蘆葦占優(yōu)勢(shì)農(nóng)田溪流暫態(tài)存儲(chǔ)特征及影響分析*

李如忠,萬靈芝,曹竟成,張瑞鋼,陳廣洲(.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 0009；.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 0009；.安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院,安徽 合肥 00)

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蘆葦占優(yōu)勢(shì)農(nóng)田溪流暫態(tài)存儲(chǔ)特征及影響分析*

李如忠1*,萬靈芝1,曹竟成1,張瑞鋼2,陳廣洲3(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.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009；3.安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院,安徽 合肥 230022)

摘要：2014年9月～2015年6月,在合肥市二十埠河流域一長約90m的蘆葦占優(yōu)勢(shì)農(nóng)田源頭溪流渠段,選擇NaCl為示蹤劑,采用恒速連續(xù)投加的方式,開展8次野外示蹤實(shí)驗(yàn).在此基礎(chǔ)上,利用OTIS模型對(duì)考慮和不考慮暫態(tài)存儲(chǔ)影響的兩種情景開展水質(zhì)模擬,計(jì)算示蹤劑氯離子(Cl-)濃度峰值的相對(duì)偏差,并以暫態(tài)存儲(chǔ)指標(biāo)定量刻畫農(nóng)田溪流的暫態(tài)存儲(chǔ)潛力.結(jié)果表明,不同季節(jié)的暫態(tài)存儲(chǔ)交換系數(shù)α 穩(wěn)定在10-4數(shù)量級(jí);不考慮主流區(qū)與暫態(tài)存儲(chǔ)區(qū)交換作用的Cl-濃度峰值相對(duì)偏差HI的變化范圍為2.60％～12.54％,平均值為5.35％;HI與流量Q呈現(xiàn)顯著的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系,且隨Q的增加而逐步減小;HI與比值A(chǔ)s/A呈明顯的線性關(guān)系,并隨As/A的增加而逐步增大;8次示蹤實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)主流區(qū)停留時(shí)間Tc、暫態(tài)存儲(chǔ)區(qū)水力停留時(shí)間Ts差異均較顯著,且春季、初夏的暫態(tài)存儲(chǔ)能力較秋、冬季更強(qiáng)一些;比值A(chǔ)s/A變化范圍為1.036～1.627,數(shù)值介于8.10％～23.03％,兩者均表明該蘆葦占優(yōu)勢(shì)渠段具有較大的暫態(tài)存儲(chǔ)潛力.

關(guān)鍵詞：大型水生植物；農(nóng)田源頭溪流；暫態(tài)存儲(chǔ)區(qū)；OTIS模型

* 責(zé)任作者, 教授, Lrz1970@163.com

暫態(tài)存儲(chǔ)作用是小尺度流動(dòng)水體中影響溶質(zhì)遷移的重要的水動(dòng)力學(xué)過程,它不僅包括暫態(tài)存儲(chǔ)區(qū)(如溪流底部潛流帶、水面滯水區(qū)或死水區(qū)、漩渦等)與流動(dòng)水體的交換作用,也包括暫態(tài)存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)部溶質(zhì)的滯留效應(yīng)[1-2].總的來看,暫態(tài)存儲(chǔ)作用對(duì)溶質(zhì)的滯留主要通過3種途徑,即物理滯留、生物滯留和化學(xué)滯留等.可以說,考慮暫態(tài)存儲(chǔ)影響是源頭溪流等小尺度流動(dòng)水體水環(huán)境研究的重要特色.目前,源頭溪流對(duì)于非點(diǎn)源污染控制的重要性已為人們所認(rèn)識(shí),有關(guān)源頭溪流暫態(tài)存儲(chǔ)機(jī)制已成為歐美發(fā)達(dá)國家環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)、環(huán)境科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[3-6].總的來看,雖然針對(duì)枯枝落葉攔阻情景的溪流暫態(tài)存儲(chǔ)研究已有一些[7-8],但源自深潭、淺灘、階梯等河床結(jié)構(gòu)和地形地貌特征的暫態(tài)存儲(chǔ)作用機(jī)制,一直都是研究的重點(diǎn)[9-12].河流的紊動(dòng)特性直接受水生植物的影響,水流紊動(dòng)強(qiáng)度的大小和分布與植物的排列密度、植物/水深相對(duì)高度以及水流流速有密切關(guān)系[13].正是由于水生植物能夠抑制水動(dòng)力因素對(duì)沉積物的擾動(dòng),從而可以抑制底泥的再懸浮、降低營養(yǎng)鹽的釋放等[14].大型水生植物的上述功能和特性,勢(shì)必影響溪流溶質(zhì)的輸移和擴(kuò)散過程.在廣大平原、丘陵地帶的源頭溪流和農(nóng)田排水溝渠系統(tǒng)中,蘆葦、水花生等大型水生/濕生植物簇?fù)砩L的現(xiàn)象非常普遍.從提升非點(diǎn)源污染控制能力出發(fā),需要從機(jī)制層面解析溪流暫態(tài)存儲(chǔ)特征及其影響因素.但到目前為止,有關(guān)大型水生植物大量生長情景的溪流暫態(tài)存儲(chǔ)特征,仍缺乏專門、系統(tǒng)的研究.

