盐碱地排水沟蓄水后底泥与水体盐分交换试验

因长期累积效果,盐碱地排水沟内盐分含量不断升高,危及排水沟系统的生态功能,利用淡水定期进行稀释可延缓盐分累积过程。该文以陕西富平县卤泊滩盐碱地改良区为例,通过实验室土柱试验,研究了排水沟蓄集淡水、水体保持静态条件下,底泥与上覆水体的盐分交换规律,揭示了底泥盐分释放的内在机理。研究结果表明,在分子扩散作用下底泥-上覆水界面之上10cm的范围内存在一个高盐分渐变区(即扩散边界层),10cm以上的水体盐分基本一致;分子扩散是边界层内盐分运移的主要机制;扩散边界层对底泥盐分释放具有一定的阻滞作用,并且随着边界层厚度的增加,阻滞效应也显著增强;底泥盐分释放通量符合负的幂指数形式。     

盐碱化改良区农田排水沟水体与底泥界面微环境特征分析

深入探究农田排水沟水体与底泥界面微环境对界面间物质交换和迁移转化具有重要意义,为了明确不同水力联系的排水沟界面微环境特征,该研究利用微电极测量系统对陕西卤泊滩盐碱化改良区和盐荒地2种水力条件差异较大的排水沟水体与底泥界面微环境进行了研究。结果表明:改良区与盐荒地排水沟水体水质指标和底泥含水率、有机质、硫酸盐含量等方面均存在不同程度的差异,底泥含水率自表层向下逐渐减小;改良区与盐荒地底泥氧气最大渗透深度分别为10.2和2.6 mm,扩散边界层厚度分别为0.4~0.8 mm和0.2~0.4 mm;改良区排水沟底泥硫化氢浓度小于10μmol/L,而盐荒地高至178μmol/L。研究结果可为研究区及类似地区利用排水沟渠湿地控制和治理农业面源污染、改善农田生态环境提供参考。     

蓄水条件下盐碱土中盐分空间变化特征

根据陕西卤泊滩地区盐碱地整治工程,修建模拟装置,通过测定土体中盐分含量的空间变化,研究蓄水条件下土壤盐分的运移特征,为当地盐碱地治理提供理论支撑。结果表明,盐碱土土体一侧蓄水后,土体中的盐分顺着盐分梯度向水体中弥散,水体中的含盐量变化呈现由低到高的趋势,最终与土体间达到动态平衡;在土体垂直方向上,0~60 cm土体盐分减少,盐分含量主要集中在距地表100 cm左右处;在水平方向上,水体对于土体的作用范围为9 m,除此以外土体盐分含量变化不大。说明在试验该模型下,蓄水条件对距其一定范围内的盐碱土体具有改善效果。     

模拟池塘底泥无机磷形态与上覆水体可溶性活性磷含量的关系及其控制

取两个池塘底泥和上覆水进行室内模拟水体小环境试验,设对照组及5个处理组,进行4个月培养,采用连续分组法测定底泥中无机磷形态及其含量,分析底泥潜在无机磷变化及其与上覆水体可溶性活性磷（DRP）含量的关系。结果表明,池塘底泥中无机磷各形态含量依次为钙10结合磷（Ca10-P）〉闭蓄态磷（O-P）〉铝结合磷（Al-P）〉铁结合磷（Fe-P）〉钙8结合磷（Ca8-P）〉钙2结合磷（Ca2-P）;4个月后两池塘底泥中的Ca2-P和Fe-P增加,Ca10-P、O-P、Al-P减少;上覆水体中DRP含量与O-P、Ca2-P、Ca8-P和Ca10-P之间呈显著正相关;底泥中无机磷各形态对上覆水体中DRP含量的直接影响大小依次为O-P〉Ca8-P〉Ca2-P〉Ca10-P〉Fe-P〉Al-P;5个处理组上覆水体中DRP含量都低于对照组;沸石与芽孢杆菌组合处理的上覆水体中DRP含量最低,表明采用沸石与芽孢杆菌组合进行底泥处理是控制上覆水中DRP含量的有效方法。     

