碳源、温度及水力停留时间对地下水硝酸盐的去除效果

采用生物修复方法,通过实验室模拟试验,比较水稻秸秆、玉米芯和报纸3种不同固体碳源在不同温度和水力停留时间（hydraulic retention time,HRT）条件下对地下水硝酸盐的去除效果,以便筛选出优质固体碳源为污染场地应用提供参考.结果表明,以水稻秸秆和玉米芯作为碳源,硝酸盐的去除效果最佳.在初始硝酸盐质量浓度为30 mg/L（以 N 计）条件下,硝酸盐去除率均在24 h 内达到100%,并且产生的亚硝酸盐质量浓度较低,亚硝酸盐有短暂升高现象但24 h 之后降至0.1 mg/L 以下,因此水稻秸秆和玉米芯可作为较优质的固体碳源.在4个不同温度条件下（15,20,25,30℃）,添加3种碳源的反硝化效果均表现为温度越高硝酸盐去除率越高,同时去除率达到100%所用时间越短,产生的亚硝酸盐质量浓度越低,而且温度在25~30℃时反硝化效果达到最优.筛选出的2种较优碳源水稻秸秆和玉米芯,在不同 HRT 条件下（6.7,10,20,40 h）均表现为 HRT 越长,硝酸盐质量浓度有显著降低,亚硝酸盐质量浓度峰值越低且降低的也越快.以玉米芯为碳源时,在不同 HRT 条件下,铵态氮质量浓度均随时间逐渐降低,在30 h 之内降至5 mg/L 以下；以秸秆为碳源时,铵态氮质量浓度则呈现先升高后降低趋势并且呈现 HRT 越长铵态氮质量浓度累积越高,整体呈现铵态氮质量浓度高于玉米芯.以玉米芯为碳源时,pH 略低,在5~6范围内波动；以秸秆为碳源时 pH 值波动范围为6.5~7.5,更适宜微生物生长.结果证明,秸秆和玉米芯为较优质碳源,但各有不足之处,在实际应用中应结合场地水流速度、pH 等条件选择相对更优碳源,也可将二者混合使用使优势互补.

阴离子型聚丙烯酰胺及阳离子添加对水稻土流失量的影响

以水稻土(黄斑田)为供试对象,采用恒温振荡及室内沉降方法,通过不同量的阴离子型聚丙烯酰胺(polyacrylamide,PAM)与Na+、Ca2+的添加研究在外力扰动下,稻田土壤颗粒在水体中的沉降和流失状况,探索不同条件下土壤流失的减量效果.结果表明:1)在添加PAM条件下,土壤流失量随PAM增加呈先降低后升高的趋势,最适PAM添加量在5 mg/L左右时,静置沉降2 min内土壤颗粒的减少量达90%;试验土壤中水稳性团聚体(>0.25 mm)含量随PAM增加而不断增加,说明PAM添加对于促进土壤颗粒间聚合及加速水体中土壤颗粒聚沉效果显著;2)在添加阳离子情况下,随着阳离子浓度增加,其促进土壤颗粒聚沉从而减少土壤流失的作用逐渐增强,且在相同电荷密度条件下Ca2+的效果明显优于Na+,具体表现为Ca2+(0.005 mol/L)>Ca2+(0.001 mol/L)>Na+(0.01 mol/L)>Na+(0.002 mol/L)>无外加阳离子(0 mol/L)的空白对照;3)阳离子与PAM同时添加的作用效果与分别添加时差异巨大,表现为阳离子加入降低了PAM的聚沉能力并使其最适添加水平提高,同种离子随浓度增加这种作用更为明显;二者共同添加时,其减少土壤流失、增加土壤颗粒聚沉的效果表现为单独施加PAM>[Na+(0.002 mol/L)+PAM]>[Ca2+(0.001 mol/L)+PAM]>[Na+(0.01 mol/L)+PAM]>[Ca2+(0.005 mol/L)+PAM]>空白对照,各离子处理对PAM增加土壤水稳性团聚体(>0.25 mm)含量的影响差异不明显,但均小于单独添加PAM条件下土壤水稳性团聚体(>0.25 mm)的增加量.总体上,PAM和阳离子都有利于促进水体中土壤颗粒聚沉,减少土壤的流失量,但当二者共同添加或者土壤与水体中盐分含量过高时PAM的作用会被削弱.

