池塘水力停留時間和氮素分層滯留能力分析

文雯，張名瑤，鐘泳林，高繡紡，呂明權*，吳勝軍

（1.長江大學，武漢 430000；2.中國科學院重慶綠色智能技術研究院，重慶 400714）

以池塘為代表的小型水體是內陸水體的重要組成部分，我國的小型水體（0.1～10 hm2）數量約510萬個，占所有內陸水體（不包括河流）數量的98.65%，占內陸水體面積的17.85%[1]，在全國各地分布較廣，集中分布在地勢低平、氣候濕潤、降水豐沛、地下水和地表水豐富的大江大河中上游以及天然濕地集中的周邊區域，其中，川渝地區、長江流域中下游是中國塘庫分布最為集中的地區。小型水體相比于大型水體具有更強的生物地球化學過程[2-3]，且這些水體常分布于耕地和居住區周圍，具有攔截農業面源污染的重要作用。研究表明，小型水體對水中營養鹽的去除效果顯著[4-7]，尤其是對氮素的去除。在降雨產流時，池塘能夠減緩徑流流速，攔截懸浮物中攜帶的養分，在微生物的作用下經由再礦化、硝化、反硝化及厭氧氨氧化等過程對氮素進行轉化，進而降低水中氮的濃度。反硝化和厭氧氨氧化是脫氮過程中較為重要的兩個環節，能夠極大降低水環境中的活性氮，緩解水體富營養化，促進水質進化[8-9]。

目前，關于池塘對流域氮素攔截削減的貢獻研究較多[3，10-11]，大多數研究都把池塘當作黑箱處理，針對整個池塘進行研究，根據對池塘進出口處以及底泥的變化，分析池塘的攔截率，對比說明池塘內部發生的系列轉化，但并未清楚地揭示池塘內部在不同深度下發生的反應[12-14]。現有研究證明，水力負荷、水力停留時間及水深直接影響塘庫的微生境和氧含量分布，進而影響氮的硝化、反硝化等過程，影響塘庫對徑流污染物的截留、緩沖和存儲[15-16]。在塘庫不同深度的上覆水中，微生物、含氧量以及顆粒物濃度均不同，顆粒物的含量對微生物的數量及生長發育都具有促進作用，從而促進氮的轉化[17-18]。總之，現有的研究簡化了池塘徑流攔截過程，難以深入剖析小水體對氮素的滯留能力和氮素輸移的精確模擬。

本研究以重慶市北碚區碑灣流域一池塘為例，通過模擬徑流和氮素脈沖添加試驗，對池塘出口和上覆水進行分層觀測取樣，利用水力停留時間分布（residence time distribution，RTD）和TASCC（tracer additions for spiraling curve characterization）方法，分析每一層的水力滯留及氮營養鹽滯留情況，為后續塘庫在不同深度下進行氮的反硝化研究奠定基礎，同時為小型水體物質輸移模型的開發提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗塘位于重慶市北碚區碑灣流域（106.607°E，29.947°N），見圖1a，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年均溫度16～18℃，年均濕度70%～80%，年均降水量1 000～1 350 mm，四季分明，空氣濕潤，多霧少霜。試驗塘平均水深1.26 m，水面平均寬度20 m，底部為凹槽狀，底泥厚度約0.52 m，面積約835 m2，有效容積約1 052 m3（圖1b）。試驗塘塘內未進行魚類養殖，其上方是一口較大的池塘，可為試驗塘提供來水，周圍為農業用地，多種植蔬菜、水稻等作物，有分散的居民住宅，未建有工廠、小作坊等，塘周交通方便，便于實驗設備運輸以及水樣采集。塘邊長有植物，但大多未接觸水面，塘中未分布水生植物。該試驗塘大小深淺適中，四周種植情況符合該流域大多數池塘種植情況，具有代表性，且無其他化工污染，交通便利，有來水供應，利于試驗進行，因此選擇此池塘進行野外試驗。

圖1 試驗點碑灣流域地形（a）及試驗塘影像（b）Figure 1 Topography of Bei Wan watershed（a）and image of the test pond（b）

試驗塘冬季水溫5℃，水體背景濃度TN為1.22 mg·L-1，為0.18 mg·L-1，幾乎為0，電導率為422 μS·cm-1，Cl-為1.23 mg·L-1，底泥背景濃度TN為2.81 g·kg-1，為0.28 mg·kg-1，NH+4-N為7.40 mg·kg-1。

