合肥地区不同类型源头溪流暂态存储能力及氮磷滞留特征

为揭示合肥地区不同类型源头溪流暂态存储能力及氮磷吸收滞留的基本特征,在城区和城郊筛选4条典型源头溪流,并以NH4Cl、KH2PO4为添加营养盐,以Na Cl为保守型示踪剂,开展现场示踪实验.在此基础上,利用OTIS模型水文参数(D、A、As和α),计算暂态存储指标(Ts、Tc、Ls、Rh和F200med),进而开展暂态存储能力分析,并以NH+4-N和SRP一阶吸收系数(λ、λs)解析氮磷滞留特征.结果表明:4条溪流水体的α值均处于10-4~10-3数量级;各溪流Tc基本都显著超过Ts,意味着这些溪流水体溶质滞留效应主要来自主渠道流动水体,而不是暂态存储区;根据Tc、Ts、Ls和Rh等指标,得到各源头溪流暂态存储能力排序为:二十埠河二级支流二十埠河一级支流十五里河源头段关镇河支渠;4条源头溪流主渠道流动水体与暂态存储区的NH+4-N、SRP滞留特征存在很大的差异,并且二十埠河一、二级支流和十五里河均不同程度出现λ-NH+4、λs-NH+4为负值的现象,意味着这些水体对于NH+4-N既具有短期存储作用,也起着"源"的作用.     

芦苇占优势农田溪流暂态存储特征及影响分析

2014年9月~2015年6月,在合肥市二十埠河流域一长约90m的芦苇占优势农田源头溪流渠段,选择NaCl为示踪剂,采用恒速连续投加的方式,开展8次野外示踪实验.在此基础上,利用OTIS模型对考虑和不考虑暂态存储影响的两种情景开展水质模拟,计算示踪剂氯离子(Cl^-)浓度峰值的相对偏差,并以暂态存储指标定量刻画农田溪流的暂态存储潜力.结果表明,不同季节的暂态存储交换系数α稳定在10^-4数量级;不考虑主流区与暂态存储区交换作用的Cl^-浓度峰值相对偏差HI的变化范围为2.60%~12.54%,平均值为5.35%;HI与流量Q呈现显著的对数函数关系,且随Q的增加而逐步减小;HI与比值A_s/A呈明显的线性关系,并随A_s/A的增加而逐步增大;8次示踪实验对应主流区停留时间T_c、暂态存储区水力停留时间T_s差异均较显著,且春季、初夏的暂态存储能力较秋、冬季更强一些;比值A_s/A变化范围为1.036~1.627, F_med²⁰⁰数值介于8.10%~23.03%,两者均表明该芦苇占优势渠段具有较大的暂态存储潜力.     

生活污水为主要补给源的城郊排水沟渠氮磷滞留特征

为揭示生活污水补给影响下排水沟渠氮、磷滞留特征,以合肥市城郊结合部的关镇河支渠为对象,以NH₄Cl和KH₂PO₄为添加营养盐,以NaCl为保守型示踪剂,开展5次现场示踪试验. 在此基础上,利用OTIS(one-dimensional transport with inflow and storage)模型估算D(扩散系数)、A(渠道过水断面面积)、A_s(暂态存储区断面面积)、α(暂态存储交换系数)、λ(主流区溶质一阶吸收系数)和λ_s(暂态存储区吸收系数);并利用营养螺旋原理,计算营养盐的S_w(吸收长度)、V_f(吸收速度)和U(吸收速率)等. 结果表明:①A_s/A具有随流量减小而增大的变化特征,平均值为0.35;5次试验得到的α均处在10-3数量级水平,平均值为2.49×10-3 s-1. ②S_w-NH₄和S_w-PO₄(分别表示NH₄-N和PO₄-P的S_w,下同)均较大,最大值分别达934 020、47 518 m,意味着关镇河支渠已基本不具备氮、磷滞留能力;而S_w-NH₄和S_w-PO₄均不同程度地出现负值,表明该支渠还具有“源”的作用. ③V_f-NH₄与河水平均深度、渠道流量均呈显著负相关,V_f-PO₄和U-PO₄与渠道水面宽度均呈显著正相关. ④NH₄-N和PO₄-P的营养螺旋指标与其相应质量浓度背景值无明显相关性.      

城郊排水沟渠溶质传输的暂态存储影响及参数灵敏性

选择Na Cl为示踪剂,于2013年9~10月在合肥城郊的关镇河支渠开展5次瞬时投加示踪实验.从暂态存储、侧向补给和对流-扩散等作用机制层面,设置4种模拟情景,解析暂态存储作用对于排水沟渠溶质传输规律的影响,并对OTIS模型参数进行灵敏性分析.结果表明,暂态存储对于主流区Cl-模拟浓度穿透曲线(BTCs)峰值大小影响很大,相对偏差高达24.23%~117.26%,显著高于对峰值出现时间的影响,且暂态存储影响显著超过了侧向补给作用;由相关性分析,主流区Cl-模拟浓度BTCs峰值大小和出现时间的相对偏差与As/A具有极显著相关性;4个主要参数的灵敏度排序为AAsαD.     

