蘆葦占優勢農田溪流暫態存儲特征及影響分析*

李如忠,萬靈芝,曹竟成,張瑞鋼,陳廣洲(.合肥工業大學資源與環境工程學院,安徽 合肥 0009；.合肥工業大學土木與水利工程學院,安徽 合肥 0009；.安徽建筑大學環境與能源工程學院,安徽 合肥 00)

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蘆葦占優勢農田溪流暫態存儲特征及影響分析*

李如忠1*,萬靈芝1,曹竟成1,張瑞鋼2,陳廣洲3(1.合肥工業大學資源與環境工程學院,安徽 合肥 230009；2.合肥工業大學土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009；3.安徽建筑大學環境與能源工程學院,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的蘆葦占優勢農田源頭溪流渠段,選擇NaCl為示蹤劑,采用恒速連續投加的方式,開展8次野外示蹤實驗.在此基礎上,利用OTIS模型對考慮和不考慮暫態存儲影響的兩種情景開展水質模擬,計算示蹤劑氯離子(Cl-)濃度峰值的相對偏差,并以暫態存儲指標定量刻畫農田溪流的暫態存儲潛力.結果表明,不同季節的暫態存儲交換系數α 穩定在10-4數量級;不考慮主流區與暫態存儲區交換作用的Cl-濃度峰值相對偏差HI的變化范圍為2.60％～12.54％,平均值為5.35％;HI與流量Q呈現顯著的對數函數關系,且隨Q的增加而逐步減小;HI與比值As/A呈明顯的線性關系,并隨As/A的增加而逐步增大;8次示蹤實驗對應主流區停留時間Tc、暫態存儲區水力停留時間Ts差異均較顯著,且春季、初夏的暫態存儲能力較秋、冬季更強一些;比值As/A變化范圍為1.036～1.627,數值介于8.10％～23.03％,兩者均表明該蘆葦占優勢渠段具有較大的暫態存儲潛力.

關鍵詞：大型水生植物；農田源頭溪流；暫態存儲區；OTIS模型

* 責任作者, 教授, Lrz1970@163.com

暫態存儲作用是小尺度流動水體中影響溶質遷移的重要的水動力學過程,它不僅包括暫態存儲區(如溪流底部潛流帶、水面滯水區或死水區、漩渦等)與流動水體的交換作用,也包括暫態存儲區內部溶質的滯留效應[1-2].總的來看,暫態存儲作用對溶質的滯留主要通過3種途徑,即物理滯留、生物滯留和化學滯留等.可以說,考慮暫態存儲影響是源頭溪流等小尺度流動水體水環境研究的重要特色.目前,源頭溪流對于非點源污染控制的重要性已為人們所認識,有關源頭溪流暫態存儲機制已成為歐美發達國家環境水文地質學、環境科學等學科領域的研究熱點[3-6].總的來看,雖然針對枯枝落葉攔阻情景的溪流暫態存儲研究已有一些[7-8],但源自深潭、淺灘、階梯等河床結構和地形地貌特征的暫態存儲作用機制,一直都是研究的重點[9-12].河流的紊動特性直接受水生植物的影響,水流紊動強度的大小和分布與植物的排列密度、植物/水深相對高度以及水流流速有密切關系[13].正是由于水生植物能夠抑制水動力因素對沉積物的擾動,從而可以抑制底泥的再懸浮、降低營養鹽的釋放等[14].大型水生植物的上述功能和特性,勢必影響溪流溶質的輸移和擴散過程.在廣大平原、丘陵地帶的源頭溪流和農田排水溝渠系統中,蘆葦、水花生等大型水生/濕生植物簇擁生長的現象非常普遍.從提升非點源污染控制能力出發,需要從機制層面解析溪流暫態存儲特征及其影響因素.但到目前為止,有關大型水生植物大量生長情景的溪流暫態存儲特征,仍缺乏專門、系統的研究.

