高寒地區(qū)濕地公園不同深度地溫變化規(guī)律研究＊

李含雄，張高軍，董亮亮，王永軍，魏玉朝，魏 征，陸海軍，袁月祥

（1.中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所，四川 成都 610041；2.蘭州新區(qū)城建工程有限公司，甘肅 蘭州 730300）

當(dāng)今城市化發(fā)展的今天，生活污水和工業(yè)污水的排放與無(wú)害化處理需求的矛盾日益劇增[1]，建造人工濕地不僅恢復(fù)生態(tài)[2]，同時(shí)也能應(yīng)用于污水治理[3]，尤其是可應(yīng)用于小型鄉(xiāng)村生活污水處理和城市污水處理廠尾水的深度凈化[4]。將污水導(dǎo)入人工濕地填料層，利用填料層中的微生物降解廢水的有機(jī)成分[5]，同時(shí)通過(guò)地表種植的植物吸收其重金屬[6]，二者協(xié)同的方式構(gòu)建生態(tài)濕地模式具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)效益[7]。由于生物生存受環(huán)境因素限制，而高寒地區(qū)的低溫環(huán)境是限制生物生長(zhǎng)的主要因素，因此準(zhǔn)確了解濕地公園的地表與地下溫度對(duì)濕地公園的建設(shè)與后期運(yùn)行管理具有重要意義[8]。有關(guān)高寒地區(qū)寒冷季節(jié)地溫研究文獻(xiàn)較少。

本文以蘭州新區(qū)秦王川濕地公園為例，連續(xù)監(jiān)測(cè)冬春季地表與不同深度地下溫度，分析蘭州濕地公園冬春季節(jié)溫度變化規(guī)律，為蘭州新區(qū)及相似地區(qū)人工濕地的設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

1.1.1 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)器材如下：一體式PT100熱電阻溫度傳感器15支，wecon可編程控制器1臺(tái)。

1.1.2 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地點(diǎn)為甘肅省蘭州新區(qū)秦王川濕地公園內(nèi)。

1.2 地溫監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

在秦王川濕地公園內(nèi)選取一塊地面平坦、離水面約10 cm的區(qū)域，設(shè)置﹣120 cm、﹣90 cm、﹣60 cm、﹣30 cm，4個(gè)不同的地下深度，將溫度傳感器豎直插入地下，使溫度傳感器的探頭分別位于地下120 cm、90 cm、60 cm和30 cm。每個(gè)深度設(shè)置3個(gè)溫度傳感器，3個(gè)重復(fù)間隔20～30 cm。地面設(shè)1個(gè)未完全封閉的箱子，里面放置控制器，在箱子內(nèi)放置3個(gè)溫度傳感器測(cè)定地表氣溫（探頭露出箱子5～10 cm，離地約30 cm）。將各傳感器的數(shù)據(jù)線(xiàn)、電源線(xiàn)分別接入控制器內(nèi)，每2 min記錄1次數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄每個(gè)傳感器當(dāng)前溫度。

1.3 地溫?cái)?shù)據(jù)分析

地溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正式運(yùn)行于2020-01-19T18：00，連續(xù)監(jiān)測(cè)至04-30。將測(cè)得的數(shù)據(jù)運(yùn)用數(shù)據(jù)處理軟件整理成表，刪除其中的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，計(jì)算有效數(shù)據(jù)的平均值作為當(dāng)前時(shí)間對(duì)應(yīng)深度的地溫。

選擇連續(xù)一段時(shí)間內(nèi)的不同深度地溫進(jìn)行對(duì)比分析，研究不同深度之間地溫日變化之間的關(guān)系，并分析不同深度溫度的日間規(guī)律；然后選擇試驗(yàn)期間（103 d）地表溫度數(shù)據(jù)單獨(dú)匯總分析，討論冬季和春季地表氣侯變化規(guī)律；最后將試驗(yàn)期間地下不同深度地溫進(jìn)行匯總分析，討論不同深度地溫對(duì)氣候回暖的響應(yīng)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 2月不同深度地溫變化分析

由于試驗(yàn)時(shí)間太長(zhǎng)，數(shù)據(jù)量大，因此僅以最寒冷的2月前半月測(cè)量數(shù)據(jù)作圖詳細(xì)分析不同深度地溫的變化規(guī)律，按每間隔1 h的溫度數(shù)據(jù)繪制曲線(xiàn)，如圖1所示。

由圖1發(fā)現(xiàn)垂直方向上，地表氣溫受到光照而波動(dòng)巨大，溫度整體集中在夜間段（低溫段），到了地下30 cm處晝夜溫差僅有1℃左右，并且2月上半旬地下30 cm溫度達(dá)到最高值平均在22∶20左右，與日最高溫度平均相位差約7.5 h，此時(shí)地表地溫平均為﹣4℃左右；而深層60 cm及以下深度地溫基本不受晝夜溫度變化影響。從數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)濕地公園土壤具有很強(qiáng)保溫能力。

圖1 2020-02（前半月）不同深度地溫變化圖

2.2 地表氣溫變化分析

由于地表溫差較大，整理01-19—04-30的地表氣溫，按每間隔1 h的溫度數(shù)據(jù)繪制曲線(xiàn)，地表氣溫隨時(shí)間的變化情況如圖2所示。

