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水 力 发 电第 卷第 期 年 月 .方法在研究山区流域氨氮输移转化中的应用潘佳佳 余甜雪 李纪宇(浙江大学水科学与工程研究所 浙江 杭州 浙江省水利水电勘测设计院有限责任公司 浙江 杭州)摘 要:为探究基于 的养分添加示踪方法在山区流域内不同特征河道的氨氮吸收能力研究中的适用性及其优缺点 以浙江西南部山区小港流域为研究对象 在自上游至下游的 处试验点开展了氨氮的营养盐添加示踪试验同时采集流域水生态环境特征数据 结果表明 基于 方法和 吸收动力学模型量化小港流域的氨氮吸收能力 除在下游低流量的宽河道外都有较好的应用效果外 流域内氨氮吸收能力的空间分布差异可能与河道断面几何形态、流量、流速、背景浓度和水生态环境等因子有关关键词:流域氨氮吸收 尺度效应 方法 流域水文 山区源头流域 .中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目()国家重点研发计划()作者简介:潘佳佳()女 浙江瑞安人 硕士研究生主要从事水资源与水环境工程研究.0引言天然河道特别是源头溪流自身对氮、磷等营养物质具有滞留和吸收功能 通过生物同化、硝化反硝化和沉积物吸附等作用 可显著降低养分浓度较大的河床底栖生物表面积促进了底栖生物群落对营养物质的吸收截留 的氮进入水体会被 级小河拦截 近年来的养分滞留研究都集中在上游小溪流 为了量化河道的养分吸收 等提出了基于营养盐瞬时添加示踪的()方法 优化了 等使用的稳定同位素示踪测量法因实际操作困难且分析样品的设备昂贵存在的问题近年来 许多学者基于 方法开展研究第 卷第 期潘佳佳等:TASCC 方法在研究山区流域氨氮输移转化中的应用 .等基于 研究了半干旱溪流中 吸收的动态变化特征 等使用 方法评估了示踪试验中背景至饱和浓度范围内养分螺旋指标的不确定性 李如忠等对农业排水沟渠 吸收进行了研究 但在大多数的地理环境中都缺乏关于溶质吸收的详细实测数据 由于野外试验耗费大且难以控制环境条件 很少在流域内进行大范围的实验研究 本研究将基于 氨氮添加示踪试验对浙江省西南部山区源头溪流小港流域的养分吸收能力进行量化 并收集流域特征数据 为不同环境下的 方法的适用性和优缺点提供依据1研究区域及试验方法 研究区域小港流域位于浙江省丽水市松阳县西南部山区流域面积 该区水系众多且大多为山溪性河流 河道蜿蜒曲折 上游溪流流速快 河道狭窄而坡降较大 部分下游溪流地形呈深潭或浅滩 流量受降水控制明显 水位易涨易落 洪水、枯水间差异显著 该地属于亚热带季风气候 四季分明温暖潮湿 年平均气温 月最冷 月最热 年平均降水和蒸发量分别为 和 雨季在 月 月 月 月为多雨季节 降水量占全年的 其中 月 月属于春雨期 月 月属于梅雨期 月 月为台风雨季 月、月气温高而降水少 蒸发大于降水 易出现晴热少雨的伏旱天气 降水量占全年的 月雨量最小 仅 营养盐瞬时添加示踪试验经过前期实地考察 确定了小港流域内 处 长的试验河段 基本情况如图 所示 年 月 对小港流域内 处试验河段各开展了一场 氨氮瞬时添加示踪试验 每场试验现场测量采集溪流特征数据野外氨氮添加示踪试验分为 个步骤:准备工作、现场试验和水样测定 试验开始前 采集河段的背景浓度水样 并测定水温、溪流流速及流量以此计算(保守示踪剂)和()(生物活性示踪剂)示踪剂投放量 将便携式电导率仪探头插入溪流中固定 