溪流水底枯死植株殘?bào)w的堆積和交錯(cuò)的根系分布,不僅可以增強(qiáng)潛流帶的空隙率,腐爛的秸稈還可以為微生物代謝提供豐富的“碳”源,從而為氮的硝化、反硝化作用以及磷的生物吸收利用創(chuàng)造有利條件[2].由于溶質(zhì)滯留很大一部分發(fā)生在暫態(tài)存儲(chǔ)區(qū),因此暫態(tài)存儲(chǔ)影響自然也就成為作用機(jī)制研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容.巢湖是一個(gè)水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重的大型淡水湖泊,目前整個(gè)西半湖區(qū)都處在重富營養(yǎng)化狀態(tài),削減和調(diào)控氮、磷入湖負(fù)荷成為湖泊水環(huán)境治理的首要工作任務(wù).巢湖流域源頭溪流眾多,且很大一部分溪流大型水生植物生長茂盛,從利用和提升溪流溶質(zhì)滯留能力的需求出發(fā),有必要對(duì)該情形的溪流暫態(tài)存儲(chǔ)特征開展專門研究.本研究擬以巢湖西半湖北側(cè)的二十埠河流域某一典型農(nóng)業(yè)源頭溪流蘆葦占優(yōu)勢(shì)段為對(duì)象,嘗試對(duì)蘆葦大量存在情形下溪流暫態(tài)存儲(chǔ)特征及蘆葦對(duì)于溪流暫態(tài)存儲(chǔ)特征的影響開展定量化分析和評(píng)估,以期為巢湖環(huán)湖小河流溶質(zhì)負(fù)荷的削減和調(diào)控提供參考.

1 研究區(qū)概況

二十埠河位于合肥市城區(qū)的東北部和東部地區(qū),是巢湖主要入湖河流南淝河的最大支流.在該支流位于合肥城區(qū)東北部郊外的磨店鄉(xiāng)境內(nèi),篩選一條大型水生植物生長較為明顯的農(nóng)田源頭溪流作為研究對(duì)象.該溪流為天然匯流沖刷而成的排水溝渠,全長約2.5km,水面寬約0.5～2.0m,河床形態(tài)豐富多樣.溪流匯水區(qū)的用地類型以農(nóng)業(yè)和林地為主.整個(gè)研究期間,溪水流量變化范圍為0.01～0.076m3/s、流速為0.05～0.30m/s.由于主要靠降雨補(bǔ)給,在持續(xù)缺乏有效降水的情況下,時(shí)常出現(xiàn)溪水?dāng)嗔骰蛄鲃?dòng)極緩的現(xiàn)象.

溪流為土質(zhì)護(hù)坡,由于缺乏人工管護(hù),存在不同程度岸坡坍塌.現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),由于匯水區(qū)中上游沒有明顯的點(diǎn)源存在,溪流水質(zhì)狀況整體良好.中上游河床下切較淺,河床及濱岸大型水生/濕生植物生長旺盛,局部渠段以蘆葦、水花生占明顯優(yōu)勢(shì);下游河床下切稍深,渠底板結(jié),且鮮有大型水生植物.在溪流中游篩選一段蘆葦生長較為集中且占顯著優(yōu)勢(shì)的平直渠段,作為野外現(xiàn)場(chǎng)示蹤實(shí)驗(yàn)靶區(qū).該渠段長約90m,水面寬約1.5m.

2 模型與方法

2.1 示蹤實(shí)驗(yàn)

基于渠段的蘆葦?shù)却笮退参锓植记闆r,確定示蹤實(shí)驗(yàn)投加點(diǎn)(即O)和采樣點(diǎn)(即A、B)分布,見圖1.其中,OA長25m,AB長65m,且AB段蘆葦較為密集、均勻,僅在渠段的首、尾局部區(qū)域較為稀疏一些,且水流主要從河床左側(cè)過流.為確保水樣能充分反映主流區(qū)的溶質(zhì)運(yùn)移擴(kuò)散過程,將O、A和B均布置在溪流的深泓線上.

選擇保守型示蹤劑氯化鈉(NaCl),解析溪流水系統(tǒng)的暫態(tài)存儲(chǔ)特征.2014年9月～2015年6 月,采用恒速連續(xù)投加的方式,分8次在實(shí)驗(yàn)靶區(qū)開展野外示蹤實(shí)驗(yàn).現(xiàn)場(chǎng)利用溪水將NaCl充分溶解、混合,并以20L可調(diào)式電動(dòng)噴霧器投加,混合液濃度為50～75g/L,實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間約80～ 100min.根據(jù)溪流流速的不同,將采樣時(shí)間間隔設(shè)定為1.0或2.0min,并對(duì)采樣點(diǎn)A、B同步采樣.在采樣點(diǎn)B利用KL-138(II)筆式電導(dǎo)率計(jì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水樣電導(dǎo)率,當(dāng)電導(dǎo)率進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)且持續(xù)一段時(shí)間后,停止投加示蹤劑,并在電導(dǎo)率穩(wěn)定在背景值水平后,停止采集水樣.另外,實(shí)驗(yàn)開始前,在采樣點(diǎn)A、B采集水樣用于氯離子(Cl-)背景濃度的確定;實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,對(duì)采樣點(diǎn)A、B的多個(gè)斷面測(cè)定水深、水面寬度及溪流流速.在實(shí)驗(yàn)室利用氯離子選擇性電極(參比電極232-01、氯離子電極PCl-1-01)和PXS-215離子活度計(jì),測(cè)定水樣中氯離子濃度.

