多水源补给河道入渗过程中氮迁移转化机理与模拟研究——以潮白河北京段为例
文献类型：学位论文
| 作者 | 高珩 |
| 答辩日期 | 2024-05 |
| 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 ; 杨丽虎 |
| 关键词 | 多水源补给河道 潮白河 河水入渗 氮迁移转化 水氮运移模型 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 地下水的氮污染问题受到了全球的广泛关注，河水入渗则是氮进入地下水的一个重要通道。我国北方城市的河流受气候和用水量大的影响面临干涸断流等生态危机，利用再生水补给河道是缓解这一危机的有力措施。此外，除了再生水，跨流域调水和水库放水调控也常被用来对河道进行生态补水，然而多种水源补给河道后会引起水文水环境的快速变化，河水-底泥-土壤-地下水不同界面中水分运移与氮的迁移转化过程也会随之改变。充分了解多水源补给河道条件下河水入渗过程中不同界面水分运移与氮的迁移转化机理对于区域河水与地下水的氮污染防治具有重要的意义，也可以为生态补水工作提供科学依据。 本文以潮白河北京段（密云、怀柔和顺义段）多水源补给河道为研究区，结合野外采样与监测、室内实验分析与COMSOL Multiphysics数值模拟工作，基于稳定同位素技术（2H-H2O、18O-H2O、15N-NO3、18O-NO3）、贝叶斯混合模型、多元统计分析、微生物功能基因等方法分析多水源河道入渗过程中河水-底泥水-地下水的转换过程，识别河水与地下水氮组分的来源、转化及影响因素，揭示不同水源补给河段入渗过程中氮的迁移转化机理及微生物氮循环基因的差异，定量模拟不同氮的生物地球化学作用速率及贡献。主要结论如下： （1）查明了研究区2007 ~ 2021年多水源补水的水量与水质变化，揭示了生态补水量最大的2021年前后河水与地下水的水力联系、水源组成及水化学作用。潮白河密云、怀柔和顺义段再生水补给量2007 ~ 2021年呈逐年增加趋势，其中顺义段补给量最大，总量达4.14亿m3。2015 ~ 2021年南水北调水累计补给研究区河道水量8.39亿m3，水库放水6.20亿m3。三个再生水排放河段中TDS、离子含量和氮组分存在明显差异，水质均逐年变好，密云段在三个河段中水质较差。NO3-N为再生水中的主要氮组分，且浓度显著高于南水北调水和水库放水。河水位受生态补水和闸坝调控共同影响。2021年水库放水导致上、中、下游地下水水位分别抬升10.44 ~ 17.10 m、9.64 ~ 17.46 m和1.32 ~ 2.33 m，中游相比于上游存在2.5 ~ 5 d的滞后性。MixSIAR混合模型结果表明再生水在密云、怀柔和顺义段地下水中贡献分别为42.1%、37.6%和40.4%，水库放水则分别为36.9%、31.5%和31.7%。地下水水化学离子组成主要受岩盐溶解和沉淀影响，再生水的补给会增大地下水中水化学离子的浓度。 （2）识别了2009 ~ 2022年河水与地下水氮组分时空变化特征、地下水硝酸盐含量的影响因素及其来源转化过程，阐明了再生水与非再生水补给对河道底泥氮组分、微生物群落与功能的影响。2009 ~ 2022年，再生水补给区河水NO3-N逐年降低，NH4-N和NO2-N接近0，河水水质改善。水库放水导致2021年后氮含量最低。南水北调水回补区河水除NH4-N外呈先升后降。地下水中NH4-N稳定在约1 mg/L，NO3-N浓度变化范围在0.0 ~ 36.4 mg/L，NH4-N的高值主要分布在密云段和顺义段下游，NO3-N高值在密云和怀柔段。地下水NO3-N浓度受补水口距离、地下水埋深、补给时长、距河道距离、DOC和NH4-N等因素影响较大。反硝化作用在水库放水前的地下水汇总显著，且再生水补给区强于南水北调水回补区，水库放水会减弱反硝化作用。研究区内的硝化作用微弱可忽略。MixSIAR模型确定再生水为地下水硝酸盐主要来源，占总量76 ~ 89%。水库放水降低再生水对地下水硝酸盐贡献13%。