農(nóng)田溪流深潭營養(yǎng)鹽滯留及對人為干擾的響應(yīng)

李如忠,耿若楠,黃青飛,錢 靖,楊繼偉,秦如彬

(1.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009；2.安徽省環(huán)境科學(xué)研究院,安徽 合肥 230071；3.安徽省水利部淮委水利科學(xué)研究院,安徽 蚌埠 233000)

農(nóng)田溪流深潭營養(yǎng)鹽滯留及對人為干擾的響應(yīng)

李如忠1*,耿若楠1,黃青飛1,錢 靖2,楊繼偉3,秦如彬1

(1.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009；2.安徽省環(huán)境科學(xué)研究院,安徽 合肥 230071；3.安徽省水利部淮委水利科學(xué)研究院,安徽 蚌埠 233000)

為解析溪流深潭地貌格局的營養(yǎng)鹽滯留能力及其對人為干擾的響應(yīng),2015年11月～2016年4月,在巢湖流域南淝河某一深潭地貌特征明顯的農(nóng)業(yè)源頭溪流,選擇NaCl為保守示蹤劑,NH4Cl和KH2PO4為添加營養(yǎng)鹽,開展了9次野外示蹤試驗(yàn),其中人為干擾試驗(yàn)4次,并據(jù)此計算水力學(xué)參數(shù)和養(yǎng)分螺旋指標(biāo).結(jié)果表明:試驗(yàn)渠段水流屬于緩流類型,且在整個試驗(yàn)階段始終處于湍流狀態(tài);人為干擾情形的深潭Sw-NH4下降幅度較自然情形明顯,數(shù)值由331～3304m下降為232～609m,而Sw-PO4則略有增大,即由232～609m上升為301～1100m;人為干擾時平直渠段Sw-NH4下降顯著,數(shù)值由4812～58895m下降為2463～13955m,而Sw-PO4下降更為顯著,由6242～75285m下降到1792～11432m;人為干擾情形的平直渠段Sw-NH4、Sw-PO4下降幅度顯著高于深潭渠段,意味著平直渠段受人為干擾影響很大,響應(yīng)更明顯;與自然情形相比,深潭和平直渠段的Vf-NH4、Vf-PO4基本都有不同程度的增大,有利于滯留效應(yīng)的發(fā)生.總體上,從整個試驗(yàn)渠段來看,人為干擾對于提高農(nóng)田溪流深潭地貌格局的營養(yǎng)鹽滯留能力是可行和有效的.

深潭；農(nóng)田溪流；營養(yǎng)鹽滯留；人為干擾；養(yǎng)分螺旋指標(biāo)

目前,生態(tài)溝渠控制技術(shù)對減少下游水體氮、磷養(yǎng)分負(fù)荷的重要性已為人們普遍認(rèn)同[1-2].實(shí)際上,作為河流水系統(tǒng)重要組成部分的各等級源頭溪流、排水溝渠,不僅擔(dān)負(fù)著非點(diǎn)源污染負(fù)荷匯集、傳輸和循環(huán)轉(zhuǎn)化場所的重任[3-4],同時由于它們數(shù)目巨大,在非點(diǎn)源氮、磷污染控制和削減方面也發(fā)揮著重要作用,因此越來越引起人們的關(guān)注[5-6].雖然有關(guān)源頭溪流營養(yǎng)鹽滯留能力的研究已有很多,但由于氮、磷循環(huán)過程和滯留機(jī)制的復(fù)雜性、不確知性,以及源頭溪流類型和影響因素的多樣性、動態(tài)變化性,使得營養(yǎng)鹽滯留表現(xiàn)出了很大的不確定性,特別是在涉及深潭、深潭?淺灘、階梯?深潭等地貌格局營養(yǎng)鹽滯留方面,現(xiàn)有研究還顯得十分薄弱[7].河流水系統(tǒng)中深潭分布的廣泛性和水動力特征的特殊性,以及在水環(huán)境修復(fù)中的大量使用[8],使得深潭地貌格局營養(yǎng)鹽滯留特征研究,具有十分重要的科學(xué)意義.