显示水中离子浓度实时数值 在上游起点处将混合示踪溶液瞬时倾倒至溪流中并开始计时 在 的下游采样处 每分钟记录一次电导率 根据电导率数据画出曲线的上升和下降的斜率决定采样频率 曲线上升或下降得越快(即浓度快速变化时)采样越频繁 直至电导率曲线回归平稳获得完整的示踪剂浓度穿透曲线 采集的水样需要图 小港流域水系及试验站点分布过滤、冷藏并在 内运往实验室测定浓度 流域特征数据采集及测定在野外开展氨氮添加示踪试验并计算相关参数的基础上 采集了流域内溪流的水文、水质和水生态数据 包括:年小港水文站的月均流量数据 直接从小港水文站的水文年鉴中获取 小港流域内干流下游的试验点 大东坝溪流口月度水质采样数据 小港流域内各试验点溪流的水质生态实地采样数据 现场采集并在实验室测定2基于 TASCC 方法的养分吸收参数计算 添加氨氮动态螺旋指标计算先利用下式确定添加营养盐的动态综合衰减系数()即()式中 为试验中采集的水样扣除背景浓度(未开展试验溪流在自然状态下的浓度)后的 与 浓度之比的自然对数 无量纲 为示踪剂混合溶液中 与 浓度比的自然对数 无量纲 试验渠段长度 本研究中均为 采集的水样均需要满足条件:添加养分的三项动态螺旋指标、和的计算公式为()()水 力 发 电 年 月 .()式中 为 添 加 氨 氮 的 动 态 吸 收 长 度 为添加氨氮的动态吸收速率/()为添加氨氮的动态吸收速度/为溪流流量/为河宽 为观测(背景校正)和保守氨氮浓度的几何平均值/()式中 为保守氨氮浓度 是氨氮在保守输送的情况下到达下游采样点的氨氮量/计算为水样 浓度(扣除背景浓度)与添加溶液的 的乘积 为经过背景校正的实测水样氨氮浓度/氨氮背景浓度螺旋指标计算背景螺旋指标可以代表溪流在自然无额外营养添加情况下的吸收能力 首先 氨氮总动态浓度计算公式为()()式中 为在水样里检测到的总氨氮浓度(未经背景校正)/为氨氮的背景浓度/对 线性回归 即估算为线性回归方程的截距 在此基础上 计算背景吸收速率 和背景吸收速度 公式为()()氨氮总动态螺旋指标计算在整个添加试验过程中 背景吸收速率和添加氨氮的动态吸收速率之和代表了总动态吸收速率 公式为()总动态吸收速度 可以计算为()基于 的吸收动力学模型在本研究中 用 动力学模型拟合 的关系 并确定每场示踪试验的最大吸收速率参数 和半饱和常数 公式为()式中 为当 时对应的值/3研究结果 流域水文生态环境背景数据 小港水文站月均流量数据 年小港水文站逐月月均流量如图 所示由图 可知 小港流域的月均流量呈显著季节变化春末至夏末 月 月为丰水期 峰值在 月 月枯水期从 月次年 月 流量最低值在 月 与流域雨季分布大体一致图 年小港水文站逐月月均流量 大东坝溪流逐月水生态环境数据 年大东坝溪流逐月水文水质数据如图 所示 将大东坝溪流出口处的水文水质数据按时间顺序展示 空白表示实测值空缺 从图 与图 对比可知 大东坝与小港流域的流量变化趋势一致 图 中的水温与小港流域所处的季节气温变化一致由图 可知 氨氮浓度的季节性变化规律不显著 由图 可知 夏季溪流的 值略高于冬季主要原因是冬季 溶解度高 由图 可知 由于电导率与盐分浓度呈正相关 而春夏季溪流的电导率高于秋冬季 因此其盐分浓度也较秋冬高 由图 可知 夏季溪流的水的溶解氧()浓度最低 秋冬季节上升 月达峰 春季递减 这与温度及水生生物数量有关 冬季水温低 饱和度高 且生物量少活性差耗氧少 因此溶解氧浓度高 高浓度 会强化水体的硝化作用而加速消耗氨氮 促进消耗大量硝酸盐氮的藻类繁殖过程 因此 推断大东坝的氨氮浓度一般应是夏季低、冬季高由图 可知 化学需氧量()夏季高、冬季低 可能由于夏季阳光充足、气温高以及水体生物生长迅速 增加了泵吸作用和底泥中营养盐的释放 导致水体需氧量增加 由图 可知 生化需氧量()在春夏高而秋冬低 与水体中生物的生长第 卷第 期潘佳佳等:TASCC 方法在研究山区流域氨氮输移转化中的应用 .