溪流水底枯死植株殘體的堆積和交錯的根系分布,不僅可以增強潛流帶的空隙率,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造有利條件[2].由于溶質滯留很大一部分發生在暫態存儲區,因此暫態存儲影響自然也就成為作用機制研究的一項重要內容.巢湖是一個水體富營養化嚴重的大型淡水湖泊,目前整個西半湖區都處在重富營養化狀態,削減和調控氮、磷入湖負荷成為湖泊水環境治理的首要工作任務.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滯留能力的需求出發,有必要對該情形的溪流暫態存儲特征開展專門研究.本研究擬以巢湖西半湖北側的二十埠河流域某一典型農業源頭溪流蘆葦占優勢段為對象,嘗試對蘆葦大量存在情形下溪流暫態存儲特征及蘆葦對于溪流暫態存儲特征的影響開展定量化分析和評估,以期為巢湖環湖小河流溶質負荷的削減和調控提供參考.

1 研究區概況

二十埠河位于合肥市城區的東北部和東部地區,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東北部郊外的磨店鄉境內,篩選一條大型水生植物生長較為明顯的農田源頭溪流作為研究對象.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,河床形態豐富多樣.溪流匯水區的用地類型以農業和林地為主.整個研究期間,溪水流量變化范圍為0.01～0.076m3/s、流速為0.05～0.30m/s.由于主要靠降雨補給,在持續缺乏有效降水的情況下,時常出現溪水斷流或流動極緩的現象.

溪流為土質護坡,由于缺乏人工管護,存在不同程度岸坡坍塌.現場調查發現,由于匯水區中上游沒有明顯的點源存在,溪流水質狀況整體良好.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、水花生占明顯優勢;下游河床下切稍深,渠底板結,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勢的平直渠段,作為野外現場示蹤實驗靶區.該渠段長約90m,水面寬約1.5m.

2 模型與方法

2.1 示蹤實驗

基于渠段的蘆葦等大型水生植物分布情況,確定示蹤實驗投加點(即O)和采樣點(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、尾局部區域較為稀疏一些,且水流主要從河床左側過流.為確保水樣能充分反映主流區的溶質運移擴散過程,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),解析溪流水系統的暫態存儲特征.2014年9月～2015年6 月,采用恒速連續投加的方式,分8次在實驗靶區開展野外示蹤實驗.現場利用溪水將NaCl充分溶解、混合,并以20L可調式電動噴霧器投加,混合液濃度為50～75g/L,實驗持續時間約80～ 100min.根據溪流流速的不同,將采樣時間間隔設定為1.0或2.0min,并對采樣點A、B同步采樣.在采樣點B利用KL-138(II)筆式電導率計現場測定水樣電導率,當電導率進入平穩狀態且持續一段時間后,停止投加示蹤劑,并在電導率穩定在背景值水平后,停止采集水樣.另外,實驗開始前,在采樣點A、B采集水樣用于氯離子(Cl-)背景濃度的確定;實驗結束后,對采樣點A、B的多個斷面測定水深、水面寬度及溪流流速.在實驗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,測定水樣中氯離子濃度.

圖1　示蹤實驗渠段的基本情況示意Fig.1 Sketch map of tracer experimental reach

2014-09-24實驗正處于初秋時節,溪流中蘆葦生長依舊相當茂盛、濃密;2014-10-09實驗時蘆葦開始出現衰敗跡象;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實驗時,溝渠中蘆葦已開始發芽,甚至出現了成叢的蘆葦;至2015- 06-04實驗時,正值初夏,蘆葦高度已達1.5m以上,但植株濃密程度較2014年9月稍低一些.

2.2 水環境數學模型

TSM模型或OTIS模型,是近年來溪流等小空間尺度流動水體溶質遷移擴散規律研究較為常用的數學工具,它是在傳統水質模型對流-擴散機制的基礎上,通過集成暫態存儲影響和側向徑流補給作用模塊構成的,數學模型如下[15]:

式中:C為主流區水流溶質濃度,mg/L;Q為溪流流量,m3/s;A為主流區斷面面積,m2;D為擴散系數,m2/s;qL為側向補給強度,m3/(s·m);CL為側向補給的溶質濃度,mg/L;α 為暫態存儲交換系數,s-1; Cs為暫態存儲區的溶質濃度,mg/L;As為暫態存儲區斷面面積,m2;t為時間,s;x為河段長度,m.其中,參數A、As、D、qL和α是根據主流區示蹤劑的Cl-濃度-時間過程數據,利用Runkel[15]提出的OTIS應用程序和OTIS參數優化程序包模擬計算得到.