研究表明,流量、溪流形態(tài)、河床地貌、底質(zhì)構(gòu)成以及水溫、生物群落組成等因素制約溪流暫態(tài)存儲潛力,進(jìn)而影響氮磷營養(yǎng)鹽滯留和循環(huán)過程[9-12].因此,從理論上講,針對上述因素的操縱或調(diào)控,可以在不同程度上影響溪流營養(yǎng)鹽的滯留特征.近年來,陸續(xù)有學(xué)者嘗試以人工干預(yù)手段,從河床地貌、底質(zhì)構(gòu)成[13]或水流形態(tài)改造[14-17]著手,解析溪流暫態(tài)存儲變化及其對營養(yǎng)鹽滯留能力的影響.總體上,現(xiàn)有研究成果針對的基本都是較為簡單、規(guī)則的溝渠形態(tài),缺乏對深潭等復(fù)雜河床地貌的探究.在我國的《水污染防治行動計劃》中,針對農(nóng)田排水及地表徑流污染防治,提出了采用生態(tài)溝渠、污水凈化塘等技術(shù)措施.農(nóng)田溪流深潭地貌格局一定程度上綜合集成了上述技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),開展人為干擾情形下溪流深潭地貌格局營養(yǎng)鹽滯留響應(yīng)特征研究,可以為滯留能力調(diào)控技術(shù)方案的設(shè)計和決策提供依據(jù),因此具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義.

此外,近年來歐美一些發(fā)達(dá)國家的河流水環(huán)境修復(fù)工作正從單純的追求水質(zhì)目標(biāo)改善,逐步向水質(zhì)改善和水生態(tài)功能提升的多目標(biāo)方向發(fā)展[8,18-19],特別是水環(huán)境修復(fù)后河流水體營養(yǎng)鹽滯留能力狀況,逐漸成為衡量水環(huán)境修復(fù)成效的重要因素[20-21].當(dāng)前,巢湖流域正面臨氮磷負(fù)荷削減的繁重任務(wù),環(huán)湖河流水系的水環(huán)境修復(fù)工作也在緊鑼密鼓地推進(jìn)中.從發(fā)展的趨勢看,尋求既可以滿足水環(huán)境修復(fù)和水景觀建設(shè)需要,同時又能夠兼顧營養(yǎng)鹽滯留能力提升需求的技術(shù)方法,將是該地區(qū)河流水系水環(huán)境修復(fù)中需要認(rèn)真思考的問題.本研究擬以巢湖流域某一農(nóng)田源頭溪流為對象,嘗試就深潭地貌格局的營養(yǎng)鹽滯留特征及其對人為干擾的響應(yīng)進(jìn)行分析與評估,以期為巢湖流域小河流氮磷營養(yǎng)鹽滯留能力提升及水環(huán)境修復(fù)方案的制定提供借鑒.

1 研究區(qū)概況

南淝河是巢湖流域北側(cè)的一條重要入湖河流,也是合肥地區(qū)氮磷污染負(fù)荷進(jìn)入巢湖的最主要通道.本研究在南淝河主要支流之一的二十埠河上,篩選一條水質(zhì)狀況良好的農(nóng)田源頭溪流作為對象.溪流全長約2.5km,水面寬0.5～2.0m,流速0.05～0.30m/s,屬于自然匯流沖刷形成的排水溝渠.溪流地處城鄉(xiāng)交錯地帶,匯流區(qū)兩側(cè)邊緣為低矮的丘陵崗地,中上游地段僅在東側(cè)崗坡的坡頂位置新建有高校園區(qū),包括西側(cè)崗坡在內(nèi)的其它地方都沒有規(guī)?；木用顸c(diǎn)、畜禽養(yǎng)殖場或工業(yè)廠區(qū)存在,主要土地利用類型為農(nóng)業(yè)用地和人工林地.匯流區(qū)下游為城市建成區(qū),接納高校園區(qū)生活污水的磨店城市污水處理廠尾水直接排入溪流中.由于毗鄰城區(qū),加之城市建設(shè)征地影響,目前整個流域農(nóng)業(yè)用地基本處于拋荒狀態(tài).

在該源頭溪流中段,篩選一段深潭地貌特征明顯的溝渠狀溪流段作為現(xiàn)場示蹤試驗(yàn)靶區(qū).該渠段左側(cè)為養(yǎng)魚塘和農(nóng)業(yè)荒地,右側(cè)為雜草叢生的大片人工林地,溝渠為土質(zhì)護(hù)坡,岸壁陡峭且下切較深,平均達(dá)1.5m.由于從溝渠底部取土加固田埂或?yàn)橥诳有钏喔?導(dǎo)致溝渠河床寬窄不一,并留下一串串長短、深淺不同的坑槽,形成了結(jié)構(gòu)明顯的深潭地貌格局.特別是,由于渠道過流斷面偏窄,暴雨期間水流流速較快,對河床及岸壁的沖刷較為顯著,因此平直渠段的河床土質(zhì)較為板結(jié),只是在深潭渠段有泥沙淤積.整個試驗(yàn)段渠底幾乎鮮有大型水生/濕生植物,但在平直段附著大量的苔蘚.該渠段沉積物中TN、TP平均含量分別為1414.43、456.10mg/kg,有機(jī)質(zhì)為3.5%,磷的吸持指數(shù)PSI平均值為57.88(mg·L)/(100g·μmol).深潭渠段和平直段水面寬度、流速、水深等差異較為明顯.整個研究期間,實(shí)驗(yàn)渠段河面寬度基本處于0.5～2.0m,水深0.08～0.35m,氨氮(NH4+)濃度大約在0.5～3.0mg/L,磷酸鹽(PO43-)濃度約為0.04～0.50mg/L.

