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溪流氮磷滞留的深潭效应及沟渠调控模拟研究

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源头溪流作为河流系统的重要组成部分,其所具有的氮磷营养盐滞留功能对调控下游水体水质有着十分重要的意义。为解析溪流自然深潭氮磷营养盐滞留效应,评估人工调控措施对溪流沟渠氮磷滞留潜力提升的影响,选择合肥城郊北部板桥河源头溪流为研究对象。在野外示踪实验基础上,利用OTIS模型模拟溶质扩散转化规律,通过估算溪流深潭养分螺旋指标,解析深潭氮磷滞留潜力和吸收动力学特征;根据人工调控前后溪流沟渠暂态存储潜力和养分螺旋指标变化情况的比较,验证人工调控措施对溪流沟渠氮磷滞留潜力提升的有效性。本研究得到的主要成果如下: (1)溪流自然深潭As/A比值相对较高,交换系数?基本上处于10-4数量级,相较于流动性好的溪流沟渠基本上低1个数量级;自然深潭的氮磷营养盐吸收长度Sw-N和Sw-P均值分别为369、148m,表明深潭的氮磷滞留能力较好,且对PO43-的滞留能力稍高于NH4+。 (2)溪流深潭氮磷背景吸收长度均值分别为98.4m和182.3m,显著低于深潭所在的溪流总长度,意味着深潭对氮、磷具有较好的滞留能力。根据Michaelis-Menten(M-M)方程模拟得到深潭NH4+和PO43-的最大吸收速率分别为0.45、0.08mg/(m2?s),半饱和常数Km-N和Km-P均值分别为0.26、0.19mg/L。由Umax-N>Umax-P,表明深潭中NH4+的吸收速率较PO43-相对更强。 (3)在增设了纵向间隔为4m和6m的多道挡水土袋后,溪流的As/A比值均有不同程度的增大,平均增幅分别达47.9%、20.3%,交换系数?也在人工调控后有了明显的增大。而且,设置了多道挡水土袋后,溪流的水力吸收长度Ls变短,水力停留时间Rh增大,表明挡水土袋的设置有利于提高溪流暂态存储能力。 (4)与对照情形相比,间隔为4m和6m的多道挡水土袋情形的溪流Sw-N平均降幅分别为72.2%和39.1%,Sw-P平均降幅分别达70.1%和48.8%。不仅如此,设置土袋的溪流氮磷吸收速率U和质量传输系数Vf也都较对照情形不同程度增大,意味着增设挡水土袋有利于提高沟渠对氮磷营养盐的滞留。 (5)M-M方程能够较好的展示调控情形下溪流NH4+和PO43-的动态吸收变化性,针对4m和6m两种情景,溪流NH4+的最大吸收速率Umax-N均值分别为0.18、0.16mg/(m2?s),而PO43-的最大吸收速率Umax-P则与对照实验相差不大。对于半饱和常数Km来说,相较于对照情形,人工调控情形的Km值都有所减小。

何瑞亮

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水体污染 溪流氮磷滞留 深潭效应 沟渠调控

硕士

环境科学

李如忠

2021

合肥工业大学

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