圖1　示蹤實(shí)驗(yàn)渠段的基本情況示意Fig.1 Sketch map of tracer experimental reach

2014-09-24實(shí)驗(yàn)正處于初秋時(shí)節(jié),溪流中蘆葦生長依舊相當(dāng)茂盛、濃密;2014-10-09實(shí)驗(yàn)時(shí)蘆葦開始出現(xiàn)衰敗跡象;2014年12月～2015年3 月,蘆葦已完全枯死、但仍有大量葦稈挺立在溪流中;2015-04-12實(shí)驗(yàn)時(shí),溝渠中蘆葦已開始發(fā)芽,甚至出現(xiàn)了成叢的蘆葦;至2015- 06-04實(shí)驗(yàn)時(shí),正值初夏,蘆葦高度已達(dá)1.5m以上,但植株濃密程度較2014年9月稍低一些.

2.2 水環(huán)境數(shù)學(xué)模型

TSM模型或OTIS模型,是近年來溪流等小空間尺度流動(dòng)水體溶質(zhì)遷移擴(kuò)散規(guī)律研究較為常用的數(shù)學(xué)工具,它是在傳統(tǒng)水質(zhì)模型對(duì)流-擴(kuò)散機(jī)制的基礎(chǔ)上,通過集成暫態(tài)存儲(chǔ)影響和側(cè)向徑流補(bǔ)給作用模塊構(gòu)成的,數(shù)學(xué)模型如下[15]:

式中:C為主流區(qū)水流溶質(zhì)濃度,mg/L;Q為溪流流量,m3/s;A為主流區(qū)斷面面積,m2;D為擴(kuò)散系數(shù),m2/s;qL為側(cè)向補(bǔ)給強(qiáng)度,m3/(s·m);CL為側(cè)向補(bǔ)給的溶質(zhì)濃度,mg/L;α 為暫態(tài)存儲(chǔ)交換系數(shù),s-1; Cs為暫態(tài)存儲(chǔ)區(qū)的溶質(zhì)濃度,mg/L;As為暫態(tài)存儲(chǔ)區(qū)斷面面積,m2;t為時(shí)間,s;x為河段長度,m.其中,參數(shù)A、As、D、qL和α是根據(jù)主流區(qū)示蹤劑的Cl-濃度-時(shí)間過程數(shù)據(jù),利用Runkel[15]提出的OTIS應(yīng)用程序和OTIS參數(shù)優(yōu)化程序包模擬計(jì)算得到.

這里,主流區(qū)泛指溪流斷面上流動(dòng)性相對(duì)較強(qiáng)且水流較為集中的動(dòng)態(tài)部分,包括深泓線所在范圍;暫態(tài)存儲(chǔ)區(qū)則不僅包括水底潛流帶,也包含溪流水面兩側(cè)近岸的滯水區(qū)(或稱死水區(qū))及障礙物后部的漩渦等.

2.3 暫態(tài)存儲(chǔ)影響分析方法

在OTIS模型中,暫態(tài)存儲(chǔ)對(duì)于溶質(zhì)輸移擴(kuò)散過程的影響是通過主流區(qū)與暫態(tài)存儲(chǔ)區(qū)的交換作用,并借助模塊α(Cs-C)體現(xiàn)的.因此,李如忠等[16]將忽略該數(shù)學(xué)模塊作為代表不計(jì)暫態(tài)存儲(chǔ)影響情形.為解析暫態(tài)存儲(chǔ)的影響,不妨針對(duì)下述2種情景分別開展水質(zhì)模擬,即

① 情景1:綜合集成暫態(tài)存儲(chǔ)和側(cè)向補(bǔ)給作用及對(duì)流-擴(kuò)散影響的水質(zhì)模擬;

② 情景2:考慮對(duì)流-擴(kuò)散和側(cè)向補(bǔ)給作用,而不計(jì)暫態(tài)存儲(chǔ)影響的水質(zhì)模擬.

在水質(zhì)模擬的基礎(chǔ)上,開展暫態(tài)存儲(chǔ)影響效應(yīng)的定量化評(píng)估.文獻(xiàn)[16]根據(jù)瞬時(shí)投加示蹤實(shí)驗(yàn)中,示蹤劑(Cl-)濃度峰值高、峰值持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn),利用情景1、2峰值大小和峰值出現(xiàn)的時(shí)間偏差,定量刻畫暫態(tài)存儲(chǔ)對(duì)于溶質(zhì)滯留的影響.但在恒定連續(xù)投加實(shí)驗(yàn)情況下,峰值發(fā)生在平穩(wěn)狀態(tài),即峰值對(duì)應(yīng)的是一個(gè)時(shí)間過程,這與瞬時(shí)投加實(shí)驗(yàn)顯著不同.為此,考慮單就峰值變化角度,解析暫態(tài)存儲(chǔ)對(duì)于Cl-輸移過程的影響,即:

式中:HI為不考慮暫態(tài)存儲(chǔ)作用時(shí)主流區(qū)Cl-模擬濃度峰值的相對(duì)偏差,％;c為不考慮暫態(tài)存儲(chǔ)作用時(shí)主流區(qū)Cl-模擬濃度平均峰值,mg/L;c0為主流區(qū)Cl-模擬濃度平均峰值,mg/L.

