基于TASCC的源头溪流氮磷滞留特征及耦合吸收效应模拟

发布时间：2020-07-19 17:17

【摘要】：源头溪流数量众多、分布广泛,对于改善和调控流域下游水质具有重要作用。为揭示源头溪流中氮磷吸收动力学特征及耦合吸收作用机制,选择合肥城郊的两条源头溪流为研究对象,分别以NaCl和NaBr为保守型示踪剂,KNO_3(或NH_4Cl)和KH_2PO_4为添加营养盐,于2017年10月~2018年5月共开展了10次由单、双营养添加构成的示踪试验。在此基础上,借助TASCC(Tracer Additions for Spiraling Curve Characterization)技术尝试解析源头溪流氮磷滞留特征;再从氮、磷耦合角度评估氮磷滞留潜力,并揭示相应的耦合作用机制;最后,利用相关性分析和回归分析,识别影响氮磷耦合吸收的主要环境因子。本研究取得的主要成果如下:(1)基于TASCC的动态养分螺旋指标计算结果表明,溪流中硝态氮、氨氮和磷酸盐的背景吸收长度S_(w-amb)平均值分别为464.37m、395.72m和303.22m,一致显著低于试验渠段所在溪流总长度,意味着溪流对硝态氮、氨氮和磷酸盐均具有一定的截流净化能力。(2)M-M方程能够较好地模拟溪流中硝态氮、氨氮和磷酸盐的动态吸收过程,并得到相应养分的最大吸收速率U_(max)平均值分别为0.16 mg/(m~2·s)、0.25 mg/(m~2·s)和0.17 mg/(m~2·s);温度和渠道地貌形态结构异质性是影响溪流中硝态氮、氨氮和磷酸盐滞留过程及潜力的关键因素,其他因素的影响相对较小。(3)硝态氮与磷酸盐共同添加时两者的最大吸收速率U_(max)较单独添加时分别提升了15.38%~81.25%、15.38%~127.78%,半饱和常数K_m则分别降低了15.38%~41.71%、8.54%~40.43%;氨氮与磷酸盐共同添加时两者的U_(max)较单独添加时分别提升了34.38%~80.95%、46.15%~115.38%,K_m则分别降低了8.23%~48.70%、12.66%~40.63%,表明溪流中的硝态氮与磷酸盐、氨氮和磷酸盐吸收均受到彼此可利用量的影响,即表现出不同程度的协同效应。(4)氮磷耦合吸收响应曲面模型定量模拟了养分耦合吸收动力学过程,并得到硝态氮与磷酸盐耦合吸收时两者的最大吸收速率U_(max)平均值分别为0.28mg/(m~2·s)、0.39 mg/(m~2·s);氨氮与磷酸盐耦合吸收时两者的最大吸收速率U_(max)平均值分别为0.44 mg/(m~2·s)、0.33 mg/(m~2·s);M-M模型拟合得到的U_(max)拟合结果一致低于氮磷耦合吸收响应曲面模型。(5)渠道地貌形态结构异质性是影响氮磷耦合吸收的关键因素,水文因素次之,背景浓度的影响相对较小。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X52
【图文】：

溪流,空间位置

第二章研究区概况及试验方案1 研究区概况1.1 自然地理概况二十埠河发源于长丰县三十头乡南部的农作区，主要流经合肥东北部地区南淝河的重要支流，流域面积达 136km2，全长共 27km。二十埠河所属区域，气温 15.7℃，年均降水量 941.32mm，四季分明，为典型的亚热带季风性湿润。流域境内两岸地势较为平缓，平均海拔 20-40m；地貌类型包括丘陵岗地、残丘和低洼平原，且以丘陵岗地为主；土壤主要以黄棕壤和水稻土为主，植盖主要为杂草和常见阔叶树，主要树种有柳树、刺槐、冬青和黑松等。上游利用类型以农业用地为主，下游主要为建设用地。二十埠河在肥东县河上口汇入南淝河后入巢湖，是巢湖重要氮磷污染来源，每年向巢湖输送大量富含的污水。本研究从二十埠河为数众多的支流中筛选出张洼小溪流与磨店小溪对象（图 2.1）。

序列,现场照片,渠段,溪流

(c)改造后上游 (d)改造后下游图 2.3 磨店小溪流现场照片Fig 2.3 Field photos of Modian creek2.1.3 张洼小溪流概况张洼小溪流位于新蚌埠路与新汴河路交叉口附近，全长约 2.3km，陶冲水库是该溪流重要补给水源地之一。在唐河东路与新汴河路间选择一条长约 140m 的溪流渠段，作为野外示踪试验靶区。溪流形态较为复杂，基本呈“S”型，上下游形态较为曲折，各存在一处接近 90°的弯道，中部渠段相对较为平直，断面规则性较好。渠道河床地貌特征丰富，整个试验渠段存在多个深潭-浅滩序列。下切深度0.2~1.7m ，水深 26~58cm ，水面宽度 0.73~1.49m ，流速 15~30cm/s ，流量0.045~0.084m3/s。渠道西侧主要为蔬菜种植用地，渠壁光滑陡峭，东侧为桥梁施工道路，渠岸较为平缓，遍布杂草和碎石，水中鲜有大型水生植物生长。水中 NO3-N、NH4-N 和 PO4-P 的平均浓度分别为 0.30、0.45 和 0.04mg/L。

现场照片,示踪试验,双营养,营养盐

(c)2018 年 4 月 16 日 (d)2018 年 5 月 2 日图 2.5 张洼小溪流现场照片Fig 2.5 Field photos of Zhangwa creek2.2 野外示踪试验方案本研究于 2017 年 10 月~2018 年 5 月在拟选定的两个试验渠段共开展了 10 次现场瞬时投加示踪试验。其中，前 4 次示踪试验开展于磨店小溪流，试验编号分别记为 M1、M2、M3 和 M4，后 6 次示踪试验开展于张洼小溪流，试验编号分别记为 Z1、Z2、Z3、Z4、Z5 和 Z6。10 次示踪试验均选取 NaCl 和 NaBr 作为保守型示踪剂，KH2PO4作为磷添加营养盐，并分别选取 KNO3或 NH4Cl 作为氮添加营养盐与 KH2PO4配对各开展 5 次现场瞬时投加示踪试验。在每次示踪试验前一天，前往现场开展 NO3-N（或 NH4-N）、PO4-P、Brˉ和 Clˉ等示踪离子的背景浓度调查和溪流流量估算，并结合拟达到的浓度峰值，确定各示踪剂投加量。每次示踪试验均包括单、双营养添加试验两种情形，且保持单、双营养添加试验中的同一种营养盐投加量相同。具体试验过程如下：

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