這里,主流區泛指溪流斷面上流動性相對較強且水流較為集中的動態部分,包括深泓線所在范圍;暫態存儲區則不僅包括水底潛流帶,也包含溪流水面兩側近岸的滯水區(或稱死水區)及障礙物后部的漩渦等.

2.3 暫態存儲影響分析方法

在OTIS模型中,暫態存儲對于溶質輸移擴散過程的影響是通過主流區與暫態存儲區的交換作用,并借助模塊α(Cs-C)體現的.因此,李如忠等[16]將忽略該數學模塊作為代表不計暫態存儲影響情形.為解析暫態存儲的影響,不妨針對下述2種情景分別開展水質模擬,即

① 情景1:綜合集成暫態存儲和側向補給作用及對流-擴散影響的水質模擬;

② 情景2:考慮對流-擴散和側向補給作用,而不計暫態存儲影響的水質模擬.

在水質模擬的基礎上,開展暫態存儲影響效應的定量化評估.文獻[16]根據瞬時投加示蹤實驗中,示蹤劑(Cl-)濃度峰值高、峰值持續時間短的特點,利用情景1、2峰值大小和峰值出現的時間偏差,定量刻畫暫態存儲對于溶質滯留的影響.但在恒定連續投加實驗情況下,峰值發生在平穩狀態,即峰值對應的是一個時間過程,這與瞬時投加實驗顯著不同.為此,考慮單就峰值變化角度,解析暫態存儲對于Cl-輸移過程的影響,即:

式中:HI為不考慮暫態存儲作用時主流區Cl-模擬濃度峰值的相對偏差,％;c為不考慮暫態存儲作用時主流區Cl-模擬濃度平均峰值,mg/L;c0為主流區Cl-模擬濃度平均峰值,mg/L.

2.4 暫態存儲度量指標

目前,對于暫態存儲區溶質滯留能力的評估,通常采用暫態存儲指標表征,相應的數學表達式分別為[17-18]:

式中:Tc表示主流區停留時間,s;Ts表示暫態存儲區水力停留時間,s;Ls表示水力吸收長度,m;Rh表示溪流單位長度存儲區停留時間,s/m.

除了上述指標外,一些學者還將溶質在暫態存儲區的行進時間占溶質總平均運移時間比率,作為表征存儲能力的評價指標,相應的數學表達式為[18]:

上述表達式中,變量Q、A、As、D、qL和α 為OTIS模型參數(同上);u為溪流流速,m/s.為便于比較,實際應用中一般都是按L=200m的標準長度計算Fmed,即得到.

需要指出的是,盡管示蹤劑NaCl在形態轉化和被植物吸收固定等方面均與氮、磷營養鹽存在很大的差異性,但在環境科學、環境水文地質學領域,以NaCl為示蹤劑的OTIS模型參數估值及暫態存儲區溶質滯留能力評估,依舊是歐美發達國家小型河流水體中包括氮、磷營養鹽在內的溶質暫態存儲特征研究所普遍采用的方法.

3 結果與討論

3.1 模型參數的確定

采用OTIS模型,模擬蘆葦占優勢渠段AB中示蹤劑Cl-的運移擴散規律.考慮到該溪流段水深較淺,且水下有蘆葦植株和雜草,不便于一般流速計的使用,為此在確定采樣點A、B所在斷面的溪流流速時,采用多次測定一定距離(2m)上漂浮物流經時間的方式,經由換算得到.針對采樣點A、B所在過流斷面,多次測量水深、水面寬度,確定平均過流斷面面積,再由流速與過水斷面面積的乘積計算流量.自2014年9月開始,課題組已經在該渠段內布設了9根由PVC塑料管制作的間隙水觀測孔.這里,側向徑流補給的Cl-濃度(CL)由觀測孔中潛流帶間隙水分析測試得到,并取實驗開始前采集的溪水Cl-背景濃度作為暫態存儲區Cl-濃度(Cs).

