TASCC方法在研究山区流域氨氮输移转化中的应用.pdf
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1、水 力 发 电第 卷第 期 年 月 .方法在研究山区流域氨氮输移转化中的应用潘佳佳 余甜雪 李纪宇(浙江大学水科学与工程研究所 浙江 杭州 浙江省水利水电勘测设计院有限责任公司 浙江 杭州)摘 要:为探究基于 的养分添加示踪方法在山区流域内不同特征河道的氨氮吸收能力研究中的适用性及其优缺点 以浙江西南部山区小港流域为研究对象 在自上游至下游的 处试验点开展了氨氮的营养盐添加示踪试验同时采集流域水生态环境特征数据 结果表明 基于 方法和 吸收动力学模型量化小港流域的氨氮吸收能力 除在下游低流量的宽河道外都有较好的应用效果外 流域内氨氮吸收能力的空间分布差异可能与河道断面几何形态、流量、流速、背景
2、浓度和水生态环境等因子有关关键词:流域氨氮吸收 尺度效应 方法 流域水文 山区源头流域 .中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目()国家重点研发计划()作者简介:潘佳佳()女 浙江瑞安人 硕士研究生主要从事水资源与水环境工程研究.0引言天然河道特别是源头溪流自身对氮、磷等营养物质具有滞留和吸收功能 通过生物同化、硝化反硝化和沉积物吸附等作用 可显著降低养分浓度较大的河床底栖生物表面积促进了底栖生物群落对营养物质的吸收截留 的氮进入水体会被 级小河拦截 近年来的养分滞留研究都集中在上游小溪流 为了量化河道的养分吸收 等提出了基于营养盐瞬时添加示踪的()
3、方法 优化了 等使用的稳定同位素示踪测量法因实际操作困难且分析样品的设备昂贵存在的问题近年来 许多学者基于 方法开展研究第 卷第 期潘佳佳等:TASCC 方法在研究山区流域氨氮输移转化中的应用 .等基于 研究了半干旱溪流中 吸收的动态变化特征 等使用 方法评估了示踪试验中背景至饱和浓度范围内养分螺旋指标的不确定性 李如忠等对农业排水沟渠 吸收进行了研究 但在大多数的地理环境中都缺乏关于溶质吸收的详细实测数据 由于野外试验耗费大且难以控制环境条件 很少在流域内进行大范围的实验研究 本研究将基于 氨氮添加示踪试验对浙江省西南部山区源头溪流小港流域的养分吸收能力进行量化 并收集流域特征数据 为不同环
4、境下的 方法的适用性和优缺点提供依据1研究区域及试验方法 研究区域小港流域位于浙江省丽水市松阳县西南部山区流域面积 该区水系众多且大多为山溪性河流 河道蜿蜒曲折 上游溪流流速快 河道狭窄而坡降较大 部分下游溪流地形呈深潭或浅滩 流量受降水控制明显 水位易涨易落 洪水、枯水间差异显著 该地属于亚热带季风气候 四季分明温暖潮湿 年平均气温 月最冷 月最热 年平均降水和蒸发量分别为 和 雨季在 月 月 月 月为多雨季节 降水量占全年的 其中 月 月属于春雨期 月 月属于梅雨期 月 月为台风雨季 月、月气温高而降水少 蒸发大于降水 易出现晴热少雨的伏旱天气 降水量占全年的 月雨量最小 仅 营养盐瞬时添
5、加示踪试验经过前期实地考察 确定了小港流域内 处 长的试验河段 基本情况如图 所示 年 月 对小港流域内 处试验河段各开展了一场 氨氮瞬时添加示踪试验 每场试验现场测量采集溪流特征数据野外氨氮添加示踪试验分为 个步骤:准备工作、现场试验和水样测定 试验开始前 采集河段的背景浓度水样 并测定水温、溪流流速及流量以此计算(保守示踪剂)和()(生物活性示踪剂)示踪剂投放量 将便携式电导率仪探头插入溪流中固定 显示水中离子浓度实时数值 在上游起点处将混合示踪溶液瞬时倾倒至溪流中并开始计时 在 的下游采样处 每分钟记录一次电导率 根据电导率数据画出曲线的上升和下降的斜率决定采样频率 曲线上升或下降得越快
6、(即浓度快速变化时)采样越频繁 直至电导率曲线回归平稳获得完整的示踪剂浓度穿透曲线 采集的水样需要图 小港流域水系及试验站点分布过滤、冷藏并在 内运往实验室测定浓度 流域特征数据采集及测定在野外开展氨氮添加示踪试验并计算相关参数的基础上 采集了流域内溪流的水文、水质和水生态数据 包括:年小港水文站的月均流量数据 直接从小港水文站的水文年鉴中获取 小港流域内干流下游的试验点 大东坝溪流口月度水质采样数据 小港流域内各试验点溪流的水质生态实地采样数据 现场采集并在实验室测定2基于 TASCC 方法的养分吸收参数计算 添加氨氮动态螺旋指标计算先利用下式确定添加营养盐的动态综合衰减系数()即()式中