反渗条件下排水沟与农田水盐交换关系

因干旱和半干旱下游灌区地势较低,排水出路不畅,排水系统往往成为承泄区外来水(上游灌溉退水和排水)的蓄水场所,使排水沟水位高于农田地下水位,反渗补给农田地下水,作物利用部分排水以后,如何维持农田良性的水盐平衡成为下游灌区一个迫切需要解决的科学问题。该文基于农田水盐平衡原理,以陕西一半干旱区下游灌区为例,在实测资料的基础上,首先利用田间水文模型DRAINMOD模拟了排水沟蓄水条件下,农田水位变化情况,然后计算分析了农田与排水沟的水盐交换关系。结果表明:在一个完整的种植年内单位长度排水沟上累计承接区外来水量为9.3 m3,减去流出水量,累计蓄积区外来水量为5.5 m3,农田单位面积上反渗累计补给田间地下水量为49.2 mm;累计农田排水量仅为2.3 mm。与作物蒸散发相比,现状条件下补给量虽然较小,但对维持和补给农田地下水起到了一定的作用。所产生的补给作用虽然增加了排水沟内盐分向田间地下水中的运动,但作物利用地下水过程中根区没有出现严重的盐分累积,对田间地下水盐分浓度影响也不大。所以,通过合理调控措施,充分利用区外来水,可以提高水资源利用效率。但排水系统长期运行条件下,高水位对农田水盐平衡的影响尚需进一步研究。     

襄阳护城河水体中溶解氧含量研究

研究了襄阳护城河水体中溶解氧的日变化特征,分析了襄阳护城河水体中影响溶解氧含量的因素。结果表明:襄阳护城河水中溶解氧含量的日变化特征是溶解氧的含量随光照强度的增加而逐渐上升;襄阳护城河水中消耗溶解氧的因素包括水生生物呼吸耗氧、有机物降解耗氧和底泥耗氧,其中底泥耗氧是水中溶解氧消耗的主要因素,占水体中溶解氧消耗的80%以上;护城河水体中溶解氧的增加因素包括空气表面复氧、水生植物和藻类的光合放氧,其中藻类光合放氧是水中溶解氧的主要来源,是表面复氧的10倍以上。试验结果对于水体中溶解氧的理论研究、水产养殖、水体的自净作用和护城河水的净化措施具有一定的价值。     

膜下滴灌条件下灌水水质和流量对土壤盐分分布影响的田间试验研究

膜下滴灌是一种既节水,又能抑制土壤盐分上移的灌水技术。该文着重研究在田间条件下,滴头流量、灌水量和灌水水质对微咸水点源入渗水盐运移的影响。研究结果表明,在充分供水条件下,水平湿润锋和积水锋面随时间的推进符合幂函数关系;滴头流量越小,沿土壤深度方向上的盐分含量越小;滴头流量越大,水平方向含盐量随距离增加的趋势越不明显;灌水量是微咸水灌溉条件下控制盐分累积的一个重要因素,灌水量不足,没有足够的入渗水量以确保盐分的淋洗;灌水矿化度的升高会显著增加土壤表层的含盐量。     

芜湖市镜湖底泥TN、TP、重金属污染及其对上覆水体的影响

采集镜湖底泥及水样,研究底泥中重金属的污染现状,分析底泥TN、TP重金属与上覆水体相同成分的相关性,结果表明：（1）镜湖底泥TN、TP与水体TN、TP含量呈有著相关性,底泥N？P释放再悬浮是镜湖水体TN、TP来源之一。（2）镜湖除Cd严重超标外,Cu？Zn？Pb含量都很低;Cd（n）与Cd（w）有较好的负相关性,Cu（n）与Cu（w）？Zn（n）与Zn（w）？Pb（n）与Pb（w）相关性差。本研究为有关部门治理和管理镜湖提供理论依据。     

排水沟渠水-底泥-植物协同作用下非点源溶质氮运移模拟研究

沟渠系统"过程拦截"是现阶段农业非点源污染控制和管理的重要手段。针对当前农田排水沟渠水体-底泥-植物系统内各介质间非点源溶质迁移转化机制不清的现状,在简要分析农田排水沟渠水-底泥-植物复合生态结构及其各组分功能特征的基础上,以沟渠中水体为中心,解析了非点源溶质氮在沟渠系统单一介质以及不同介质间的迁移转化过程;考虑到排水沟渠中水体和污染物均以沿沟渠方向线性迁移为主,应用水流连续方程和非保守性污染物迁移扩散方程,构建了农田排水及其中非点源污染物在排水沟渠中的一维迁移模型,并结合试验沟渠具体情况进行了适度简化;通过内业可控性监测试验,同时提出了沟渠系统水-底泥-植物不同介质对水体中非点源污染物衰减程度影响的量化计算方法;将所建模型与计算参数应用于野外试验沟渠,以氨态氮和硝酸盐氮为例进行模拟,结果表明模拟结果与实测值结合较好,其中氨态氮模拟效率系数为0.87,硝态氮模拟效率系数0.93,表明所建模型及模拟手段符合试验沟渠实际情况,具有较好的适用性。     