2.4 暫態(tài)存儲(chǔ)度量指標(biāo)

目前,對(duì)于暫態(tài)存儲(chǔ)區(qū)溶質(zhì)滯留能力的評(píng)估,通常采用暫態(tài)存儲(chǔ)指標(biāo)表征,相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式分別為[17-18]:

式中:Tc表示主流區(qū)停留時(shí)間,s;Ts表示暫態(tài)存儲(chǔ)區(qū)水力停留時(shí)間,s;Ls表示水力吸收長度,m;Rh表示溪流單位長度存儲(chǔ)區(qū)停留時(shí)間,s/m.

除了上述指標(biāo)外,一些學(xué)者還將溶質(zhì)在暫態(tài)存儲(chǔ)區(qū)的行進(jìn)時(shí)間占溶質(zhì)總平均運(yùn)移時(shí)間比率,作為表征存儲(chǔ)能力的評(píng)價(jià)指標(biāo),相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為[18]:

上述表達(dá)式中,變量Q、A、As、D、qL和α 為OTIS模型參數(shù)(同上);u為溪流流速,m/s.為便于比較,實(shí)際應(yīng)用中一般都是按L=200m的標(biāo)準(zhǔn)長度計(jì)算Fmed,即得到.

需要指出的是,盡管示蹤劑NaCl在形態(tài)轉(zhuǎn)化和被植物吸收固定等方面均與氮、磷營養(yǎng)鹽存在很大的差異性,但在環(huán)境科學(xué)、環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域,以NaCl為示蹤劑的OTIS模型參數(shù)估值及暫態(tài)存儲(chǔ)區(qū)溶質(zhì)滯留能力評(píng)估,依舊是歐美發(fā)達(dá)國家小型河流水體中包括氮、磷營養(yǎng)鹽在內(nèi)的溶質(zhì)暫態(tài)存儲(chǔ)特征研究所普遍采用的方法.

3 結(jié)果與討論

3.1 模型參數(shù)的確定

采用OTIS模型,模擬蘆葦占優(yōu)勢(shì)渠段AB中示蹤劑Cl-的運(yùn)移擴(kuò)散規(guī)律.考慮到該溪流段水深較淺,且水下有蘆葦植株和雜草,不便于一般流速計(jì)的使用,為此在確定采樣點(diǎn)A、B所在斷面的溪流流速時(shí),采用多次測(cè)定一定距離(2m)上漂浮物流經(jīng)時(shí)間的方式,經(jīng)由換算得到.針對(duì)采樣點(diǎn)A、B所在過流斷面,多次測(cè)量水深、水面寬度,確定平均過流斷面面積,再由流速與過水?dāng)嗝婷娣e的乘積計(jì)算流量.自2014年9月開始,課題組已經(jīng)在該渠段內(nèi)布設(shè)了9根由PVC塑料管制作的間隙水觀測(cè)孔.這里,側(cè)向徑流補(bǔ)給的Cl-濃度(CL)由觀測(cè)孔中潛流帶間隙水分析測(cè)試得到,并取實(shí)驗(yàn)開始前采集的溪水Cl-背景濃度作為暫態(tài)存儲(chǔ)區(qū)Cl-濃度(Cs).

將采樣點(diǎn)A作為上游邊界條件,根據(jù)采樣點(diǎn)A、B的主流區(qū)Cl-濃度-時(shí)間過程數(shù)據(jù),以及上述水文水質(zhì)參數(shù)信息,利用OTIS應(yīng)用程序和OTIS參數(shù)優(yōu)化程序包,模擬計(jì)算得到水文參數(shù)A、As、D、qL和α 等,結(jié)果見表1.具體操作步驟,參見文獻(xiàn)[1-2].

8次野外實(shí)驗(yàn)跨越了2014年的秋、冬季和2015年的春季、初夏等4個(gè)季節(jié),溪流流量、流速變化明顯,蘆葦既涵蓋了由旺盛生長期轉(zhuǎn)向衰亡期的成長過程,也經(jīng)歷了由發(fā)芽、拔節(jié)到快速生長的若干階段.為方便NaCl的溶解, 2014-12-04、2014-12-16和2015-03-22實(shí)驗(yàn)均安排在氣溫稍高的中午時(shí)段進(jìn)行;其他5次實(shí)驗(yàn)均在上午開展.實(shí)驗(yàn)均在晴天進(jìn)行,且每次實(shí)驗(yàn)的歷時(shí)控制在2.5h內(nèi).由表1,不同季節(jié)A、As和α 數(shù)值變化較為平穩(wěn),特別是α值一直穩(wěn)定在10-4數(shù)量級(jí).李如忠等[19]曾對(duì)合肥地區(qū)多條溪流、排水溝渠開展暫態(tài)存儲(chǔ)特征分析,得到α 數(shù)值基本都處于10-3數(shù)量級(jí)水平,少數(shù)渠段出現(xiàn)10-4數(shù)量級(jí). Weigelhofer等[20]在對(duì)農(nóng)業(yè)區(qū)多條呈富營養(yǎng)化狀態(tài)的源頭溪流研究中,得到α值變化范圍2.10× 10-5～6.35×10-4s-1,平均值為2.98×10-4s-1;其他學(xué)者得到的α值也大都介于10-4～10-3數(shù)量級(jí)[8,18].值得一提的是,在國內(nèi)外的相關(guān)研究中,示蹤實(shí)驗(yàn)所在溪流渠段的大型水生植物都較稀疏或很少,這與本研究的蘆葦濃密且占顯著優(yōu)勢(shì)情形完全不同.由于濃密的蘆葦植株可以顯著降低流速、均布水流,加之水底殘存的蘆葦枝葉也起到一定的緩沖作用,從而導(dǎo)致溪流水動(dòng)力條件下降,這可能是α值相對(duì)偏小的主要原因.

