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基于分形理论的再生水灌溉下土壤孔隙结构研究

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基于分形理论的再生水灌溉下土壤孔隙结构研究

作者：张兴西北农林科技大学

学位级别：硕士

再生水灌溉有利于缓解我国农业用水紧张的局面。然而,与常规水灌溉相比,再生水中成分复杂,其中含有大量悬浮物、有机质以及盐分等,灌溉后会使得土壤性质发生改变,从而影响灌溉效果。本研究通过室内土柱模拟试验,以自来水(W4)作为对照组... 详细信息

再生水灌溉有利于缓解我国农业用水紧张的局面。然而,与常规水灌溉相比,再生水中成分复杂,其中含有大量悬浮物、有机质以及盐分等,灌溉后会使得土壤性质发生改变,从而影响灌溉效果。本研究通过室内土柱模拟试验,以自来水(W4)作为对照组,设置生活污水(W1)、再生水1(W2)和再生水2(W3)共3种水质,分别在灌溉1年和2年后获取土壤盐碱度、土壤水分特征曲线、土壤颗粒分布以及土壤孔隙结构数据。一是研究再生水灌溉下土壤盐碱度、土壤孔隙结构以及土壤水力性质三者之间的关系;二是通过分形理论量化土壤孔隙结构的空间异质性和复杂性,探求分形参数、土壤孔隙结构以及水力性质三者的关系,并研究分形参数是否能作为反映再生水灌溉后土壤物理性质变化的潜在指标,最终为再生水安全高效利用提供一定的理论依据。本研究得出的结论如下:(1)再生水灌溉会改变土壤盐碱度与水力性质。对于土壤盐碱度,与W4处理相比,W1-W3处理土壤酸度(pH)、电导率(EC)和钠吸附比(SAR)增加,具体表现为:1年灌溉后,W1处理土壤pH、EC和SAR最大,且W1-W3处理与W4处理间呈现显著性差异(P<0.05)。灌溉2年后,W4处理下土壤pH、EC和SAR最小,且W1-W3处理与W4处理间无显著性差异。与灌溉1年相比,灌溉2年后,W2和W3处理下EC值显著增加,分别增加为91.10%和96.48%,即长期再生水灌溉可能出现土壤盐渍化问题。对于土壤水力性质,与W4处理相比,灌溉1年后W1-W3处理土壤进气值(1/α)、田间持水量、萎焉系数和土壤有效水含量均增加,土壤初始排水难度、土壤水上下限和保水性能增加,其中W1处理土壤田间持水量、萎焉系数和土壤有效水含量最大,相较于W4处理平均增加11.55%、7.66%和19.81%。灌溉2年后W1-W3处理1/α和土壤有效水含量增加,土壤初始排水难度和保水性能增加。与灌溉1年相比,灌溉2年后,W2和W3处理土壤1/α、田间持水量、萎焉系数和土壤有效水含量均增加,而W1处理下减小。(2)再生水灌溉会改变土壤的孔隙结构。试验期间内,4种水质灌溉下土壤T图谱以短弛豫峰为主,呈现2峰或3峰形态,且土壤的“中孔隙+大孔隙”之和小于“微孔隙+超微孔隙”之和,试验土壤的保水能力大于排水能力,容易造成积水。与W4处理相比,灌溉1年后,在0-10cm土层,W1-W3处理下微孔隙和中孔隙占比分别增加,超微孔隙占比降低;在10-20cm土层,微孔隙占比增加,中孔隙和大孔隙占比降低。灌溉2年后,与W4处理相比,W1-W3处理超微孔隙占比增加,微孔隙和中孔隙比例降低。与灌溉1年相比,灌溉2年后,W1-W3处理超微孔隙占比增加,微孔隙占比下降;W4处理超微孔隙占比降低,微孔隙、中孔隙和大孔隙占比增加,W1-W3处理会造成土壤较大孔隙的减少。(3)4种水质处理下土壤孔隙分布呈多重分形特征。具体变现为,灌溉1年后,与W4处理相比,W1-W3处理土壤孔隙分布的广义维数谱宽度ΔD、奇异谱宽度Δα(q)和分形谱对称度Δf(α(q))增大,即再生水与生活污水灌溉初期,土壤孔隙分布复杂性、不均匀性和不对称性增强。与之相反,灌溉2年后,W1-W3处理土壤多重分形参数降低,土壤孔隙结构趋于单一。此外,土壤孔隙多重分形参数受土壤超微孔隙、微孔隙和中孔隙三者相对含量控制,ΔD和Δα(q)两个参数与有效水和饱和导水率K之间呈显著正相关(P<0.05)。因此,多重分形参数可以间接表征土壤孔隙结构和水力性质,因此可作为反映再生水灌溉后土壤物理性质变化的潜在指标。