2 模型與方法

2.1 示蹤試驗(yàn)及方案設(shè)計

2.1.1 示蹤試驗(yàn) 選定的試驗(yàn)渠段長約150m,其中投加點(diǎn)O距采樣斷面A、B、C分別為30,110, 150m,見圖1.這里,OA段為示蹤劑混合段,AB為深潭渠段,BC為平直渠段.而且,投加點(diǎn)、采樣點(diǎn)基本都位于相應(yīng)斷面中心的中泓線上.

圖1 示蹤試驗(yàn)渠段示意Fig.1 Sketch map of tracer experimental streamreach

2015年11月14日～2016年4月13日,選擇NaCl為保守示蹤劑、NH4Cl和KH2PO4為添加營養(yǎng)鹽,在實(shí)驗(yàn)渠段逐月開展了9次示蹤試驗(yàn)(其中人為干擾試驗(yàn)4次).每次均在試驗(yàn)的前一天現(xiàn)場勘查水情,采樣測定水體Cl、NH4+、PO43-濃度.根據(jù)預(yù)期達(dá)到的峰值濃度水平,確定示蹤劑和營養(yǎng)鹽的投加量,并在試驗(yàn)現(xiàn)場利用溪水將其充分混合.選擇電動噴霧器(3WBD-20L)作為投加裝置,采用恒速連續(xù)投加的方式,將所有混合溶液(60L)全部投送完畢,釋放速度控制在30.30mL/s左右,持續(xù)時間約35min.利用100mL PVC塑料瓶采集水樣,其中采樣點(diǎn)A的采樣間隔為1min,B、C點(diǎn)則根據(jù)水流流速情況,取1～4min.此外,利用便攜式電導(dǎo)率計現(xiàn)場測定水樣電導(dǎo)率,待其穩(wěn)定回到背景值水平停止采樣.然后,在OA、AB和BC段內(nèi),對多個斷面分別測定水深、水面寬度、流速等.

在實(shí)驗(yàn)室,利用PXS-215離子活度計和氯離子選擇性電極(參比電極232-01、氯離子電極PCl-1-01)測定Cl濃度,NH4+、PO43-分別選用納氏試劑分光光度法和鉬酸銨分光光度法測定.

2.1.2 人為干擾方案 將深潭段AB作為干擾渠段,通過在主流區(qū)河床上等間距放置土袋,解析人為干擾對深潭地貌格局營養(yǎng)鹽滯留特征的影響.這里,土袋是由塑料編織袋充填岸邊土壤制作而成,充填后土袋長、寬、高分別為0.65、0.30、0.18m.為避免袋中泥土流失帶來的影響,將塑料編織袋內(nèi)泥土以不透水塑料袋進(jìn)行包裹處理.4次人為干擾試驗(yàn)時間分別為2016年3月13日、2016年3月20日、2016年3月27日和2016年4月13日,其中第1次干擾試驗(yàn)是在渠底沿水流行進(jìn)方向按每5m間隔放置土袋,土袋完全浸沒在水面下約10cm;第2次仍維持5m間距不變,但在每個點(diǎn)位疊加1～2個土袋,使土袋略高出水面,水流繞開土袋并在周邊產(chǎn)生較為明顯的漩渦;第3、4次調(diào)整土袋堆積高度,使其高出水面,但將放置土袋的間距調(diào)整為3m,土袋周邊出現(xiàn)了更為明顯的渦流現(xiàn)象.4次干擾試驗(yàn)中,土袋均橫向放置在渠底,且皆處于深潭主流區(qū)(圖1).在試驗(yàn)前1～2d將土袋在深潭中放置妥當(dāng),以減少現(xiàn)場干擾影響.

2.2 水力學(xué)參數(shù)

采用Darcy-Weisbach阻力系數(shù)表征溪流渠道的粗糙度,即

式中:f表示溪流阻力系數(shù),無量綱;g表示重力加速度,取9.81m/s2;R表示水力半徑,m;J表示水面比降,m/m;u表示溪流平均流速,m/s.

溪流中的水流狀態(tài)可以采用弗勞德數(shù)判別,相應(yīng)的表達(dá)式為:

式中:Fr表示弗勞德數(shù),無量綱;h表示平均水深,m.