分析圖2發(fā)現(xiàn)，地表氣溫隨著晝夜交替，晝夜溫差最高超40℃，同時(shí)晝夜溫差變化隨時(shí)間的推移，并沒(méi)有明顯增加的趨勢(shì)。另外，數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)濕地公園在02-25之后地表夜間溫度才能基本維持在0℃以上，地表氣溫對(duì)植物影響巨大，反復(fù)凍融使得植物無(wú)法正常生長(zhǎng)，且對(duì)表層土壤微生物代謝繁殖威脅巨大。而02-25后試驗(yàn)期間，溫度并沒(méi)有上升趨勢(shì)，而且夜間溫度也很低，但基本都維持在0～5℃。

圖2 表層地溫變化圖

2.3 不同深度地下地溫整體規(guī)律探討

建設(shè)濕地公園旨在打造綠色環(huán)境的同時(shí)利用地下生態(tài)環(huán)境，使用功能菌劑和濕地植物對(duì)廢水進(jìn)行生態(tài)凈化，因此環(huán)境溫度成為了影響植物根系和細(xì)菌繁殖的主要因素，全方位了解冬季和春季地下溫度情況對(duì)濕地建設(shè)與運(yùn)營(yíng)管理具有重要的參考意義。試驗(yàn)選取了地下30 cm、60 cm、90 cm和120 cm深度地溫?cái)?shù)據(jù)，按每隔1 h的數(shù)據(jù)分析匯總，結(jié)果如圖3所示。從圖3可知，﹣30 cm和﹣60 cm地溫從實(shí)驗(yàn)開(kāi)始便緩慢上升，日均溫度分別從最初2.97℃、7.83℃逐步上升到13.4℃、12.23℃，日均溫差最大分別為10.43℃、4.42℃，濕地公園地下30 cm以下的土壤全年溫度都維持在0℃之上，確保人工濕地中、下層土壤微生物生長(zhǎng)的氣溫條件，也保證了多年生植物根系的正常代謝；﹣120 cm、﹣90 cm的地溫分別從11.03℃、10.27℃下降到10.72℃、10.14℃后再回升到11.47℃、11.42℃。深層地溫的最低溫延后于淺層地溫是因?yàn)橥饨绲蜏叵虻叵聜鲗?dǎo)需要一定的時(shí)間，地表最低溫與地下120 cm深度最低溫時(shí)間相位差約1個(gè)月，說(shuō)明土壤具有較好的保溫能力。

圖3 不同深度地下地溫變化圖

實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)了每次檢測(cè)數(shù)據(jù)中的歷史最低與最高溫度，各地下層的最低溫、最高溫和溫差如表1所示，從表1可知，隨著地下深度增加，最低地溫在逐漸提高，最低氣溫從﹣30 cm的2.93℃逐步增加到﹣120 cm的10.67℃；實(shí)驗(yàn)期間的溫差則隨著地下深度的增加而減少，溫差從﹣30 cm的11℃逐步減少到0.9℃，說(shuō)明冬季深層地下地溫基本能保持恒定，人工濕地項(xiàng)目中處理輕度污染廢水的功能菌生存環(huán)境條件可控。

表1 實(shí)驗(yàn)期不同深度最高/最低地溫與溫差

3 結(jié)論

本次試驗(yàn)研究了蘭州濕地公園地表與不同深度地下氣溫變化規(guī)律。該地區(qū)研究結(jié)果表明，地表晝夜溫差大且升溫緩慢，溫度主要集中在低溫段，冬季夜間地表氣溫長(zhǎng)期低于0℃；隨著深度增加，最低地溫在逐漸提高，溫差則逐步減少。﹣90 cm及以下區(qū)域地溫能穩(wěn)定維持在10℃以上，確保脫氮除磷等功能微生物的正常生長(zhǎng)繁殖的溫度，這也說(shuō)明蘭州新區(qū)的人工濕地在冬季也具有污水處理能力。

4 討論

本次試驗(yàn)以蘭州新區(qū)秦王川濕地公園為例探究了冬季地溫的規(guī)律，由于采樣地點(diǎn)在水源附近區(qū)域，地溫主要受地下水的影響，因此能最大限度地客觀反映出濕地公園完全建成并通水運(yùn)行后的實(shí)際地下地溫。本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將為高寒地區(qū)人工濕地的建設(shè)與冬季運(yùn)行管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，有助于高寒地區(qū)人工濕地的推廣應(yīng)用。目前人工濕地在城市污水處理廠尾水的深度凈化和小型鄉(xiāng)村污水處理中發(fā)揮了較大的作用，但在高寒地區(qū)普遍擔(dān)心冬季能否正常運(yùn)行。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，冬季，地下60 cm處也基本維持在7.5℃以上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了西北高寒地區(qū)人工濕地仍然能滿(mǎn)足污水處理的基本溫度條件。這將進(jìn)一步促進(jìn)人工濕地在高寒地區(qū)微污染水體處理的應(yīng)用，經(jīng)過(guò)人工濕地處理后的水可以回用于農(nóng)灌用水、景觀用水等，促進(jìn)水體的循環(huán)利用，尤其是西北地區(qū)普遍缺水的情況下，有助于緩解西北地區(qū)的缺水問(wèn)題。

雖然濕地公園的優(yōu)勢(shì)很大，但也有其局限性，由于本次試驗(yàn)地點(diǎn)屬于西北高寒地區(qū)，冬季夜間地表長(zhǎng)期處于凍土狀態(tài)，植物枯萎，雖然深層地下溫度能保持在10℃以上，但依然影響到微生物的代謝速率，因此急需研發(fā)并篩選出更適用于低溫強(qiáng)效的微生物菌劑，添加高效耐低溫微生物工程菌劑才能在冬季依然達(dá)到較好的凈化水源效果。