国际河流问题管理论文提纲

2022-11-15

论文题目：江汉平原地表水—地下水相互作用及其对铵氮迁移转化的影响

摘要：地表水-地下水（Surface Water-Groundwater,SW-GW）相互作用是地表水与地下水之间在不同时空尺度上发生的水量与物质交换,是水循环中不可忽视的关键环节。开展SW-GW相互作用研究可为水资源管理和水质保护提供水量均衡和物质归趋方面的支撑信息。江汉平原位于长江中游,是我国重要的商品粮、棉、油基地和淡水渔业基地,区内河渠纵横交错,地下水位埋深浅（一般小于2米）,地表水与地下水之间有着密切的水力联系。受自然条件与人类活动的共同影响,平原内出现了湿地退化、水体污染、原生劣质水、冷浸田等地质环境问题,这些问题均与SW-GW相互作用有着紧密关联。因此,开展江汉平原SW-GW相互作用研究对于认识区内的生态环境问题是十分必要的,但目前人们对于区内SW-GW相互作用特征和强度等方面的认识仍不清楚。平原内的地表水体与孔隙含水层之间存在一侧向延伸的弱透水层,相似的水文地质条件在世界其它低平原地区也广泛存在,但国内外已有研究多关注地表水和与其有直接水力联系的含水层之间的交换,对于地表水和含水层之间通过侧向延伸的弱透水层进行相互作用这一模式尚未给予足够的重视。作为自然界水体中的一种典型污染组分,高浓度的铵氮（数十至数百mg/L,N）在江汉平原的地表水和浅层地下水中被广泛检出,然而人们对于其来源及迁移转化机制的认识仍不清楚。在国内外水体氮污染研究中,硝态氮一直是人们关注的重点,但越来越多的研究显示,铵氮正在成为一种更为主要的氮赋存形态。地表水和浅层地下水中高含量的铵氮一般归因于人类活动的输入,但最近的一些研究也检测到了天然来源的高含量铵氮。因此,在SW-GW系统中,铵氮的多来源和多过程属性使得对其进行识别正在变得复杂。鉴于以上背景认识,本文以江汉平原腹地（仙桃、洪湖、潜江、监利）为典型研究区域,以SW-GW系统和其中赋存的铵氮为主要研究对象,围绕“地表水-弱透水层-含水层这一复杂系统如何进行相互作用”和“地表水-弱透水层-含水层相互作用如何影响铵氮的来源与迁移转化”这两个科学问题,综合运用环境示踪剂和数值模拟等方法对SW-GW相互作用进行表征与量化;在此基础上,运用水化学和氮同位素示踪等方法探讨铵氮在SW-GW系统中的分布、来源、迁移转化机制及质量平衡特征。获取的主要认识如下:1.基于水化学、氢氧同位素和氚的空间分布特征,对SW-GW相互作用进行了识别和表征。在地表水和不同层位地下水中,Cl-和SO42-主要为人类活动来源,而HCO3-、Ca2+和Mg2+则主要来源于碳酸盐矿物的溶解。从地表水至上部弱透水层（0-18m）、下部孔隙含水层（19-100m）、孔隙裂隙含水层（＞100m）,水化学组成和Cl/Br比值均呈现出渐变的分布特征,弱透水层中的水样点一部分与地表水点叠合而另一部分与孔隙含水层的水样点叠合,指示弱透水层充当着地表水与孔隙含水层之间的过渡纽带。氢氧同位素的分布呈现出两大特点:（1）δ~2H和δ18O随地下水赋存深度的增加而逐渐贫化,其中弱透水层和孔隙含水层中的样品点在δ~2H-δ18O图上的斜率分别为5.74和5.99,指示了近地表的蒸发过程;（2）地表水点与不同层位地下水点相互叠合,指示了地表水与地下水之间的混合过程。氚的分布显示,靠近河流（＜200m）的地下水中氚含量（均值3.6TU）高于远离河流（＞1000m）的地下水（均值2.3TU）,指示河流附近的水文交换更为强烈。2.