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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2019年第6期52卷 649-660页

作者：王晓玲张福超李松敏张伯阳李建生天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津300350 天津大学环境科学与工程学院天津300350 天津农学院水利工程学院天津300384

掌握污染物在农田排水稳定塘中的输移规律对控制农业面源污染具有重要意义.已有的研究主要集中在通过野外与室内试验监测探究稳定塘的污染物拦截效果与运行机制上,而缺乏对降雨径流过程中稳定塘内氮、磷污染物在三维空间输移的数值模拟... 详细信息

掌握污染物在农田排水稳定塘中的输移规律对控制农业面源污染具有重要意义.已有的研究主要集中在通过野外与室内试验监测探究稳定塘的污染物拦截效果与运行机制上,而缺乏对降雨径流过程中稳定塘内氮、磷污染物在三维空间输移的数值模拟研究.本文以多级农田排水稳定塘为研究对象,首先,对2015年水稻生长期内3场典型降雨进行了跟踪监测;然后,建立了多级稳定塘的三维水动力-水质迁移耦合模型,并应用坐标轮换法以实测数据进行了模型的参数率定;最后,对稻田降雨径流过程中稳定塘内氮磷的输移进行了三维数值模拟与模型验证,并探究了稳定塘分级数对氮磷拦截效果的影响.结果表明:率定后的模型各水质指标模拟值与实测值拟合较好;在降雨径流初期,总氮、总磷在垂向上表现为底层浓度大于表层浓度、横向上沿程浓度逐渐降低的规律;稳定塘级数的增加延长了水流停留时间,更有利于拦截氮、磷污染物.

关键词：多级稳定塘氮磷输移三维数值模拟降雨径流参数率定

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生态排水沟渠对稻田氮磷污染拦截效应的试验研究

生态排水沟渠对稻田氮磷污染拦截效应的试验研究

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作者：张福超天津大学

学位级别：硕士

近年来,以氮磷为主的农业非点源污染己成为水环境的最大污染源之一。生态沟渠系统是控制农业非点源污染的有效措施,沟渠中上覆水与底泥间隙水间存在着氮磷营养交换,底泥间隙水中的氮磷是沟渠重要的内源污染来源,目前对生态沟渠排水动态... 详细信息

近年来,以氮磷为主的农业非点源污染己成为水环境的最大污染源之一。生态沟渠系统是控制农业非点源污染的有效措施,沟渠中上覆水与底泥间隙水间存在着氮磷营养交换,底泥间隙水中的氮磷是沟渠重要的内源污染来源,目前对生态沟渠排水动态条件下底泥间隙水和上覆水中氮磷的输移分布规律鲜有研究;同时,生态排水沟渠中植物、微生物、基质和水力条件等有其各自的作用特点,通过将底泥微生物群落结构、低水坝基质微观形态、水力条件等与生态沟渠中底泥间隙水和上覆水中的氮磷输移分布规律相结合进行研究,有助于揭示生态沟渠对氮磷的拦截效应。本文以天津市津南区小站稻田排水沟渠为研究对象,首先,对2017年6月26日至2017年9月25日水稻生长期间沟渠上覆水和沟渠表层(25cm)及较深层(50cm)土壤间隙水中的氮、磷浓度变化和分布进行了跟踪监测与分析;其次,依据天津小站现场实际情况,通过探究不同植物和基质的氮磷净化效果与吸附性能,于室内构建了组合植物-低水坝的生态排水沟渠中试模型,并以空白土沟(无植物和低水坝)作为对照,在连续进水条件下探究了氮、磷在生态沟渠底泥间隙水和上覆水中的输移分布规律,并观测了生态沟渠中底泥微生物群落结构与低水坝基质微观形态,从微观结构上初步揭示了生态排水沟渠对稻田氮磷的拦截效应;最后,探究了进水流量与污染物浓度对生态沟渠上覆水和底泥间隙水中氮、磷输移分布的影响。研究取得了以下成果:(1)通过对天津小站稻田自然排水沟渠氮、磷的跟踪监测与分析,结果表明:在天津小站水稻生长前期(6月-7月),由于受稻田施肥和排水的影响,沟渠土壤间隙水中会积聚大量的氮、磷,尤其是在沟渠表层土壤(25cm)间隙水中;这些存在于排水沟渠土壤间隙水中的氮、磷会向沟渠上覆水中输移,并成为排水沟渠重要的内源污染源。(2)通过构建组合植物-低水坝的生态排水沟渠中试模型以及对其氮磷拦截效应的试验研究,结果表明:生态沟渠在有效削减底泥间隙水中内源氮的同时,对上覆水中氮也起到了较好的净化效果,一方面,生态沟渠中植物的输氧作用使其具有更高的溶解氧含量,并改善了底泥微环境,使得生态沟渠中底泥微生物的丰度和多样性均高于土沟,尤其是在生物脱氮起核心作用的变形菌门的相对丰度显著提高;另一方面,生态沟渠中低水坝基质具有较大的比表面积和孔隙结构,并附着生长着大量的菌丝体,增强了生态沟渠对水体中污染物的吸附、净化作用。土沟底泥释放的氨氮首先较快进入间隙水中,而后藉由浓度梯度的扩散作用向上覆水输移,而生态沟渠底泥间隙水和上覆水中的氮磷输移分布受植物、微生物等作用影响较大,使得生态沟渠在植物和丰富的微生物活动等共同作用下削弱了这种扩散作用。相较于氨氮,无论土沟还是生态沟渠底泥间隙水与上覆水间硝氮和总氮的浓度梯度扩散作用均相对较弱;然而植物根系会产生酸性物质,这将促进底泥磷释放,使得生态沟渠底泥间隙水中磷素含量升高。(3)通过对生态排水沟渠拦截氮磷的影响因素进行分析,结果表明:在同一进水污染物浓度以及较低流量进水情况下,生态沟渠对总氮、总磷和氨氮的拦截去除效果更好。在高浓度进水情况下生态沟渠上覆水与底泥间隙水间形成了氮、磷浓度梯度,使得上覆水中氮、磷向底泥间隙水中输移,这促进了生态沟渠植物对氮、磷的吸收,因此在较高浓度进水情况下生态沟渠对总氮、总磷的去除效果显著。

