再生水修复河道河岸带GSPAC系统水分运移和氮转化研究——以潮白河顺义段为例
文献类型：学位论文
| 作者 | 李月 |
| 答辩日期 | 2022-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 宋献方 ; 李小雁 ; 马英 |
| 关键词 | 再生水修复河道 河岸带GSPAC 水分运移 氮转化 稳定同位素 HYDRUS−2D模型 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 利用再生水修复河道是缓解我国北方城市河湖生态危机的有力措施。但再生水用于修复河道引起水量水质快速变化，河岸带地下水−土壤−植物−大气系统（GSPAC）生态水文过程随之改变，地下水也面临氮污染风险，严重影响了河岸带健康生态系统的构建。研究再生水补给河道的河岸带GSPAC系统水氮迁移转化机理，可为控制氮污染物向地下水体的输入，河道生态修复与水资源可持续利用及河岸带健康生态系统构建提供科学依据。 本研究以典型再生水修复河道—潮白河顺义段为研究区域，基于定位观测、调查采样、同位素示踪、水化学和模型模拟等方法分析降水−河岸带土壤水−地下水−河水的转换过程，解析典型河岸林（柳树）的植物−水分关系，阐明河岸带GSPAC系统氮分布特征及运移规律，定量模拟不同降雨量、河水位和NO3−−N浓度情景下GSPAC界面水氮运移动态过程，揭示再生水补给河道和降水变化下河岸带GSPAC系统水分运移和氮转化机制。主要结论如下： （1）查明了典型断面2016−2021年河水−地下水水位变化及水力联系，揭示了2019和2021不同水文年河岸带土壤水及地下水动态变化、路径及来源。河水位和地下水位的年际变化较小，年内月尺度河水位和地下水位波动显著，汛期初始阶段水位陡降0.8−1.2m，汛期结束后逐渐回升。地下水埋深（WTD）越大，河水−河岸带地下水的水力联系强度和范围越小。不同地下水埋深的四个典型断面A（21.1m）、B（2.3m）、C（1.6m）和D（3.3m），河水在地下水中的滞留时间与渗流路径差异明显。地下水深埋区的河水渗流路径显著大于地下水浅埋区，较大的地下水水力梯度加快了河水补给地下水的速率。2007年再生水补给河道后，河岸带地下水与再生水水化学类型相近且较稳定。沿河流流向，河水及地下水中NO3−−N和TN显著下降；垂直河道方向，河岸带5m范围内的好氧反硝化作用使地下水中NO3−−N和pH值骤减。河道河水与河岸带深层土壤水和地下水的交换比例约为6.9−35.1%；河岸带地下水水力梯度越大，深层土壤水/地下水与河水的交换速率越快。降雨量增加、河道补水量升高及暴雨事件显著促进了河水与河岸带土壤水及地下水的交换。 （2）查明了河岸带柳树水氢同位素偏移的特征及原因，建立植物潜在水源同位素线（PWL）方法校正了植物水氢同位素的偏移。定量解析了河岸带典型断面柳树来源的变化特征，揭示了其与WTD的动态响应关系。河岸带柳树不同部位植物水氢同位素相比于潜在水源氢同位素平均偏移−6.3‰，其主要原因为木质部横向水分传输或新陈代谢过程和低温冷冻抽提过程中的氢同位素分馏，二者分别解释了偏移量的38.9%和61.1%。河岸带典型点位柳树水分利用特征时空差异显著。地下水深埋区的柳树主要吸收0−80cm土壤水；地下水浅埋波动区柳树的主要水源为80cm以下土壤水和地下水；地下水浅埋稳定区柳树主要吸收利用30−170cm土壤水。0−80cm和80cm以下水源贡献比例与WTD（浅埋）均呈二次相关关系，而与叶片尺度水分利用效率线性相关。在地下水浅埋区（WTD最大值为4m），WTD越大，河岸带柳树吸收河水的比例越小，柳树的水分利用效率越大。地下水浅埋区较大的WTD有利于维持河道生态补水与河岸带植被蒸腾耗水之间的水量平衡关系。 （3）揭示了再生水营养盐氮对河岸带土壤及柳树的影响。沿河道水流流向距再生水出水口越远或垂直河道方向上距河道越远，柳树叶片总氮（TN）含量越低、碳氮比（C/N）越高、生长速率越低。深层土壤氮是植物叶片TN、总碳（TC）含量和C/N最主要的影响因素，分别解释了其方差变异的64.1%，39.1%和54.3%，为河岸带柳树提供了最直接有效的氮源。再生水中的营养盐氮显著促进了河岸带柳树叶片营养物质的积累，加快了河岸带柳树的生长。 （4）构建了再生水修复河道的河岸带GSPAC系统二维水氮运移模型（HYDRUS−2D）。模拟并揭示了不同降雨量、河水位和河水NO3−−N浓度情景下GSPAC界面水分通量和氮浓度的动态变化规律。降雨量越大，河岸带土壤储水量越高，但河水侧向入渗速率及河岸带地下水侧向出流速率越低。当河水位高程大于29m时，河岸带土壤储水量增加5.17×107cm2（比河水位高程介于27.5−29m时大263倍），但高水位导致河岸带植被蒸腾量显著降低（p<0.05）；当河水位高程低于27.5m，河岸带土壤储水量减少3.14×105cm2，河水位的降低使河水侧向入渗速率及地下水侧向出流速率显著减慢。河岸带NO3−−N含量的降解主要发生在距河道0.5m范围内，且好氧反硝化作用对NO3−−N的去除效果比根系吸水高92.7倍。为避免河岸带地下水受到NO3−−N污染，当温度低于17.5℃时，河道河水中NO3−−N浓度应控制在10mg/L以下；而当温度高于17.5℃时，河道河水中NO3−−N浓度应控制在20mg/L以下。 |
| 学科主题 | 自然地理学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 258 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/186930]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 李月. 再生水修复河道河岸带GSPAC系统水分运移和氮转化研究——以潮白河顺义段为例[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2022. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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