以通顺河流域为典型区,综合运用水文地质模拟、水文地质计算和环境示踪剂（氚）模拟,对SW-GW相互作用进行了量化。基于MODFLOW程序的水文地质模拟揭示平原区河流的侧向影响范围约1000m,其中在500m范围内尤为显著;对于河流附近孔隙含水层的水位波动,河底与孔隙含水层之间弱透水层中的垂向流动和随后孔隙含水层中的侧向流动这一模式的贡献较大（约90%）,而上部弱透水层中的侧向河岸储积和随后的向下入渗这一模式的贡献相对较小（约10%）。基于达西定律的水文地质计算显示,在靠近河流和远离河流的区域,垂向水文通量均处于0.01m/day这一数量级;水质地质计算对应着短时间尺度（半月）的水文交换,这种交换主要表现在地表水与上部弱透水层之间,因此计算结果可指示:在靠近河流的区域河流与弱透水层之间和远离河流的区域其它地表端元与弱透水层之间,存在着相似的短时间尺度水文通量。基于OTIS模型的氚模拟显示,河流附近的平均地下水储留时间约为15年,垂向水文通量处于0.001m/day这一数量级;而基于弥散模型的氚模拟显示,在远离河流的区域,平均地下水储留时间为90年左右,垂向水文通量处于0.0001m/day这一数量级。两种氚模拟均对应着长时间尺度（数十年）的水文交换,这种交换主要表现在地表水与下部孔隙含水层之间,因此模拟结果指示:在靠近河流的区域,长时间尺度的垂向水文通量显著高于远离河流的区域。3.以通顺河流域为典型区,基于NH4+中氮稳定同位素组成,结合氮形态和水化学特征,对SW-GW系统中铵氮的来源和归趋进行了识别。在江汉平原的地表水和浅层地下水（弱透水层和孔隙含水层）中均检测到了高含量的铵氮。在通顺河中,NH4-N含量最高可达10.25mg/L,其在河流上游（潜江段）急剧升高而在下游（仙桃段）逐渐衰减。通顺河中NH4+的δ15N值较高,且变化区间较小（+12.5+15.4‰）,指示其主要为人类活动来源,即工业废水的排放;吸附作用和硝化作用是通顺河下游铵氮衰减的主要控制过程。在浅层地下水中,高含量的NH4-N（最高达14.10mg/L）赋存于更还原的环境中。孔隙含水层中NH4+的δ15N值较低,且变化区间也较小（+2.3+4.5‰）,指示其主要为天然来源,即沉积物有机氮的矿化作用。弱透水层中,NH4+的δ15N值变化区间较大,为-1.8+9.4‰,指示其并非单一的来源;弱透水层中存在两种类型的水:（1）储留时间相对较长的水,与孔隙含水层相似,其中的铵氮主要来源于沉积物有机氮的矿化作用;（2）储留时间相对较短的水,其中的铵氮受地表端元输入、化学衰减和有机氮矿化作用共同的控制。弱透水层阻止了地表水和孔隙含水层之间发生快速的铵氮交换,且弱透水层浅部为铵氮的衰减提供了充足的反应时间和较快的反应速率。4.在典型场地,基于水位、水化学、氮形态和NH4+中氮同位素的季节性变化,对季节性水文变化影响下铵氮的地球化学行为进行了研究。在场地内的浅部沉积物（25m以内）中,有机氮为最主要的氮形态（约90%以上）;铵氮含量在垂向上表现出较大的变化（4.0-187.5mg/kg,N）;沉积物的δ15N值主体位于+2.0+5.0‰这一区间。铵氮含量与总氮含量及δ15N值均呈现出较好的正相关性,指示沉积物中铵氮的含量主要受原始沉积有机氮的控制。地表水和地下水的水位监测显示它们存在季节性的补给（丰水期）和排泄（枯水期）。10m深度监测孔中地下水的氧化还原状态在空间上具有高度的变异性（约-160-40 mv）,而在时间上则未呈现出明显的变化规律;25m深度监测孔中地下水的氧化还原状态在空间上较为一致（约-160-100 mv）,在时间上呈现出丰水期比枯水期更还原的规律。