优化法与贝叶斯估计法在非饱和水力参数反演中的比较

非饱和土壤水分运动模型在农业生产和环境保护等领域中具有重要的指导意义。非饱和土壤水力参数的准确获取是利用模型进行可靠预测的前提。传统的参数反演研究大多基于优化方法,只能获取一组最优参数,不能量化其中的不确定性。最新发展的一种基于贝叶斯参数估计理论的马尔科夫链蒙特卡罗算法(Markov Chain Monte Carlo,MCMC)—DREAM(ZS),可以有效进行参数反演,且准确量化不确定性。我们在获取水头观测值的基础上,利用MCMC和Levenberg-Marquardt(LM)非线性优化算法分别对非饱和土壤水力参数进行反演,通过数值模拟与一维沙柱入渗实验比较了2种方法对于分层异质的水力参数估计与水头预测的准确性。结果表明:1)LM优化方法使用广泛,求解速度较快,但受参数初始值影响较大,预测结果与观测值存在一定的偏差,同时由于只能给出一个单一的反演结果,无法量化结果的不确定性。2)与基于优化的反演方法相比,MCMC反演方法不仅能够更好地得出参数的单一估计值,同时预测结果与观测值也具有更好的一致性;更重要的是可以给出未知参数的后验分布,从而准确量化非饱和水力参数的不确定性,避免了基于单一参数反演结果进行预测的风险。但是相对于LM优化方法,MCMC计算量大大增加。

养殖氧化塘周边地下水氨氧化细菌分布及环境因子的影响

为了研究畜禽养殖场的废水氧化塘对周边地下水的影响,我们通过在海盐县某养猪场氧化塘周边区域布井,采集相应点位的地下水,并采用分子生物学手段实时荧光定量核酸扩增检测(real-time quantitative PCR detecting system,qPCR)和水质理化性质分析手段,研究氧化塘周边相应位点地下水中的氨氧化细菌(ammoniaoxidizing bacteria,AOB)的丰度和水质情况,并结合相关系数,探究AOB丰度与环境因子之间的关系。结果表明:在相应位点的地下水中AOB的丰度与相应地下水中氨氮、硝氮和总氮的质量浓度呈显著正相关,特别是AOB丰度与硝氮呈极显著正相关关系(P<0.01);同时也发现AOB丰度受pH影响,当pH>7.8时,AOB丰度较大,但AOB丰度和pH线性相关性不显著。

孔隙尺度多孔介质流体流动与溶质运移高性能模拟

深入探究孔隙尺度下的流体流动特性和溶质运移规律对石油开采、农田养分管理、地下水污染修复有着重要意义。以人工构建的多孔介质结构和同步辐射X射线显微CT扫描的土壤团聚体(分辨率3.7μm)为研究对象,在空间节点数多达64 000 000的情况下,基于格子Boltzmann模型和GPU并行技术计算得到多孔介质流体运动和溶质运移过程的关键参数,并据此探究多孔介质空间异质性对水力学特性的影响。通过对3组不同结构的多孔介质比较发现,结构复杂程度最高的土壤样品和不规则堆叠的圆球结构的渗透率在100 mD(即10^-13m^2)量级,远低于规则堆叠的圆球结构(>20 000 mD);土壤的迂曲度为1.40~1.60,明显高于规则堆叠的圆球结构。研究结果表明,渗透率大的样品具有较小的迂曲度,这与结构的空间异质性有较强的关系;土壤的渗透率和迂曲度呈现各向异性;在水力梯度一定的前提下,渗透率较大的样品,纵向弥散系数也较大;同时,结构的异质性也会影响溶质的穿透曲线。本研究提出的模拟方法可在土壤结构中进行高效的水流运动和溶质运移模拟,可用于土壤多孔介质在孔隙尺度下的水力学特性研究。