1.2 試驗方案

在所選定的試驗塘，以NaCl作為保守型示蹤劑，KNO3作為添加營養鹽，采用瞬時投加示蹤劑的方式，進行現場示蹤試驗，試驗時間為2021年12月。從試驗塘的上塘出口放水，記錄其起始水位線，待試驗結束關閉上塘的出水口后記錄結束水位線。待水流穩定后，利用試驗塘的水將NaCl（使試驗塘里面水中NaCl濃度升高5 mg·L-1，加入6.5 kg NaCl）和KNO3（使試驗塘里面水中KNO3濃度升高6 mg·L-1，加入7.8 kg KNO3）混合均勻，在試驗塘的入水口處瞬時投放，投放時間控制在15 s內。在投加藥品前采集上塘出口處、試驗塘進出口以及每一層的背景水樣，測定其電導率、Cl-、NH+4-N、NO-3-N以及TN的背景濃度。

在距離試驗塘進水口2/3處的中間位置（圖2a，此處為該試驗塘水最深的地方）布置分層采樣裝置，該采樣裝置分設四層，如圖2b所示，分別為A（最底層）、B、C、D。每隔15 min采集試驗塘出口處E的水樣，以及用抽水泵抽取每層的水樣，水樣用塑料瓶（500 mL）保存。采樣時間間隔根據情況進行調整，保證每層時間間隔一致。采用MGG/KL-DCB便攜式流速儀測定每層的流速，在試驗進行的前、中、后期測量每一層的流速，結果取三次測量值的平均值。

圖2 試驗裝置安裝位置（a）及試驗塘分層情況剖面圖（b）Figure 2 Installation position of experimental device（a）and sectional view of stratification of test pond（b）

為獲得較為完整的示蹤劑濃度穿透曲線，采用現場測定Cl-和實驗室測定營養鹽濃度的試驗方案。在野外，采用多參數水質分析儀測定電導率。在實驗室，每個樣品原液的一部分用氯離子測定儀測定Cl-濃度，一部分用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法（GB11894—1989）測定TN；另一部分水樣經過濾膜抽濾后用于測定的濃度，分別以靛酚藍比色法[19]和紫外分光光度法（HJ/T 346—2007）測定。

1.3 模型與方法

1.3.1 水力滯留

（1）數據標準化方法

在脈沖示蹤試驗中，由得到的瞬時電導率轉換成NaCl濃度，其濃度變化曲線相當于停留時間的分布密度圖（簡稱RTD曲線），數據標準化公式為[20]：

式中：N（t）為標準化停留時間分布密度，h-1；E（t）為t時刻出水口處瞬時電導率，S·m-1；EW為進水口處電導率（背景值），S·m-1；MNaCl為氯化鈉摩爾質量，g·mol-1，取MNaCl=58.5 g·mol-1；λ1為鈉離子摩爾電導率，S·m2·mol-1，取λ1=5.01×10-3S·m2·mol-1；λ2為氯離子摩爾電導率，S·m2·mol-1，取λ2=7.63×10-3S·m2·mol-1；Q為進水流量，m3·h-1；m為示蹤劑加入總量，g。

（2）水力停留時間

理想條件下，水流流經池塘時，其各個水流質點往往都具有相同的停留時間，為表觀停留時間tn（h），表達式為：

式中：V為池塘體積，m3；Q為進水流量，m3·h-1。

實際情況下，水流會以不同的路徑流經池塘，在同一時刻進入池塘的水會有不同的停留時間，其平均停留時間tm（h），表達式為：

1.3.2 營養鹽滯留

養分螺旋指標是對小流域養分滯留評估的重要技術手段，是表征小河流水系統養分吸收和傳輸的重要生態過程。TASCC方法是基于養分螺旋原理的主要計算方法，為了使養分螺旋指標展現出動態變化過程，該方法通過向小型水體瞬時投加一定量的添加營養鹽，從而來營造一個貫穿背景濃度值至飽和狀態的濃度變化范圍。目前，TASCC方法廣泛應用于溶解性磷酸鹽、硝態氮及銨態氮和吸收動力學模擬[21]。

（1）添加硝態氮動態螺旋指標

式中：Sw-add-dyn為添加動態吸收長度，m；kw-add-dyn為動態綜合衰減系數，m-1；Vf-add-dyn為動態吸收速度，m·s-1；Q為流量，m3·s-1；W為水面寬度，m；Uadd-dyn為動態吸收速率，g·m-2·s-1為動態濃度，mg·L-1[22]。

（2）硝態氮背景螺旋指標

以實測濃度與保守性濃度幾何均值來表征集成背景濃度和添加營養鹽總動態濃度（mg·L-1），表達式為：

根據示蹤試驗獲得各樣本動態吸收長度Sw-add-dyn為縱坐標，其對應的計算值為橫坐標，采用線性回歸分析，確定背景濃度對應的吸收長度Sw-amb[23]。繼續計算相應的吸收速率和吸收速度，表達式分別為：

