一种基于雁阵式结构的溪流营养盐滞留潜力调控方法

1.本发明涉及水环境生态修复技术领域，具体涉及一种基于雁阵式结构的溪流营养盐滞留潜力调控方法。


背景技术：

2.源头溪流既是非点源氮磷负荷汇集和传输的重要通道，也是氮磷营养盐滞留和去除的重要场所。源头溪流不仅具有较低的水流速度，还拥有由潜流带、回流区、死水区以及各种其他因素(溪流底质、河道形态等)形成的暂态存储区。水文条件、水流形态、水温、地形地貌、底质有机质以及溪流氮磷浓度等是影响溪流氮磷滞留能力的重要因素，而这些因素对于溪流氮磷滞留能力的影响，很大程度上是借助于暂态存储作用实现的。因此，有效利用和保护源头溪流的氮磷滞留功能，对于调控上游氮磷污染负荷向下游水体的传输，以及调节和改善下游水体水质状况有着极为重要的意义。
3.然而，由于农田过度施肥、农业废弃物的风化、城市或者村镇小区的生活污水、工业废水和废气的不合理排放，造成陆地流域环境中氮磷等养分含量处于过饱和状态，水体富营养化问题日益严重。较高的氮磷浓度会使得溪流对营养盐的滞留能力下降，这对缓解下游水体氮磷污染和富营养化，改善下游河流生态环境状况极为不利。
4.现有技术中大多是采用在溪流中设置阻隔断面，如申请号cn202110806081.4公开的一种提高溪流沟渠营养盐滞留潜力的调控方法，其主要采用在溪流的一侧间隔安放不同的安放断面来达到营养盐的滞留效果，但是由于该断面主要设置于溪流一侧，涉及溪流两岸的缓流区或死水区，对于实际安防使用过程中对水动力学条件造成一定的影响，容易影响实际的对营养盐的调控能力，且该发明中涉及不同流速的溪流调控容易造成滞留效果变化较大，在广泛的应用上具有一定的困难。