关键词：再生水孔隙结构盐碱度水力性质分形理论

XB油田水驱油藏开发效果评价及优化方案研究

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XB油田水驱油藏开发效果评价及优化方案研究

作者：夏鹏中国石油大学(华东)

学位级别：硕士

XB油田地处渤海湾南部盆地的浅海域,地质构造比较平缓,储层发育。同时该区具有多套油气水系统,边水相对活跃。属于受岩性控制的,曲流河沉积的高孔高渗、常温常压、岩性-构造层状气顶油藏。其特殊的构造地质特征给这类型油藏的开发带来... 详细信息

XB油田地处渤海湾南部盆地的浅海域,地质构造比较平缓,储层发育。同时该区具有多套油气水系统,边水相对活跃。属于受岩性控制的,曲流河沉积的高孔高渗、常温常压、岩性-构造层状气顶油藏。其特殊的构造地质特征给这类型油藏的开发带来了很大困难,需要对该区进行开发效果研究,提高注入水有效利用率、减缓油藏平面和纵向矛盾,提出优化调整方案,以期达到油藏控水稳油的目的。目前存在的主要问题是油田含水上升快,采出程度低,整体水淹严重,平面、层间注水不均衡,层间采出程度差异大,注水利用率低,井网适应性差等问题。针对目前存在的开发问题,根据XB油田34区块的现场生产历史资料,应用现代油藏工程分析和数模相结合的方法,对油藏开发现状、开发效果进行分析评价。利用数值模拟技术对油田历史拟合,总结XB油田剩余油富集模式。指出油藏边底水能量强,水侵速度快,注采关系不合理,井网不完善,井网密度小是油田开发效果差的主要原因。利用数值模拟技术在经济效益最大原则下,结合剩余油分布规律,从单井液量调控、区块注采比、井网完善三个方面提出优化方案,优选出适宜XB油田的开发调整方案。

关键词：边底水驱数值模拟方案优选

满江红对乡村生活污水中典型PPCPs的去除影响研究

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满江红对乡村生活污水中典型PPCPs的去除影响研究

作者：李胜曙中国农业科学院

学位级别：硕士

随着乡村生活污水中药品和个人护理品(Pharmaceuticals and Personal Care Products,PPCPs)检出率的逐渐上升,其环境危害及治理日益重视。为揭示满江红对含PPCPs生活污水的净化效果,以吉非罗齐、卡马西平等典型PPCPs为研究对象,采用室... 详细信息