式中：Uamb為背景濃度吸收速率，g·m-2·s-1；Vf-amb為背景濃度吸收速度，m·s-1。

（3）硝態氮總動態螺旋指標

綜合考慮背景濃度和添加濃度影響之后，NO-3-N總動態螺旋指標表達式為：

式中：Utot-dyn為總動態面積吸收速率，g·m-2·s-1；Vf-tot-dyn為動態吸收速度，m·s-1[21]。

2 結果與討論

2.1 水力滯留分析

試驗塘不同深度的停留時間分布密度（RTD）曲線如圖3所示，除了A層的曲線形狀較為符合正態分布，其他幾層的曲線上下波動幅度大，甚至出現幾個峰值，因此無法使用本研究的評價參數對水力停留時間及特征進行各層的對比分析。由于采樣時間間隔過大，未能捕捉到明顯的峰值，無法擬合較好的數據曲線，因而也不適用于肖海文的PFD+CSTRs模型[24-25]、WERNER等[26]的ZDM模型等，以及其他水力特性評價方法[20，27-29]來對滯留時間和特征進行具體計算和分析。在此結合電導率和Cl-濃度對每層及出口處進行分析來闡述各水力滯留的基本情況。

從圖4、圖5可以看出，試驗塘不同深度的變化情況，除了A層的電導率和Cl-濃度變化明顯，其次為B層的電導率稍有增加，其他兩層以及出口處電導率和Cl-濃度的變化幅度較小。A、B、C、D層上下小范圍波動，可能是在采樣過程中，抽水泵在抽取底層水樣時，將沉底的粒子攪動，引起各層的波動。A層的電導率以及Cl-濃度上升幅度大且出現峰值，B、C、D、E層均未出現峰值，存在三種可能，一是取樣時間間隔太長，未取到B、C、D、E層峰值時的水樣，B、C、D、E層比A層的峰值出現得早[30]；二是取樣時間太短，B、C、D、E層的峰值還未出現就被迫中止采樣，B、C、D、E層比A層的峰值出現晚[16]；三是氮素營養鹽可能容易沉積在底層，上層流經的水里攜帶的溶質少，導致粒子濃度變化小，B、C、D、E層則不會出現明顯峰值[31]。具體結果還需進一步試驗研究。

圖4 試驗塘各層及出口處電導率及氯離子濃度變化情況Figure 4 Changes of conductivity and Cl-concentrations in each layer and outlet of the test pond

圖5 試驗塘B、C、D層及出口處電導率及氯離子濃度變化情況Figure 5 Changes of conductivity and Cl-concentrations of layer B，C，D and outlet of the test pond

2.2 營養鹽濃度分析

從圖6、圖7中試驗塘不同深度的NO-3-N和TN的濃度變化可知（試驗塘NH+4-N含量檢測結果極少，幾乎為零，因此不對其進行分析），與電導率和氯離子濃度變化情況相同，只有A層的變化明顯，其次為B層，C、D、E層在擾動的情況下出現輕微波動。A、B層的電導率、Cl-、NO-3-N和TN濃度變化明顯，而上層C、D層及出口處E各項均無明顯變化，數值與背景值相差很小。試驗塘底層的營養鹽濃度顯著高于上層濃度，且底層濃度居高不下，表明投入試驗塘的大部分氮營養鹽從底層流過，并聚積在塘底，而上層只有水流流過，攜帶的營養鹽非常少。現有的研究表明，水體的去氮區域，集中在底泥和上覆水的交界處，此處微生物活性最強[8，32]，底層氮營養鹽濃度高，氮素聚集多，便于后續池塘對氮素的去除。

圖6 試驗塘各層及出口處硝態氮、總氮濃度變化情況Figure 6 Changes of NO-3-N and TN concentrations in each layer and outlet of the test pond

圖7 試驗塘B、C、D層及出口處硝態氮及總氮濃度變化情況Figure 7 Changes of NO-3-N and TN concentrations in B，C，D and outlet of the test pond

對渤海的研究表明[33-35]，當陸地雨水豐沛，入海的徑流量大時，攜帶著大量入海的水流，在上覆水與沉積物之間的間隙水存在一定濃度梯度的情況下，則優先向沉積物轉移。經研究發現，與沉積物的含水率呈正相關，說明河床底泥中的大多數從上覆水沉積而來，而不是來自沉積物本身或是由銨態氮轉化而成[36]。呂曉霞等[31，37]研究發現，大多數聚積在河床底泥表層的沉積物中并發生還原反應。以上的研究都是針對大型水體來說明氮素營養鹽在河床沉積物中的聚積，而本研究的結果與前面研究結果相一致，這表明在小型水體中，當進入池塘的水體攜帶的氮營養鹽濃度大于池塘本身的氮濃度情況下易向沉積物沉積并聚集在塘底，在降雨時，雨水沖刷周圍農田，攜帶氮素進入到池塘中并大量聚集在塘底發生硝化和反硝化等作用，部分氮素從出口處直接流走。池塘能夠攔截大量氮素并將其進行轉化，凈化水質，減少農業非點源氮素污染[1，10]。

