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径潮相互作用对感潮河段湿地水热盐影响的数值模拟

隗岚琳 刘东升 吴杰 吕浩博 章文亭

隗岚琳,刘东升,吴杰,等. 径潮相互作用对感潮河段湿地水热盐影响的数值模拟[J]. 水利水运工程学报,2023(4):22-33. doi:  10.12170/20221130005
引用本文: 隗岚琳,刘东升,吴杰,等. 径潮相互作用对感潮河段湿地水热盐影响的数值模拟[J]. 水利水运工程学报,2023(4):22-33. doi:  10.12170/20221130005
(WEI Lanlin, LIU Dongsheng, WU Jie, et al. Numerical study on the influences of complicated hydrological processes on water, heat and salt in the tidal river wetland[J]. Hydro-Science and Engineering, 2023(4): 22-33. (in Chinese)) doi:  10.12170/20221130005
Citation: (WEI Lanlin, LIU Dongsheng, WU Jie, et al. Numerical study on the influences of complicated hydrological processes on water, heat and salt in the tidal river wetland[J]. Hydro-Science and Engineering, 2023(4): 22-33. (in Chinese)) doi:  10.12170/20221130005

径潮相互作用对感潮河段湿地水热盐影响的数值模拟

doi: 10.12170/20221130005
基金项目: 国家自然科学基金青年项目(42207240);江苏省自然科学基金青年项目(BK20200158);江苏省博士后科研资助计划项目(2021K143B);江苏省水利科技项目(2021005)
详细信息
    作者简介:

    隗岚琳(1998—),女,湖北荆州人,硕士研究生,主要从事湿地氮循环及微生物相关研究。E-mail:weilanlin00@163.com

    通讯作者:

    刘东升(E-mail:dsliu@nhri.cn

  • 中图分类号: X522

Numerical study on the influences of complicated hydrological processes on water, heat and salt in the tidal river wetland

  • 摘要: 长江下游感潮河段水文条件复杂,针对其对滨岸湿地水热盐的影响及季节性差异的认识较为匮乏。以长江南京段绿水湾湿地为研究对象,监测湿地水文变化及信号特征,构建湿地水热运移与氮迁移转化模型,揭示潮汐过程对湿地水热储量和除氮的影响及其季节性差异。研究结果表明:湿地水位水温变化包含径流和潮汐两个信号特征,春夏季径流较强,而秋冬季潮汐波动幅度较大。春夏季河流水位水温升高,水土界面溶解氧降低,径流驱动下的湿地除氮量约为秋冬季的3~5倍。但秋冬季潮汐波动幅度约为春夏季的2倍,显著增强了湿地的除氮量,在径流驱动基础上提升脱氮效率约为63%和31%,为春夏季的2.5~5.0倍。研究结果可为长江下游滨岸带生态环境保护提供理论依据。
  • 图  1  研究区域示意

    Figure  1.  Schematic map of the study area

    图  2  感潮河段湿地水动力水质概念模型(单位:m)

    Figure  2.  Conceptual model of 2-D hydrodynamic water quality of the tidal river wetland (unit: m)

    图  3  感潮河段湿地不同季节初始水压分布和温度分布

    Figure  3.  The initial head field and temperature field of the tidal river wetland in different seasons

    图  4  监测井实测值与模拟计算值对比

    Figure  4.  Comparison between the measured values of the monitoring wells and the calculated values of the model

    图  5  湿地地表水与潜流带水位水温变化过程

    Figure  5.  Water level and temperature changes in surface water and hyporheic zone of the tidal river wetland

    图  6  湿地水位水温信号特征(以地表水为例)

    Figure  6.  Characteristics of water level and temperature signals in the tidal river wetland

    图  7  水位波动影响下的湿地单宽储水量与热储量变化过程

    Figure  7.  Changes of wetland water storage and heat storage under complicated water level fluctuations

    图  8  水位波动影响下湿地除氮量变化过程

    Figure  8.  Change of nitrogen removal amount of tidal river wetland under complicated water level fluctuations