随着乡村生活污水中药品和个人护理品(Pharmaceuticals and Personal Care Products,PPCPs)检出率的逐渐上升,其环境危害及治理日益重视。为揭示满江红对含PPCPs生活污水的净化效果,以吉非罗齐、卡马西平等典型PPCPs为研究对象,采用室内模拟培养试验,对满江红在不同培养时间(1、2、4、8 d)和不同目标污染物初始浓度(0、1、10、100、1000μg·L)条件下的生长状况和生理生化指标变化,满江红对供试目标污染物及常规污染物的去除效果、目标污染物的降解途径及关键作用展开研究。对不同处理下满江红生长情况、污染物去除规律进行通径分析,明确污水环境下满江红和供试目标污染物的互作机制,探讨PPCPs等新污染物与富营养化水体复合污染条件下蕨类水生植物去除水环境污染物的生理变化过程,同时利用高通量测序技术阐释微生物在植物修复水环境污染方面起到的重要作用及内在机制,以期为满江红应用于乡村生活污水中典型PPCPs的去除提供理论依据。主要研究结果如下:(1)低浓度(1～10μg·L)目标污染物对满江红产生毒性兴奋作用,高浓度(100～1000μg·L)对满江红产生毒害作用,且满江红对目标污染物累积量随初始浓度的增加而增加。1～10μg·L浓度下,满江红光合作用增强,体内抗氧化酶活性提高,鲜重明显增加,可正常吸收代谢累积的目标污染物。100μg·L浓度下,虽然满江红停止生长,但仍能通过调节体内抗氧化酶活性抵御环境胁迫,利用可溶性蛋白等渗透调节物质维持细胞渗透压,实现对体内目标污染物的正常代谢。但1000μg·L浓度下,满江红鲜重减少,难以对目标污染物进行代谢,说明满江红在去除含供试目标污染物生活污水时具有一定适宜浓度阈值范围。(2)满江红生长量、培养时间、目标污染物种类及其环境浓度均影响了满江红对供试目标污染物及传统污染物的去除。满江红相对生长率与吉非罗齐、卡马西平、总磷、硝态氮、氨氮去除率呈现正相关关系,表明满江红生长情况越好对污染物去除效果越好。随着目标污染物环境浓度升高,满江红逐渐从毒性兴奋转为毒性抑制,当浓度达到1000μg·L时,满江红难以净化水质甚至产生二次污染。满江红对污染物的去除呈现明显的时间效应,培养时间与吉非罗齐、卡马西平、总磷、硝态氮、COD去除率呈现显著正相关关系,即培养时间的延长有助于满江红净化生活污水。满江红对吉非罗齐的去除效果优于卡马西平,这是因为吉非罗齐水溶性好,更容易被电离形成质子接受体,进而被满江红吸收。(3)满江红去除PPCPs主要途径为满江红的吸附吸收作用及其营造的微生物环境作用,光降解与水解作用在卡马西平和吉非罗齐的去除过程中几乎未发生。满江红的吸附吸收作用是去除卡马西平的主要机制,同时微生物降解在这段时间内对卡马西平的去除也起到了一定作用;微生物降解在吉非罗齐去除前期起主要作用,而去除后期发挥主要作用的则是满江红的吸附吸收作用。(4)供试目标污染物环境浓度为10μg·L时,短时间内微生物群落多样性、丰富度及微生物COG功能丰度没有显著影响,但随着培养时间的延长,微生物组成及功能发生显著改变。相关性Heatmap图分析表明,异常球菌属(Deinococcus)、Pseudacidovorax、氢噬菌属(Hydrogenophaga)、金黄杆菌属(Chryseobacterium)、鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)、新鞘脂菌属(Novosphingobium)丰度在卡马西平和吉非罗齐含量降低的同时显著提升,贪食菌属(Variovorax)丰度在卡马西平含量降低的同时显著提升,表明上述菌属对目标污染物去除起到一定促进作用。

关键词：满江红生活污水药品及个人护理品植物修复技术细菌群落

山地农业高效节水灌溉模式选择研究——以贵州省兴仁县为例

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山地农业高效节水灌溉模式选择研究——以贵州省兴仁县为例

作者：周薇华北水利水电大学

学位级别：硕士

山地农业高效节水灌溉作为一种高效的灌溉模式,是缓解山地地区季节性缺水、实现最佳经济、社会和生态环境效益的有效途径。本研究在前人研究成果的基础上,结合山地农业特性及灌溉模式的选择原则,以贵州省兴仁县山地农业高效节水灌溉模... 详细信息