基于OTIS模型的巢湖十五里河源头段氮磷滞留特征

为揭示巢湖十五里河源头河段氮磷营养盐滞留特征,选择NH4Cl、KH2PO4及NaCl作为示踪剂,开展野外现场示踪实验.根据获得的氯离子浓度和营养盐浓度穿透曲线数据信息,利用OTIS与OTIS-P计算软件,估算水文参数(D、A、As、a等)和营养盐一阶吸收系数(λ、λs).在此基础上,计算暂态存储指标和营养盐吸收相关参数值,定量评估主河道流动水体与暂态存储对NH4+和SRP的损失贡献.结果表明,主河道与暂态存储区NH4+吸收系数平均值分别为3.88×10-6,8.81×10-4s-1,SRP分别为7.80×10-6,7.98×10-8s-1;综合衰减系数k-NH4平均值为1.64×10-4s-1,k-SRP为7.80×10-6s-1;NH4+和SRP的吸收长度Sw-NH4、Sw-SRP相当大,分别为1632.88,25471.32m,意味着该河段经由物理或生态过程去除N、P的可能性低;该河段Vf-NH4、Vf-SRP 值较营养盐浓度低的溪流或小河流偏小,但U-NH4、U-SRP则明显偏大;暂态存储对于NH4+损失的平均贡献率为93.82%,主河道水流对SRP损失的平均贡献率高达99.70%.     

基于OTIS模型的巢湖十五里河源头段氮磷滞留特征

为揭示巢湖十五里河源头河段氮磷营养盐滞留特征,选择NH4Cl、KH2PO4及NaCl作为示踪剂,开展野外现场示踪实验.根据获得的氯离子浓度和营养盐浓度穿透曲线数据信息,利用OTIS与OTIS-P计算软件,估算水文参数(D、A、As、?等)和营养盐一阶吸收系数(λ、λs).在此基础上,计算暂态存储指标和营养盐吸收相关参数值,定量评估主河道流动水体与暂态存储对NH4+和SRP的损失贡献.结果表明,主河道与暂态存储区NH4+吸收系数平均值分别为3.88×10-6,8.81×10-4s-1,SRP分别为7.80×10-6,7.98×10-8s-1;综合衰减系数k-NH4平均值为1.64×10-4s-1,k-SRP为7.80×10-6s-1;NH4+和SRP的吸收长度Sw-NH4、Sw-SRP相当大,分别为1632.88,25471.32m,意味着该河段经由物理或生态过程去除N、P的可能性低;该河段Vf-NH4、Vf-SRP值较营养盐浓度低的溪流或小河流偏小,但U-NH4、U-SRP则明显偏大;暂态存储对于NH4+损失的平均贡献率为93.82%,主河道水流对SRP损失的平均贡献率高达99.70%.     

基于原位调控的排水沟渠深潭氮磷滞留实证研究

为检验小河流氮磷营养盐滞留中深潭地貌作用，在合肥市境内两条源头排水沟渠，开展深潭容积和水深的土袋原位调控实验，并利用示踪实验和模型模拟技术，估算了调控前后深潭渠段的暂态存储潜力和氮磷滞留能力.结果表明：土袋调控情形下，板桥河支流深潭渠段F_med²⁰⁰下降85.42%,A_s/A比值降幅达43.49%；二十埠河支流F_med²⁰⁰下降82.67%～89.36%,A_s/A比值降幅达31.59%～39.78%，表明两条排水沟渠暂态存储潜力显著下降.与空白对照情形相比，板桥河支流深潭渠段NH₄⁺吸收长度S_w增幅达18.38%,PO₄^3-增幅达201.38%；二十埠支流源头NH₄⁺增幅为15.91%～19.92%,PO₄^3-增幅为7.05%～24.40%，意味着深潭容积减小、...     

农田溪流人工深潭地貌格局暂态存储特征分析

2015年11月~2016年2月,以NaCl为示踪剂,在巢湖流域某一农田源头溪流开展了5次野外示踪试验,并据此计算溪流的物理特征参数和暂态存储指标;通过对深潭渠段与平直渠段相关指标的比较,解析人工深潭地貌格局的暂态存储特征.结果表明:1人工深潭地貌格局渠段A_s/A基本都较平直渠段更高,但其交换系数α却较平直渠段低一个数量级;2人工深潭地貌格局的暂态存储对于溶质滞留的影响较平直渠段大,但其流动水体的溶质滞留能力则较平直渠段弱;3尽管深潭地貌格局拥有相对较大的A_s/A比值,但对溶质运移转化的综合影响却低于平直渠段;4人工深潭的暂态存储指标F200med可以解释18.86%~26.05%的溶质行进时间,平直渠段可以解释5.28%~33.87%,且大部分情况下平直渠段都较深潭渠段更高;5深潭地貌格局与平直渠段在φ_w、φ_A和T_s方面差异明显,而在其他指标方面则区别不显著.     