采用雷諾數(shù)判別溪流的紊動性程度和流態(tài),表達(dá)式為:

式中:Re表示雷諾數(shù),無量綱;ν表示水的運(yùn)動粘滯系數(shù),取1×10-6m2/s.

單位水流功率表示溪流單位長度能耗率,可反映溪流水體挾沙能力的相對強(qiáng)弱,表達(dá)式為:

式中:Φ表示單位水流功率,N/(m·s);r表示水的容重,N/m3;J表示溪流河床比降,m/m其他變量同上.

2.3 養(yǎng)分螺旋指標(biāo)

養(yǎng)分螺旋原理常用于評估河流營養(yǎng)鹽滯留能力,相關(guān)指標(biāo)為[14]:

式中:Sw表示營養(yǎng)鹽吸收長度,m;Vf表示吸收速度(也稱傳質(zhì)系數(shù)),m/s;U表示溪流潛流帶表層的營養(yǎng)鹽吸收速率,mg/(m2·s);k為營養(yǎng)鹽綜合衰減系數(shù),m-1;w表示水面寬度,m;h表示溪流平均深度,m;c為平穩(wěn)狀態(tài)時添加營養(yǎng)鹽濃度,mg/L; 1000為單位換算系數(shù).

由于U是一個與營養(yǎng)鹽濃度有關(guān)的量,因此在對不同評價對象比較時,多采用指標(biāo)Sw和Vf.

3 結(jié)果與討論

3.1 示蹤劑濃度-時間穿透曲線

圖2 Cl、NH4+和PO43-的濃度?時間穿透曲線Fig.2 Concentration breakthrough curves of Cl, NH4+and PO43-

在9次現(xiàn)場示蹤試驗(yàn)中,分別就自然情形和人為干擾情形各選1次代表性試驗(yàn),繪制相應(yīng)的Cl、NH4+、PO43-濃度―時間穿透曲線(BTCs),見圖2.由圖2可見,在自然情形的2015年12月26日試驗(yàn)中,B、C斷面Cl、NH4+和PO43-濃度基本都未達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài).深潭地貌格局明顯降低了溪流流速,致使Cl、NH4+或PO43-在渠段AB的水力停留時間數(shù)倍于渠段BC.而且,存在采樣點(diǎn)B、C峰值濃度沒有進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)的現(xiàn)象.根據(jù)示蹤試驗(yàn)獲得的示蹤劑和添加營養(yǎng)鹽濃度―時間穿透曲線信息,采用耦合暫態(tài)存儲交互作用和側(cè)向入流補(bǔ)給影響的OTIS模型,可以對NH4+、PO43-的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律進(jìn)行定量化模擬.有關(guān)OTIS模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式、模擬計算軟件及其求解計算方法,參見文獻(xiàn)[15-16].

3.2 水動力學(xué)特性

在試驗(yàn)渠段前端的投加點(diǎn)處,由于左側(cè)空地開挖魚塘的過程中將泥土推入溝渠,導(dǎo)致該段溪流上、下游水位落差加大,整個試驗(yàn)段水面比降達(dá)0.002m/m.根據(jù)實(shí)測水深、水面寬度以及計算得到的水流速度、水力半徑等信息,利用式(1)～(4)計算該段f、Fr、Re和Φ 等水力學(xué)參數(shù),結(jié)果見表1.這里,水力半徑計算式為:

式中:W表示溪流過水?dāng)嗝婷娣e,m2;X表示斷面濕周,m.

表1中,Ⅰ～Ⅴ對應(yīng)于自然情形,Ⅵ～Ⅸ為人為干擾.總體上,無論是深潭段還是平直段,人為干擾的f似乎都更低一些,即溪流粗糙度更低.河水流量較低時,由于河床、河岸以及水生植物等約束作用相對增強(qiáng),河槽粗糙度相對較大;而流量較高時,由于約束作用減弱,河槽粗糙度隨之下降.4次干擾試驗(yàn)中第Ⅵ、Ⅶ、Ⅸ次試驗(yàn)的流量相對較高,相應(yīng)的溪流粗糙度基本都與流量相當(dāng)?shù)牡冖虼卧囼?yàn)接近,暗示人為干擾情形下出現(xiàn)f下降,主要是由流量增大造成的.嚴(yán)格來說,這應(yīng)該是由流量增大帶來的摩擦阻力減小和人為干擾導(dǎo)致的摩擦阻力增大相互抵消或博弈的結(jié)果.