周期一致 由图 可知 总氮()浓度大致呈春夏高 秋冬低 推测由于春夏温度增高会加强水体微生物的反硝化作用 由图 可知 总磷()浓度在 月 月显著升高与雨季来临有关 流域土地内积存的磷容易随雨水冲刷进入河流 且夏季微生物生长活跃 聚磷菌的聚磷速度加快、的浓度基本都是在春夏高而秋冬低 特别是在丰水期 月、月都很高图 年大东坝逐月水文水质数据由图 可知 氟化物在春夏汛期浓度低 冬季枯水期浓度高 枯水期降水少流量小 由于蒸发和溶解氟化物达到了最高浓度 由图 可知 粪大肠菌群浓度在冬季最低 春夏季节浓度显著升高 原因是冬季气温较低 不利于水中粪大肠菌群的繁殖而自春始 水中温度、光照等条件的上升 为菌群提供了适宜的生长环境 春夏季菌群数量有较强的上升趋势 并在 月达到最大值 各试验点水生态环境采样数据 年 月 对流域内 个试验点进行水文水生态和水质环境数据采样 将结果按上游至下游排序 采样数据如图 所示 由图 可知、浓度从上游到下游先升后降再上升 在干流的三处试验点(大东坝、黄南、排居口)的浓度高于支流 与 类似 营养物质、的浓度也呈干流高、支流低 大东坝是干流浓度反而低水 力 发 电 年 月 .碳氮摩尔比值从上游向下游递减 且发现大潘坑的所有浓度值均低 推测由于其附近有原始森林保护区 土地开发受到限制 土地利用以自然林地为主 剩余试验点所属集水区的土地利用则均以农业用地为主 因此大潘坑属其中开发程度最低、受人类活动影响最小的区域 导致其溪流中的各类指标均较低 其碳氮摩尔比远高于其他地点 也同样反映了大潘坑系统中氮含量偏少 养分指标偏低这一情况图 小港流域各试验点水质采样数据小港流域各试验点水文水生态采样数据如图 所示 由图、可知 从采集试验点的空间分布来看 在流量和河宽的数值上 干流试验点几乎显著大于支流 此外 叶绿素 和河道无灰干质量()作为衡量底栖藻类群落生物量的参数 其中溪流叶绿素 的干流浓度整体都大于支流(见图)底栖叶绿素 支流大于干流 上游大于下游(见图)在作为干流最下游试验点的大东坝 数值明显高于上游其他位置(见图)方法在小港流域的应用分析通过基于 方法开展的现场试验得到了示踪剂浓度时间穿透曲线 如图 所示 由图 可知 穿透曲线中 与 浓度具有相似的变化趋势 即浓度都从河流背景浓度逐步上升达到峰值后 又下降恢复至背景浓度附近 这初步验证了 方法在小港流域的适用性 为后续养分螺旋指标计算等工作顺利开展提供了支撑各试验点穿透曲线的氨氮浓度峰值存在较大区别 可以较好地反映不同试验点河道对氨氮吸收能力的差异性 从穿透曲线的形状看 在小港流域的 场试验中 大部分试验都完整呈现了类似的过程第 卷第 期潘佳佳等:TASCC 方法在研究山区流域氨氮输移转化中的应用 .