芦苇占优势农田溪流暂态存储特征及影响分析

2014年9月~2015年6月,在合肥市二十埠河流域一长约90m的芦苇占优势农田源头溪流渠段,选择NaCl为示踪剂,采用恒速连续投加的方式,开展8次野外示踪实验.在此基础上,利用OTIS模型对考虑和不考虑暂态存储影响的两种情景开展水质模拟,计算示踪剂氯离子(Cl-)浓度峰值的相对偏差,并以暂态存储指标定量刻画农田溪流的暂态存储潜力.结果表明,不同季节的暂态存储交换系数α稳定在10^(-4)数量级;不考虑主流区与暂态存储区交换作用的Cl^-浓度峰值相对偏差HI的变化范围为2.60%~12.54%,平均值为5.35%;HI与流量Q呈现显著的对数函数关系,且随Q的增加而逐步减小;HI与比值A_s/A呈明显的线性关系,并随A_s/A的增加而逐步增大;8次示踪实验对应主流区停留时间T_c、暂态存储区水力停留时间T_s差异均较显著,且春季、初夏的暂态存储能力较秋、冬季更强一些;比值A_s/A变化范围为1.036~1.627,F_(med)^(200)数值介于8.10%~23.03%,两者均表明该芦苇占优势渠段具有较大的暂态存储潜力.

岩溶管道与裂隙介质间溶质暂态存储机制

溶质暂态存储是岩溶地下水溶质运移过程中的普遍现象。为揭示岩溶管道与裂隙介质间溶质暂态存储机制,本文构建室内管道-裂隙物理模型,开展集中补给条件下的定量示踪试验,运用双区对流弥散模型实现溶质运移过程模拟。研究表明:随着集中补给水动力条件的增强,裂隙暂态存储水量呈线性增加趋势,溶质穿透曲线由单峰型向双峰型转变;管道和裂隙中的平均流速呈负相关关系,溶质在管道和裂隙中的滞留时间差决定了穿透曲线的形态;溶质暂态存储引发了穿透曲线的拖尾效应和双峰现象,对岩溶地下水溶质运移过程具有重要的控制作用。

孔隙渗流模型与暂态存储模型在河流潜流交换研究中的应用进展

河流系统中的潜流交换在溶质运移、能量传输、生物代谢等过程中发挥着重要作用,引起了国内外学者的广泛关注和深入研究。对于潜流交换过程的定量描述,目前应用较为广泛的是孔隙渗流模型和暂态存储模型。介绍了两种模型的基本原理及其在潜流研究中的应用进展;对比总结了这两种模型在潜流研究中的优缺点和适用性,展示了两种模型在河道工程对潜流影响评估中的差异,为今后模型的选取提供参考;总结了潜流数学模型研究的发展趋势,对今后的模型研究提出了建议,指出应基于多源数据和交叉学科背景对跨尺度潜流交换进行识别和量化。

合肥地区不同类型源头溪流暂态存储能力及氮磷滞留特征

为揭示合肥地区不同类型源头溪流暂态存储能力及氮磷吸收滞留的基本特征,在城区和城郊筛选4条典型源头溪流,并以NH4Cl、KH2PO4为添加营养盐,以Na Cl为保守型示踪剂,开展现场示踪实验.在此基础上,利用OTIS模型水文参数(D、A、As和α),计算暂态存储指标(Ts、Tc、Ls、Rh和F200med),进而开展暂态存储能力分析,并以NH+4-N和SRP一阶吸收系数(λ、λs)解析氮磷滞留特征.结果表明:4条溪流水体的α值均处于10-4~10-3数量级;各溪流Tc基本都显著超过Ts,意味着这些溪流水体溶质滞留效应主要来自主渠道流动水体,而不是暂态存储区;根据Tc、Ts、Ls和Rh等指标,得到各源头溪流暂态存储能力排序为:二十埠河二级支流>二十埠河一级支流>十五里河源头段>关镇河支渠;4条源头溪流主渠道流动水体与暂态存储区的NH+4-N、SRP滞留特征存在很大的差异,并且二十埠河一、二级支流和十五里河均不同程度出现λ-NH+4、λs-NH+4为负值的现象,意味着这些水体对于NH+4-N既具有短期存储作用,也起着'源'的作用.

