲线。西营河流域海拔变化对降水稳定同位素的相关性分析，（a）径流δ18O与海拔，（b）降水δ18O与海拔。西营河降水（a）和径流（c）d-excess的变化，以及西营水库入口（b）和出口（d）处径流水线的变化。研究结论本研究利用典型内陆山区流域不同水体稳定同位素数据，结合相关气象观测数据和植被覆盖（NDVI）数据，为进一步了解内陆山区流域径流稳定同位素变化特征及其控制机制提供了依据。在内陆山区流域，气候和景观特征会随海拔而产生显著差异。因此，我们认为，在内陆山区，径流同位素组成及其控制因素需要做进一步更深入的研究。本研究强调了气象要素以及地表景观的空间差异对内陆山区流域径流稳定同位素的控制过程。这些结果有利于全面认识内陆山区径流稳定同位素的控制机制。1、气象要素通过控制径流的蒸发过程和补给源同位素特征来控制径流同位素变化；2、在植被覆盖度较低的区域，地表景观特征通过改变补给源同位素特征来控制着径流同位素组成；3、在植被覆盖度较高的区域，地表植被覆盖通过控制蒸发过程来影响径流稳定同位素。

p　　实施地表水水质的自动监测，可以实现水质的实时连续监测和远程监控，及时掌握主要流域重点断面水体的水质状况，预警预报重大或流域性水质污染事故，解决跨行政区域的水污染事故纠纷，监督总量控制制度落实情况。/pp　　及时、准确、有效是水质自动监测的技术特点，近年来，水质自动监测技术在许多国家地表水监测中得到了广泛的应用，我国的水质自动监测站(以下简称水站)的建设也取得了较大的进展，环境保护部已在我国重要河流的干支流、重要支流汇入口及河流入海口、重要湖库湖体及环湖河流、国界河流及出入境河流、重大水利工程项目等断面上建设了100个水质自动监测站，监控包括七大水系在内的63条河流，13座湖库的水质状况。/pp　　现有100个水站分布在25个省(自治区、直辖市)，由85个托管站负责日常运行维护管理工作。其中：(1)位于河流上有83个水站，湖库17个 (2)位于国界或出入国境河流有6个，省界断面37个，入海口5个，其他42个。目前还有36个水质自动站正在建设中，水站仪器设备更新项目也在实施中。/pp　　strong地表水质自动监测站仪器配置与运行方式/strong/pp　　水质自动监测站的监测项目包括水温、pH、溶解氧(DO)、电导率、浊度、高锰酸盐指数、总有机碳(TOC)、氨氮，湖泊水质自动监测站的监测项目还包括总氮和总磷。以后将选择部分点位进行挥发性有机物(VOCs)、生物毒性及叶绿素a试点工作。/pp　　水质自动监测站的监测频次一般采用每4小时采样分析一次。每天各监测项目可以得到6个监测结果，可根据管理需要提高监测频次。监测数据通过公外网VPN方式传送到各水质自动站的托管站、省级监测中心站及中国环境监测总站。/pp　　为充分发挥已建成的100个国家地表水质自动监测站的实时监视和预警功能，经研究定于2009年7月1日在互联网上发布国家水站的实时监测数据。/pp　　每个水站的监测频次为每4小时一次，按0:00、4:00、8:00、12:00、16:00 20:00、24:00整点启动监测，发布数据为最近一次监测值。/pp　　每个水站发布的监测项目为pH、溶解氧(DO)、总有机碳(TOC)或高锰酸盐指数(CODMn)及氨氮(NH3-N)共5项。执行《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中相应标准，对每个监测项目的结果给出相应的水质类别。总有机碳(TOC)目前没有评价标准。/pp　　为使水质状况表达容易理解，按水质类别将水质状况分为优(I、II类水质)、良(III类水质)、轻度污染(IV类水质)、中度污染(V类水质)及重度污染(劣V类水质)。/pp style="text-align: center "评价指标在GB3838-2002标准中的标准限值/pp style="text-align: right "　　单位：mg/L/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201710/insimg/f5b6ff1f-72b5-4ba2-a8c7-44bd05995212.jpg" title="QQ截图20171027153506.jpg"//pp　　水质自动监测站为在线连续监测设备，在仪器故障检查维修、日常维护校准时将出现数据缺失现象。