基于OTIS模型的巢湖十五里河源头段参数灵敏性分析

为探究城市地区渠道化源头河段水环境模型参数灵敏性,以巢湖流域十五里河源头段为对象,选择氯化钠(NaCl)为保守型示踪剂,采用瞬时投加方式,开展现场示踪试验.在此基础上,利用OTIS模型(小河流水体溶质迁移扩散模型)模拟溶质(示踪剂)输移扩散规律,并以均方误差(RMSE)为目标函数,就±10%和±20%等参数多种变幅情景,采用扰动分析方法对A(河道过水断面面积)、As(暂态存储区断面面积)、α(交换系数)及D(扩散系数)等参数开展局部灵敏性分析.结果表明:在十五里河源头段溶质迁移特征模拟方面,OTIS模型具有很好的适用性;尽管不同河段各参数的灵敏性排序存在一定的变化性,但总体趋势较为明显,表现为A>α>As>D,这与欧美国家空间尺度相近的一些小河流水体基本相同;由于α和As的灵敏性超过D,表明在渠道化的城市小河流源头段,考虑暂态存储对于溶质输移扩散的影响十分必要.研究结果进一步验证了扰动分析方法对于OTIS模型参数灵敏性分析的有效性.

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%.

生活污水为主要补给源的城郊排水沟渠氮磷滞留特征

为揭示生活污水补给影响下排水沟渠氮、磷滞留特征,以合肥市城郊结合部的关镇河支渠为对象,以NH4Cl和KH2PO4为添加营养盐,以Na Cl为保守型示踪剂,开展5次现场示踪试验.在此基础上,利用OTIS(one-dimensional transport with inflow and storage)模型估算D(扩散系数)、A(渠道过水断面面积)、As(暂态存储区断面面积)、α(暂态存储交换系数)、λ(主流区溶质一阶吸收系数)和λs(暂态存储区吸收系数);并利用营养螺旋原理,计算营养盐的Sw(吸收长度)、Vf(吸收速度)和U(吸收速率)等.结果表明:1As/A具有随流量减小而增大的变化特征,平均值为0.35;5次试验得到的α均处在10-3数量级水平,平均值为2.49×10-3s-1.2Sw-NH4和Sw-PO4(分别表示NH4-N和PO4-P的Sw,下同)均较大,最大值分别达934 020、47 518 m,意味着关镇河支渠已基本不具备氮、磷滞留能力;而Sw-NH4和Sw-PO4均不同程度地出现负值,表明该支渠还具有"源"的作用.3Vf-NH4与河水平均深度、渠道流量均呈显著负相关,Vf-PO4和U-PO4与渠道水面宽度均呈显著正相关.4NH4-N和PO4-P的营养螺旋指标与其相应质量浓度背景值无明显相关性.

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.

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.

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。

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.

芦苇占优势农田溪流营养盐滞留能力分析与评估

2014年9月—2015年4月,在合肥地区二十埠河流域的某一典型农田源头溪流段,选择以Na Cl为保守示踪剂,NH4Cl和KH2PO4为添加营养盐,采用恒速连续投加的方式,开展了7次野外现场示踪试验。在此基础上,利用OTIS模型和营养螺旋原理,从机制层面分析和评估芦苇占优势农田源头溪流氮磷营养盐滞留能力和滞留特征。结果表明,该芦苇占优势渠段的比值As/A明显超过一般源头溪流水体,暂态存储对于营养盐滞留有较大影响;NH4+和SRP的暂态存储区营养盐一阶吸收系数都较主流区高一个数量级,且所有吸收系数均为正值,表明芦苇占优势渠段具有氮、磷"汇"的功能;NH4+吸收长度明显低于SRP,特别是冬季和初春,意味着溪流对于NH4+的滞留能力超过SRP;NH4+和SRP的总滞留率分别为14.46%和10.73%,生物滞留率平均值分别为9.17%和3.67%;主流区流动水体和暂态存储区对于NH4+滞留的平均贡献率分别为43.12%、56.88%;对于SRP滞留的平均贡献率分别50.13%、49.87%。

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.