表1　OTIS模型水文參數(shù)Table 1 Hydrological parameters of OTIS model

3.2 暫態(tài)存儲(chǔ)影響分析

暫態(tài)存儲(chǔ)區(qū)對(duì)于溪流溶質(zhì)運(yùn)移擴(kuò)散規(guī)律的影響,不僅包括物理作用,也包括生物的吸收和新陳代謝作用.在OTIS模型的數(shù)學(xué)模塊構(gòu)造及其應(yīng)用過程中,具有良好水動(dòng)力條件的山地溪流一直都是研究的主要對(duì)象.由于挺水、沉水植物較少,溪流中深潭、淺灘、階梯等地形地貌特征往往成為影響暫態(tài)存儲(chǔ)的主要因素,暫態(tài)存儲(chǔ)區(qū)面積通常較主流區(qū)低.水生植物具有一定的“柔性”緩沖作用,不僅可以降低溪流流速、減小主流區(qū)-暫態(tài)存儲(chǔ)區(qū)的流速梯度,還能有效增大潛流帶的空隙度,這與深潭、淺灘或階梯等緩沖較弱的“硬性”影響存在差異.由于OTIS模型是基于深潭、淺灘等的暫態(tài)存儲(chǔ)影響而開發(fā)的,模塊項(xiàng)α(Cs-C)是否適合于大型水生植物大量存在情形,有待進(jìn)一步論證.鑒于至今尚還沒有更為有效的數(shù)學(xué)模式可以取代該模塊項(xiàng),初步考慮依舊將暫態(tài)存儲(chǔ)系數(shù)α=0代表不計(jì)暫態(tài)存儲(chǔ)影響情形,并由此分別開展綜合集成暫態(tài)存儲(chǔ)、側(cè)向補(bǔ)給和對(duì)流-擴(kuò)散作用的主流區(qū)水質(zhì)模擬(情景1)和不計(jì)暫態(tài)存儲(chǔ)影響的水質(zhì)模擬(情景2).

8次實(shí)驗(yàn)中采樣點(diǎn)B的主流區(qū)Cl-模擬濃度與對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)濃度的擬合效果都相當(dāng)好,相對(duì)誤差分別為:-0.81％、-2.38％、-2.01％、-1.68％、0.17％、0.54％、0.02％和-0.50％,表明模擬濃度曲線能夠很好的代表實(shí)測(cè)濃度-時(shí)間過程.采樣點(diǎn)B的兩種情景水質(zhì)模擬結(jié)果,見圖2.可見,所有實(shí)驗(yàn)中兩種情景對(duì)應(yīng)的峰值模擬結(jié)果都十分接近,且情景2的Cl-濃度峰值都略高于情景1.

由式(3)計(jì)算得到情景1、2的相對(duì)偏差HI,結(jié)果見表2.不難看出,除了2014-10-09實(shí)驗(yàn)的相對(duì)偏差略高(即12.64％)以外,其余7次實(shí)驗(yàn)均不超過6.56％,平均值為5.35％.至于峰值發(fā)生時(shí)間,兩種情景出入不大,暗示主流區(qū)與暫態(tài)存儲(chǔ)區(qū)的交換作用對(duì)溶質(zhì)輸移過程的影響并不顯著.李如忠等[16]利用瞬時(shí)投加示蹤劑的實(shí)驗(yàn)方法,對(duì)合肥城郊河床上沒有大型水生植物的排水溝渠暫態(tài)存儲(chǔ)特征進(jìn)行了研究.結(jié)果發(fā)現(xiàn),盡管溝渠的水流流量、水面寬度、水深等都與本研究渠段頗為相近,但其不計(jì)暫態(tài)存儲(chǔ)影響的示蹤劑濃度-時(shí)間過程模擬曲線峰值顯著上升,相對(duì)偏差高達(dá)24.23％～93.42％,且峰值發(fā)生時(shí)間也有不同程度的提前,相對(duì)偏差最高達(dá)24.75％.根據(jù)有、無水生植物兩種情形下示蹤劑濃度峰值的實(shí)際表現(xiàn),可以推測(cè)密集蘆葦植株及水底蘆葦殘?bào)w的存在對(duì)溪流暫態(tài)存儲(chǔ)特征有顯著的影響.