水质自动监测站在日常运行中也会经常受到停电、洪水、断流、雷击破坏、通讯中断等意外影响，造成水站暂停运行。目前部分水站的仪器设备已运行8~9年，已超过使用寿命，造成故障率较高或停止运行，目前已列更新计划，年底前实施完毕。/pp　　strong主要监测指标含义/strong/pp　　pH：表征水体酸碱性的指标，pH值为7时表示为中性，小于7为酸性，大于7为碱性。天然地表水的pH值一般为6~9之间，水体中藻类生长时由于光合作用吸收二氧化碳，会造成表层pH值升高。/pp　　溶解氧(DO)：代表溶解于水中的分子态氧。水中溶解氧指标是反映水体质量的重要指标之一，含有有机物污染的地表水，在细菌的作用下有机污染物质分解时，会消耗水中的溶解氧，使水体发黑发臭，会造成鱼类、虾类等水生生物死亡。在流动性好(与空气交换好)的自然水体中，溶解氧饱和浓度与温度、气压有关，零度时水中饱和氧气含量可14.6mg/L，25℃为8.25 mg/L。水体中藻类生长时由于光合作用产生氧气，会造成表层溶解氧异常升高而超过饱和值。/pp　　高锰酸盐指数(CODMn)：以高锰酸钾为氧化剂，处理地表水样时所消耗的量，以氧的mg/L来表示。在此条件下，水中的还原性无机物(亚铁盐、硫化物等)和有机污染物均可消耗高锰酸钾，常被作为地表水受有机污染物污染程度的综合指标。也称为化学需氧量的高锰酸钾法，以别于常作为废水排放监测的重铬酸钾法的化学需氧量(COD)。/pp　　总有机碳(TOC)：代表水体中有机物质含量的另一项综合指标。采用燃烧水样中的有机物，通过测定生成的二氧化碳(CO2)含量，以C元素的量来表示总有机碳的含量。对于化学成分相同的水样，总有机碳与高锰酸盐指数存在一定的相关性。/pp　　氨氮(NH3-N)：氨氮以溶解状态的分子氨(又称游离氨，NH3)和以铵盐(NH4+)形式存在于水体中，两者的比例取决于水的pH值和水温，以含N元素的量来表示氨氮的含量。水中氨氮的来源主要为生活污水和某些工业废水(如焦化和合成氨工业)以及地表径流(主要指使农田使用的肥料通过地表径流进入河流、湖库等)。/pp　　strong应用实例/strong/pp　　随着国家水质自动监测系统的运行，充分发挥了实时监视和预警功能。在跨界污染纠纷、污染事故预警、重点工程项目环境影响评估及保障公众用水安全方面已经发挥了重要作用。/pp　　2002年在浙江-江苏的跨省污染纠纷处理过程中，自动站的连续监测数据在监督企业污染治理和防止超标排放方面发挥了重要作用。/pp　　长江干流重庆朱沱和宜昌南津关水质自动监测站在2003年5~6月三峡库区蓄水期间，共取得库区上下游2520个水质实时数据，为管理部门的决策提供了有力的依据。/pp　　淮河干流淮南、蚌埠及盱眙站成功地全程监视了2001~2006年淮河干流大型污染团的迁移过程，为沿淮自来水厂及时调整处理工艺，保证饮水安全提供了依据，为环境管理及时提供了技术支持。/pp　　汉江武汉宗关自动监测站自建立以来，每年对汉江水华的预警监测都发挥了重要作用，及时通知武汉市主要饮用水处理厂提前做好处理，保障水厂出水达标。/pp　　2007、2008、2009年太湖蓝藻预警监测期间，太湖沙渚、西山和兰山嘴水质自动监测站开展了加密监测，通过水质pH、溶解氧等藻类生长的水质特异性指标预测判断水体的藻类生长状况，为饮用水水质预警提供了大量实时数据，发挥了重要作用。/pp　　2008年四川汶川特大地震发生后，中国环境监测总站立即通过水质自动监测系统远程查看灾区水质状况，将灾区7个水质自动监测站的监测频次由原来的4小时一次调整为2小时一次，在第一时间分析了地震灾区地震前后水质状况，并将灾区水质无明显变化的情况及时向国务院抗震救灾总指挥部上报，并编制《汶川大地震后相关国家水质自动监测站水质监测结果》，每天在互联网上发布自动监测结果，为保障灾区饮用水安全，稳定灾区群众发挥了重要作用。/pp　　2008年北京奥运会期间，利用北京密云古北口自动站(密云水库入口)、门头沟沿河城自动站(官厅水库出口)、天津果河桥自动站(于桥水库入口)、沈阳大伙房水库及上海青浦急水港自动站等国家水质自动监测站对城市的饮用水源实施严密监控，每日以《奥运城市地表水自动监测专报》形式上报环境保护部，为奥运期间饮水安全提供了技术保障。/p