图 小港流域各试验点水文水生态采样数据图 下宅街试验点的氯离子与氨氮浓度穿透曲线仅有大东坝试验点的效果不理想 原因是此河段河宽坡缓流速小 河床与氨氮的接触时间和面积增加这反映了 法在下游干流的试验不如上游小溪流适用 此外 根据氨氮浓度在穿透曲线中到达峰值的时间分布 推测同时受到流量以及不同河段形态特征的影响 其中主要是受河段形态特征的影响特别是坡度平缓、河道曲度大和存在深潭的情况下宅街试验点的穿透曲线中氨氮峰值浓度远高于其他试验点 排居口次之 浓度峰值高是由于不同试验地点溪流对氨氮的吸收能力有很大差异养分螺旋指标包括背景吸收长度 、背景吸收速度 和背景吸收率 为营养盐在溪流水体中行进的平均距离 为营养物溶质通过沉积物和水交界面沉降迁移的垂直速度 为单位面积沉积物对水中营养盐的吸收速率 小港流域八场空间分布试验的氨氮背景螺旋指标见表 本研究中 整体变化了一个数量级 而 和变化幅度却接近三个数量级 这充分说明、在不同试验地点之间存在很大差异 且 没有很好体现出这种差异 可见虽然都是反映吸收能力大小 不同参数表示的吸收能力大小的侧重点不同 会反映在氨氮吸收效率的实测结果中 拟合 吸收动力学模型的参数 和 结果发现 参数大小会随不同河道而发生变化 无论是 还是 都存在很强的空间异质性 但与干支流、上下游位置的关联不大 表示生态系统对营养盐的滞留潜力 而 则能够间接反映生态系统中生物对营养盐的亲和力 值越低意味着生物对其亲和力越高 也就是生物对营养盐越发敏感 响应速度也就越快 虽然朱岱的吸收速率在较低浓度下响应更快 但在大潘坑、下宅街、斗潭的 在高浓度下更大当把所有试验点的总氨氮浓度放在同一标准时水 力 发 电 年 月 .表 小港流域八场空间分布试验的氨氮背景螺旋指标试验河段试验编号流量/水温/()/()/大东坝 黄南 排居口 朱岱 斗潭 大潘坑 下宅街 石仓源 不同标准会导致吸收能力的大小及空间分布的排序变化 这表明 若仅使用一次或一个地点计算的吸收参数的模拟可能不能完全代表水生生态系统在不同环境下的养分保留能力 分别用河道环境中测得的最低(/)、最高(/)和平均(/)氨氮浓度并且额外模拟浓度达到地表水环境质量标准中的一定限值浓度 如 (类)、(类)、(类)、(类)/作为基准氨氮总动态浓度 代入拟合的 吸收动力学模型 计算得到相对应的总吸收速率 用来比较各种浓度水平下时空吸收能力的变化 这组浓度值代表了研究地点测得氨氮背景浓度的范围 因此称为基准浓度各试验点在不同基准浓度对应的总吸收速率如图 所示 由图 可知 不同基准浓度下的吸收速率在不同河道之间相对大小的关系有所变化 在基准氨氮总浓度较低(小于 /)时 普遍呈现出上游的总吸收速率大于下游 干流的总吸收速率大于支流 而当基准浓度增大 甚至超过类水标准时 下游的下宅街河道总吸收速率就超过了上游的大潘坑和朱岱 这意味着在低氨氮浓度输入的情况下 大潘坑和朱岱河道的氨氮吸收能力反而会比吸收潜力更大的下宅街强 只有当总动态浓度达到一定高度 大潘坑和朱岱才会因为吸收达到饱和而不及下宅街 这一结果反映了 法的试验结果对从背景浓度到饱和浓度范围内氨氮吸收呈现动态变化性的过程具有较好的模拟效果总之 方法能够较好地定量刻画流域内不同水文生态条件的河道从背景浓度至饱和浓度范围的氨氮动态吸收过程 展示了养分滞留过程中的动态变化 为量化氨氮背景浓度下的螺旋指标和吸收动力学模型参数化以及评估河流吸收的饱和程度提供了一种快速、高效且相对简单的技术 各类吸收参数的适用性分析养分螺旋指标虽然都代表在养分背景浓度下的图 各试验点在不同基准浓度对应的总吸收速率吸收效率 但彼此有一定区别和联系 代表吸收能力受到生物和非生物综合影响的结果 这一指标同时受到水文输运和底栖生物交换过程的影响而 更接近于描述非生物吸收的影响 