关键词：稻田底泥间隙水氮磷输移生态沟渠底泥微生物低水坝基质氮磷拦截效应

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滇池流域不同类型农田沟渠对氮磷的截留与去除效应

滇池流域不同类型农田沟渠对氮磷的截留与去除效应

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作者：吴晓妮云南大学

学位级别：硕士

滇池流域的农田面源污染己成为影响湖泊水环境的主要污染源。沟渠作为上游农田面源污染的汇和下游水体(湖泊、河流等)污染物的源,其水质状况显著地影响河流与湖泊的水质。本文选择滇池流域内的柴河子流域作为研究区域,通过旱季、雨季的... 详细信息

滇池流域的农田面源污染己成为影响湖泊水环境的主要污染源。沟渠作为上游农田面源污染的汇和下游水体(湖泊、河流等)污染物的源,其水质状况显著地影响河流与湖泊的水质。本文选择滇池流域内的柴河子流域作为研究区域,通过旱季、雨季的调查取样及降雨模拟,分析不同种植区域内不同类型农田沟渠底泥及径流中的氮磷变化特征及其对氮磷的截留去除差异,以期为掌握流域农田沟渠对面源污染的输送特征及有效控制农田氮磷非点源污染提供技术支撑。主要研究结果如下： (1)不同沟渠因所在地段农业生产与种植种类的不同,沟渠底泥的土壤养分浓度变化存在差异。整体来看,底泥总氮、碱解氮、总磷和有机质含量表现为大棚沟渠>蔬菜地沟渠>玉米地沟渠;而对于有效磷则表现为玉米地沟渠>大棚沟渠>蔬菜地沟渠。由于研究区域的特殊性,沟渠底泥磷含量较高,总磷含量最高几乎达到9g/kg,有效磷最高达1.59g/kg。 (2)在自然降雨条件下,沟渠汇集径流中的氮、磷含量变化与沟渠的生态特征及沟渠汇水区的种植条件具有不同的关联性。对总氮与可溶解氮而言,蔬菜地沟渠径流氮浓度高于大棚和玉米地沟渠;对总磷和溶解态磷,大棚沟渠径流的磷含量高于蔬菜地和玉米地沟渠,其中土质沟渠中径流的全磷含量显著高于生态沟渠。对种植方式与沟渠类型进行双因素方差分析表明植方式的差异仍是导致径流氮磷含量变化的主要因素,尤其对总氮、溶解态氮和溶解态磷含量的变化。 (3)在模拟降雨条件下,沟渠汇集径流中的氮磷含量与沟渠类型和流量大小有关。对氮素(总氮、可溶氮、硝态氮和氨氮)而言,随着时间推移,氮素浓度在生态沟渠中有不同程度的下降,而水泥沟渠径流中的氮素浓度变化不明显,当时间在1-3h内生态沟渠氮素浓度高于水泥沟渠,说明生态沟渠有部分氮素溶出,而当大于1-3h后生态沟渠径流氮浓度小于水泥沟渠,说明随着时间的增加生态沟渠对氮素的削减程度越发强于水泥沟渠;对磷素而言,在径流前期由于径流的冲刷作用水泥沟渠的径流磷素浓度高于生态沟渠,但随着时间的推移,水泥沟渠中磷素浓度的下降趋势略比生态沟渠明显。双因素方差分析流量是影响沟渠氮素变化的主要因素,而沟渠类型是影响磷素变化的主要因素。 (4)在模拟降雨条件下,不同沟渠类型对氮磷的削减能力与流量和时间相关联。在对全氮和可溶性氮的削减率上,水泥沟渠优于生态沟渠,对于相同沟渠不同流量下,均表现为小流量下的削减率要优于大流量;对于硝态氮和氨氮而言,小流量下的生态沟与水泥沟均高于大流量,大流量下的生态沟渠表现出一定的氮的溶出率。对磷素而言,除大流量下的生态沟外,所有的情形下均表现出较高比例的磷溶出。不同沟渠削减率的时间效应表现为在小流量下当时间大于3h生态沟渠对氮素有正的削减率。基于以上研究结果,建议在滇池流域农田面源污染输移的防治过程中应注意以下几个方面：(1)优化当地农业种植结构;(2)如果不改变流域原有种植结构,需加大对大棚区及蔬菜种植区域沟渠的管理,如底泥的清理及径流的集中处理;(3)如不进行生态沟渠底泥的清理,需对现有沟渠进行改造或增强生态化水平,以增加径流的滞留时间,达到面源污染物的削减效能;(3)由于滇池流域渠浅流短,需对流域内沟渠系统进行优化或联接,增加流程以提高氮磷的削减能力;(4)目前流域内沟渠系统对磷素的削减能力较弱,甚至存在较强的磷溶出,因此需加强对磷具有较好削减力的生态沟渠构建技术研究。

关键词：种植方式生态沟渠水泥沟渠氮磷输移截留去除效应

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