技术实现要素：

5.针对现有技术不足，本发明提供一种基于雁阵式结构的溪流营养盐滞留潜力调控方法，将雁阵式结构设置在溪流主流区，不涉及溪流两岸的缓流区或死水区，且结构中的土墩之间存在一定的间隔，增强了水流湍动效果，显著改善了水动力学条件，提高了营养盐在溪流中的滞留能力，同时，本方法操作简单、运行成本低，并且生态环境效益明显，对环境友好，值得广泛运用和推广。
6.为实现以上目的，本发明的技术方案通过以下技术方案予以实现：
7.一种基于雁阵式结构的溪流营养盐滞留潜力调控方法，其所述调控方法包括以下步骤：
8.(1)制备土墩：将填料混合后装袋制备成土墩后备用；
9.(2)雁阵式结构的设置：将多个上述土墩于溪流主流区中央位置间隔排布成雁阵型的结构，且雁阵型结构的两翼向溪流水流的顺流方向设置；
10.(3)雁阵式结构群的设置：在溪流中排布多个雁阵型结构，形成雁阵式结构群来调
控溪流营养盐滞留。
11.优选的，所述土墩的填料包括以下质量份的物质组成：粘土5-10份、粗砂0-3份、碎木块0-2份。
12.优选的，所述粘土由各种颗粒状矿物质、有机物质、土壤组成，其中有机质含量占土壤干重的1％-2％，并且腐殖质占有机总量的80％以上。
13.优选的，所述粗砂的粒径≤1mm，所述碎木块的体积≤10cm314.优选的，所述步骤(2)中雁阵式结构中土墩间排布的间隔距离为15-20cm。
15.优选的，所述步骤(2)中雁阵式结构中两翼夹角呈为45
°‑
90
°
。
16.优选的，所述步骤(3)中多个雁阵型结构之间的排布距离为7m。
17.本发明提供一种基于雁阵式结构的溪流营养盐滞留潜力调控方法，与现有技术相比优点在于：
18.(1)本发明通过在溪流河道中设置一系列的雁阵式结构群，使得溪流中水流流速、水流形态等水力条件发生明显变化，以及会形成众多的回流区，通过改变雁阵式结构的夹角，可以形成不同的水流形态，对水流的流速造成不同的影响并且可以在河道中形成不同范围的回流区，不仅对雁阵式结构群周围水体中的营养盐扩散与滞留过程产生较大的影响，而且还会增大河流中营养盐与河道两岸土壤和植物的接触而被吸附的几率；
19.(2)本发明通过在溪流河道主流区进行雁阵式结构的设置调控，并通过对结构中土墩之间间隔的设置，让水流从中流过，可以使得溪流水流形态发生明显改变，让河道主流区的水流能够流向河道两岸，溪流中原本通过主流区水流流向下游的营养盐能够流入到河道两岸的静水区，形成更多的小涡流和流速快慢交错的流速布局，延长了营养盐在溪流中的水力停留时间；
20.(3)本发明通过在溪流河道主流区进行雁阵式结构的设置调控，为微生物的生长与繁殖提供了场所，经过长时间形成的生物膜，能够大幅度提高营养盐与附着生物(如藻类、细菌等)的接触几率，有利于发生生化降解作用；
21.(4)本发明在溪流河道主流区设置的雁阵式结构，其材料以粘土、砾石、木块为主，按照一定的比例装入尼龙袋中制作而成，具有运行简单、可操作性强和成本低等优点，在使用过程中，砾石与砾石之间存在的空隙有利于微生物的生长，木块能够为其提供碳源，粘土中的腐殖质是形成团粒结构的良好胶结剂，并且具有很强的吸收能力，这些能够有效提升雁阵式结构群对氮磷的吸附能力。
附图说明
22.图1为本发明呈90
°
夹角的雁阵式结构群调控示意图；
23.图2为本发明呈45
°
夹角的雁阵式结构群调控示意图。
具体实施方式
24.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.实施例1：
26.一种基于雁阵式结构的溪流营养盐滞留潜力调控方法，其所述调控方法包括以下步骤：
27.(1)制备土墩：选取各种颗粒状矿物质、有机物质、土壤组成的黏土，其中有机质含量占土壤干重的1％-2％，并且腐殖质占有机总量的80％以上的黏土7份，粒径≤1mm的粗砂2份，体积不超过10cm3的木块1份混合均匀后装入尼龙袋中制得土墩；
28.(2)雁阵式结构的设置：将多个上述土墩于溪流主流区中央位置间隔15-20cm排布成夹角为45
°
的雁阵型结构，且雁阵型结构的两翼向溪流水流的顺流方向设置；
29.(3)雁阵式结构群的设置：在溪流中每隔7m排布一个雁阵型结构，形成雁阵式结构群。
30.实施例2：
31.一种基于雁阵式结构的溪流营养盐滞留潜力调控方法，其所述调控方法包括以下步骤：
32.(1)制备土墩：选取各种颗粒状矿物质、有机物质、土壤组成的黏土，其中有机质含量占土壤干重的1％-2％，并且腐殖质占有机总量的80％以上的黏土7份，粒径≤1mm的粗砂2份，体积不超过10cm3的木块1份混合均匀后装入尼龙袋中制得土墩；
33.(2)雁阵式结构的设置：将多个上述土墩于溪流主流区中央位置间隔15-20cm排布成夹角为90
°
的雁阵型结构，且雁阵型结构的两翼向溪流水流的顺流方向设置；
34.(3)雁阵式结构群的设置：在溪流中每隔7m排布一个雁阵型结构，形成雁阵式结构群。
35.检测：
36.为验证上述实施例的有效性，在2021年9月、10月、11月分别进行实验检测：
37.1、设置一组对照例(即对河道不进行调控的情形)与上述实施例1-2进行对比，后分别针对上述的对照例和实施例1-2进行营养盐投加示踪实验，具体的实验操作如下：
38.(1)在一条较为常见的溪流沟渠上选取一长约115m，水面宽约1.5～4.0m，平均流速为0.25～0.45m
·
s-1
的渠段进行实验，该渠段河床上大型水生植物较少，沉积物主要由粗沙、碎石和底质沉积物组成；
39.(2)将选取的渠段划分为三个部分：混合段1、研究段和混合段2；混合段1为投加点(o)到第一个采样点(a)的区间，目的是使示踪剂到达a点之前能够与溪水充分混合，长度约为50m；研究段为a点到倒雁阵式结构群最后一个尾端的区间，长约55m，在此区间内按照实施例1或2方案进行布置调控；混合段2为倒雁阵式结构群最后一个的尾端到第二个采样点(b)的区间，目的是使调控过后的河流中的营养盐混合均匀，长度约为10m；
40.(3)以溴化钠(nabr)为保守型示踪剂，以氯化铵(nh4cl)和磷酸二氢钾(kh2po4)为非保守型营养盐，根据溪流流量、水质背景浓度及期望达到的浓度峰值水平确定投加量；在野外现场先将三种示踪剂充分溶解于装满溪水的塑料桶中，待混合均匀后在o点进行瞬时投加；示踪实验过程中，按照30s的时间间隔，在a点和b点利用100ml聚乙烯瓶进行水样采集；