表1 試驗(yàn)渠段水力學(xué)參數(shù)Table 1 Hydraulic parameters of the study streamreach

人為干預(yù)情形下,Fr似乎有所增加,但依舊顯著低于臨界判別標(biāo)準(zhǔn)1.0,表明無論有無人為干預(yù)行為,水流狀態(tài)都屬于緩流類型,且自然情形的水流更為和緩一些.9次試驗(yàn)中深潭、平直渠段Re值都遠(yuǎn)超明渠流臨界雷諾數(shù)Recr=500,表明試驗(yàn)過程中溪流始終處于湍流狀態(tài),而且人工干擾的Re值更大一些.此外,人為干擾的Φ值,似乎也大都較自然情形更高.水力學(xué)參數(shù)f、Fr、Re和Φ等都是與h、w、u等密切相關(guān)的指標(biāo),由表1,流量基本相當(dāng)?shù)牡冖?、Ⅵ、Ⅶ和Ⅸ次試?yàn),相應(yīng)的f、Fr、Re和Φ差異性并不顯著,只是在流量較為懸殊情形下才出現(xiàn)明顯的差異,這似乎暗示流量因素主導(dǎo)著試驗(yàn)段水力學(xué)參數(shù)變化,由人工干預(yù)措施帶來的影響還較為有限.

3.3 營養(yǎng)鹽綜合衰減系數(shù)

一般地,綜合衰減系數(shù)k都是根據(jù)一維水質(zhì)模型解析解cx=c0e?kx,利用恒速連續(xù)投加示蹤試驗(yàn)數(shù)據(jù),由回歸分析或反向計算獲得[16,22-23].但對瞬時投加示蹤試驗(yàn),該方法并不適用.Argerich等[13]利用OTIS模型參數(shù),提出了更具普適意義的計算模型,即:

式中:A、As分別表示主流區(qū)和暫態(tài)存儲區(qū)斷面面積,m2;λ、λs分別表示主流區(qū)和暫態(tài)存儲區(qū)營養(yǎng)鹽一階吸收系數(shù),s-1;α表示主流區(qū)與暫態(tài)存儲區(qū)之間的交換系數(shù),s-1.

表2 OTIS模型參數(shù)及綜合衰減系數(shù)Table 2 OTIS model parameters and comprehensive degradation coefficients

采用OTIS模型模擬Cl、NH4+和PO43-濃度?時間過程曲線,得到參數(shù)A、As、λ、λs和α,見表2.于是,由式(9)計算得到NH4+、PO43-綜合衰減系數(shù)k,見表2.顯然,無論有無干擾,深潭段NH4+、PO43-的λ值基本都比相應(yīng)的λs值低1～2個數(shù)量級.而在下游平直渠段,自然情形的λ-NH4值都較λs-NH4高2個數(shù)量級,人為干擾時λs-NH4數(shù)值增長很快,且都與λ-NH4處在同一數(shù)量級水平,說明人為干擾對提升平直渠段暫態(tài)存儲區(qū)NH4+吸收潛力影響顯著.總體上,自然情形和人為干擾的平直渠段λ-PO4值都較λs-PO4值高1～2個數(shù)量級;而在深潭段,僅半數(shù)人為干擾的λ-PO4高于自然情形,半數(shù)試驗(yàn)的λs-PO4值甚至較自然情形低1個數(shù)量級,這既說明人為干擾對于提升平直渠段PO43-吸收潛力的有效性,同時也表明NH4+、PO43-滯留規(guī)律的差異性.人為干擾情況下,半數(shù)試驗(yàn)的λs-PO4值較自然情形下降了1個數(shù)量級,意味著深潭暫態(tài)存儲區(qū)PO43-滯留潛力出現(xiàn)下降.顯然,無論是NH4+還是PO43-,人為干擾情境下平直渠段的營養(yǎng)鹽一階吸收系數(shù)都有很大幅度的提高,暗示深潭中的人為干擾行為對于提高下游平直渠段營養(yǎng)鹽滯留作用更為顯著.

在深潭渠段,自然情形的大部分k-NH4較k-PO4高1個數(shù)量級,但在人為干擾情況下,不僅兩者數(shù)量級相同,而且都達(dá)到了10-4水平.在平直渠段,人為干擾時k-PO4值較自然情形高1～2個數(shù)量級,k-NH4則變化不顯著.總體上看,無論是NH4+還是PO43-,深潭渠段綜合衰減系數(shù)都較平直渠段高了1～2個數(shù)量級.