低流量河流的水量水质平衡研究

针对存在补给关系的河流或河段,提出更切合实际设计条件的水量平衡模型和水量水质平衡模型,进而确定了源与目标之间的响应关系参数和河流或河段的输移作用,在水量水质平衡模型基础上,给出推求自净环境容量的方法。该模型和方法已得到实际应用和检验,具有广泛的应用前景。      

感潮河网水域(广州河段)纵向离散系数的研究

感潮河网地区的污染物质混合输移的机制十分复杂,本文结合广州河段1987年枯水期的水文水质同步实测资料,利用理论分析,室内实验及计算机模拟识别等方法,对感潮河网地带的纵向离散系数进行了全面的研究。对天然河流的振荡剪切离散提出了一个实用的解析分析方法;通过实验研究分析了等效离散系数D*与振荡剪切离散系数D-的关系;利用实测数据分析了典型断面的D*/D-的基本特征,并通过计算机模拟,为广州河段提供了D*的预测公式。      

岩溶地下河污染物运移模型对比研究

两区模型（TRM）和暂时存储模型（TSM）为两种常用的岩溶地下河（管道）污染物运移模型,为了更好表征岩溶地下河污染物运移过程,开展模型对比研究.采用两种模型拟合室内管道示踪实验穿透曲线,从概念模型框架、模型优缺点、参数校正过程和物理意义、参数敏感性等方面对比分析两种模型的异同.结果表明,OTIS软件提供TSM的数值解,而CXTFIT软件提供TRM的解析解,但两者均能通过下游不同位置的穿透曲线分段表征地下河不同阶段的污染物运移过程.两种模型的物理意义相近,均可近似描述岩溶地下河中溶质的暂时性存储现象,较好地拟合溶质运移曲线.采用TSM可校正得到暂时存储区的横截面积,但采用TRM只能获得非流动区所占的比例.两种模型中弥散系数和传质/交换系数的敏感度较低,并且弥散系数的变化对穿透曲线拖尾无显著影响.研究结果为岩溶地下河污染物运移模型的选取与应用提供了依据.     

源头溪流氮磷耦合吸收效应及动力学模拟

为揭示源头溪流氮磷耦合吸收作用机制,选择NaCl和NaBr为保守型示踪剂、KNO₃和KH₂PO₄为添加营养盐,于2017年10月~2018年3月在合肥城郊的2条源头溪流,开展5次由单、双营养盐添加构成的示踪试验,利用TASCC技术方法,分别以Michaelis-Menten（M-M）方程和双营养耦合吸收曲面模型拟合营养盐吸收动力学过程.结果表明,双添加试验的NO₃^-N、PO₄^-P吸收速率均明显高于单添加情形,意味着溪流中NO₃^-N与PO₄^-P吸收存在相互促进作用;双营养耦合吸收响应曲面直观展示了氮、磷营养盐不同浓度水平及浓度比情形下吸收速率的演化趋势,诠释了较低浓度水平下溪流NO₃^-N（或PO₄^-P）吸收速率随PO₄^-P（或NO₃^-N）可利用量增加而增大的作用机制;两种动力学模型在NO₃^-N、PO₄^-P最大吸收速率拟合结果上均存在不同程度的偏差,其中M-M方程低估了U_max-N和U_max-P,相应幅度分别达3.91%~16.11%、3.23%~23.63%.     

水源区河流非点源污染物入河量计算的水质方程反演方法

以水质一维流方程为基础,建立了水源地区非点源污染物入河量计算的反演模型;计算了浙江省湖州市老虎潭水库水源地区各条支流的非点源污染物入河量;并通过对实测水文水质参数的统计,采用Monte Carlo模拟方法,分析了模型各输入参数的敏感性.由于该模型所有敏感参数都可以实测获得,避免了关键参数取值的人为主观因素的影响,保证了非点源污染过程定量分析的客观性;该模型在计算非点源污染物入河量时不受时间的限制,可以根据研究区域的水文水质监测频率计算任意时段内的非点源污染物入河量.结果表明,该水源区所有溪流中的氮、磷污染物负荷量都与溪流流量呈极显著正相关(r0.90,p0.01),因此,丰水期是非点源污染物入河的集中期;对输入参数的敏感性分析显示,对模型输出结果影响最大的是溪流的流量,其次是段末浓度和背景浓度,综合降解系数和流速的影响较小.     

