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.     

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.     

合肥城郊典型源头溪流不同渠道形态的氮磷滞留特征

为揭示源头溪流中深潭和曲折沟渠两种典型渠道形态的氮磷养分滞留特征,在合肥城郊二十埠河的某一级支流上,以NH4Cl和KH2PO4为添加营养盐,以NaCl为保守型示踪剂,开展现场示踪实验.在此基础上,利用OTIS模型软件、暂态存储参数和养分螺旋原理,解析深潭和曲折沟渠氮磷滞留特征.结果表明:1深潭的As值较曲折沟渠大,但其α值则较弯曲沟渠小1个数量级,而且As和α值随水文条件变化均不显著;2深潭中主渠道流动水体的NH+4-λ较其暂态存储区的NH+4-λs高2~3个数量级,曲折沟渠的NH+4-λ与NH+4-λs数值较为接近;3深潭中NH+4-Vf较SRP-Vf高1~2个数量级,而在曲折沟渠中,不仅NH+4-Vf与SRP-Vf数值较为相近,NH+4-Sw与SRP-Sw也基本相当;4深潭的NH+4-U较SRP-U高出2~3个数量级,曲折沟渠NH+4-U则较SRP-U高出1~2个数量级;5总的来说,在对NH+4和SRP滞留影响方面,深潭和曲折沟渠存在较大的差异性,且在深潭中NH+4的滞留效应显著超过SRP.     

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.     

合肥城郊典型农田溪流水系统沉积物磷形态及释放风险分析

2014年10月(秋季)和2015年4月(春季),针对巢湖二十埠河流域某一典型农业源头溪流水系统,就水塘、支流、干流和深潭等4种溪流构成模式,分别采集17、16、14和13份表层沉积物样.在分析测试的基础上,解析沉积物的磷形态及其季节性变化特征;并以多元统计分析技术,对4种构成模式开展聚类分析和差异性分析;通过对沉积物磷吸附指数PSI的计算和相关性分析,定量评估磷素释放风险,识别主要影响因素.结果表明:1溪流水系统沉积物TP含量变化范围为137.517~1 709.229 mg·kg-1,均值为532.245 mg·kg-1,各形态磷的平均含量高低排序为:IP(350.347 mg·kg-1)OP(167.333mg·kg-1)Fe/Al-P(78.869 mg·kg-1)Ca-P(56.343 mg·kg-1)Ex-P(6.609 mg·kg-1);2 4种构成模式中,各形态磷含量均表现出相同的变化趋势,即深潭干流支流水塘;3秋季时干流和深潭聚为一类、支流和水塘为另一类,春季时则干流、支流和深潭归为同一类;4方差分析表明,秋季时溪流不同构成模式之间的差异性指标更多;5沉积物PSI变化范围为24.49~69.94(mg·L-1)·(100 g·μmol)-1,且春季低于秋季,说明春季的磷素释放风险更高一些;6 PSI与Ex-P、IP和p H呈显著或极显著负相关性.     

水文变化条件下农田溪流营养盐滞留效应模拟

以巢湖流域某一典型农田源头溪流为对象,基于溪流水文条件的动态变化性,从水文概率密度模型与营养盐滞留率模型综合集成角度,解析较长时间尺度下营养盐滞留有效流量的动态变化特征.在对水文概率密度模型Monte Carlo随机模拟的基础上,根据先前10次野外示踪实验获得的营养盐吸收速度等数据信息,定量评估溪流营养盐滞留的总体水平,估算最有效流量和等效流量.结果表明,农田溪流渠段的NH₄⁺、PO₄^3-滞留能力总体偏低,相应的期望滞留率分别为0.0671(6.71%)和0.0541(5.41%),最有效流量分别为0.0051,0.0049m³/s,功能等效流量分别为0.044,0.043m³/s.基于溪流营养盐吸收速度明显偏低的客观现状,有必要从溪流形态和河床地貌特征的改造着手,提升溪流水体营养盐滞留能力.     

基于TASCC的典型农田溪流氨氮滞留及吸收动力学模拟

为揭示农田溪流氨氮滞留的动态变化性,选择NaCl为保守示踪剂、NH4Cl为添加营养盐开展野外瞬时投加示踪实验.在此基础上,采用TASCC方法和养分螺旋指标定量刻画 滞留动态,并以Michaelis-Menten模型(M-M方程)模拟 吸收动力学特性.结果表明:背景浓度的 吸收长度Sw-amb变化范围为93.94~295.54m,平均值为177.41m;质量传输系数Vf-amb变化范围为0.16~0.38mm/s,平均值为0.26mm/s;吸收速率Uamb变化范围为0.16~0.38mg/(m2×s),平均值为0.26mg/(m2×s).由M-M方程模拟得到的 最大吸收速率Umax为0.59~1.38mg/(m2×s),半饱和常数Km为1.10~5.03mg/L. 在从背景浓度到饱和浓度区间范围内展现出的Sw-add-dyn、Utot-dyn和Vf-tot-dyn动态变化性,验证了TASCC解析 滞留动态和吸收动力学特征的可行性和有效性.     

