隨著人類工農(nóng)業(yè)活動的增強,地表水體中氮污染不斷加劇。在天然環(huán)境中,河床表面常由一系列起伏的微地形組成,床面局部形態(tài)驅(qū)動河流攜帶溶質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì)和污染物等進入潛流帶,在微生物的介導(dǎo)下發(fā)生一系列生物地球化學(xué)反應(yīng)后排泄到河水中。微生物依賴營養(yǎng)物質(zhì)生長繁殖,聚集形成的菌落并分泌的胞外聚合物堆積在沉積物中,使河床滲透性降低,造成堵塞,影響甚或改變水流與溶質(zhì)(氮素)的潛流交換過程。研究生物堵塞作用對氮素遷移轉(zhuǎn)化的影響,對于更深入的了解潛流帶氮循環(huán)過程,以及河流流域氮污染的防治和治理具有重要意義。室內(nèi)水槽實驗以及野外采樣監(jiān)測都難以捕捉到生物堵塞的過程,數(shù)值模擬可視化的結(jié)果能清晰的展示潛流帶生物地球化學(xué)環(huán)境的分布和變化,因此本文采用數(shù)值模擬方法。利用ANSYS Fluent軟件,模擬床面微地形情況下河水的流體動力學(xué)過程,獲取床面水頭分布并作為地下水流模型的上邊界。運用COMSOL Multiphysics軟件建立飽和地下水流與溶質(zhì)運移-微生物生長耦合模型,模擬二維沙波驅(qū)動氮素潛流交換過程以及生物堵塞現(xiàn)象。并進一步探究有機碳含量、河流流速、床面形態(tài)以及河流-地下水補排關(guān)系對生物堵塞作用和氮循環(huán)的影響,主要研究結(jié)果如下:1.潛流帶內(nèi)生物堵塞作用對氮遷移轉(zhuǎn)化的影響微生物生長繁殖造成的河床於堵,沙丘迎水面沉積物孔隙度由0.3降低到0.22左右;潛流帶中形成氧化還原環(huán)境分層,沙丘淺部迎水面呈氧化環(huán)境,背水面及深部偏還原環(huán)境;生物堵塞限制了NO_3~-的運移深度,銨氮成為潛流帶中氮素主要形式。2.生物堵塞作用對硝態(tài)氮源匯功能的影響1)生物堵塞區(qū)域內(nèi)RNO_30,沙丘淺層作為硝態(tài)氮的源,沙丘深層作為硝態(tài)氮的匯;隨著堵塞不斷形成,潛流帶作為硝態(tài)氮源的范圍不斷縮小,作為硝態(tài)氮匯的區(qū)域不斷擴大。2)潛流帶在反應(yīng)初期(0-10.4天)作為硝態(tài)氮的源,硝態(tài)氮生成速率較低且隨時間不斷降低;在反應(yīng)中后期(10.4-30天)作為硝態(tài)氮的匯,硝態(tài)氮的去除效率隨時間先增大后減小,在反應(yīng)達到穩(wěn)定時,硝態(tài)氮的去除效率為35.00%。3)潛流帶氧氣的Damk?hler數(shù)在水沙界面附近Dao_21,沿水流運移路徑不斷降低至小于1,且Dao_21的區(qū)域隨生物堵塞作用的發(fā)生不斷縮小。RNO_30和Dao_21的空間分布相似,Dao_2的值可以較好的指示潛流帶硝態(tài)氮的源匯功能。3.環(huán)境因素對生物堵塞作用和氮循環(huán)的影響1)基于不同有機碳濃度下的模擬對比發(fā)現(xiàn),當有機碳濃度受到限制時,河床幾乎不存在生物堵塞,潛流帶以硝化作用為主,且不發(fā)生反硝化作用;當有機碳濃度過量時,生物堵塞范圍有所減小,但堵塞程度增強,潛流帶中反硝化作用強烈,幾乎無硝化作用,造成了地下水銨氮污染。2)生物堵塞作用同樣受到地表水流條件及地形條件的影響。不平整的河底地形和較大的地表水流速會增大沙丘迎水面和背水面的壓力差,促進微生物的生長繁殖,擴大生物堵塞范圍,從而增強生物地球化學(xué)反應(yīng)速率。較快的反應(yīng)速率和較大的堵塞范圍均有利于硝態(tài)氮和和銨氮的去除。3)生物堵塞程度和生物地球化學(xué)反應(yīng)速率受到河流與地下水相互作用的影響。細菌總生物量和各反應(yīng)速率與地下水排泄強度呈負相關(guān)關(guān)系,生物堵塞程度減弱,硝態(tài)氮的去除效率降低;細菌總生物量和各反應(yīng)速率與地下水補給強度呈正相關(guān)關(guān)系,生物堵塞程度增強,硝態(tài)氮的去除效率增大。
【學(xué)位單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：X143;P641.3
【部分圖文】：

二者的混合[26,27]。床面形態(tài)引起的泵吸交換如圖 1.1 所示，河流紊流流動使河表面形成特定的壓力梯度，沙丘迎水面為高壓區(qū)，背水面為低壓區(qū)，壓力梯度動河流與飽和沙丘之間發(fā)生水量交換[28,29]。當河床移動時，迎水面泥沙被沖散釋放孔隙水，背水面泥沙沉降截留地表水充當孔隙水，該過程稱為沖淤交換。流交換控制溶質(zhì)在河道中的運輸和滯留時間，影響其遷移轉(zhuǎn)化，進而影響對河系統(tǒng)的生態(tài)健康和理化性質(zhì)。

氮循環(huán)示意圖

塞范圍、程度和細菌生物量）及氮素遷移轉(zhuǎn)化的影響。1.3.3 技術(shù)路線圖 1.3 技術(shù)路線圖1.3.4 論文創(chuàng)新點1）采用數(shù)值模擬方法，揭示床面形態(tài)起伏條件下生物堵塞對潛流帶氮循環(huán)的影響。綜合考慮地表水-地下水的交互作用、營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)和微生物的新陳代謝過程，建立潛流帶氮循環(huán)的全耦合模型。2）揭示河流有機碳含量、河流流速、沙丘高度以及河流-地下水補排關(guān)系對10
【參考文獻】

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本文編號：2848918