相对于枯水期（0.05-9.80 mg/L,2.50-8.55 mg/L）,丰水期时10m深度监测孔中的NH4-N浓度整体上更高（0.60-18.96 mg/L）,而25m的整体上更低（0.70-5.03 mg/L）。10m和25m深度监测孔中地下水NH4+的δ15N值主要位于+2.0‰+6.0‰,指示有机氮矿化作用为铵氮富集的主控过程。在10m深度监测孔地下水中,存在两种NH4+-δ15N（NH4+）之间的季节性变化模式,即:（1）NH4+浓度和δ15N值在丰水期同时升高,其主要受人类活动输入的影响;（2）在丰水期,NH4+浓度轻微升高而δ15N值轻微降低,其主要归因于矿化作用的增强。而在25m深度监测孔地下水中,存在一种季节性变化模式,即:丰水期时,NH4+浓度降低而δ15N值升高,其主要归因于厌氧氨氧化过程。5.在典型铵氮污染河段,基于示踪剂（KBr）注射试验,结合河底沉积物的理化生特征,对SW-GW系统中铵氮的质量平衡进行了评价。基于河流三个断面处Br-浓度随注射时间的变化,运用基于最小二乘拟合的OTIS-P模拟,得到河段尺度上的平均潜流深度、储留时间和潜流交换量分别为16.4cm、111min和1.36m/day。通过观察河底不同深度沉积物孔隙水中Br-浓度随注射时间的变化,计算得到:在流动路径尺度上,河流中央处的潜流深度、储留时间和潜流交换量分别为6cm、75min和0.66m/day;而河流边缘处相应的结果分别为3cm、100min和0.25m/day。相比于河流边缘处河底沉积物的孔隙度、含水率和粒度（40.08%,48.16%,18.49μm）,河流中央处的更高（56.52%,73.70%,21.45μm）,因此使其具有更大的潜流深度和潜流交换量。在河段尺度上,通过OTIP模型来模拟NH4+的对流-弥散-储积-反应,得到河段尺度上平均的铵氮衰减速率常数为8.5×10-6s-1。而基于流动路径尺度上的计算,可得知:铵氮衰减速率常数在空间上具有高度的可变性,但在河流边缘处沉积物表层的衰减速率常数(2.9×10-5s-1)高于河流中央处(1.1×10-5s-1);而在河流边缘处的沉积物表层,铵氮衰减的百分比（5.24%）也相应地高于河流中央处（0.72%）。铵氮的衰减主要通过铵氮的氧化过程来实现,相比于河流中央处（3.23×10~3和6.26×10~4 copies/g）,在河流边缘处的表层沉积物中赋存着更高丰度的氨氧化细菌和氨氧化古菌（3.70×10~4和2.09×10~6 copies/g）。无论在河流中央还是河流边缘处,铵氮在表层沉积物中的衰减率均受制于反应,结合对反应意义因子（Reaction Significance Factor,RSF）的分析可知,铵氮衰减在更大空间尺度上的累积效应主要受潜流带中局部生物地球化学条件的控制,而非潜流水动力交换。本文的创新点为:（1）运用多种方法对低平原地区“地表水-弱透水层-含水层”这一复杂系统开展了作用机理识别与量化,弥补了国际上SW-GW相互作用研究中这一薄弱环节,为具有相似水文地质背景区域的SW-GW相互作用研究提供了新思路;（2）针对“地表水-弱透水层-含水层”这一复杂系统中铵氮的来源及迁移转化机制开展研究,发现在内陆冲湖积相背景的地下水中也赋存着天然来源的高含量铵氮,且由于地表水或人类活动的影响,弱透水层是否充当地下水中铵氮的“源”或“汇”取决于局部的生物地球化学条件和水文储留时间,更新了国际上已有研究关于“弱透水层是地下水中铵氮的源”的认识。

