生物堵塞作用对河床起伏潜流带氮迁移转化影响的数值分析

发布时间：2020-10-20 16:48

　　 随着人类工农业活动的增强,地表水体中氮污染不断加剧。在天然环境中,河床表面常由一系列起伏的微地形组成,床面局部形态驱动河流携带溶质、营养物质和污染物等进入潜流带,在微生物的介导下发生一系列生物地球化学反应后排泄到河水中。微生物依赖营养物质生长繁殖,聚集形成的菌落并分泌的胞外聚合物堆积在沉积物中,使河床渗透性降低,造成堵塞,影响甚或改变水流与溶质(氮素)的潜流交换过程。研究生物堵塞作用对氮素迁移转化的影响,对于更深入的了解潜流带氮循环过程,以及河流流域氮污染的防治和治理具有重要意义。室内水槽实验以及野外采样监测都难以捕捉到生物堵塞的过程,数值模拟可视化的结果能清晰的展示潜流带生物地球化学环境的分布和变化,因此本文采用数值模拟方法。利用ANSYS Fluent软件,模拟床面微地形情况下河水的流体动力学过程,获取床面水头分布并作为地下水流模型的上边界。运用COMSOL Multiphysics软件建立饱和地下水流与溶质运移-微生物生长耦合模型,模拟二维沙波驱动氮素潜流交换过程以及生物堵塞现象。并进一步探究有机碳含量、河流流速、床面形态以及河流-地下水补排关系对生物堵塞作用和氮循环的影响,主要研究结果如下:1.潜流带内生物堵塞作用对氮迁移转化的影响微生物生长繁殖造成的河床於堵,沙丘迎水面沉积物孔隙度由0.3降低到0.22左右;潜流带中形成氧化还原环境分层,沙丘浅部迎水面呈氧化环境,背水面及深部偏还原环境;生物堵塞限制了NO_3~-的运移深度,铵氮成为潜流带中氮素主要形式。2.生物堵塞作用对硝态氮源汇功能的影响1)生物堵塞区域内RNO_30,沙丘浅层作为硝态氮的源,沙丘深层作为硝态氮的汇;随着堵塞不断形成,潜流带作为硝态氮源的范围不断缩小,作为硝态氮汇的区域不断扩大。2)潜流带在反应初期(0-10.4天)作为硝态氮的源,硝态氮生成速率较低且随时间不断降低;在反应中后期(10.4-30天)作为硝态氮的汇,硝态氮的去除效率随时间先增大后减小,在反应达到稳定时,硝态氮的去除效率为35.00%。3)潜流带氧气的Damk?hler数在水沙界面附近Dao_21,沿水流运移路径不断降低至小于1,且Dao_21的区域随生物堵塞作用的发生不断缩小。RNO_30和Dao_21的空间分布相似,Dao_2的值可以较好的指示潜流带硝态氮的源汇功能。3.环境因素对生物堵塞作用和氮循环的影响1)基于不同有机碳浓度下的模拟对比发现,当有机碳浓度受到限制时,河床几乎不存在生物堵塞,潜流带以硝化作用为主,且不发生反硝化作用;当有机碳浓度过量时,生物堵塞范围有所减小,但堵塞程度增强,潜流带中反硝化作用强烈,几乎无硝化作用,造成了地下水铵氮污染。2)生物堵塞作用同样受到地表水流条件及地形条件的影响。不平整的河底地形和较大的地表水流速会增大沙丘迎水面和背水面的压力差,促进微生物的生长繁殖,扩大生物堵塞范围,从而增强生物地球化学反应速率。较快的反应速率和较大的堵塞范围均有利于硝态氮和和铵氮的去除。3)生物堵塞程度和生物地球化学反应速率受到河流与地下水相互作用的影响。细菌总生物量和各反应速率与地下水排泄强度呈负相关关系,生物堵塞程度减弱,硝态氮的去除效率降低;细菌总生物量和各反应速率与地下水补给强度呈正相关关系,生物堵塞程度增强,硝态氮的去除效率增大。
【学位单位】：中国地质大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X143;P641.3
【部分图文】：

二者的混合[26,27]。床面形态引起的泵吸交换如图 1.1 所示，河流紊流流动使河表面形成特定的压力梯度，沙丘迎水面为高压区，背水面为低压区，压力梯度动河流与饱和沙丘之间发生水量交换[28,29]。当河床移动时，迎水面泥沙被冲散释放孔隙水，背水面泥沙沉降截留地表水充当孔隙水，该过程称为冲淤交换。流交换控制溶质在河道中的运输和滞留时间，影响其迁移转化，进而影响对河系统的生态健康和理化性质。

氮循环示意图

塞范围、程度和细菌生物量）及氮素迁移转化的影响。1.3.3 技术路线图 1.3 技术路线图1.3.4 论文创新点1）采用数值模拟方法，揭示床面形态起伏条件下生物堵塞对潜流带氮循环的影响。综合考虑地表水-地下水的交互作用、营养物质循环和微生物的新陈代谢过程，建立潜流带氮循环的全耦合模型。2）揭示河流有机碳含量、河流流速、沙丘高度以及河流-地下水补排关系对10
【参考文献】

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本文编号：2848918