將采樣點A作為上游邊界條件,根據采樣點A、B的主流區Cl-濃度-時間過程數據,以及上述水文水質參數信息,利用OTIS應用程序和OTIS參數優化程序包,模擬計算得到水文參數A、As、D、qL和α 等,結果見表1.具體操作步驟,參見文獻[1-2].

8次野外實驗跨越了2014年的秋、冬季和2015年的春季、初夏等4個季節,溪流流量、流速變化明顯,蘆葦既涵蓋了由旺盛生長期轉向衰亡期的成長過程,也經歷了由發芽、拔節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實驗均安排在氣溫稍高的中午時段進行;其他5次實驗均在上午開展.實驗均在晴天進行,且每次實驗的歷時控制在2.5h內.由表1,不同季節A、As和α 數值變化較為平穩,特別是α值一直穩定在10-4數量級.李如忠等[19]曾對合肥地區多條溪流、排水溝渠開展暫態存儲特征分析,得到α 數值基本都處于10-3數量級水平,少數渠段出現10-4數量級. Weigelhofer等[20]在對農業區多條呈富營養化狀態的源頭溪流研究中,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;其他學者得到的α值也大都介于10-4～10-3數量級[8,18].值得一提的是,在國內外的相關研究中,示蹤實驗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勢情形完全不同.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,從而導致溪流水動力條件下降,這可能是α值相對偏小的主要原因.

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

3.2 暫態存儲影響分析

暫態存儲區對于溪流溶質運移擴散規律的影響,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模型的數學模塊構造及其應用過程中,具有良好水動力條件的山地溪流一直都是研究的主要對象.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存儲的主要因素,暫態存儲區面積通常較主流區低.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-暫態存儲區的流速梯度,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、淺灘等的暫態存儲影響而開發的,模塊項α(Cs-C)是否適合于大型水生植物大量存在情形,有待進一步論證.鑒于至今尚還沒有更為有效的數學模式可以取代該模塊項,初步考慮依舊將暫態存儲系數α=0代表不計暫態存儲影響情形,并由此分別開展綜合集成暫態存儲、側向補給和對流-擴散作用的主流區水質模擬(情景1)和不計暫態存儲影響的水質模擬(情景2).

8次實驗中采樣點B的主流區Cl-模擬濃度與對應實測濃度的擬合效果都相當好,相對誤差分別為:-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測濃度-時間過程.采樣點B的兩種情景水質模擬結果,見圖2.可見,所有實驗中兩種情景對應的峰值模擬結果都十分接近,且情景2的Cl-濃度峰值都略高于情景1.

由式(3)計算得到情景1、2的相對偏差HI,結果見表2.不難看出,除了2014-10-09實驗的相對偏差略高(即12.64％)以外,其余7次實驗均不超過6.56％,平均值為5.35％.至于峰值發生時間,兩種情景出入不大,暗示主流區與暫態存儲區的交換作用對溶質輸移過程的影響并不顯著.李如忠等[16]利用瞬時投加示蹤劑的實驗方法,對合肥城郊河床上沒有大型水生植物的排水溝渠暫態存儲特征進行了研究.結果發現,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,但其不計暫態存儲影響的示蹤劑濃度-時間過程模擬曲線峰值顯著上升,相對偏差高達24.23％～93.42％,且峰值發生時間也有不同程度的提前,相對偏差最高達24.75％.根據有、無水生植物兩種情形下示蹤劑濃度峰值的實際表現,可以推測密集蘆葦植株及水底蘆葦殘體的存在對溪流暫態存儲特征有顯著的影響.

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

表2　兩種情景相應的Cl-濃度峰值相對偏差Table 2 Relative deviation of Cl-concentrations corresponding to the two hypothesis scenarios

溪流暫態存儲研究中,流量Q和比值As/A一直都是頗受關注的兩個指標[21].基于8次實驗的相關數據信息,采用回歸分析技術分別對Q與HI、As/A與HI進行擬合,得到關系曲線,見圖3.可以看出,HI與Q、As/A都得到很好的擬合關系曲線.其中,HI與Q呈對數函數關系,可決系數為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呈明顯的線性關系,可決系數為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As/A角度著手,可以為溪流溶質滯留率的提升尋求有效途徑.