    表  1  湿地水动力-水质模型参数率定结果

    Table  1.   Calibration results of hydrodynamic-water quality model parameters

       模型 参数率定值单位来源
    水动力模型渗透系数(K0.5m·d−1Carsel等 [15]
    有效孔隙率(ne0.25-Carsel等 [15]
    单位储水量(S00.001m−1Carsel等 [15]
    剩余饱和度(θr0.146-Carsel等 [15]
    最大饱和度(θs0.98-Carsel等 [15]
    滞留曲线拟合参数($ \xi $)7.5m−1Carsel等[15]
    孔径分布指数(N1.89-Carsel等 [15]
    纵向弥散度(DL5mTriska等[16]
    纵向/横向弥散度(DL / DT1-Triska等[16]
    水质模型上覆水O2质量体积分数-mg·L−1实测时段序列
    上覆水NH4+质量体积分数-mg·L−1实测时段平均
    上覆水NO3质量体积分数-mg·L−1实测时段平均
    上覆水DOC质量体积分数-mg·L−1实测时段平均
    地下水O2、NH4+、NO3、DOC质量体积分数-mg·L−1实测时段平均
    单位最大有氧呼吸速率(UAR2mg·L−1·d−1Shuai等[17]、Gu等[18]
    单位最大硝化速率(UNI1.05k1mg·L−1·d−1Shuai等[17]、Gu等[18]
    单位最大反硝化速率(UDN2k2mg·L−1·d−1Shuai等[17]、Gu等[18]
    O2半饱和常数($K_{{\rm{O}}_2} $)1mg·L−1Shuai等[17]、Gu等[18]
    NH4+半饱和常数($K_{{\rm{NH}}_4} $)0.5mg·L−1Shuai等[17]、Gu等[18]
    NO3半饱和常数($K_{{\rm{NO}}_3} $)1mg·L−1Shuai等[17]、Gu等[18]
    DOC半饱和常数(KDOC5mg·L−1Shuai等[17]、Gu等[18]
    O2抑制常数(KI1mg·L−1Zarnetske等 [19]
    O2分配系数($y_{{\rm{O}}_2} $)0.64-Zarnetske等 [19]
      注:k1k2分别是硝化、反硝化功能微生物介导系数的修正系数,与水土界面溶解氧质量体积分数(CDO)、温度(T)存在无量纲定量关系[17-19]k1 = [CDOT/180,k2 = 9[T]/(20[CDO])。
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    表  2  湿地不同季节水文特征对比

    Table  2.   Comparison of hydrological characteristics of the tidal river wetland in different seasons

    季节时段地表水-地下水
    初始水力梯度
    地表水-地下水初始
    温度差/ ℃
    地表水位径流信号
    波动幅度/m
    地表水位潮汐信号
    平均波动幅度/m
    地表水溶解氧/
    (mg·L−1
    冬季2021-12-31—2022-01-15−0.190−9.00.250.9610.54~14.86
    春季2022-04-27—2022-05-120.0063.00.480.557.39~8.20
    夏季2022-06-20—2022-07-050.0229.00.730.305.33~6.31
    秋季2022-10-19—2022-11-03−0.0301.50.261.127.07~9.04
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    表  3  不同季节除氮情况对比

    Table  3.   Comparison of nitrogen removal of the tidal river wetland in different seasons

    季节时段径流信号日均
    脱氮量/(g·m−1
    实际水位日均
    脱氮量/(g·m−1
    潮汐信号日均
    脱氮量/(g·m−1
    潮汐信号脱氮
    效率提升/%
    冬季2021-12-31—2022-01-150.761.100.3431
    春季2022-04-27—2022-05-121.401.610.2113
    夏季2022-06-20—2022-07-052.582.930.3512
    秋季2022-10-19—2022-11-030.491.320.8363
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-11-30
  • 网络出版日期:  2023-07-01
  • 刊出日期:  2023-08-15

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