山地农业高效节水灌溉作为一种高效的灌溉模式,是缓解山地地区季节性缺水、实现最佳经济、社会和生态环境效益的有效途径。本研究在前人研究成果的基础上,结合山地农业特性及灌溉模式的选择原则,以贵州省兴仁县山地农业高效节水灌溉模式选择为例,运用Matlab进行数据处理,分别从山地农业高效节水灌溉模式选择的影响因素和模糊综合评判及风险等方面进行分析研究。在分析兴仁县山地农业特性及灌溉模式选择的影响因素基础上,提出了蓄-喷模式、蓄-滴模式和提-畦模式3种备选灌溉模式,并以3种备选灌溉模式的选择研究,验证模糊综合评价法在山地农业高效节水灌溉模式模糊综合评判中所起的作用以及层次分析法在山地农业高效节水灌溉模式选择风险分析中的合理利用。研究表明:山地农业高效节水灌溉模式的选择受到自然资源因素、社会因素、经济因素和工程技术因素等诸多因素的影响,应当结合山地农业特性及灌溉模式选择的原则将其影响因素进行分类总结。通过采用模糊综合评价法对兴仁县山地农业高效节水灌溉模式进行多目标模糊综合评判,总结出经济评价、社会评价和生态评价等3大类16个评价指标,构建山地农业高效节水灌溉模式模糊综合评判指标体系,并结合主客观赋权法,建立模糊综合评判模型。按照最大隶属度优选原则将备选灌溉模式进行优劣总排序,得出蓄-滴模式最优。这种蓄-滴模式是科学、合理的山地农业高效节水灌溉模式,也最适宜兴仁县山地农业结构发展需要。通过兴仁县山地农业高效节水灌溉模式选择的风险分析,验证了层次分析法在灌溉模式选择中的科学合理应用。无论从自然资源风险、社会经济风险、工程技术风险方面分析,还是从其他暂不确定的风险方面分析,兴仁县选择蓄-滴模式都是风险最小的,也是更符合兴仁县山地农业结构发展需求的高效节水灌溉模式。

关键词：高效节水灌溉模式影响因素分析模糊综合评判风险分析

滴灌灌水要素对再生水典型PPCPs在土壤-作物系统迁移累积的影响

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滴灌灌水要素对再生水典型PPCPs在土壤-作物系统迁移累积的影响

作者：李松旌中国农业科学院

学位级别：硕士

随着药品和个人护理品(Pharmaceuticals and personal care products,PPCPs)生产和使用量的增加,PPCPs及其代谢产物在环境中的检出量、检出种类与日俱增。水体中PPCPs可通过再生水灌溉、污泥回用等方式进入土壤-植物系统,并通过食物链... 详细信息

随着药品和个人护理品(Pharmaceuticals and personal care products,PPCPs)生产和使用量的增加,PPCPs及其代谢产物在环境中的检出量、检出种类与日俱增。水体中PPCPs可通过再生水灌溉、污泥回用等方式进入土壤-植物系统,并通过食物链对人类造成慢性毒性损伤,其环境危害及人体健康风险日益被关注,并成为研究热点。为探明再生水灌溉条件下滴灌灌水要素对PPCPs在土壤-作物系统迁移累积规律的影响及驱动机制,本文选取卡马西平、吉非罗齐和三氯生3种环境检出较高且疏水性不同的典型PPCPs作为目标污染物,采取盆栽试验方式,以常规灌溉为对照,开展了不同滴头布置方式(滴头布置在植株根部、滴头布置在两植株中间)、不同滴头流量(2、4和8 L/h)对典型PPCPs在不同土层、作物(番茄)不同器官迁移累积规律研究,并通过不同处理土壤理化特性、重金属含量和微生物群落结构等变化规律的影响,以及各因子与PPCPs迁移累积规律的相关性分析,探讨了典型PPCPs在土壤-作物系统的迁移累积驱动机制,以期为基于新兴污染物PPCPs有效防控的再生水农业安全利用提供理论依据。主要研究结果如下:(1)滴头布置方式、滴头流量可影响土壤中卡马西平、三氯生的累积规律,吉非罗齐则受滴头流量、滴头布置方式与滴头流量的交互作用影响。当滴头为中(4 L/h)、高流量(8 L/h)时,滴头布置在植株根部可降低土壤中卡马西平的累积,累积量为0.07～0.41μg/g;滴头为中流量(4L/h)且布置在植株根部时,土壤中卡马西平的累积无风险;当滴头为大流量时(8 L/h)可降低土壤中吉非罗齐的累积量,滴灌处理降低了硝化螺旋菌门(Nitrospirae)的丰度,使吉非罗齐在土壤中累积量偏高;当滴头为低(2 L/h)、高流量(8 L/h)时,滴头布置在植株根部可增加土壤中三氯生的累积,累积量为0.35～1.36μg/g;滴头为中(4 L/h)、低(2 L/h)流量时降低了土壤中三氯生的累积,滴头为中流量(4 L/h)且布置在根部增加了放线菌门(Actinobacteria)的丰度,导致该处理下三氯生累积量有所降低。在各滴灌处理下,土壤中吉非罗齐、三氯生的累积均存在风险。(2)通过检测不同滴头布置方式、滴头流量下PPCPs在番茄各器官的累积,对PPCPs在番茄不同器官的累积规律及风险进行了研究。滴头布置方式可影响番茄不同器官中卡马西平、三氯生的累积量,而吉非罗齐则受滴头布置方式、滴头流量及二者的交互作用影响;滴头布置在两植株中间的处理可降低番茄植株中卡马西平、三氯生的累积,累积量分别为0.10～5.83μg/g、0.21～0.51μg/g;滴头为中流量(4 L/h)处理下果实中卡马西平的含量不会对人体健康造成风险,与此同时各处理下番茄果实中的吉非罗齐、三氯生的含量均不会造成风险。(3)滴头布置方式、滴头流量及二者的交互作用均可影响番茄不同器官对卡马西平、吉非罗齐、三氯生的富集系数,其中滴头流量为低(2 L/h)、中(4 L/h)流量且布置在两植株中间可增加土壤有机质含量、变形菌门(Proteobacteria)丰度,降低放线菌门(Actinobacteria)丰度进而减小番茄根部对卡马西平的富集系数;滴头为中流量(4 L/h)、滴头为高流量(8 L/h)且布置在两植株中间以及滴头为低流量(2 L/h)且布置在植株根部可在一定程度上降低番茄器官对土壤中吉非罗齐的富集系数;当滴头为中(4 L/h)、高(8 L/h)流量时,滴头布置在两植株中间可通过增加土壤电导率、降低放线菌门(Actinobacteria)丰度进而有效抑制番茄根部对三氯生的富集。