圖2　兩種情景的Cl-模擬結(jié)果比較Fig.2 Comparison of Cl-concentration simulation between the two hypothesis scenarios

表2　兩種情景相應(yīng)的Cl-濃度峰值相對(duì)偏差Table 2 Relative deviation of Cl-concentrations corresponding to the two hypothesis scenarios

溪流暫態(tài)存儲(chǔ)研究中,流量Q和比值A(chǔ)s/A一直都是頗受關(guān)注的兩個(gè)指標(biāo)[21].基于8次實(shí)驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息,采用回歸分析技術(shù)分別對(duì)Q與HI、As/A與HI進(jìn)行擬合,得到關(guān)系曲線,見圖3.可以看出,HI與Q、As/A都得到很好的擬合關(guān)系曲線.其中,HI與Q呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系,可決系數(shù)為R2=0.6948,并且隨著Q的增加,HI逐步減小,即兩種情景的濃度峰值差距隨流量增大而減小;HI與As/A呈明顯的線性關(guān)系,可決系數(shù)為R2=0.8093,且隨著As/A的不斷增加,HI逐步增大,即兩種情景的峰值擬合差距越大.換言之,如果從提高比值A(chǔ)s/A角度著手,可以為溪流溶質(zhì)滯留率的提升尋求有效途徑.

圖3　Q、As/A與HI的擬合關(guān)系曲線Fig.3 Fit curves of Q to HI and As/A to HI

3.3 暫態(tài)存儲(chǔ)潛力評(píng)估

根據(jù)表1的相關(guān)數(shù)據(jù)信息,利用式(4)～式(8),計(jì)算各項(xiàng)暫態(tài)存儲(chǔ)指標(biāo),結(jié)果見表3.可以看出,溶質(zhì)在暫態(tài)存儲(chǔ)區(qū)的水力停留時(shí)間Ts均較主流區(qū)的停留時(shí)間Tc更長一些,且除流速相對(duì)最小的2014-10-09實(shí)驗(yàn)兩者相差較大外,其他7次實(shí)驗(yàn)各自相應(yīng)的Ts、Tc都較為接近.總的來看,8次實(shí)驗(yàn)相應(yīng)的Ts、Tc差異較為明顯,大體顯示出秋、冬季停留時(shí)間較春季、初夏短的變化特征,意味著該蘆葦占優(yōu)勢(shì)溪流段的春季、初夏暫態(tài)存儲(chǔ)能力較秋、冬季更強(qiáng)一些.

由表3可見,實(shí)驗(yàn)渠段Ls最小值出現(xiàn)在流量最小的2014-10-09實(shí)驗(yàn),但最大值沒有出現(xiàn)在最大流量的2014-12-04實(shí)驗(yàn),而是在中等流量的2015-04-21實(shí)驗(yàn)中.根據(jù)水力吸收長度定義[2,7], Ls值越小,意味著溪流暫態(tài)存儲(chǔ)能力越強(qiáng);反之,則越弱.總體上,實(shí)驗(yàn)段Rh較大值出現(xiàn)在小流量情景,大流量中Rh值則相對(duì)較小一些,大體呈現(xiàn)小流量更有利于溶質(zhì)滯留的特點(diǎn),符合一般規(guī)律性.李如忠等[2]在對(duì)巢湖十五里河城市源頭段的研究中,得到Rh變化范圍為0.059～8.401(平均值為1.890)s/m,明顯低于本研究的蘆葦占優(yōu)勢(shì)溪流.文獻(xiàn)[22]在本實(shí)驗(yàn)段的下方400m處一段沒有大型水生植物生長的溪流段,開展了2次示蹤實(shí)驗(yàn),得到Rh分別為3.49s/m(Q=8L/s)和4.69s/m(Q= 12L/s),兩者也都低于本研究的蘆葦占優(yōu)勢(shì)情景.

表3　實(shí)驗(yàn)段的暫態(tài)存儲(chǔ)指標(biāo)值Table 3 Transient storage metrics of the experimental reach

F200med是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo),可以用于體現(xiàn)暫態(tài)存儲(chǔ)對(duì)于溶質(zhì)滯留效應(yīng)的相對(duì)強(qiáng)弱.這里,蘆葦占優(yōu)勢(shì)渠段F200med的數(shù)值介于8.10％～23.03％,與國外一些暫態(tài)存儲(chǔ)潛力較大的源頭溪流較為接近, 如Coweeta Creek (North Carolina,USA)的Fm 2e0d0為8.15％～23.01％[23],Canyon Creek (Wyoming,USA) 為3.10％～29.50％[8].巢湖十五里河城市源頭段是一個(gè)暫態(tài)存儲(chǔ)潛力較大的渠道化溪流,深潭-淺灘型河床結(jié)構(gòu)和地貌特征顯著,板結(jié)的河床上零散的分布著大塊塊石,但卻鮮有大型水生植物的存在,相應(yīng)的F200數(shù)值介于4.70％～18.30％[1],略med低于本研究的蘆葦覆蓋渠段.本文作者在本實(shí)驗(yàn)段下方?jīng)]有水生植物的溪流段上,開展兩次示蹤實(shí)驗(yàn)得到的F200emd數(shù)值分別為4.58％、10.79％[22],也基本低于蘆葦占優(yōu)勢(shì)情形.不難推斷,蘆葦叢在該溪流段暫態(tài)存儲(chǔ)作用機(jī)制方面扮演重要角色.