41.(4)利用电导率计在b点同步测定水样电导率，待电导率稳步回到背景值水平后停止采样。待完成采样后，立即测定a、b点及两点之间多个断面的水深、水面宽度和流速等参
数，用以估算溪流流量(q)；
42.(5)将水样低温保存，并在实验室中尽快完成nh
4
、po4
3-和溴离子(br-)浓度的测定，其中br-浓度采用溴离子选择性电极方法测定，nh
4
和po
43-分别采用纳氏试剂分光光度法和钼锑抗分光光度法测定。
43.本实验根据营养螺旋原理，采用营养螺旋指标对调控方法进行验证，包括：营养盐吸收长度(sw)，即营养盐在从溪流中去除之前移动的平均距离；营养盐吸收速度(vf)，即营养盐从水流向河底的垂直转移速度；营养盐吸收速率(u)，即表征溪流底部单位面积河床沉积物的营养盐吸收速率。其中，sw数值越大，表示营养盐从溪流中去除需要的河段长度越大，溪流滞留营养盐能力越弱；反之，sw越小，表示溪流滞留营养盐能力越强。与之不同，vf和u越小，表示溪流滞留营养盐能力越弱，反之，则越强。
44.具体计算过程如下：
45.营养盐吸收长度(m)：
[0046][0047]
营养盐吸收速度(物质传输系数)(mm/s)：
[0048][0049]
营养盐吸收速率(mg/(m2·
·
s))：
[0050]
u＝vf×c[0051]
式中：l表示采样点a与采样点b之间的距离；rb表示采样时间内营养盐和保守示踪剂在采样点b的流量比；ra表示采样时间内营养盐和保守示踪剂在采样点a的流量比；表示河段水流的平均流速；表示河段的平均深度；c表示溪流营养盐的背景浓度。
[0052]
三次实验选择的溪流均为同一条溪流的同一渠段，由于三次实验的时间不同，所选溪流的平均深度、平均流速和流量也不同，其平均深度、平均流速和流量如下表1所示：
[0053]
表1：三次实验溪流的平均深度、平均流速和流量
[0054]
实验时间平均深度/m平均流速/m
·
s-1
流量/m3·
s-1
9月0.140.16800.061210月0.250.38000.302011月0.170.13200.0598
[0055]
三次实验具体对照例和实施例1-2所检测的溪流营养盐吸收长度结果如下表2、表3所示：
[0056]
表2：三次实验中nh
4-n的吸收长度sw(单位：m)
[0057]
实验时间对照例实施例1实施例29月1855.281058.23931.7310月3330.331372.391047.911月1235.83787.88628.05
[0058]
表3：三次实验中po
4-p的吸收长度sw(单位：m)
[0059]
实验时间对照例实施例1实施例29月1604.591177.761012.9610月3710.221523.051428.3711月1202.25683.98600.64
[0060]
根据表2、表3的结果，可以看出：由于三次实验溪流河段的流速不同，其营养盐的吸收长度也有所不同，流速越慢，吸收长度越短；流速越快，吸收长度越长，相比于对照例，实施例1-2明显缩短了营养盐的吸收长度，具体缩短率如下表4所示：
[0061]
表4：三次实验调控营养盐吸收长度的缩短率
[0062][0063][0064]
根据表4的结果，可以看出实施例1-2都明显缩短了营养盐吸收长度，其中相较于实施例1，且实施例2的营养盐吸收长度缩短率更高，调控效果更好。
[0065]
三次实验具体对照例和实施例1-2所检测的营养盐吸收速度结果如下表5、表6所示：
[0066]
表5：三次实验中nh
4-n吸收速度vf，单位：mm/s
[0067]
实验时间对照例实施例1实施例29月0.01270.02220.025210月0.02850.06920.090711月0.02230.03500.0439
[0068]
表6：三次实验中po
4-p吸收速度vf，单位：mm/s
[0069]
实验时间对照例实施例1实施例29月0.01470.02000.023210月0.02560.06240.066511月0.02290.04030.0459
[0070]
根据表5、表6的结果，可以看出：相比于对照例，三次实验的实施例1-2都明显提升了营养盐吸收速度，提升率如下表7所示：
[0071]
表7：三次实验调控对营养盐吸收速度的提升率
[0072][0073]
根据表7结果可以看出：相较于实施例1，实施例2对营养盐吸收速度的提升效果更加显著。
[0074]
三次实验具体对照例和实施例1-2所检测的营养盐吸收速度结果如下表8、表9所示：
[0075]
表8：三次实验中nh
4-n吸收速率u，单位：mg/(m2·
s)
[0076]
实验时间对照例实施例1实施例29月0.00230.00400.004510月0.00970.02350.030811月0.00330.00520.0066
[0077]
表9：三次实验中po
4-p吸收速率u，单位：mg/(m2·
·
s)
[0078]
实验时间对照例实施例1实施例29月0.00090.00120.001410月0.00130.00310.003311月0.00070.00120.0014
[0079]
根据表8、表9的结果，可以看出：相比于对照例，三次实验的实施例1-2都明显提升了营养盐吸收速率，提升率如下表10所示：
[0080]
表10：三次实验调控对营养盐吸收速率的提升率
[0081][0082]
根据表10结果可以看出：相较于实施例1，实施例2对营养盐吸收速率的提升效果更加显著。
[0083]
综合以上实验结果可以看出，在营养盐吸收长度(sw)、营养盐吸收速度(vf)、营养盐吸收速率(u)三个养分螺旋指标的比较分析下，实施例1-2相比于对照例对营养盐的滞留能力都有着明显的提升效果。
[0084]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存
在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0085]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。