关键词：药物及个人护理品再生水滴灌土壤-作物系统

新乡污灌农田土壤某些化学成分空间分布特征的研究

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新乡污灌农田土壤某些化学成分空间分布特征的研究

作者：刘燕长安大学

学位级别：硕士

河南省新乡市是我国典型的污灌区，长期大面积的污灌导致严重的土壤污染，土壤重金属污染引发的环境和粮食安全问题迫切需要解决。本文应用地统计学的方法对新乡市污灌区麦田在清灌和污灌不同灌溉条件下，不同土壤深度的土壤重金属Cd的... 详细信息

河南省新乡市是我国典型的污灌区，长期大面积的污灌导致严重的土壤污染，土壤重金属污染引发的环境和粮食安全问题迫切需要解决。本文应用地统计学的方法对新乡市污灌区麦田在清灌和污灌不同灌溉条件下，不同土壤深度的土壤重金属Cd的有效态、有机质含量和pH值的空间分布特性进行了分析讨论，取得的主要结果为： 1.采用单样本K-S检验和Q-Q检验两种方法对不同试验区不同深度土层的有效Cd含量、有机质含量、pH值进行正态分布检验，对不服从正态分布的数据进行对数转换。在此基础上，通过对土壤不同指标的平均值、变异系数、偏度、峰度等统计参数的分析表明：清灌区灌水前土壤有效Cd含量的均值整体较灌水后大，而污灌区相反。清灌区和污灌区不同土层整体上灌水后的有机质含量小于灌水前。清灌区和污灌区各层土壤有效Cd含量和有机质含量随土壤深度的增加而减小，而pH值的变化范围小，但是随着土壤深度的增加没有明显的变化趋势。不同试验区灌水前后有效态Cd含量和有机质含量的变异系数均大于10%，小于90%，属于中等空间变异，而pH值的变异系数均小于10%，为弱空间变异。 2.利用半方差函数理论建立了最优半方差函数模型，得到不同试验区灌水前后各土层不同指标的半方差函数模型及其参数。通过讨论得知，除污灌区灌水后20-30cm土层有效Cd含量和清灌区灌水后0-10cm土层有机质含量的块基比大于0.75，属于弱空间相关性及清灌区灌水前10-20cm土层pH值属于中等空间相关性外，清灌区和污灌区灌水前后其余土层各指标含量的块基比均小于0.25，属于强空间相关性。 3.根据Kriging最优无偏内插方法，在surfer软件平台上绘制不同试验区各土层有效Cd含量、有机质含量和pH值的等值线图，显示土壤有效态Cd含量、有机质含量和pH值在研究区南北方向的的空间变异性较强。

关键词：空间变异性地统计学土壤有效态 Cd 土壤有机质土壤pH