可比较在不同水文条件下河段对养分的吸收能力 甚至可以由河流水力特性估计 氨氮的、数值在各试验点之间的相对大小关系都基本一致 大致由上游向下游递减 由大流量向小流量的河道递减与 等结果类似 因此认为养分螺旋指标在小港流域内的应用效果较好 且与流量存在相关性比如 在所有试验的结果中 和 最大的都是排居口 最小的都是大东坝 排居口的流量最大其河道较为宽阔 流速很快、水深较深 河床底质以卵石和基岩为主 大东坝虽然水面宽度是最大的但是流量相对较小 流速很缓慢 河岸两侧碎石块堆积 植被较少 基于小港流域 处试验点的的结果 背景吸收长度 数值越大则越不利于营养盐在河段中被截留及净化 除了石仓源、朱岱、排居口和大潘坑外 其余点的 并不小于溪流本身长度 说明不同特征的溪流对氨氮的截流净化能力不尽相同 且变化很大 受到了生物和非生物因素综合影响 也体现了 参数本身的特征 若将研究专注于 和 值上 可以最大程度地减少流量差异造成的影响 因此 建议在比较不同水文条件第 卷第 期潘佳佳等:TASCC 方法在研究山区流域氨氮输移转化中的应用 .下不同河道的养分吸收能力差异时 不但要使用综合性参数 还非常有必要引入 和 进行补充对比 吸收动力学模型能较好地模拟溪流中 的动态吸收过程 并得到相应拟合参数结果 其中 和 不仅代表了吸收能力的最大潜力 还定义了氨氮动态吸收过程的区别 这两个参数侧重于反映底栖生物吸收能力 只与负责吸收养分的底栖生物的特定种群种类及养分种类有关而与添加养分浓度无关 当把所有空间异质性试验的总氨氮浓度放到同一标准下时 氨氮总浓度标准的高低会导致各河段吸收能力(动态螺旋指标)相对大小的排序变化 这也体现了 法对从背景浓度到饱和浓度范围内氨氮吸收呈现动态变化过程具有较好的模拟效果4结论()本研究将 养分添加示踪方法应用到小港流域内多个试验河道 此方法具有高效、简单且成本较低 还能准确刻画从氨氮背景浓度到吸收饱和的完整过程的优势 对大部分河道都有很好的适用性特别是上游小型源头溪流 但也存在对于下游流速较小的宽河道浅滩试验耗时过久的缺点 该方法应用的条件可能和河道流量、流速、曲度、坡度、断面水力形态是否存在深潭的水文特征等因子有关 未来还要进一步考虑生态环境、基准浓度的影响()养分吸收参数可以检验河道是否存在截留净化的能力 并比较河道之间吸收能力大小 但不同参数对于表现吸收能力的侧重点不同、主要体现吸收受到的非生物影响 在流域内试验地点之间存在很大差异 和 则侧重于反映底栖生物吸收能力 而 受生物和非生物因素综合影响 反而没有体现出这种差别 因此 在比较不同水文水生态条件下河道的养分吸收能力时 除 外也有必要引入其他参数补充分析()流域内氨氮吸收能力的空间分布差异可能与河道断面形态、流量流速、背景(或基准)浓度和水生态环境等因素有关 而小港流域的流量流速、背景浓度和水生态环境因素在季节之间的变化也很大 因此 可以继续探究流域氨氮吸收能力的季节性波动 并考虑温度、光照、底栖生物等生物相关因素 还有背景浓度、河道水文特征、降水等非生物因素 以及在季节变化中这些因素的影响参考文献:.():.():.():.():./.():.():.():.李如忠 殷齐贺 高苏蒂 等.农业排水沟渠硝态氮吸收动力学特征及相关性分析.环境科学 ():.():.:.():.金传鑫 刘杨洋 高熠飞 等.基于不同供水方式的西丽水库污染物浓度扩散规律研究.水力发电 ():./.():./.().(责任编辑 安莉莉)