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金盆水库菌群时空演替特征及环境因子影响研究

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金盆水库菌群时空演替特征及环境因子影响研究

作者：齐昱琳西安建筑科技大学

学位级别：硕士

自然界物质循环的离不开细菌参与,微生物的种群结构和代谢活性影响着物质循环的过程,而环境因子变化将导致微生物的种群结构和代谢活性变化。因此,研究细菌种群结构时空分布特征及微生物代谢活性与环境因子之间的关系,对掌握金盆水库水... 详细信息

自然界物质循环的离不开细菌参与,微生物的种群结构和代谢活性影响着物质循环的过程,而环境因子变化将导致微生物的种群结构和代谢活性变化。因此,研究细菌种群结构时空分布特征及微生物代谢活性与环境因子之间的关系,对掌握金盆水库水质状况和水环境保护具有重要意义。本研究于2021年7月至2022年7月期间以西安市金盆水库为研究对象,对水库水环境进行原位监测,同时采用高通量测序技术和Biolog微平板技术探究自然混合期、汛期、强制混合期和分层期这四个时期水体和表层沉积物中细菌微生物的多样性、种群结构、代谢活性及其对水体环境因子响应,分析细菌群落之间的动态网络关系。本研究主要结果如下:(1)金盆水库水质有明显的时空变化特征。自然混合期水质较好,汛期暴雨径流输入使水质短时间恶化,径流结束后水质逐渐恢复。分层期底部厌氧条件下,表层沉积物污染物释放,水质变差。人工强制混合期,水体溶解氧含量升高,污染物得到削减。(2)金盆水库水体细菌种群结构演替过程中,放线菌门(Actinobacteriota)和变形菌门(Proteobacteria)是四个时期均有的优势菌门,具体在每个时期又有其特有的优势菌门。在分层期,蓝细菌门(Cyanobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidota)是优势菌门;在汛期,厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidota)是优势菌门;在自然混合期拟杆菌门(Bacteroidota)是优势菌门。水体细菌优势菌属为放线菌门的CL500-29＿marine＿group、hgc I＿clade和节杆菌(Arthrobacter),蓝藻菌门的Cyanobium＿PCC-6307,变形菌门的甲基杆菌属(Methylobacter)。(3)金盆水库水体细菌Alpha多样性指数与水温、溶解氧、总氮、总磷显著性相关。总磷,水温,总氮和铁是影响微生物种群结构的主要环境因子。分层期内各时期样本差距较大,多种环境因子对其结构产生影响。汛期影响物种结构主要受水温和溶解氧影响。人工强制混合期受水温、总氮、锰和溶解性有机碳影响较大。自然混合期前期受水温、总氮和总磷影响大,后期受铁浓度影响较大。通过共生网络分析,自然混合期微生物相互作用性强于分层期。(4)不同时期微生物代谢活性不同,对有机碳源的利用程度不同,汛期和强制混合期微生物对有机碳源利用能力较强,对酯类利用情况最好。分层期和自然混合期对有机碳源的利用不均衡,对醇类、胺类、酸类利用能力降低。汛期和强制混合期微生物对有机碳源的利用较均衡。微生物的有机碳源代谢能力受环境因子调控,特别是受水温和溶解氧的影响。(5)表层中细菌优势菌门是变形菌门(Proteobactria)、放线菌(Actinobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)和疣微菌门(Verrucomicrobia)。这些细菌间具有复杂的共生、拮抗等相互作用关系。不同时期表层沉积物细菌代谢活性不同,且对酯类利用情况最好。冗余分析表明沉积物总氮、总磷和总有机碳含量会不同程度影响表层沉积物细菌种群结构和代谢活性。

关键词：金盆水库细菌种群结构微生物代谢活性环境因子

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金盆水库沉积物铁锰释放规律

环境科学 2020年第7期41卷 3231-3239页

作者：路林超黄廷林李楠齐允之张晗王晨旭司凡西安建筑科技大学陕西省环境工程重点实验室西安710055 西安建筑科技大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室西安710055 西安水务集团黑河金盆水库管理公司西安710401