3.4 氮磷滯留特征分析與比較

3.4.1 自然情形的氮磷滯留特征 根據(jù)表2,利用式(5)～(7),計算第Ⅰ～Ⅴ次試驗(yàn)相應(yīng)的NH4+、 PO43-養(yǎng)分螺旋指標(biāo),見表3.可以看出,每次試驗(yàn)深潭渠段Sw-NH4值都顯著低于對應(yīng)的平直渠段,特別是第Ⅰ～Ⅲ次試驗(yàn),意味著深潭段具有相對較高的NH4+滯留能力.但對于僅有2～3km的源頭溪流,3304m的吸收長度仍給NH4+滯留帶來很大困難.相對而言,深潭對PO43-的滯留能力遠(yuǎn)超平直渠段,Sw-PO4最大值僅有609m,而平直段則都超過6242m,體現(xiàn)了深潭地貌對于顆粒態(tài)PO43-營養(yǎng)鹽滯留的有效性.從吸收速度來看,深潭渠段Vf-NH4基本都較平直渠段高1個數(shù)量級,而Vf-PO4則高1～2個數(shù)量級;從吸收速率來看,也都表現(xiàn)出深潭地貌格局優(yōu)于平直渠段,且總體表現(xiàn)為U-NH4較U-PO4高1個數(shù)量級.總體來說,深潭地貌格局對于NH4+、PO43-滯留能力明顯高于平直渠段.

表3 自然情形的養(yǎng)分螺旋指標(biāo)Table 3 Nutrient spiraling metrics corresponding to natural conditions

3.4.2 人為干擾情景的氮磷滯留特征 第Ⅵ～Ⅸ次試驗(yàn)的NH4+、PO43-養(yǎng)分螺旋指標(biāo)計算結(jié)果,見表4.與表3相比,人為干擾情景下深潭中Sw-NH4有了較為明顯下降,變化范圍由331～3304m下降為232～609m,而Sw-PO4則略有抬升,由232～609m上升為301～1100m.人為干擾情形下平直渠段Sw-NH4下降極為顯著,變化范圍由4812～58895m下降為2463～13955m,Sw-PO4下降則更為顯著,變化范圍由6242～75285m下降為1792～11432m.而且,平直渠段Sw-NH4、Sw-PO4下降幅度都顯著高于深潭渠段,意味著平直渠段較深潭段對人工干擾的響應(yīng)似乎更為顯著.這里,深潭渠段中Sw-NH4有了較為明顯下降,表明人為干擾增大了深潭中NH4+的滯留水平,而Sw-PO4則略有抬升,意味著干擾措施反而可能給深潭渠段的PO43-滯留帶來一定的負(fù)面效應(yīng).

一般地,河流流量越大,河水?dāng)y帶溶質(zhì)運(yùn)移擴(kuò)散的能力也就越強(qiáng),即溶質(zhì)發(fā)生滯留的難度也就越大.在4次人為干擾試驗(yàn)中,有3次試驗(yàn)的溪水流量都相對較高,但深潭和平直渠段依舊表現(xiàn)出了很好的NH4+、PO43-滯留能力,這在一定程度上證明人為干擾措施的有效性.為更好的展示調(diào)控行為的實(shí)際效果,不妨將流量大小相對較為接近的第Ⅱ、Ⅵ、Ⅶ和Ⅸ次試驗(yàn)進(jìn)行比較.不難看出,與沒有人工干擾的第Ⅱ次試驗(yàn)相比,盡管第Ⅵ、Ⅶ和Ⅸ次試驗(yàn)的深潭Sw-NH4改善不是很顯著、Sw-PO4甚至還有所增大,但平直渠段Sw-NH4、Sw-PO4均出現(xiàn)顯著的下降,表明人為干擾對提升下游平直渠段NH4+、PO43-滯留能力作用明顯.從吸收速度來看,雖然第Ⅵ、Ⅶ和Ⅸ次試驗(yàn)中深潭Vf-NH4、Vf-PO4均沒有明顯變化,但平直渠段Vf-NH4、Vf-PO4均較第Ⅱ次試驗(yàn)提升了1～2個數(shù)量級,這對NH4+、PO43-滯留同樣大有益處.

表4 人為干擾情景的養(yǎng)分螺旋指標(biāo)Table 4 Nutrient spiraling metrics corresponding to human disturbances

與第Ⅱ次試驗(yàn)以外的其它幾次自然情形試驗(yàn)結(jié)果相比,無論是深潭段還是平直段,人為干擾情景Vf-NH4、Vf-PO4基本上也都有不同程度的改進(jìn)(表3).總體上,人為干擾措施對于深潭地貌格局中NH4+、PO43-滯留能力的提高總體不是很顯著,但對于顯著提升下游平直渠段營養(yǎng)鹽滯留能力卻有很大益處.因此,從整個溪流營養(yǎng)鹽滯留層面來看,人為干擾措施無疑是頗為成功的、有效的.