城郊排水沟渠溶质传输的暂态存储影响及参数灵敏性

选择Na Cl为示踪剂,于2013年9~10月在合肥城郊的关镇河支渠开展5次瞬时投加示踪实验.从暂态存储、侧向补给和对流-扩散等作用机制层面,设置4种模拟情景,解析暂态存储作用对于排水沟渠溶质传输规律的影响,并对OTIS模型参数进行灵敏性分析.结果表明,暂态存储对于主流区Cl-模拟浓度穿透曲线(BTCs)峰值大小影响很大,相对偏差高达24.23%~117.26%,显著高于对峰值出现时间的影响,且暂态存储影响显著超过了侧向补给作用;由相关性分析,主流区Cl-模拟浓度BTCs峰值大小和出现时间的相对偏差与As/A具有极显著相关性;4个主要参数的灵敏度排序为A>As>α>D.

农田溪流人工深潭地貌格局暂态存储特征分析

2015年11月~2016年2月,以NaCl为示踪剂,在巢湖流域某一农田源头溪流开展了5次野外示踪试验,并据此计算溪流的物理特征参数和暂态存储指标;通过对深潭渠段与平直渠段相关指标的比较,解析人工深潭地貌格局的暂态存储特征.结果表明：1人工深潭地貌格局渠段A_s/A基本都较平直渠段更高,但其交换系数α却较平直渠段低一个数量级;2人工深潭地貌格局的暂态存储对于溶质滞留的影响较平直渠段大,但其流动水体的溶质滞留能力则较平直渠段弱;3尽管深潭地貌格局拥有相对较大的A_s/A比值,但对溶质运移转化的综合影响却低于平直渠段;4人工深潭的暂态存储指标F200med可以解释18.86%~26.05%的溶质行进时间,平直渠段可以解释5.28%~33.87%,且大部分情况下平直渠段都较深潭渠段更高;5深潭地貌格局与平直渠段在φ_w、φA和Ts方面差异明显,而在其他指标方面则区别不显著.

地下水示踪试验中穿透曲线的解析——以平果县平南赤泥堆场地下岩溶系统为例

地下水示踪试验中的穿透曲线解译是一项重要的技术,通过这一技术,可以获得关于地下岩溶管道的信息,如管道的尺寸、连通性、分布和方向等。然而,在实际应用中,仍存在许多问题需要解决,以提高对穿透曲线的解释准确性和可靠性。以平果县平南赤泥堆场地下岩溶系统为例,利用荧光计获取示踪数据结合Qtracer2软件对示踪剂回收率、平均滞留时间、弥散系数、地下水平均流速等参数进行计算,并结合当前被广泛认同的结论对穿透曲线中的多峰、异常波动等现象进行解释。由于本次研究区的岩溶管道规模小,将岩溶管道的复杂性降低到了可计算程度,对并联岩溶管道长度近似值进行计算,最后排除曲线尾部的峰值为溶质暂态存储现象,分析表明研究区属于多管道岩溶系统,地下水主要表现为“岩溶水扩散流”特征。本研究为地下水数值模型提供了依据,为研究如何分析岩溶复杂介质运移特征提供参考。

基于存储-转发的消息可靠性研究

在异步松耦合的消息模型中,保证消息的可靠传输至关重要。主要研究基于存储-转发的消息可靠性传输技术,提出了暂态存储和持久存储相结合的存储方法以及周期性转发、优先级转发以及周期性故障检测的转发方法,从而在保证消息可靠传输的情况下,更好地提高系统性能。

基于OTIS模型的巢湖十五里河源头段氮磷滞留特征

为揭示巢湖十五里河源头河段氮磷营养盐滞留特征,选择NH4Cl、KH2PO4及NaCl作为示踪剂,开展野外现场示踪实验.根据获得的氯离子浓度和营养盐浓度穿透曲线数据信息,利用OTIS与OTIS-P计算软件,估算水文参数(D、A、As、?等)和营养盐一阶吸收系数(λ、λs).在此基础上,计算暂态存储指标和营养盐吸收相关参数值,定量评估主河道流动水体与暂态存储对NH4+和SRP的损失贡献.结果表明,主河道与暂态存储区NH4+吸收系数平均值分别为3.88×10-6,8.81×10-4s-1,SRP分别为7.80×10-6,7.98×10-8s-1;综合衰减系数k-NH4平均值为1.64×10-4s-1,k-SRP为7.80×10-6s-1;NH4+和SRP的吸收长度Sw-NH4、Sw-SRP相当大,分别为1632.88,25471.32m,意味着该河段经由物理或生态过程去除N、P的可能性低;该河段Vf-NH4、Vf-SRP值较营养盐浓度低的溪流或小河流偏小,但U-NH4、U-SRP则明显偏大;暂态存储对于NH4+损失的平均贡献率为93.82%,主河道水流对SRP损失的平均贡献率高达99.70%.