2.3 營養鹽滯留情況分析

圖8 試驗塘A、B、C層、Cl-濃度∶Cl-比值隨時間的序列及示蹤劑混合情況Figure 8 Sequence of concentrations and ratio over time and tracer mixing in three layers of pond A，B and C

以Sw-abb-dyn為y軸，以為x軸進行線性擬合，A、B、C層的擬合結果如圖9所示，所有結果均在95%的置信區間。這三層的擬合效果較好，將擬合的曲線延伸至縱坐標軸，與之相交得到的截距即為背景濃度對應的吸收長度Sw-amb。

圖9 試驗塘A、B、C層擬合關系曲線Figure 8 Sw-add-dyn- fitting curve of A，B and C layers in the test pond

數據結果顯示，對比Sw-amb值：A層＜B層＜C層，對比Vf-amb、Uamb值，A層＞B層＞C層，表明池塘底層的營養鹽滯留能力強于上層。由對營養鹽滯留的影響因素研究結果可知[21，38-39]，水流流速及研究區的地貌特征都是養分滯留的重要影響因素，流速與滯留能力強弱呈負相關，地貌特征與養分滯留能力強弱顯著相關。A、B、C層和D層的流速分別為0.072、0.075、0.090 m·s-1和0.150 m·s-1。從該試驗塘的地貌特征來看，其底部為一個凹槽，A層為試驗塘的最底層，靠近凹槽，水流速度較于其他層來說相對緩慢，水面寬度大，有利于營養鹽沉積，因而A層的營養鹽滯留能力好。試驗塘上層距離凹槽較遠，且流速相對較快，繼而上層營養鹽的滯留能力要弱于底層。

WU等[32]、ZHANG等[40]對沉積物研究發現，滯留在底層沉積物中的氮素，一部分為暫時性滯留，能夠通過再懸浮和礦化作用重新釋放到上覆水體，另一部分滯留在沉積物中。夏星輝等[18]、李素珍等[41]對懸浮泥沙研究表明，氮素從沉積物擴散進入上覆水，在懸浮泥沙作用下發生強烈的硝化反硝化等作用。結合本試驗結果分析，各層的Uamb（NO-3-N背景濃度吸收速率）為2.50～9.13 μg·m-2·s-1，Vf-amb（NO-3-N背景濃度吸收速度）為0.12～0.40 m·s-1，在試驗塘上覆水中對硝態氮進行吸收轉化。池塘等小型水體，氮素進入水體后，大部分滯留在底層，上層的滯留能力弱，因而在上覆水中發生氮轉化的氮素主要來源于沉積物中滯留的氮素，上覆水-沉積物不斷交換氮素，對氮素進行轉化，以達到凈化水質的目的。

本研究最小的Sw-amb值為56.135 m，而試驗塘長約40 m，表明該試驗塘不能將硝態氮在塘里完全截留凈化。提高池塘等小型水體的凈化能力，可實施的有效措施有：在來水匯入前，合理設置前置庫或攔截箱系統來去除沖刷沉積物，或利用排水溝渠對來水進行預先的調蓄凈化，減緩池塘淤積，降低池塘入流中的氮濃度，提高池塘凈化效率[42-44]；適當種植水生植物，水生植物不但能利用其根系促進底泥的硝化反硝化作用，同時通過自身的吸收作用從水層和底泥中吸收氮，從而促進氮的截留凈化，減少池塘底泥中的氮濃度[45-46]。

3 結論

（1）試驗塘底層的營養鹽濃度顯著高于上層，塘底的營養鹽滯留能力強于上層。對于池塘等小型水體，氮素進入水體后，大部分沉積并滯留在底層，滯留在底層的氮素一部分在沉積物中進行氮轉化，一部分進入上覆水中發生硝化反硝化等作用。小型水體能夠攔截滯留大量氮素，在上覆水-沉積物中交換并轉化，降低水體中的氮濃度，減少對周圍水環境的污染。

（2）在背景濃度條件下，試驗塘NO-3-N背景濃度的吸收長度低于試驗塘的長度，該試驗塘的NO-3-N滯留凈化能力相對較差。對于不能完全截留凈化污染物的小型水體，可采取設置排水溝、前置庫或攔截箱系統，種植水生植物，優化自身結構設計等措施來提高凈化能力。池塘等小型水體的槽道地貌特征影響營養鹽攔截滯留，凹槽有利于營養鹽的滯留，越靠近底層水流流速越慢，離凹槽越近其滯留能力越強，日后塘庫設計時，可適當增加底層的凹槽面積來提高小型水體截留凈化能力。