不同处理池塘底泥有机磷组分及其对水体有效磷的贡献

取养殖池塘的底泥和上覆水体于室内模拟水体小环境,设计:添加沸石、酶抑制剂、微生物、沸石与酶抑制剂组合、沸石与微生物组合五种处理与对照组进行5个月培养,分析培养前后底泥中有机态磷组分、有效磷及上覆水体有效磷含量。试验结果表明,两个养殖池塘底泥中有机磷各组分含量依次为MLOPMROPHROPLOP,MLOP、LOP含量经过微生物和对照处理之后的减少量最大,而酶抑制剂处理减少最少,MROP含量微生物及与沸石组合处理增加,其余均有所下降,HROP含量所有处理中几乎不变;两池塘底泥对上覆水有效磷的贡献具有相同的规律,MLOP的贡献率最大,其次为LOP,MROP居于第三,HROP没有贡献;底泥中和上覆水体中的有效磷与LOP和MLOP之间呈显著正相关,与MROP和HROP之间相关不显著。底泥中各组有机磷对底泥中和上覆水体中有效磷的直接通径系数大小为MLOPLOPHROPMROP。     

河套灌区沟渠表层沉积物对磷的吸附

为了解北方干旱灌区沟渠沉积物在磷的迁移转化中的作用,该文以河套灌区解放闸灌域总干渠、黄济干渠、总排干和二排干为研究对象,分别在上、中、下3个位点采集上覆水和沉积物,测定水样溶解性磷和总磷含量,对沉积物磷的形态进行分析,选择部分沉积物进行吸附动力学试验和等温吸附试验。结果表明,总干渠、黄济干渠和总排干、二排干水体磷含量相近,沉积物各形态的磷含量一般为钙结合态磷＞残渣磷＞闭蓄态磷＞铝结合态磷＞弱结合态磷＞铁结合态磷,弱结合态磷、铁结合态磷和铝结合态磷高活性磷含量低且显著正相关。研究表明,沟渠对河套灌区磷输出有削减作用,且沟渠沉积物磷释放风险高,总排干、二排干沉积物较总干渠、黄济干渠沉积物磷吸附容量大。     

排水沟塘分布特性及与农田水力联系对水质净化能力的影响

湿地是一种能够有效治理农业非点源污染的生态设施;在一些无法建设人工湿地的地区,现存的排水沟塘系统具有类似湿地的水质净化效果。为研究排水沟塘的分布以及其与农田水力联系对其水质净化能力的影响,该文以扬州市江都区昭关灌区为例,首先通过实地调查,明确研究区不同形式沟塘的分布规律,确定沟塘与农田逐级详细水力联系,然后建立理论分析模型,分别计算考虑与不考虑水力联系2种情况下,沟塘的污染物去除能力。结果表明,考虑水力联系后,污染物去除能力为不考虑水力联系的70%~84%;水质净化作用主要集中在一些面积较大的支沟和池塘。从农田排水的角度考虑,尺寸较大沟塘会出现一定的水力冗余,但是从水质改善的角度看,则有必要保留。研究区可通过较为简单的工程措施来优化水力联系,提高其污染物的去除能力。     

华北低平原农田排水沟平填及洪涝灾害风险分析

近20 a来,华北平原普遍出现平填农田排水沟现象。为分析排水沟平填状况及平填后洪涝灾害的发生风险,该研究基于土地利用调查数据库,以地处华北低平原的河北沧县为例,运用Arc GIS10.2分析1992-2010年间沧县排水沟面积变化情况,采用实地调查法来验证和分析排水沟平填现象,并从降水量、地下水位、土壤水、上游来水等方面对排水沟平填后可能发生的洪涝灾害风险进行分析。研究结果表明:1992-2010年间,排水沟面积减少了37.73%,其中农田末级排水沟平填最为严重,排水体系贯通性下降;通过水文要素分析得出沧县地区洪涝灾害的发生风险有所降低,平填末级排水沟对洪涝灾害的发生影响不大。基于此,该文认为华北平原的不同区域,应根据所处地形地势、地下水位、土壤状况来重新设计排水体系,通过土地整治,使其既能增加耕地面积,又不致引发洪涝灾害。该研究结果可为土地整治规划及农田基础设施建设提供参考。     