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

3.3 暫態存儲潛力評估

根據表1的相關數據信息,利用式(4)～式(8),計算各項暫態存儲指標,結果見表3.可以看出,溶質在暫態存儲區的水力停留時間Ts均較主流區的停留時間Tc更長一些,且除流速相對最小的2014-10-09實驗兩者相差較大外,其他7次實驗各自相應的Ts、Tc都較為接近.總的來看,8次實驗相應的Ts、Tc差異較為明顯,大體顯示出秋、冬季停留時間較春季、初夏短的變化特征,意味著該蘆葦占優勢溪流段的春季、初夏暫態存儲能力較秋、冬季更強一些.

由表3可見,實驗渠段Ls最小值出現在流量最小的2014-10-09實驗,但最大值沒有出現在最大流量的2014-12-04實驗,而是在中等流量的2015-04-21實驗中.根據水力吸收長度定義[2,7], Ls值越小,意味著溪流暫態存儲能力越強;反之,則越弱.總體上,實驗段Rh較大值出現在小流量情景,大流量中Rh值則相對較小一些,大體呈現小流量更有利于溶質滯留的特點,符合一般規律性.李如忠等[2]在對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勢溪流.文獻[22]在本實驗段的下方400m處一段沒有大型水生植物生長的溪流段,開展了2次示蹤實驗,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勢情景.

表3　實驗段的暫態存儲指標值Table 3 Transient storage metrics of the experimental reach

F200med是一個標準化指標,可以用于體現暫態存儲對于溶質滯留效應的相對強弱.這里,蘆葦占優勢渠段F200med的數值介于8.10％～23.03％,與國外一些暫態存儲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暫態存儲潛力較大的渠道化溪流,深潭-淺灘型河床結構和地貌特征顯著,板結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,相應的F200數值介于4.70％～18.30％[1],略med低于本研究的蘆葦覆蓋渠段.本文作者在本實驗段下方沒有水生植物的溪流段上,開展兩次示蹤實驗得到的F200emd數值分別為4.58％、10.79％[22],也基本低于蘆葦占優勢情形.不難推斷,蘆葦叢在該溪流段暫態存儲作用機制方面扮演重要角色.

3.4 討論

需要特別指出的是,主流區與暫態存儲區不僅概念上不同,在溪流橫斷面上兩者的大體位置也有所區別,但由于兩者在空間上沒有明確的界限,致使主流區與暫態存儲區的具體范圍以及交互作用的空間和強度大小存在不確定性.大型水生植物,如挺水植物、沉水植物對河水流速具有較強的阻滯效應,從而影響河流溶質向下游的傳輸過程.溪流水底積聚的植物殘體和底泥中盤根錯節的根系分布,也都通過不同作用機制直接或間接地影響著溶質的輸移擴散,特別是在暫態存儲區面積較大的情況下.而由暫態存儲交換系數α與主流區-暫態存儲區濃度梯度乘積構成的數學模塊,由于僅描述了簡單的物理擴散和交換,因而難以全面、準確地反映暫態存儲的影響.筆者以為,對于大型水生植物聚集的溪流水體,現有OTIS模型有關暫態存儲作用機制的刻畫,還存在一定的局限性.從理論上講,本研究中不計暫態存儲影響的假設至少應該對應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力學參數,因此在對α=0情景的模擬過程中,依舊采用了蘆葦存在時相應的水文水動力條件,這就不可避免的導致模擬結果與真實情況存在出入,即α=0所得的模擬分析結果不能完全代表忽略暫態存儲影響.可以說,圖2和表2表現出的蘆葦存在與否對于溪流溶質滯留影響不大的假象,可能正是緣于此.