城市小型河流水动力弥散和潜流交换过程

为研究城市小型河流中污染物的物理迁移过程规律,分析基流条件下流动水体与暂态存储区之间的滞留交互作用,采用溴化锂（Li Br）作为保守性示踪剂进行野外现场示踪试验,结合一维溶质运移存储模型（One-dimensional Transport with Inflow and Storage model,OTIS）定量解析潜流交换特性,估算纵向弥散系数（D）、潜流交换面积（As）、主河道断面面积（A）和潜流交换系数（α）。模型度量指标Da I值和均方根误差值结果表征参数模拟结果可靠性高,拟合效果理想。由泵入点O至下游1 300 m设置的A、B、C、D 4处监测点的模拟结果表明,水文参数D、As、A和α均随水文条件而变,OB河段（0-600 m）潜流交换能力较弱,主要以对流弥散过程为主;BD河段（600-1 300 m）具有较强的暂态存储能力,对溶质的滞留时间长;BC（600-1 000 m）和CD（1 000-1 300 m）河段交换系数分别为（3.42×10^-6±0.65×10^-6）s-1和（2.87×10^-6±0.81×10^-6）s-1;河段BC存在2.2×10-5m3/（s·m）的侧向补给流量。4个河段对比发现,城市河流渠道化、河床沉积物贫瘠等特征导致潜流交换能力弱化。

纳米Fe_3O_4含量对微生物燃料电池性能的影响

以不锈钢网为集流体,采用辊压工艺制备了Fe3O4质量分数分别为0%、2.5%、5.0%和7.5%的不锈钢网、活性炭粉和Fe3O4构成的复合阳极AcM、AcFeM1、AcFeM2和AcFeM3,研究了Fe3O4含量对单室无膜空气阴极微生物燃料电池(MFC)产电性能的影响,并通过塔菲尔曲线和阳极充电-放电测试研究了不同Fe3O4含量的阳极的电化学行为。结果表明,阳极Fe3O4质量分数由0%增加至2.5%、5.0%时,MFCs的最大输出功率和净电容电荷由AcM阳极的664 mW/m2和293.9 C分别上升至AcFeM1、AcFeM2电极的731 mW/m2和300.4 C、809 mW/m2和388.5 C,当Fe3O4含量继续增加至7.5%时,MFCs的产电效率和净电容电荷均减小,Fe3O4质量分数在5.0%时,MFCs性能最佳;电化学测试进一步说明Fe3O4质量分数在5.0%时,MFCs阳极的动力学活性最好。

巢湖十五里河源头段暂态储存特征分析

为揭示巢湖十五里河源头段暂态存储区基本特征，选择氯化钠（NaCl）为示踪剂，开展现场示踪实验。在此基础上，利用 OTIS应用程序包和 OTIS-P参数优化软件估算 OTIS模型扩散系数 D、河道断面面积 A、暂态存储区断面面积 As和交换系数α，进而计算暂态存储指标值，并以 SPSS统计软件进行回归分析。结果表明，十五里河源头段 D、A、As和α均随水文条件而变化，且α大体处于10-5~10-3数量级；近半数的暂态存储行进时间中值所占比例Fm200ed 远低于10%，表明暂态存储区对于水力传输的影响较为不足；交换通量 qs和侧向补给强度 qL平均值分别为2.45×10-3、5.66×10-4 m^3/（s·m），表明该河段存在一定的侧向补给作用。在相关性方面，水文参数与暂态存储指标大都没有表现出相关关系。总的来说，渠道化现象降低了十五里河源头段暂态存储区的溶质滞留能力，增大了溶质负荷向河流下游传输的可能性。

丁坝型挡板调控农田溪流暂态氮磷滞留能力的模拟研究

选择Na Cl作为保守性示踪剂、NH4Cl和KH2PO4为添加营养盐,在巢湖流域的二十埠河某一农田源头溪流段,采用恒定连续投加示踪剂的方式,开展野外示踪实验。通过对不同情景下暂态存储参数和营养螺旋指标模拟结果的比较,解析丁坝型挡板对于溪流暂态存储和氮磷滞留能力的调控效果。结果表明:丁坝型挡板使溪流交换系数α显著增大,其中间距为2.5 m的α值较无挡板情景高出132.36%,1.5 m和3.0 m间距则分别高出825.37%和641.29%;相对于无挡板情景,设置挡板的溪流交换长度Ls明显下降,水力持留因子Rh、行进时间中值F200med及过水断面面积和暂态存储区断面面积的比值As/A等出现不同程度的增大;设置挡板的氮磷吸收长度Sw较无挡板情景显著下降,吸收速度Vf则有不同程度的提高。丁坝型挡板对于农田溪流暂态存储和氮磷滞留能力具有很好的调控效果。