7、为试验中采集的水样扣除背景浓度(未开展试验溪流在自然状态下的浓度)后的 与 浓度之比的自然对数 无量纲 为示踪剂混合溶液中 与 浓度比的自然对数 无量纲 试验渠段长度 本研究中均为 采集的水样均需要满足条件:添加养分的三项动态螺旋指标、和的计算公式为()()水 力 发 电 年 月 .()式中 为 添 加 氨 氮 的 动 态 吸 收 长 度 为添加氨氮的动态吸收速率/()为添加氨氮的动态吸收速度/为溪流流量/为河宽 为观测(背景校正)和保守氨氮浓度的几何平均值/()式中 为保守氨氮浓度 是氨氮在保守输送的情况下到达下游采样点的氨氮量/计算为水样 浓度(扣除背景浓度)与添加溶液的 的乘积 为经过背
8、景校正的实测水样氨氮浓度/氨氮背景浓度螺旋指标计算背景螺旋指标可以代表溪流在自然无额外营养添加情况下的吸收能力 首先 氨氮总动态浓度计算公式为()()式中 为在水样里检测到的总氨氮浓度(未经背景校正)/为氨氮的背景浓度/对 线性回归 即估算为线性回归方程的截距 在此基础上 计算背景吸收速率 和背景吸收速度 公式为()()氨氮总动态螺旋指标计算在整个添加试验过程中 背景吸收速率和添加氨氮的动态吸收速率之和代表了总动态吸收速率 公式为()总动态吸收速度 可以计算为()基于 的吸收动力学模型在本研究中 用 动力学模型拟合 的关系 并确定每场示踪试验的最大吸收速率参数 和半饱和常数 公式为()式中 为
9、当 时对应的值/3研究结果 流域水文生态环境背景数据 小港水文站月均流量数据 年小港水文站逐月月均流量如图 所示由图 可知 小港流域的月均流量呈显著季节变化春末至夏末 月 月为丰水期 峰值在 月 月枯水期从 月次年 月 流量最低值在 月 与流域雨季分布大体一致图 年小港水文站逐月月均流量 大东坝溪流逐月水生态环境数据 年大东坝溪流逐月水文水质数据如图 所示 将大东坝溪流出口处的水文水质数据按时间顺序展示 空白表示实测值空缺 从图 与图 对比可知 大东坝与小港流域的流量变化趋势一致 图 中的水温与小港流域所处的季节气温变化一致由图 可知 氨氮浓度的季节性变化规律不显著 由图 可知 夏季溪流的 值
10、略高于冬季主要原因是冬季 溶解度高 由图 可知 由于电导率与盐分浓度呈正相关 而春夏季溪流的电导率高于秋冬季 因此其盐分浓度也较秋冬高 由图 可知 夏季溪流的水的溶解氧()浓度最低 秋冬季节上升 月达峰 春季递减 这与温度及水生生物数量有关 冬季水温低 饱和度高 且生物量少活性差耗氧少 因此溶解氧浓度高 高浓度 会强化水体的硝化作用而加速消耗氨氮 促进消耗大量硝酸盐氮的藻类繁殖过程 因此 推断大东坝的氨氮浓度一般应是夏季低、冬季高由图 可知 化学需氧量()夏季高、冬季低 可能由于夏季阳光充足、气温高以及水体生物生长迅速 增加了泵吸作用和底泥中营养盐的释放 导致水体需氧量增加 由图 可知 生化需
11、氧量()在春夏高而秋冬低 与水体中生物的生长第 卷第 期潘佳佳等:TASCC 方法在研究山区流域氨氮输移转化中的应用 .周期一致 由图 可知 总氮()浓度大致呈春夏高 秋冬低 推测由于春夏温度增高会加强水体微生物的反硝化作用 由图 可知 总磷()浓度在 月 月显著升高与雨季来临有关 流域土地内积存的磷容易随雨水冲刷进入河流 且夏季微生物生长活跃 聚磷菌的聚磷速度加快、的浓度基本都是在春夏高而秋冬低 特别是在丰水期 月、月都很高图 年大东坝逐月水文水质数据由图 可知 氟化物在春夏汛期浓度低 冬季枯水期浓度高 枯水期降水少流量小 由于蒸发和溶解氟化物达到了最高浓度 由图 可知 粪大肠菌群浓度在冬季
12、最低 春夏季节浓度显著升高 原因是冬季气温较低 不利于水中粪大肠菌群的繁殖而自春始 水中温度、光照等条件的上升 为菌群提供了适宜的生长环境 春夏季菌群数量有较强的上升趋势 并在 月达到最大值 各试验点水生态环境采样数据 年 月 对流域内 个试验点进行水文水生态和水质环境数据采样 将结果按上游至下游排序 采样数据如图 所示 由图 可知、浓度从上游到下游先升后降再上升 在干流的三处试验点(大东坝、黄南、排居口)的浓度高于支流 与 类似 营养物质、的浓度也呈干流高、支流低 大东坝是干流浓度反而低水 力 发 电 年 月 .碳氮摩尔比值从上游向下游递减 且发现大潘坑的所有浓度值均低 推测由于其附近有原始
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