针对分层型水库周期性厌氧问题,金盆水库利用人工强制混合充氧技术补充底部水体溶解氧,抑制沉积物中还原性污染物的释放.但受水库地形地貌的影响,人工强制混合充氧效率存在一定差异性,在曝气系统运行结束后部分较深区域上覆水体溶解氧... 详细信息

针对分层型水库周期性厌氧问题,金盆水库利用人工强制混合充氧技术补充底部水体溶解氧,抑制沉积物中还原性污染物的释放.但受水库地形地貌的影响,人工强制混合充氧效率存在一定差异性,在曝气系统运行结束后部分较深区域上覆水体溶解氧迅速耗竭,导致污染物的再次释放.为探究铁锰在该条件下的释放规律及扩散强度,选取主库区代表性采样点,对沉积物间隙水及上覆水溶解态铁锰浓度分布进行测定,并计算沉积物-水界面处溶解态铁锰的扩散通量.结果表明,人工强制混合充氧结束后地势较低区域底部水体迅速进入厌氧状态,导致大量溶解态锰释放进入上覆水体,浓度最高达0.42mg·L-1;而地势较高区域底部水体短暂进入缺氧状态,之后溶解氧浓度迅速回升,因此底部溶解态锰浓度升高幅度较小,浓度最高为0.17mg·L-1.沉积物间隙水-上覆水铁锰浓度分布结果表明,由于铁锰氧化还原电位的差异,溶解态锰相较于铁在厌氧条件下更容易释放进入上覆水体,且不断在表层沉积物及上覆水体中积聚,而溶解态铁的释放不仅受溶解氧的抑制,还受锰氧化物等其他氧化剂的抑制.由扩散通量计算可知,人工强制混合充氧结束后溶解态锰的扩散通量有降低趋势.由质量平衡计算可知,溶解态锰在厌氧层中的积聚不仅与扩散通量有关,还与沉降通量、厌氧层厚度有关,因此厌氧层中铁锰的生物地球化学循环作用有待进一步的研究.

关键词：金盆水库沉积物铁锰释放规律人工强制混合充氧扩散通量

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金盆水库沉积物磷的来源及分布特征

环境科学 2019年第6期40卷 2738-2744页

作者：毛雪静黄廷林李楠徐金兰苏露吕晓龙邓立凡西安建筑科技大学陕西省环境工程重点实验室西安710055 西安建筑科技大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室西安710055

为探究分层型水源水库沉积物中磷的来源与分布特征,以西安金盆水库为对象,针对2017年3～11月金盆水库水体、沉降颗粒及沉积物柱状样品总磷(TP)含量及形态分布特征进行研究.结果表明,金盆水库主库区表层沉积物总磷含量及形态分布受水体... 详细信息

为探究分层型水源水库沉积物中磷的来源与分布特征,以西安金盆水库为对象,针对2017年3～11月金盆水库水体、沉降颗粒及沉积物柱状样品总磷(TP)含量及形态分布特征进行研究.结果表明,金盆水库主库区表层沉积物总磷含量及形态分布受水体颗粒磷(PP)沉降作用明显,相关系数r^2=0. 877 5;同时表层沉积物总磷含量还受到沉积物内部生物地球化学的共同作用. 6～8月金盆水库水体藻类剧烈繁殖演替,繁殖过程中大量失去活性、死亡的藻类不断向底部水体沉积,形成以藻类等颗粒磷为主导的内源污染,沉降颗粒总磷含量达(753. 51±17. 11) mg·kg^(-1),表层沉积物总磷含量随之增加,以铁铝结合态非活性磷(NaOH-nrP)为主; 9～11月进入汛期,径流水体携带大量泥沙等负荷较大的污染物汇入水库,使得水体颗粒磷浓度相应增大,然而由于单位质量泥沙中总磷含量占比较小,导致径流过程中表层沉积物总磷含量逐渐降低,泥沙径流过程中颗粒磷以无机态的钙磷(Ca-P)和残渣态磷(rest-P)为主,二者约占沉积物总磷(TP) 55. 8%～66. 2%,受颗粒沉降影响相对较大.活性磷(SRP)、铁锰螯合态磷(BD-P)和铁铝结合态活性磷(NaOH-srP)这3种形态磷较活跃,在环境条件的变化(主要是氧化还原条件)下发生一系列迁移转化,受沉积物内部生物地球生物化学过程作用明显.