关键词：铵氮;江汉平原;地表水;地下水;潜流带

学科专业：水利工程

摘要

ABSTRACT

Chapter 1 Introduction

1.1 Background and Significance of the Research

1.2 Surface water-groundwater interaction

1.2.1 Characterization of SW-GW interaction

1.2.2 Quantification of SW-GW interaction

1.3 Ammonium geochemistry

1.3.1 Geochemical behavior of ammonium in SW-GW system

1.3.2 Nitrogen isotope geochemistry

1.4 Jianghan Plain

1.4.1 Geology and Hydrogeology

1.4.2 SW-GW interaction

1.4.3 Nitrogen pollution

1.5 Objectives of the research

Chapter 2 The indications of environmental tracers to surface water-groundwater interactions in Jianghan Plain

2.1 Introduction

2.2 Methods

2.2.1 Field sampling

2.2.2 Chemical analysis

2.3 Results and discussions

2.3.1 Hydrochemistry

2.3.2 Hydrogen and oxygen isotopes

2.3.3 Tritium distribution

2.4 Summary

Chapter 3 Characterizing surface water-groundwater interactions in the interior of Jianghan Plain

3.1 Introduction

3.2 Methods

3.2.1 Hydrogeologic simulation

3.2.2 Hydrogeologic calculation

3.2.3 Collection and modeling of tritium data

3.3 Results

3.3.1 Results from hydrogeologic simulation

3.3.2 Vertical fluxes based on hydrogeologic calculation

3.3.3 Groundwater residence time and exchanging flux based on OTIS model

3.3.4 Groundwater residence time and vertical flux based on the dispersion model

3.4 Discussions

3.4.1 General characteristics of SW-GW interactions in the interior of JHP

3.4.2 Links to water quality in JHP

3.5 Summary

Chapter 4 Sources and fate of high levels of ammonium in surface water and shallow groundwater of the Jianghan Plain, Central China

4.1 Introduction

4.2 Method

4.2.1 Field sampling

4.2.2 Chemical and isotopic measurements

4.3 Results and discussions

4.3.1 Distribution of ammonium in surface water and shallow groundwater

4.3.2 ~(15)N signatures to identify sources and fate of ammonium

4.3.3 Environmental indication

4.4 Summary

Chapter 5 Effect of seasonal hydrologic changes on ammonium behavior in shallow groundwater at Jianghan Plain

5.1 Introduction

5.2 Materials and methods

5.2.1 Field site

5.2.2 Sediment characterization

5.2.3 Monitoring of water level and water chemistry

5.3 Results and Discussions

5.3.1 Seasonal variations of hydrology and hydrochemistry

5.3.2 Nitrogen species and isotope of sediments

5.3.3 Seasonal variation of nitrogen species

5.3.4 Seasonal variation of nitrogen isotope in ammonium

5.3.5 Effect of hydrologic changes on ammonium behavior

5.4 Summary

Chapter 6 The mass balance of ammonium in surface water - hyporheic zone - groundwater system in a typical N-contaminated stream reach at Jianghan Plain

6.1 Introduction

6.2 Materials and Methods

6.2.1 Field site

6.2.2 Sampling and measurement of streambed sediment

6.2.3 Tracer experiment

6.3 Results

6.3.1 Sediment characteristics

6.3.2 Hyporheic-zone characterization

6.4 Discussions

6.4.1 Contribution of hyporheic zone to ammonium mass balance

6.4.2 Difference of hydro-biochemistry for the stream center and margin

6.5 Summary