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强烈水动力扰动下潜流带硝酸盐还原的时空演变规律与控制机理

批准号:
42107099
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
朱永惠
依托单位:
学科分类:
环境水科学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
朱永惠

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
潜流带对河流硝酸盐污染具有天然截留作用,明确潜流带硝酸盐迁移转化机制可为流域水环境管理提供科学依据。水库调节、傍河抽水等人类活动导致潜流带受到频繁强烈的水动力扰动,天然氧化还原分带特征随之改变,为硝酸盐还原与其他氧化还原敏感性元素循环(如铁)的相互作用提供条件。但以往对潜流带硝酸盐还原的研究大多只关注反硝化过程,忽略了水动力扰动和氧化还原带变化对硝酸盐还原路径和热点的影响。本项目结合批实验、15N示踪、柱实验和槽实验、数值模拟等方法,探索水动力模式和介质性质对潜流带氧化还原分带特征的影响规律,识别硝酸盐还原的不同路径和影响因素,建立耦合氧化还原分带信息的硝酸盐迁移转化新模型,揭示强烈水动力条件驱动下硝酸盐还原热点的时空演变规律和控制机理。本研究对于准确量化流域氮循环、维护河流生态系统持续稳定发展具有重要理论意义。
英文摘要
The hyporheic zone has natural interception effect on river nitrate pollution. Figuring out the mechanism of nitrate migration and transformation in the hyporheic zone could provide scientific basis for water environment management. Human activities such as reservoir regulation and river-side pumping lead to frequent and intense hydrodynamic disturbances in the hyporheic zone, and the characteristics of natural redox zones change accordingly, providing conditions for the interaction of nitrate reduction with other redox-sensitive elements cycling (such as iron). Previous studies on nitrate reduction in the hyporheic zone mainly focused on denitrification process, ignoring the influence of hydrodynamic disturbance and redox zone changes on the pathways and hot spots of nitrate reduction. Methods of batch experiment, sand column experiment, sandbox experiment, 15N isotopic tracer and numerical simulation will be applied for the following purpose: (i) exploring the influence of hydrodynamic patterns and aquifer properties on the characteristics of redox zones in hyporheic zone, (ii) identifying different pathways and influencing factors of nitrate reduction, (iii) developing a new numerical model of nitrate transport and transformation coupled with redox zone information, (iv) revealing the spatiotemporal evolution and control mechanism of nitrate reduction hot spots driven by strong hydrodynamic conditions. This study is of great theoretical significance to accurately quantify the nitrogen cycle and maintain the sustainable and stable development of river ecosystem.
潜流带是地表水与地下水混合带,对硝酸盐污染具有天然截留作用。在地表水-地下水交互过程中,潜流带氧化还原环境发生显著变化,对硝酸盐迁移转化产生重要影响。但在频繁水动力扰动下,氧化还原环境如何改变以及如何影响硝酸盐还原路径和热点尚不明确。本项目结合室内实验和数值模拟等方法,首先探索了水动力模式和介质性质对潜流带氧化还原分带特征的影响规律。在动态潜流带中可形成顺序分带和部分逆序分带模式,前者形成在河水中溶解性有机碳(DOC)较低的条件下,此时,水动力扰动可能导致氧气和硝酸盐还原带范围扩大,同时导致固相电子受体还原带消失。当河水DOC浓度增加,潜流带逐渐趋于还原,可以形成部分逆序分带模式。潜流带中还原性粘土透镜体中有机碳的输出也显著影响硝酸盐还原。透镜体中可移动颗粒有机碳(POC)和不可移动POC的比例、以及可移动POC的重力沉降速率和固定速率都会影响含水层内总的固相POC分布,从而决定透镜体可以为微生物提供的DOC的量。透镜体沿着水流方向的轴越长,硝酸盐的去除效率越低;相同体积透镜体,交错排列时硝酸盐的去除效率更高。河水中C/N比是决定硝酸盐转化路径的重要因素。异化硝酸盐还原成铵(DNRA)将硝酸盐转化为氨氮保留在系统中从而限制潜流带对氮素的去除功能。在不同的C/N比下,反硝化与DNRA竞争硝酸盐和有机碳。研究表明,DNRA热点沿着水流路径分布。水流速度越大,DNRA热点离河流-沉积物界面越远。河流C/N比对反硝化与DNRA竞争结果的影响呈现出三阶段的模式。反硝化的硝酸盐去除效率在C/N=3时接近100%。随着C/N比增加,DNRA的贡献逐渐升高,C/N=10时可达80%。高碳氮比条件下忽略DNRA过程将严重高估潜流带的氮素去除能力。本项目研究结果对于准确量化流域氮循环、维护河流生态系统持续稳定发展具有重要理论意义。
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