关键词：金盆水库沉积物磷形态化学连续提取沉降速率

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金盆水库暴雨径流时空演变过程及水质评价

环境科学 2021年第3期42卷 1380-1390页

作者：黄诚黄廷林李扬李楠齐允之司凡华逢耀赵凌云西安建筑科技大学陕西省环境工程重点实验室西安710055 西安建筑科技大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室西安710055 西安水务集团黑河金盆水库管理公司西安710401

为探究西安金盆水库汛期暴雨径流沿程时空演变过程及库区水质响应,对汛期2019年8月初与9月中旬两场暴雨径流上游河道至库区各断面的水质指标进行持续原位监测,并在垂向上采用单因子污染指数法和综合污染指数法对库区进行水质评价.结果表... 详细信息

为探究西安金盆水库汛期暴雨径流沿程时空演变过程及库区水质响应,对汛期2019年8月初与9月中旬两场暴雨径流上游河道至库区各断面的水质指标进行持续原位监测,并在垂向上采用单因子污染指数法和综合污染指数法对库区进行水质评价.结果表明:汛期暴雨径流连续不同的来流条件会演变成不同的潜入情况,两次径流初期入流量小,水库潜流均经历全断面径流-底部潜流-间层流的过程,在末期,8月初径流库区间层流位置由初期的545~565 m扩大为535~580 m,9月中旬径流潜流位置由初期540~575 m的间层流演变成575 m以下的底部潜流;连续的入流使库区热分层结构削弱,溶解氧得到补充,同时大量颗粒态污染物汇入库区,营养盐在垂向上表现为中层、底层水体高于表层;单因子污染指数表明径流潜流处总磷和高锰酸盐指数值都有一定的增加,末期均超过地表水Ⅲ类水质标准;综合污染指数表明8月初径流中层水质处于中污染,底层则受厌氧与颗粒沉降的双重影响达到重污染,并且在径流一周后达到峰值,而9月中旬的575 m以下的潜流直接导致中层水体处于重污染,底层由于溶解氧的补充处于中污染;汛期通过泄洪洞的排放与分层取水可以有效地保障供水安全.

关键词：金盆水库暴雨径流潜流过程水质评价营养盐

金盆水库表层沉积物中营养盐分布特征与污染评价

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环境化学 2017年第3期36卷 659-665页

作者：王亚平黄廷林周子振李扬龙圣海刘飞曾明正西安建筑科技大学环境与市政工程学院西安710055

为探究西安黑河金盆水库表层沉积物中营养盐的分布特征及其污染状况,本研究测定了表层沉积物中总氮(TN)、总磷(TP)和有机质(OM)的含量,并与其它湖库进行比较,分析了TN、TP和OM的相关性,并探究了表层沉积物中营养元素的来源及其污染状况... 详细信息

为探究西安黑河金盆水库表层沉积物中营养盐的分布特征及其污染状况,本研究测定了表层沉积物中总氮(TN)、总磷(TP)和有机质(OM)的含量,并与其它湖库进行比较,分析了TN、TP和OM的相关性,并探究了表层沉积物中营养元素的来源及其污染状况.结果表明,TN平均含量为1132 mg·kg^(-1),TP平均含量为1131 mg·kg^(-1),OM平均含量为7.02%,三者空间变化趋势基本一致,从上游至库区,含量先减小后增加.与其它湖库相比,金盆水库表层沉积物中TN含量相对较小,TP和OM含量均处于中等水平.TOC/TN值表明,水库表层沉积物中OM均来源于高等陆生植物.TOC与TN、TP均存在显著的相关性,且与TN相关性更高,表明金盆水库表层沉积物有机质的矿化过程与氮、磷,尤其是氮的物质来源和沉积变化过程关系更为密切.根据沉积物质量评价指南,TN、TP和TOC含量均达到最低级别,说明金盆水库已受到一定程度的污染.