根據經驗,在沒有濃密的蘆葦植株矗立、殘體堆積和大量根系存在的情況下,溪流不僅暫態存儲能力可能減小,對于水流和溶質的阻滯力也將顯著下降,從而導致溪流流速增大,上游投加的示蹤劑很快隨水流遷移至溪流的下游.此時,情景2下游示蹤劑濃度峰值將會提升,情景1和情景2峰值的差距將明顯擴大.但由HI與Q關系曲線(圖3)以及流速隨流量增大而增大的特點,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,這一結果恰好與直觀感受和經驗相反.究其原因,這可能是由于忽略了暫態存儲影響的水質模擬過程,依舊采用了蘆葦存在情景下的水文水動力條件造成的.這里,8次示蹤實驗得到的相對偏差HI都很小,與文獻[16]以沒有大型水生植物的排水溝渠為對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存儲主要取決于深潭、淺灘、階梯等“硬質的”河床結構和形態特征有關.

比值As/A常被用于表征溪流暫態存儲潛力,一般認為比值越大,暫態存儲能力越大;反之,則越小[24].本研究的As/A比值變化范圍為1.036～ 1.627,意味著暫態存儲區面積大于主流區.大量研究發現,對于沒有大型水生植物的溪流和溝渠水系統,比值As/A小于1.0非常普遍,有的甚至遠低于該數值,如Weigelhofer等[20]對農業區多條富營養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]對于美國東南部濱海平原地區的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,不僅表明溪流暫態存儲潛力較大,也說明蘆葦對提高溪流暫態存儲有顯著影響.再由圖3中HI隨As/A增大而增大的變化關系,不難推斷蘆葦對提高溪流溶質滯留率可能大有益處.8次實驗得到的暫態存儲交換系數α全部處于10-4數量級,基本較合肥地區其它沒有大型水生植物的源頭溪流低1個數量級,這可能與蘆葦降低了主流區的水流流速,導致主流區-暫態存儲區流速梯度減小有關.而且,蘆葦的“柔性”也使得蘆葦占優勢渠段的α值沒有出現數量級上的波動,這與李如忠等[2,16,19]獲得的合肥地區其他沒有大型水生植物源頭溪流明顯不同.

當然,在對溪流暫態存儲特征及相關因素影響的研究中,人們更感興趣的可能還是在給定的時間和空間范圍內暫態存儲系統對污染負荷削減的實際能力、負荷削減后在系統內的存在方式和削減能力的可持續性,以及同其他類型暫態存儲系統(如不同水生/濕生植物、水文參數)的比較等.毫無疑問,對于這些問題的解答需要有更為深入、系統的研究和工作積累.本研究雖然兼顧了蘆葦生長的不同季節,但對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場示蹤實驗頻次,系統地分析和解讀蘆葦植株密度、生長分布狀況等因素對溪流暫態存儲潛力影響的定量化關系.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 結論

4.1 不同季節暫態存儲交換系數α穩定在10-4數量級水平,較沒有大型水生植物的源頭溪流波動性小;假設條件α=0獲得的模擬結果不能完全代表忽略暫態存儲影響,不計交換作用的示蹤劑濃度峰值變化不大,相對偏差HI變化范圍為2.60％～12.54％,平均值為5.35％.

4.2 HI與流量Q呈現顯著的對數函數關系,且隨Q的增加,HI逐步減小;HI與As/A呈明顯的線性關系,且隨As/A的增加,HI逐步增大,意味著蘆葦占優勢渠段暫態存儲影響較大.

4.3 8次示蹤實驗的主流區停留時間Tc、暫態存儲區水力停留時間Ts差異均較為顯著,春季、初夏的暫態存儲能力較秋、冬季更強一些;小流量的單位長度存儲區停留時間Rh較大,大流量對應的Rh較小,表現出小流量更有利于溪流溶質滯留的特性.

4.4 蘆葦占優勢渠段As/A比值變化范圍為1.036～1.627,F200med數值介于8.10％～23.03％,表明溪流暫態存儲潛力較大;蘆葦占優勢渠段具有的暫態存儲潛力,很大程度上來自蘆葦的貢獻.

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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

作者簡介：李如忠(1970-),男,安徽蚌埠人,教授,博士,主要從事水環境保護、非點源污染過程阻斷技術研究.發表論文130余篇.

基金項目：國家自然科學基金項目(51179042,41471422,51579061)

收稿日期：2015-07-08

中圖分類號：X14

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6923(2016)02-0553-09