最近，浙江大学生物系统工程与食品科学学院IBE团队刘湘江、应义斌，信息与电子工程学院汪小知和农业与生物技术学院胡仲远，为植物联合发明一款穿戴式“电子皮肤”。时至今日，通过穿戴电子设备监测心率、脉搏等，已经成为健康管理的重要一环。　　这种植物可穿戴茎流传感器，通过将柔性穿戴电子技术应用到植物体表，成功在自然生长状态下，首次持续监测草本植物体内水分的动态传输和分配过程。同时，科研人员还发现植物果实生长与光合作用不同步的现象，这不仅改变人们长期以来对植物生长发育过程的基本认识，更将为作物高产育种及栽培技术研发提供新的思路。　　这项研究，近日刊发在《先进科学》上。　　柔性传感器实现植物生理监测　　众所周知，血液是维持人体生命活动的重要物质，通过血液循环能够把人体所需要的各种营养物质，运输到各个组织和器官。　　植物也有类似也“血液”的物质，被称为茎流，是植物在蒸腾作用、渗透势等内外部压力下茎秆中产生的上升液流。茎流也是植物水分、养分、信号分子运输的载体。因此，实现对茎流的长期实时监测就能够探究植物生长过程水养分分配、信号传导以及植物对环境的响应机制等奥秘。　　然而，现有的茎流检测方法多为大型侵入式探测器，在测量时会对植物造成物理伤害，而且仪器体积大限制了它们在草本植物上的应用。很长一段时间内，科学界没有一种方法可以在自然生长状态下长期监测植物茎流。　　为了解决这一难题，来自浙江大学的智能生物产业装备创新团队(IBE)、智能传感与微纳集成团队、蔬菜种质创新与分子设计育种团队开展了跨学科交叉研究，针对植物茎秆特殊的生理特性，利用芯片级的微纳加工工艺，制备了一种植物可穿戴式茎流传感器。　　这款传感器薄如蚕翼，厚度仅0.01毫米，重0.24克，如同“纹身”一样，能贴附在植物茎秆表面进行茎流监测。　　另一个工程难题是避免传感器对植物生理产生影响。研究团队通过特殊设计，使得植物正常生长发育所需的阳光、氧气、水和二氧化碳能够自由通过传感器，实现了传感器与植物的长期“和平共处”，最终实现在自然生长状态下长期观察茎流的目的。　　“这项工作为今后研制植物可穿戴传感器提供新的研究范式。”汪小知介绍，未来如何针对特定植物表面结构和生理特性，设计制备可穿戴传感器，如何评估传感器对植物生长和生理的影响，都可以从他们的研究中找到技术路径。　　发现西瓜生长竟在夜晚生长　　工欲善其事必先利其器，有了这么好的检测“传感器”，科研团队开展了一系列丰富的研究。　　浙大科研人员在西瓜茎干上几个关键位点部署了茎流传感器，长期无损的观察了水分在西瓜叶片、果实、茎秆等不同器官上的动态分配情况。通过对茎流数据的分析，研究团队首次发现了西瓜果实生长与光合作用不同步的现象。　　西瓜果实绝大部份是水(95%左右)，然而径流传感器测量发现：在白天只有极少部分水被运输入果实用于生长(5%)，绝大部份水被叶片蒸腾作用消耗掉 但是到了夜间，几乎所有的水分都被运输到果实，绝对茎流量相对日间增加了10倍。　　“白天积累的光合产物导致的渗透势差应该是夜晚径流激增的主要原因。同时，夜晚没有蒸腾作用消耗水分，促使大量径流输入到西瓜果实，从而实现了果实的重量增加与体积膨大” 胡仲远表示，这一发现也间接证明西瓜果实生长主要在夜间。　　这一发现改写了对于植物果实生长的传统认识。教科书中一般认为，植物生物量积累主要靠光合作用，而夜间以消耗生物量的呼吸作用为主。　　这个反常识性的发现不仅具有重要的科学价值，同时具有良好的应用前景。浙大科研团队表示，水是珍贵的农业资源，基于茎流对西瓜等耐旱作物体内水分运输和抗旱机理的解析，将为全球干旱地区的农业生产、节水灌溉、抗旱作物选育提供了新理论依据和技术支持。　　该研究受到国家自然科学基金、国家重点研发计划、浙江省重点研发计划的支持。