关键词：金盆水库表层沉积物营养盐污染评价

金盆水库铁锰迁移转化特征及主库区原位控制技术研究

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金盆水库铁锰迁移转化特征及主库区原位控制技术研究

作者：路林超西安建筑科技大学

学位级别：硕士

为探究金盆水库水体中铁锰的迁移转化特征以及扬水曝气系统对铁锰污染的原位控制作用,以西安金盆水库为研究对象,研究了2018年7月019年7月主库区水体、径流水体、沉积物间隙水-上覆水、沉降颗粒及沉积物中铁锰的含量分布及变化规律。主... 详细信息

为探究金盆水库水体中铁锰的迁移转化特征以及扬水曝气系统对铁锰污染的原位控制作用,以西安金盆水库为研究对象,研究了2018年7月019年7月主库区水体、径流水体、沉积物间隙水-上覆水、沉降颗粒及沉积物中铁锰的含量分布及变化规律。主要结论和成果如下:(1)金盆水库是一个稳定的季节性分层水库,热分层导致的底部溶解氧耗竭是铁锰内源污染的重要诱因。2019年4月月底部水体进入缺氧/厌氧状态,水体中总锰浓度最高达0.109 mg/L。由于铁锰化学性质的差异,金盆水库水体中铁主要以颗粒态存在,锰主要以溶解态存在,水体中铁锰浓度及形态的变化均受沉积物内源释放及外源径流汇入的综合影响。(2)铁锰浓度的沿程变化与径流潜流过程基本契合。当径流处于底部潜流状态时,沿程铁锰浓度垂向上呈“上低下高”分布,径流转变为中部潜流后,沿程铁锰浓度的垂向分布也转变为“上下低、中部高”。径流水体中铁主要以颗粒态存在,锰主要以溶解态存在。暴雨径流期间,大量铁锰污染物质汇入主库区,以颗粒态为主的铁大量沉积于表层沉积物中,以溶解态为主的锰多留存于水体中。汇入主库区的铁锰进一步参与主库区内铁锰的氧化还原循环过程,对主库区水质产生影响。(3)金盆水库沉积物中铁主要以残渣态(RES)和铁锰氧化物结合态(ERO)为主要存在形态;沉积物锰中可交换态(EXC)、碳酸盐结合态(CARB)、铁锰氧化物结合态(ERO)及残渣态(RES)含量占比均较高且较为接近。在长期的沉积过程中,沉积物内部铁锰存在着向表层沉积物迁移转化的趋势,最终形成“上高下低”的垂向分布特征。金盆水库沉积物中锰相较于铁具有更强的环境敏感性、释放风险及生物毒性,而铁在水体厌氧期间也具有一定的释放风险。(4)沉积物间隙水-上覆水铁锰浓度分布表明,由于铁锰氧化还原电位的差异,溶解态锰更容易向上覆水体中释放。厌氧状态下沉积物-水界面处溶解态锰的浓度不断升高,呈现出在表层沉积物中积聚的特征。沉积物中溶解态铁的释放既受到溶解氧的抑制,也受到锰氧化物等其他氧化剂的抑制。(5)扬水曝气系统对水体中溶解态铁锰的控制效果显著,2018年系统运行对溶解态铁锰的平均削减率分别为44.4%和33.3%。扬水曝气系统的混合充氧作用有效提升了沉积物-水界面处的溶解氧浓度,间隙水中溶解态铁向表层扩散的过程中不断氧化沉积,但溶解态锰氧化速率较慢,虽然在沉积物-水界面处其浓度有所降低,但在界面以下依然存在积聚现象。扩散通量计算表明,系统运行期间锰扩散通量有升高趋势,系统运行结束后,底部溶解氧浓度迅速降低,溶解态锰迅速释放至上覆水体,锰扩散通量有降低趋势。