3.5 討論

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,平直渠段河床較為板結(jié),沉積物很少,河床上固著大量苔蘚.由表2,深潭段主流區(qū)與暫態(tài)存儲區(qū)交換系數(shù)α基本都較平直渠段低1個數(shù)量級,意味著深潭段主流區(qū)與暫態(tài)存儲區(qū)水力交換作用相對較弱,這一方面可能由于深潭水深、水面相對較大,斷面水流較為緩慢,導(dǎo)致主流區(qū)與暫態(tài)存儲區(qū)交換作用效果不佳;另一方面盡管平直渠段河床結(jié)構(gòu)也較簡單,沉積物也較少,但水流條件較好,附著在河床表面的大量苔蘚在硬質(zhì)河床與流動水體之間起到了一定的緩沖作用,既增大了渠底暫態(tài)存儲區(qū)面積,也對氮、磷等起到一定的生物吸收利用效果.

Hall等[24]認(rèn)為,溪流流量、地貌、水文、生物需求等影響營養(yǎng)鹽的滯留.Gücker等[25]將河流形態(tài)結(jié)構(gòu)、沉積物粒度、河水與潛流的水文連通性、營養(yǎng)鹽背景濃度、生物生產(chǎn)力等看作是影響營養(yǎng)鹽滯留的決定性因素.其他一些學(xué)者則直接將營養(yǎng)鹽滯留的主要作用歸因于河流水文、地貌條件等[10-11,26-27].總體上,盡管生物因素對營養(yǎng)鹽吸收利用的有效性已為人們熟知,但在源頭溪流營養(yǎng)鹽滯留中,水文因素往往被視為影響生源要素滯留機(jī)制的主要貢獻(xiàn)者,而直接來自沉積物或水生植物表面附著的真菌、細(xì)菌等微生物以及藻類、大型水生植物吸收或新陳代謝作用貢獻(xiàn)往往并不占主流地位[16,22],這可能與水力停留時間短,以及生物對氮、磷等生源要素吸收利用能力有限有很大的關(guān)系.李如忠等[28]在本試驗(yàn)渠段上方500m處一段蘆葦占優(yōu)勢渠段,采用添加營養(yǎng)鹽的示蹤試驗(yàn)方法和養(yǎng)分螺旋原理,解析了NH4+、PO43-滯留特征,估算了生物滯留率.結(jié)果發(fā)現(xiàn), H4+、PO43-的生物滯留貢獻(xiàn)均不很高,其中NH4+生物滯留率平均僅為9.17%;PO43-生物滯留率平均僅為3.67%.

在水文因素中,水量和水動力學(xué)條件是兩個重要因素[29],考慮到水量因素的自然限制,從水動力學(xué)條件改造著手,往往成為調(diào)控溪流暫態(tài)存儲和營養(yǎng)鹽滯留能力的重要切入點(diǎn),這也是當(dāng)前小河流營養(yǎng)鹽滯留能力調(diào)控較常采取的技術(shù)方法.本研究在深潭中布置簡易土袋,雖然在一定程度上影響潭底河床形態(tài),但由于土袋高度接近或突出水面,對溪流水動力學(xué)條件的影響可能更明顯,可以看作是河床地貌改造與水動力學(xué)條件影響相結(jié)合的調(diào)控技術(shù).從理論上講,深潭渠段設(shè)置的土袋可能引起水流沖擊作用,即水流繞開土袋并在其周邊產(chǎn)生較為明顯的漩渦,不僅可以增大表水暫態(tài)存儲潛力,也可能導(dǎo)致溝渠沉積物的再懸浮,從而增強(qiáng)對氮、磷營養(yǎng)鹽的吸附作用.但出乎預(yù)料的是,針對深潭地貌格局實(shí)施的干擾,并沒有對深潭本身NH4+、PO43-滯留產(chǎn)生明顯的正面效應(yīng),卻是提升了下游平直渠段的氮磷滯留能力.如何解釋這一現(xiàn)象,還需進(jìn)一步探究.至于人為干擾情形下深潭渠段Sw-PO4不降反升,即由232～609m上升為301～1100m,可能因?yàn)镻O43-易于與鋁/鐵離子、鈣離子等形成化學(xué)沉淀去除[7],而人為干擾在一定程度上破壞了深潭沉降條件造成的.

深潭/水塘與深潭之間通過溝渠連接形成溪流水系統(tǒng)中普遍連通的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).可以說,排水溝渠和深潭地貌在整個匯水區(qū)的空間布局對水文形勢和氮磷滯留都發(fā)揮了關(guān)鍵性的作用.本研究中深潭地貌格局是由人為開挖取土造成的,在對農(nóng)村和農(nóng)業(yè)面源氮、磷截留凈化的環(huán)境功能方面,與生態(tài)系統(tǒng)尺度下溝渠串聯(lián)形成的農(nóng)村多水塘系統(tǒng)[30]頗有幾分相似特性.由于溪流地處低矮丘陵崗地的農(nóng)業(yè)區(qū),潭內(nèi)結(jié)構(gòu)簡單,沒有山區(qū)深潭常見的塊石、礫石或枯木殘枝等.盡管人為干擾在渠底放置了土袋,但由于數(shù)量和規(guī)模較為有限,還不能從根本上影響深潭地貌的物理特征.人為干擾對深潭渠段氮磷滯留潛力提升影響不顯著,但對下游相鄰平直渠段卻帶來較為明顯的改善,主要原因可能就是來自較為簡單的深潭內(nèi)部結(jié)構(gòu)[7].從整個溪流的營養(yǎng)鹽滯留效果看,人為干擾依舊是成功的調(diào)控方案.針對深潭內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改造,將是下一步調(diào)控深潭地貌格局營養(yǎng)鹽滯留能力的可能研究方向.