基于OTIS模型的巢湖十五里河源头段参数灵敏性分析

为探究城市地区渠道化源头河段水环境模型参数灵敏性,以巢湖流域十五里河源头段为对象,选择氯化钠(NaCl)为保守型示踪剂,采用瞬时投加方式,开展现场示踪试验. 在此基础上,利用OTIS模型(小河流水体溶质迁移扩散模型)模拟溶质(示踪剂)输移扩散规律,并以均方误差(RMSE)为目标函数,就±10%和±20%等参数多种变幅情景,采用扰动分析方法对A(河道过水断面面积)、A_s(暂态存储区断面面积)、α(交换系数)及D(扩散系数)等参数开展局部灵敏性分析. 结果表明:在十五里河源头段溶质迁移特征模拟方面,OTIS模型具有很好的适用性;尽管不同河段各参数的灵敏性排序存在一定的变化性,但总体趋势较为明显,表现为A＞α＞A_s＞D,这与欧美国家空间尺度相近的一些小河流水体基本相同;由于α和A_s的灵敏性超过D,表明在渠道化的城市小河流源头段,考虑暂态存储对于溶质输移扩散的影响十分必要. 研究结果进一步验证了扰动分析方法对于OTIS模型参数灵敏性分析的有效性.      

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%.     

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.     

湘江源头某河段水体重金属污染特征与健康风险评价

为探究湘江源头某河段水体重金属分布特征并探讨其对沿岸居民健康的影响,在丰水期、枯水期以及平水期对该河段13个地表水样品中的5种重金属（As、Cu、Pb、Zn、和Cd）进行监测,通过内梅罗综合污染指数法、健康风险评价模型评价了该河段水体中5种重金属的污染现状、分布特征和可能产生的健康风险。结果表明,该河段水体中重金属浓度表现为Zn>As>Pb>Cd>Cu,污染程度为平水期≈枯水期>丰水期,且上游≈中游>下游。内梅罗综合污染指数法评价结果表明,该河段水体86.1%的采样点全年处于重度污染状态。健康风险评价结果表明,该河段地表水体中重金属引起的环境健康风险主要来自于As、Cd,二者浓度表现为上游>中游>下游,枯水期>平水期>丰水期,且儿童所面临的健康风险约为成人的2.1倍。     

Spatial and temporal variability of agricultural pollutants in an agricultural headwater stream within a multipond system, southeastern China

The spatial and temporal variability of nutrients and suspended solids were investigated for two years in a 1.8 km agricultural headwater stream, located by Chaohu Lake, southeastern China. The stream form was greatly modified by human activities into channelized, pond and estuary shapes. The stream could be divided into 4 channelized reaches(1.3 km), a pond reach(0.15 km) and 3 estuary reaches(0.36 km). It was found that nutrients and TSS concentrations in the stream showed temporal variability, and higher concentrations occurred in months with high precipitation and intensive agricultural activities. And, retention of total nitrogen ( TN ), nitrate ( NO3-N ),ammonium( NH4^ -N) and total suspended solids (TSS) predominantly occurred in the pond reach and estuary reaches with larger width and low current velocity. Pollutants retained in these reaches accounted for more than 50% of those retained in whole stream. The retention mostly happened in the rain-runoff events and it was 7 to 27 times than that in base flow. The results showed that the channelized reach was the most important source for pollutants release under either runoff or base flow, and its release accounted for more than 90% of whole stream release.There was a high spatial variability of nutrients retention in different channelized reaches. The channelized reach directly discharging into the pond did always retain nutrients and TSS under base flow and runoff conditions, whereas the other channelized reaches performed differently in different hydrological conditions. The high spatial and temporal variability of nutrients and TSS in the stream indicated that anthropogenic disturbance of the agricultural headwater stream, such as channelization and excavation, would be expected to decrease the capacity of nutrients retention in the stream.     

溪流营养盐滞留的水文与非水文过程分析方法

为评估溪流营养盐滞留中水文与非水文过程的影响及其贡献水平,首先定义了水文与非水文过程营养螺旋指标,并在将水文过程营养盐吸收长度S_w＿hyd、非水文过程营养盐吸收长度S_w＿nonhyd和溪流营养盐吸收长度S_w＿tot三者之间假设为“并联电路总电阻和各支路电阻”关系模式的基础上,提出了测算S_w＿nonhyd的技术方法;基于不同水文与非水文过程作用情景的OTIS（One-dimensional Transport with Inflow and Storage）模型模拟,构建了计算溪流水文与非水文过程营养盐滞留贡献率及估算溪流主流区和暂态存储区非水文过程营养盐滞留量的模型与方法,并将上述方法应用于溪流丁坝群NH₄⁺-N、PO₄^3--P滞留调控实验的案例中.结果表明：水文与非水文过程营养螺旋指标能够较好地反映溪流营养盐滞留潜力;与对照组相比,丁坝群结构显著降低了水文过程NH₄⁺...