沟渠及塘堰湿地系统对稻田氮磷污染的去除试验

为研究原位状态下灌区沟渠及塘堰湿地系统对稻田氮磷污染的去除效应和规律,在湖北省漳河灌区选取农沟-斗沟尺度的3段典型排水沟渠和一处塘堰,分别于2009-2010年5—9月水稻生育期在沟渠和塘堰进出水口采集水样进行氮磷浓度化验分析。结果表明,灌区农沟-斗沟尺度典型排水沟渠对总氮、硝态氮、铵态氮、总磷整体去除率分别为44．6％、9．9％、37．3％、35．1％;塘堰对总氮、硝态氮、铵态氮、总磷的平均去除率分别为15．2％、15．6％、30．2％、-6．5％。典型沟渠和塘堰对氮磷污染的去除表现出一定的抗冲击自修复性。原位条件下,由于排水沟中水力停留时间都不长,使得种植不同植被的沟段之间对氮磷的去除效应差异性不明显。塘堰湿地系统中植被的选育及其管理对去除稻田排水氮磷污染具有重要意义。     

宁夏引黄灌区农田排水沟渠水生植物物种多样性

为探索宁夏引黄灌区农田排水沟水生植物物种组成和多样性,采用样方调查法在灌区农田选取典型支沟、斗沟和农沟,并在每条沟渠布设上、中、下游断面,断面上设置样方大小进行退水沟渠水生植物物种种类、数量、多度、盖度调查。结果表明：宁夏引黄灌区排水沟水生植物由11个科,13个属,20个种组成,其中,芦苇、蔗草、水莎草、香蒲、龙须眼子菜和浮叶眼子菜是分布较广的优势种。群落垂直分层明显,但以芦苇及其伴生种组成的挺水群落多见。灌区农田排水沟各层次植物种类分布和多样性指数差异较大,表现为农沟〉斗沟〉支沟。水位和流速是影响沟渠水生植物形态及分布的主要因素。农沟中水流速度较慢,生长环境稳定,有利于多种植物的繁殖,为科学合理布局优势物种富集农田排水中的养分,以达到控制农田非点源污染目的提供了可能。     

长期深窄沟排渍对冷浸田地下水位、土壤化学特性及水稻籽粒品质的影响

以福建省顺昌县持续运行约30年的石砌深窄沟为平台,连续3年监测长期深窄沟排渍对冷浸田地下水位、土壤化学特性及水稻籽粒品质的影响。结果表明,距沟75 m(CK)、25 m、15 m、5 m的冷浸田的土壤类型逐渐呈现由深脚烂泥田→浅脚烂泥田→青泥田→青底灰泥田的方向演变。距沟75 m、25 m、15 m、5 m位点的常年平均地下水位分别为5.0 cm、8.3 cm、-5.4 cm、-16.7 cm,其中距沟5 m位点地下水位常年变幅为-62~13 cm,变幅最大。距沟越近,耕层土壤还原性物质则越低,而碱解氮、速效磷与速效钾则越高,其中距沟5 m的还原性物质总量较CK平均降低62.6%,而碱解氮、速效磷和速效钾平均分别增加40.7%、38.8%和184.5%。距沟5 m、15 m与25 m位点的水稻籽粒氨基酸含量均显著高于CK。籽粒氨基酸含量与土壤还原性物质呈显著负相关,而与土壤碱解氮、速效磷等显著正相关,籽粒淀粉含量也与土壤活性还原性物质呈显著负相关。长期深窄沟排水改善了土壤理化性状,提高了籽粒氨基酸品质。石砌深窄沟对15 m以内的土壤脱潜效果明显。     

Evidence for the Use of Low-Grade Weirs in Drainage Ditches to Improve Nutrient Reductions from Agriculture

Typical controlled drainage structures in drainage ditches provide drainage management strategies for isolated temporal periods. Innovative, low-grade weirs are anticipated to provide hydraulic control on an annual basis, as well as be installed at multiple sites within the drainage ditch for improved spatial biogeochemical transformations. This study provides evidence toward the capacity of low-grade weirs for nutrient reductions, when compared to the typical controlled drainage structure of a slotted riser treatment. Three ditches with weirs were compared against three ditches with slotted risers, and two control ditches for hydraulic residence time (HRT) and nutrient reductions. There were no differences in water volume or HRT between weired and riser systems. Nutrient concentrations significantly decreased from inflow to outflow in both controlled drainage strategies, but there were few statistical differences in N and P concentration reductions between controlled drainage treatments. Similarly, there were significant declines in N and P loads, but no statistical differences in median N and P outflow loads between weir (W) and riser (R) ditches for dissolved inorganic phosphate (W, 92%; R, 94%), total inorganic phosphate (W, 86%; R, 88%), nitrate-N (W, 98%; R, 96%), and ammonium (W, 67%; R, 85%) when nutrients were introduced as runoff events. These results indicate the importance of HRT in improving nutrient reductions. Low-grade weirs should operate as important drainage control structures in reducing nutrient loads to downstream receiving systems if the hydraulic residence time of the system is significantly increased with multiple weirs, as a result of ditch length and slope.