合肥城郊典型源头溪流不同渠道形态的氮磷滞留特征

为揭示源头溪流中深潭和曲折沟渠两种典型渠道形态的氮磷养分滞留特征,在合肥城郊二十埠河的某一级支流上,以NH4Cl和KH2PO4为添加营养盐,以NaCl为保守型示踪剂,开展现场示踪实验.在此基础上,利用OTIS模型软件、暂态存储参数和养分螺旋原理,解析深潭和曲折沟渠氮磷滞留特征.结果表明:1深潭的As值较曲折沟渠大,但其α值则较弯曲沟渠小1个数量级,而且As和α值随水文条件变化均不显著;2深潭中主渠道流动水体的NH+4-λ较其暂态存储区的NH+4-λs高2~3个数量级,曲折沟渠的NH+4-λ与NH+4-λs数值较为接近;3深潭中NH+4-Vf较SRP-Vf高1~2个数量级,而在曲折沟渠中,不仅NH+4-Vf与SRP-Vf数值较为相近,NH+4-Sw与SRP-Sw也基本相当;4深潭的NH+4-U较SRP-U高出2~3个数量级,曲折沟渠NH+4-U则较SRP-U高出1~2个数量级;5总的来说,在对NH+4和SRP滞留影响方面,深潭和曲折沟渠存在较大的差异性,且在深潭中NH+4的滞留效应显著超过SRP.

多级拦水堰坝调控农田溪流营养盐滞留能力的仿真模拟

为揭示多级拦水堰坝对于低等级小河流营养盐滞留能力的影响,以巢湖流域某一典型的农田源头溪流为对象,在野外示踪实验和计算机模拟的基础上,针对构建的多级简易水坝,采用暂态存储和营养螺旋指标,仿真模拟多级拦水堰坝对于氮磷营养盐滞留能力的调控效果。结果表明：多级拦水堰坝Darcy-Weisbach阻力系数明显超过无堰坝情形,但其弗劳德数Fr和雷诺数Re则较无堰坝情景低些;多级拦水堰坝相应的交换长度Ls值较无堰坝情景低1∽2个数量级,水力持留因子Rh则较无堰坝情景明显增大,表明多级拦水堰坝使溪流的暂态存储能力得到很大提升;在多级拦水堰坝情景下,NH4＋和PO43-的吸收长度Sw均有大幅度的下降,其中NH4＋削减幅度达70.27%∽89.47%,PO43-为75.59%∽81.92%;不仅如此,在多级堰坝情景下,NH4＋和PO43-的物质传输系数Vf、吸收速率U均显著增大,表明多级拦水堰坝可以有效提高农田溪流氮磷营养盐的滞留潜力。

水库泄洪闸下溪流深潭氮磷营养盐滞留特征及动力学模拟

为解析水库泄洪闸下溪流深潭氮磷营养盐滞留特征,选择NaBr为保守示踪剂,分别以NH_(4)Cl和KH_(2)PO_(4)为添加营养盐,在合肥板桥河源头溪流开展野外示踪实验,据此估算氨氮(NH_(4)^(+))、磷酸盐(PO_(4)^(3-))营养螺旋指标,识别主流区和暂态存储区NH_(4)^(+)、PO_(4)^(3-)滞留贡献水平,模拟深潭地貌的氮磷吸收动力学特征.结果表明,深潭具有较好的氮磷滞留潜力,且对PO_(4)^(3-)的滞留潜力超过NH_(4)^(+);暂态存储区对NH_(4)^(+)的滞留贡献率平均为91.49%,表明NH_(4)^(+)滞留主要发生在暂态存储区;主流区对PO_(4)^(3-)的滞留贡献率平均为96.09%,意味着主流区是PO_(4)^(3-)滞留的主要场所;Michaelis⁃Menten(M⁃M)方程可以较好的模拟深潭氮磷滞留动力学效应,模拟得到的最大吸收速率U_(max)⁃NH_(4)、U_(max)⁃PO_(4)均值分别为0.48、0.08 mg·m^(-2)·s^(-1),半饱和常数Km⁃NH_(4)、Km⁃PO_(4)均值分别为0.26、0.19mg·L-1.