关键词：金盆水库铁锰暴雨径流沉积物扬水曝气系统

金盆水库沉积物中磷的迁移转化规律及扬水曝气原位控制

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金盆水库沉积物中磷的迁移转化规律及扬水曝气原位控制

作者：苏露西安建筑科技大学

学位级别：硕士

为探明黑河金盆水库沉积物中磷的分布与迁移转化规律以及扬水曝气系统对磷的控制效果,对金盆水库上覆水、间隙水、沉降颗粒及沉积物的理化性质(含水率、粒径、有机质等)、沉积物的磷含量及赋存形态等进行了为期一年的监测。重点探究了:... 详细信息

为探明黑河金盆水库沉积物中磷的分布与迁移转化规律以及扬水曝气系统对磷的控制效果,对金盆水库上覆水、间隙水、沉降颗粒及沉积物的理化性质(含水率、粒径、有机质等)、沉积物的磷含量及赋存形态等进行了为期一年的监测。重点探究了:(1)黑河金盆水库沉积物磷的赋存形态及垂向分布特征;(2)表层沉积物中磷的季节性变化及迁移转化规律;(3)扬水曝气技术对金盆水库沉积物磷的控制效果。主要得到以下结论:(1)金盆水库表层沉积物中有机质的含量为45.12±0.16 mg/g,其中蛋白质的含量最高为4.85±0.05 mg/g,可溶性有机质中均为类腐殖质,沉积物颗粒主要为粉砂质(粒径0.002.05 mm)。表层沉积物中总磷(TP)含量较高为72480 mg/kg,有机磷(OP)约占TP的176%,各形态磷随深度变化所占总磷百分比含量大小顺序为:钙磷(Ca-P)>氢氧化钠磷(NaOH-P)>残渣态磷>铁锰螯合态磷(BD-P)>活性磷(SRP)。金盆水库沉积物中有机质与总磷、BD-P和NaOH-P的相关系数分别为0.884、0.831和0.741,有机磷与有机质之间的线性关系式为:有机磷(%)=0.044×有机质(%)+3.686,R为0.810。(2)夏季水库水体分层,底部溶解氧浓度下降,促使沉积物中的磷向上覆水释放。秋季,扬水曝气系统的运行使底部溶解氧增加、水温升高,从而沉积物吸附水体中的磷,导致表层沉积物中BD活性磷(BD-srP),NaOH活性磷(NaOH-srP)增加;冬季水体完全混合,底部溶解氧浓度升高,水中的磷向沉积物中迁移,使表层沉积物中中等活性有机磷(MLOP)增加。(3)上覆水中溶解性磷浓度为0.03.06 mg/L,间隙水中溶解性磷浓度为0.23.84 mg/L,金盆水库沉积物向水体释放溶解态磷酸盐的通量为1.841×10mg/(m·d),还原性条件下沉积物磷的释放是底部溶解态磷的重要来源。(4)沉降颗粒中的有机质含量约为表层沉积物的2倍,沉降颗粒中的总磷含量为59928 mg/kg,略低于表层沉积物中总磷含量(66975 mg/kg)。沉降颗粒中,NaOH-P为主要成分,约占总磷含量的46.24%。2017年3月,沉降颗粒中的磷由于微生物作用及水环境因素而循环转化,并未积累到表层沉积物中。(5)扬水曝气系统的运行,使上覆水中总磷浓度降低了68.29%,表层沉积物中活性有机碳(AOC)下降约4.378.021 mg/g。表层沉积物中总磷含量略有升高,其中无机磷含量增加了197%,总有机磷削减20.2%,说明扬水曝气系统使沉积物吸附水体中的磷,有效控制了磷的释放。