再生水补给会降低底泥pH、增大总氮和总碳含量，进而增加反硝化菌及氮循环相关基因丰度。 （3）建立了典型补给河段入渗监测剖面，确定了再生水、南水北调水和下游混合水入渗剖面河水、底泥水和地下水的转化关系，揭示了入渗过程中氮组分的动态变化特征及迁移转化影响机制。再生水补给河段底泥浅层渗透速率（3.48×10-6 m/s）低于深层（1.11×10-6 m/s）。随河岸带距离增加，地下水位变幅减小，河水补给影响逐渐减弱。河岸带地下水侧向渗透速率低于河道内垂向渗透速率，5 m处河水滞留时间8.02 d。再生水NO3-N和DON含量高，导致底泥发生DNRA和氨化作用生成NH4-N。NH4-N经硝化转化为NO3-N，并随入渗氧气减小发生反硝化转化为N2去除；南水北调水补给河段渗透速率总体最高，底泥内渗透速率接近，河岸带地下水随距离减小。河岸带10 m范围内河水占比大于50%，滞留时间仅1.52 d。南水北调水中NO3-N浓度在三个河段内最低（0.51 mg/L）。底泥内发生硝化、反硝化作用去除NH4-N与NO3-N。地下水中DON氨化为NH4-N，NO3-N部分发生DNRA作用转化为NH4-N，部分反硝化生成N2；下游混合水补给河段河道底泥不同深度渗透速率差异小，浅层随时间变化大，补给方向河道内为河水补给地下水，河岸带为地下水补给河水，在底泥内形成潜流带。河道底泥内生成NH4-N和NO3-N，河岸带地下水中主要发生NO3-N反硝化作用。 （4）阐明了不同水源补给入渗剖面水体、底泥和土壤理化性质的差异，揭示了底泥和土壤氮循环功能基因和微生物群落差异及其与水动力和环境因素的关系。南水北调水中具有最高溶解氧含量。电导率在再生水和南水北调水补给点位随入渗距离而增大，下游混合水补给点呈相反的规律。下游混合水补给点溶解性有机碳含量最高。主成分分析显示再生水与其他水源的水质差异主要为NO3-N和DON。再生水补给点位底泥和土壤具有最高的NH4-N、NO3-N、TN和SOC含量，最低的C/N，导致其反硝化作用强烈。宏基因组结果表明，再生水补给点表现出更强的反硝化潜力，而南水北调水补给点和下游混合水补给点分别具有更强的氨化和硝化潜力。Thiobacillus、Nitrospira、Geobacter为主要氮循环微生物属。渗透速率、沉积物pH及养分含量（C、N）与多种氮循环基因负相关，溶解氧与DNRA功能基因负相关。 （5）构建了再生水和南水北调水补给入渗过程中二维水氮运移模型，模拟了水流运移和氮浓度的动态变化规律，揭示了不同氮循环反应过程的反应速率及相对贡献。再生水补给点位NO3-N主要受反硝化和DNRA作用控制，NH4-N主要通过氨化生成。进入地下水后，有机碳氧化和反硝化受阻，NO3-N由反硝化转为DNRA主导。南水北调水补给点位受有氧呼吸主导，反硝化和DNRA速率相对较低。再生水补给点位的反应速率显著高于南水北调水补给点位，且DNRA作用对NO3-N还原贡献率范围（19.6% ~ 80.9%）大于南水北调水补给点位（7.1% ~ 27.0%），则为。再生水补给点位的氨化作用对NH4-N生成贡献率（13.3% ~ 35.9%）则小于南水北调水补给点位（56.3% ~ 64.9%）。再生水补给河道可通过反硝化去除NO3-N，南水北调水补给则通过氨化生成NH4-N，应综合考虑不同反应对氮含量变化的影响。 |
| 学科主题 | 自然地理学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 222 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209312]  |
| 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 | 高珩. 多水源补给河道入渗过程中氮迁移转化机理与模拟研究——以潮白河北京段为例[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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