3.4 討論

需要特別指出的是,主流區(qū)與暫態(tài)存儲(chǔ)區(qū)不僅概念上不同,在溪流橫斷面上兩者的大體位置也有所區(qū)別,但由于兩者在空間上沒有明確的界限,致使主流區(qū)與暫態(tài)存儲(chǔ)區(qū)的具體范圍以及交互作用的空間和強(qiáng)度大小存在不確定性.大型水生植物,如挺水植物、沉水植物對(duì)河水流速具有較強(qiáng)的阻滯效應(yīng),從而影響河流溶質(zhì)向下游的傳輸過程.溪流水底積聚的植物殘?bào)w和底泥中盤根錯(cuò)節(jié)的根系分布,也都通過不同作用機(jī)制直接或間接地影響著溶質(zhì)的輸移擴(kuò)散,特別是在暫態(tài)存儲(chǔ)區(qū)面積較大的情況下.而由暫態(tài)存儲(chǔ)交換系數(shù)α與主流區(qū)-暫態(tài)存儲(chǔ)區(qū)濃度梯度乘積構(gòu)成的數(shù)學(xué)模塊,由于僅描述了簡(jiǎn)單的物理擴(kuò)散和交換,因而難以全面、準(zhǔn)確地反映暫態(tài)存儲(chǔ)的影響.筆者以為,對(duì)于大型水生植物聚集的溪流水體,現(xiàn)有OTIS模型有關(guān)暫態(tài)存儲(chǔ)作用機(jī)制的刻畫,還存在一定的局限性.從理論上講,本研究中不計(jì)暫態(tài)存儲(chǔ)影響的假設(shè)至少應(yīng)該對(duì)應(yīng)于沒有蘆葦存在的情形,但由于客觀上無法獲知該情景下的水文水動(dòng)力學(xué)參數(shù),因此在對(duì)α=0情景的模擬過程中,依舊采用了蘆葦存在時(shí)相應(yīng)的水文水動(dòng)力條件,這就不可避免的導(dǎo)致模擬結(jié)果與真實(shí)情況存在出入,即α=0所得的模擬分析結(jié)果不能完全代表忽略暫態(tài)存儲(chǔ)影響.可以說,圖2和表2表現(xiàn)出的蘆葦存在與否對(duì)于溪流溶質(zhì)滯留影響不大的假象,可能正是緣于此.

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),在沒有濃密的蘆葦植株矗立、殘?bào)w堆積和大量根系存在的情況下,溪流不僅暫態(tài)存儲(chǔ)能力可能減小,對(duì)于水流和溶質(zhì)的阻滯力也將顯著下降,從而導(dǎo)致溪流流速增大,上游投加的示蹤劑很快隨水流遷移至溪流的下游.此時(shí),情景2下游示蹤劑濃度峰值將會(huì)提升,情景1和情景2峰值的差距將明顯擴(kuò)大.但由HI與Q關(guān)系曲線(圖3)以及流速隨流量增大而增大的特點(diǎn),可以推斷,HI將隨流速的增大而下降,也就是情景1和情景2的峰值差距將隨流速的增大而減小,這一結(jié)果恰好與直觀感受和經(jīng)驗(yàn)相反.究其原因,這可能是由于忽略了暫態(tài)存儲(chǔ)影響的水質(zhì)模擬過程,依舊采用了蘆葦存在情景下的水文水動(dòng)力條件造成的.這里,8次示蹤實(shí)驗(yàn)得到的相對(duì)偏差HI都很小,與文獻(xiàn)[16]以沒有大型水生植物的排水溝渠為對(duì)象開展的類似研究存在很大出入,這可能與密集的蘆葦植株能夠產(chǎn)生一定的緩沖作用,而沒有大型水生植物的排水溝渠的暫態(tài)存儲(chǔ)主要取決于深潭、淺灘、階梯等“硬質(zhì)的”河床結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征有關(guān).

比值A(chǔ)s/A常被用于表征溪流暫態(tài)存儲(chǔ)潛力,一般認(rèn)為比值越大,暫態(tài)存儲(chǔ)能力越大;反之,則越小[24].本研究的As/A比值變化范圍為1.036～ 1.627,意味著暫態(tài)存儲(chǔ)區(qū)面積大于主流區(qū).大量研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于沒有大型水生植物的溪流和溝渠水系統(tǒng),比值A(chǔ)s/A小于1.0非常普遍,有的甚至遠(yuǎn)低于該數(shù)值,如Weigelhofer等[20]對(duì)農(nóng)業(yè)區(qū)多條富營養(yǎng)化源頭溪流的模擬得到As/A比值介于0.08～1.51,平均值為0.37;Jin等[24]對(duì)于美國東南部濱海平原地區(qū)的Payne Creek研究得到As/A的變化范圍為0.17～1.08,平均值為0.37.本研究所得的As/A比值偏大,不僅表明溪流暫態(tài)存儲(chǔ)潛力較大,也說明蘆葦對(duì)提高溪流暫態(tài)存儲(chǔ)有顯著影響.再由圖3中HI隨As/A增大而增大的變化關(guān)系,不難推斷蘆葦對(duì)提高溪流溶質(zhì)滯留率可能大有益處.8次實(shí)驗(yàn)得到的暫態(tài)存儲(chǔ)交換系數(shù)α全部處于10-4數(shù)量級(jí),基本較合肥地區(qū)其它沒有大型水生植物的源頭溪流低1個(gè)數(shù)量級(jí),這可能與蘆葦降低了主流區(qū)的水流流速,導(dǎo)致主流區(qū)-暫態(tài)存儲(chǔ)區(qū)流速梯度減小有關(guān).而且,蘆葦?shù)摹叭嵝浴币彩沟锰J葦占優(yōu)勢(shì)渠段的α值沒有出現(xiàn)數(shù)量級(jí)上的波動(dòng),這與李如忠等[2,16,19]獲得的合肥地區(qū)其他沒有大型水生植物源頭溪流明顯不同.