降雨季节岷江上游高山森林溪流非木质残体氮和磷贮量特征

高山森林生态系统氮和磷可随溪流非木质残体的输出和降解而流失,进而影响下游水体环境,但目前缺乏必要关注.因此,本文以岷江上游高山森林为研究对象,于2013年8月(雨量最大季节)调查了18条溪流中的非木质残体(树皮、树叶和1 cm树枝)氮和磷贮量特征.结果表明,该区域溪流中非木质残体氮在单位面积集水区的贮量为2684 mg·hm-2,在单位面积溪流的氮贮量为774 mg·m-2,其中,树皮、树叶和1 cm树枝在单位面积溪流的贮量分别为112、154和508 mg·m-2,分别占总氮贮量的14%、20%和66%;溪流中非木质残体磷在单位面积集水区的贮量为468 mg·hm-2,在单位面积溪流的磷贮量为135 mg·m-2,其中,树皮、树叶和1 cm树枝在单位面积溪流的贮量分别为15、31和89mg·m-2,分别占总磷贮量的11%、23%和66%.回归分析结果表明,非木质残体氮和磷贮量均随溪流长度和面积的增加而显著增加,但随溪流流量的增加表现为先增加再降低的趋势.这些结果为深入认识岷江上游高山森林氮和磷流失途径及其对下游生态系统的潜在影响提供了新的思路.     

水库泄洪闸下溪流深潭氮磷营养盐滞留特征及动力学模拟

为解析水库泄洪闸下溪流深潭氮磷营养盐滞留特征,选择NaBr为保守示踪剂,分别以NH₄Cl和KH₂PO₄为添加营养盐,在合肥板桥河源头溪流开展野外示踪实验,据此估算氨氮（NH₄⁺）、磷酸盐（PO₄^3-）营养螺旋指标,识别主流区和暂态存储区NH₄⁺、PO₄^3-滞留贡献水平,模拟深潭地貌的氮磷吸收动力学特征.结果表明,深潭具有较好的氮磷滞留潜力,且对PO₄^3-的滞留潜力超过NH₄⁺;暂态存储区对NH₄⁺的滞留贡献率平均为91.49%,表明NH₄⁺滞留主要发生在暂态存储区;主流区对PO₄^3-的滞留贡献率平均为96.09%,意味着主流区是PO₄^3-滞留的主要场所;Michaelis-Menten（M-M）方程可以较好的模拟深潭氮磷滞留动力学效应,模拟得到的最大吸收速率U_max-NH₄、U_max-PO₄均值分别为0.48、0.08 mg·m^-2·s^-1,半饱和常数K_m-NH₄、K_m-PO₄均值分别为0.26、0.19 mg·L^-1.     

污水厂尾水占主导溪流养分滞留潜力及影响因素

为了解污水厂尾水排入对小河流养分滞留的影响,选择南淝河流域二十埠河上游污水厂尾水占主导的磨店小溪流为对象,根据野外示踪试验和模型模拟结果,利用养分螺旋指标定量评估溪流NH₄⁺-N、NO₃^--N和SRP滞留潜力,识别主要影响因素.结果表明,NH₄⁺-N和SRP的主流区一阶吸收系数（λ）较暂态存储区（λ_s）高1个数量级,而且两者的λ或λ_s数值大小颇为接近.S_w-NH₄、S_w-SRP和S_w-NO₃平均值分别为12.71,14.09,7.48km,均远高于溪流总长度,意味着溪流已不具备氮磷养分的去除能力.NH₄⁺-N和SRP吸收长度高于NO₃^--N,但其吸收速度却较NO₃^--N低,表明NO₃^--N滞留潜力相对较高.与该溪流上已有研究的比较,未发现污水厂尾水排入对溪流养分滞留带来明显的不利影响.回归分析表明,水文条件是影响溪流氮磷滞留的重要因素,虽然V_f-SRP、U-SRP都与暂态存储显著相关（P<0.05）,但NH₄⁺-N、NO₃^--N吸收指标与其关系并不显著.     

二维砂箱溶质示踪实验的图像分析法

有色示踪剂在砂箱溶质运移实验中有着广泛的应用,因此,本文介绍了一种通过对数字图像进行分析以确定多孔介质中有色示踪剂浓度分布的方法.在实验过程中,通过建立有色示踪剂浓度与图像颜色要素之间的定量关系,从而能够利用数字图像迅速确定某一时刻砂箱内部的示踪剂浓度分布.结果发现,与传统定点采样方法相比,图像分析法可以达到更高的空间和时间分辨率,从而观察到有可能被忽视的重要溶质运移过程,能够为地下水溶质运移实验研究提供了一种经济实用和高空间分辨率的数据采集手段.但由于色彩空间变化范围的限制,图像分析法只能在一定溶质浓度范围内适用.