4 結(jié)論

4.1 試驗(yàn)渠段溪流水力學(xué)參數(shù)主要受流量因素主導(dǎo),人工干預(yù)影響較為有限;試驗(yàn)渠段水流狀態(tài)屬于緩流類型,且溪流始終處于湍流狀態(tài).

4.2 9次試驗(yàn)中,深潭段NH4+和PO43-的λ值基本都較λs值低1～2個數(shù)量級;而平直渠段自然情形時λ-NH4值都較λs-NH4高2個數(shù)量級,人為干擾時λs-NH4與λ-NH4處于同一數(shù)量級.

4.3 人為干擾情景下深潭渠段Sw-NH4較自然情形下降明顯,Sw-PO4則略有上升;平直渠段Sw-NH4和Sw-PO4下降都極為顯著,表明平直渠段對人工干擾的響應(yīng)水平高于深潭渠段.

4.4 與自然情形相比,人為干擾情景下深潭和平直渠段的Vf-NH4、Vf-PO4基本都有不同程度的增大,表明人工干擾有利于NH4+、PO43-滯留效應(yīng)的發(fā)生.

4.5 盡管人為干擾對深潭地貌格局的NH4+、PO43-滯留能力改善作用不是很顯著,但卻顯著提升了下游平直渠段營養(yǎng)鹽滯留能力.從整個溪流層面來看,人為干擾措施對于增強(qiáng)營養(yǎng)鹽滯留能力還是頗為有效的.

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Nu trient reten tion and responses to human distu rbance in multi-pool morphological pattern in an agricultural headwater stream.

LI Ru-zhong1*, GENG Ruo-nan1, HUANG Qing-fei1, QIAN Jing2, YANG Ji-wei3, QIN Ru-bin1
(1.School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China；2.Anhui Institute of Environmental Science, Hefei 230071, China；3.Anhui and Huaihe River Institute of Hydraulic Research, Bengbu 233000, China). China Environmental Science, 2017,37(2)：720～729

FromNovember 2015 to April 2016, nine field tracer experiments including four human disturbance scenarios were conducted in an agricultural headwater streamof Nanfei River, located in Chaohu Lake basin. To explore the nutrient retention efficiencies and its response to human disturbance for multi-pool morphological pattern in streams, conservative (NaCl) and non-conservative (NH4Cl and KH2PO4) solutes were co-injected at a constant rate. Based on the tracer experiments, hydraulic parameters and nutrient spiraling metrics were calculated. Test streamreach displayed striking turbulence characteristics through the nine tracer experiments and its flowbelonged to subcritical flow. The decrease of Sw-NH4(NH4+uptake lengths) in the deep pool under human disturbances was significant with a drop from331～3304mto 232～609m, while the PO43-uptake lengths Sw-PO4increased slightly with a raise from232～609mto 301～1100m.The Sw-NH4decreased sharply from4812～58895mto 2463～13955m, and the Sw-PO4also dropped markedly from6242～75285mto 1792～11432m, in the straight sub-reach in the case of human disturbances. The falling ranges of Sw-NH4and Sw-PO4in the straight sub-reach greatly exceeded that in the pool sub-reach under human disturbances, suggesting that the straight sub-reach was highly affected by the human disturbance. Compared with the natural situation, the values of Vf-NH4and Vf-PO4both in straight and pool sub-reaches under human disturbances had an increase, which would be helpful to nutrient retention. Fromthe point of the whole test stream, the effectiveness of human disturbance was feasible and effective for the improvement of nutrient retention efficiency.

pool；agricultural headwater stream；nutrient retention；human disturbance；nutrient spiraling metrics

X52

A

1000-6923(2017)02-0720-10

李如忠(1970-),男,安徽蚌埠人,教授,博士,主要從事水環(huán)境保護(hù)與污染控制技術(shù)、非點(diǎn)源污染過程阻斷與調(diào)控技術(shù)研究.發(fā)表論文130余篇.

2016-06-03

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51579061,51179042)

* 責(zé)任作者, 教授, Lrz1970@163.com