當(dāng)然,在對(duì)溪流暫態(tài)存儲(chǔ)特征及相關(guān)因素影響的研究中,人們更感興趣的可能還是在給定的時(shí)間和空間范圍內(nèi)暫態(tài)存儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)污染負(fù)荷削減的實(shí)際能力、負(fù)荷削減后在系統(tǒng)內(nèi)的存在方式和削減能力的可持續(xù)性,以及同其他類型暫態(tài)存儲(chǔ)系統(tǒng)(如不同水生/濕生植物、水文參數(shù))的比較等.毫無疑問,對(duì)于這些問題的解答需要有更為深入、系統(tǒng)的研究和工作積累.本研究雖然兼顧了蘆葦生長的不同季節(jié),但對(duì)蘆葦具體生長階段的研究還顯得較為粗糙和不充分,特別是還需要通過加密蘆葦生長階段的現(xiàn)場(chǎng)示蹤實(shí)驗(yàn)頻次,系統(tǒng)地分析和解讀蘆葦植株密度、生長分布狀況等因素對(duì)溪流暫態(tài)存儲(chǔ)潛力影響的定量化關(guān)系.客觀地說,本研究還處于初步的探索階段,但上述問題的提出無疑為今后的研究指明了方向.

4 結(jié)論

4.1 不同季節(jié)暫態(tài)存儲(chǔ)交換系數(shù)α穩(wěn)定在10-4數(shù)量級(jí)水平,較沒有大型水生植物的源頭溪流波動(dòng)性小;假設(shè)條件α=0獲得的模擬結(jié)果不能完全代表忽略暫態(tài)存儲(chǔ)影響,不計(jì)交換作用的示蹤劑濃度峰值變化不大,相對(duì)偏差HI變化范圍為2.60％～12.54％,平均值為5.35％.

4.2 HI與流量Q呈現(xiàn)顯著的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系,且隨Q的增加,HI逐步減小;HI與As/A呈明顯的線性關(guān)系,且隨As/A的增加,HI逐步增大,意味著蘆葦占優(yōu)勢(shì)渠段暫態(tài)存儲(chǔ)影響較大.

4.3 8次示蹤實(shí)驗(yàn)的主流區(qū)停留時(shí)間Tc、暫態(tài)存儲(chǔ)區(qū)水力停留時(shí)間Ts差異均較為顯著,春季、初夏的暫態(tài)存儲(chǔ)能力較秋、冬季更強(qiáng)一些;小流量的單位長度存儲(chǔ)區(qū)停留時(shí)間Rh較大,大流量對(duì)應(yīng)的Rh較小,表現(xiàn)出小流量更有利于溪流溶質(zhì)滯留的特性.

4.4 蘆葦占優(yōu)勢(shì)渠段As/A比值變化范圍為1.036～1.627,F200med數(shù)值介于8.10％～23.03％,表明溪流暫態(tài)存儲(chǔ)潛力較大;蘆葦占優(yōu)勢(shì)渠段具有的暫態(tài)存儲(chǔ)潛力,很大程度上來自蘆葦?shù)呢暙I(xiàn).

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Transient storage characteristics of an agricultural headwater stream predominated by Phragmites australis.

LI Ru-zhong1*, WAN Ling-zhi1, CAO Jing-cheng1, ZHANG Rui-gang2, CHEN Guang-zhou3(1.School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China；2.School of Civil Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China；3.School of Environment and Energy Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei 230022, China). China Environmental Science, 2016,36(2)：553~561

Abstract：From September 2014 to June 2015, eight field tracer experiments were conducted in a 90-m-length stream reach of an agricultural headwater stream, which is dominant of reeds and belongs to the Ershibu River watershed in Hefei city, using a constant-rate injection of NaCl. Based on the data sets of tracer experiments, the relative deviation of the peak values (HI) of the chloride ion concentrations was calculated with the OTIS model at the condition of ignoring the impact of transient storage or not, and the efficiency for transient storage was interpreted by using multiple transient storage metrics. The results showed that all the values of transient storage exchange coefficient (α) were in the order of magnitude of 10-4in different seasons. The values of HI ranged from 2.60% to 12.54% without considering the interaction between the main channel and transient storage zone, with the mean value of 5.35%. There was a significant logarithm function relationship between HI and discharge (Q), which was decreased gradually with the increase of the value of Q. Moreover, HI had obvious linear relationship with the ratio of cross-sectional area of storage zones to main channel cross-sectional area (As/A), and which was gradually increased with the increase of the As/A. Significant differences were exhibited between the main channel residence time (Tc) and the transient storage residence time (Ts) in all eight tracer experiments, and the transient storage capacity in the spring and early summer was stronger than that in the autumn and winter. The values of As/A andwere respectively in the range of 1.036 to 1.627 and 8.10% to 23.03%. This suggested that the stream with a dominant plant of reeds has a higher capacity for transient storage.

Key words：aquatic macrophyte；agricultural headwater stream；transient storage zone；OTIS model

作者簡(jiǎn)介：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)、非點(diǎn)源污染過程阻斷技術(shù)研究.發(fā)表論文130余篇.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51179042,41471422,51579061)

收稿日期：2015-07-08

中圖分類號(hào)：X14

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-6923(2016)02-0553-09