关键词：金盆水库磷形态沉积物迁移规律扬水曝气控制

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金盆水库洪水预报调度系统的研究与开发

金盆水库洪水预报调度系统的研究与开发

作者：王双文西安理工大学

学位级别：硕士

实时洪水预报调度,作为一种能有效地减轻洪灾危害程度和降低洪灾所造成损失的非工程措施,在近几年来的防洪减灾工作中发挥着越来越重要的作用。本文在金盆水库洪水预报调度系统的研究开发过程中,对洪水预报模型、水库调度模型的建立,实... 详细信息

实时洪水预报调度,作为一种能有效地减轻洪灾危害程度和降低洪灾所造成损失的非工程措施,在近几年来的防洪减灾工作中发挥着越来越重要的作用。本文在金盆水库洪水预报调度系统的研究开发过程中,对洪水预报模型、水库调度模型的建立,实时洪水预报软件的编制等问题进行了相应的研究工作。金盆水库洪水预报调度系统具有以下特点;(1) 较完善地实现了金盆水库实时洪水预报,能有效地对实时洪水预报成果进行校正。 (2) 实时洪水调度决策支持子系统能自动地形成实时洪水调度预案,并进行多方案、多目标的优化决策。 (3) 集成了实时洪水调度分析决策时所需的各项功能,软件功能较强大。 (4) 友善的用户界面,使用户易于操作,并便于回溯。本文第一章简要介绍了洪水预报模型、防洪调度模型的国内外发展概况及研究趋势,并分析了作为防洪非工程措施的实时洪水预报和实时洪水调度管理的现实意义。第二章对金盆水库的水文资料、水库资料做了分析整理。第三章根据流域特性,选用新安江模型作为金盆水库入库洪水预报模型,并对该模型做了简单介绍。第四章制定水库防洪调度方案,为满足水库调度多目标要求,系统调度模块中运用规则调度、预泄调度、优化调度、指令调度和交互调度模型,并采用模糊评判西安理工大学工程硕士专业学位论文作为调度度决策模型。第五章利用黑河流域实测历史资料对洪水调度系统的部分算法做实例验证。第六章通过对软件系统开发路线的简要说明,详细介绍了实时洪水预报调度系统的设计与实现,并对应用软件开发中所使用的有关技术与系统开发平台做了介绍。第七章对系统的开发进行总结,并指出了今后的研究发展方向。关键词:金盆水库;实时洪水预报;洪水预报调度系统。

关键词：金盆水库实时洪水预报洪水预报调度系统

黑河金盆水库表层沉积物中磷的形态和分布特征

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农业环境科学学报 2016年第10期35卷 1977-1983页

作者：王亚平黄廷林周子振张海涵李扬龙圣海刘飞西安建筑科技大学环境与市政工程学院西安710055

水源水库沉积物生源要素形态显著影响上覆水体水质,为给深水型水源水库水质修复提供科学依据,应用淡水沉积物中磷形态的标准测试程序(SMT),对西安市黑河金盆水库库区和上游入库6个代表性沉积物样的理化特征及磷赋存形态进行研究。结果表... 详细信息

水源水库沉积物生源要素形态显著影响上覆水体水质,为给深水型水源水库水质修复提供科学依据,应用淡水沉积物中磷形态的标准测试程序(SMT),对西安市黑河金盆水库库区和上游入库6个代表性沉积物样的理化特征及磷赋存形态进行研究。结果表明:金盆水库表层沉积物中总磷(TP)含量范围为987~1326 mg·kg^(-1),从上游入库至库区,总磷含量逐渐增加;无机磷(IP)是沉积物中磷的主要成分,占总磷(TP)的比例为62.5%~78.9%;Ca-P是IP的主要组成成分,占IP的比例为72.0%~90.5%。沉积物-水界面存在明显的磷浓度梯度,当氧化还原条件变化时溶解性磷易从间隙水扩散到上覆水中,从而在一定程度上影响金盆水库整体的营养水平。TP与IP变化趋势基本一致,且TP的变化主要由IP决定,IP的增减因Ca-P和Fe/Al-P而改变。

关键词：金盆水库表层沉积物间隙水磷赋存形态