地球科学|编委文章教授团队文章:连续河水位波动对河床潜流带硝酸盐转化效率的影响

学术   科学   2024-09-11 00:00   湖北  

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为了探究连续水位波动下潜流带内硝酸盐的反应迁移规律,构建了包含河床沙丘的垂向二维数值模型.通过考虑不同河水位波动情况、河床坡度以及有氧呼吸、硝化和反硝化过程,系统探讨河床坡度和连续水位波动过程对溶质时空分布以及硝酸盐转化效率的影响.结果表明:河床坡度越大,地表水和周围地下水流之间会发生更快的物质交换,使溶质的浓度变化幅度变小,最终降低潜流带对NO3的转化效率;较高的后续水位峰值会延长地下水潜流路径并使溶质的浓度相对变化幅度越大,然而潜流带对NO3的转化效率会变低;后续水位波动持续的时间会影响溶质的时间响应,但不会影响对NO3的转化效率;不同的后续水位波动延迟时间会影响NO3浓度变化峰值出现的数量,延迟时间越久,越容易出现NO3浓度的多峰现象.
本文围绕潜流带内发生的有氧呼吸、硝化和反硝化过程,探讨了河床坡度和不同连续水位波动对潜流交互过程中溶质的时空分布以及NO3-转化效率的影响.结果表明: 
(1)坡度越大,地表水和周围地下水流之间发生更快的物质交换,促进溶质的入渗,从而影响溶质浓度变化峰值的量级,增加了潜流带对NO3-的转化负担. 
(2)后续水位峰值越高,会增强上边界的水头压力,形成较长的地下水径流路径,溶质的浓度相对变化幅度越大,潜流带对NO3-的转化效率变低. 
(3)后续水位波动持续时间越长,各溶质的浓度相对变化波长越长,只影响溶质的时间响应,不会影响潜流带对NO3-的转化效率. 
(4)后续水位波动延迟时间越大,NO3-浓度变化越容易出现多峰.延迟时间还会影响不同示踪段溶质的传质速率,从而影响NO3-的转化效率. 
本文的研究结果提高了在复杂水位波动和河床形态条件下对潜流带NO3-转化能力的认识,有助于预测连续水文情景对河流水生态健康的影响,为洪水过后河流恢复工作提供重要的参考数据,可有效地开展对河流生态恢复的管理工作,制定适宜的生态修复策略. 

图1 (a)概念模型示意图;(b)连续水位波动过程示意图

图2 与基流条件相比,情景c下各反应物浓度随时间的相对变化

图3 情景c下NO3的穿透曲线示意图



文章刊登在《地球科学》第49卷第7期

张佩瑶, 文章, 李一鸣, 2024. 连续河水位波动对河床潜流带硝酸盐转化效率的影响. 地球科学, 49(7): 2637-2649. doi: 10.3799/dqkx.2023.130

Zhang Peiyao, Wen Zhang, Li Yiming, 2024. Effect of Continuous River Water Level Fluctuations on Nitrate Conversion Efficiency in Hyporheic Zone. Earth Science, 49(7): 2637-2649. doi: 10.3799/dqkx.2023.130

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