CN104615900A - 一种地下水排入湖泊营养盐的定量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地下水排入湖泊营养盐的定量计算方法，包括：构建湖岸营养盐入渗补给区；在小尺度范围内运用地下水渗流计确定地下水排入湖泊渗流速率；建立井群观测系统对地下水排入湖泊营养物浓度进行监测；地下水排入湖泊营养盐定量计算。本发明充分考虑地下水对湖泊营养物质的贡献，所述方法与模型计算法相比，方法更加简单易行，较全面的考虑了湖泊-地下水界面非均质对地下水-湖泊界面交互作用的影响，对湖泊富营养化的防治具有重要的理论与实践意义。

Description

一种地下水排入湖泊营养盐的定量计算方法

技术领域

本发明属于浅水湖泊水体生态环境模拟技术领域，特别是涉及一种地下水排入湖泊营养盐定量计算方法

背景技术

地下水-湖泊交互作用在很多方面成为湖泊生态的一个重要的控制因素。地下水是湖泊水均衡的一个重要的组成部分，这种地下水-湖泊补排关系可能最终决定湖泊的生物地球化学和生态过程。很多研究显示地下水对湖泊营养盐均衡、孔隙水化学组分、水生植物生长有重要的贡献，地下水渗流携带的营养盐占很多湖泊营养物盐的50％。控制湖泊的富营养化关键是控制湖水的营养物质浓度，而控制营养物质浓度的关键是切断营养物质的输入，找出营养物质的输送途径并加以控制是治理湖泊富营养化的重要内容，因此如何定量计算地下水排入湖泊的营养盐从而有效控制从地下水排入湖泊的营养盐引起关注。

与地表水入湖不同，由于地下水可视性差、监测困难和费用昂贵等原因，一直以来处于不断探索过程中，特别是关于地下水对湖泊营养物质的贡献研究不多，也尚未足够重视。湖泊的水量平衡估算中，地下水入湖量的定性研究较多，定量化研究较少，一直以来影响着湖泊水量平衡和营养物质平衡计算的准确性。地下水渗流发生在近湖岸泊，随着离岸边距离增加，地下水渗流呈指数减少。这表明地下水渗流经常发生在地下水-湖泊界面(潜流带)。

本发明的目的是为克服现有技术的不足而提出一种地下水排入湖泊营养盐的定量测试方法，充分考虑地下水对湖泊营养物质的贡献，所述方法与模型计算法、同位素示踪法相比，方法更加简单易行，较全面的考虑了湖泊-地下水界面非均质对地下水-湖泊界面交互作用的影响，对湖泊富营养化的防治具有重要的理论与实践意义。

发明内容

为克服现有技术的问题，本发明提出了一种地下水排入湖泊营养盐定量计算方法。所述方法针对地下水对湖泊营养物质的贡献经常被忽略等问题，在分析湖泊-地下水界面地质岩性、湖泊-地下水界面相互作用关系的基础上，确定地下水-湖泊补给类型，构建湖岸营养盐入渗补给区，建立一种较全面的考虑了湖泊-地下水界面非均质性的地下水排入湖泊营养盐定量计算方法

本发明的目的是这样实现的：一种地下水排入湖泊营养盐的定量计算方法，所述方法的步骤如下：

步骤一、构建湖岸营养盐入渗补给区：结合湖泊-地下水界面的非均质性与地下水-湖泊补给的空间类型确定湖岸营养盐入渗补给区；

步骤二、地下水排入湖泊渗流量测定；将湖床分为n个断面，每个子单元湖岸线长度为l_i，在每个典型子单元里埋设地下水渗流计，测定每个典型子单元中地下水排入湖泊渗流量q(m^-2yr^-1)；剖分长度为l_i的湖岸线的最大地下水排入湖泊渗流量q_z,i(m^-2yr^-1)；每个典型子单元i中地下水排入湖泊渗流量Q_i(m^-2yr^-1)通过公式(1)计算：

$Q_i=Q_{\mathrm{rech},i}\frac{q_{z,i}}{q_z}---\left(1\right)$

$\stackrel{\‾}{q_z}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{z,i}\·l_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{l}_i}$

式中：Q_i是子单元i中地下水排入湖泊渗流量(m^-2yr^-1)，Q_rech,i是年平均地下水排入湖泊总流量均分为n等分的地下水排入湖泊量(m^-2yr^-1)，q_z,i是通过地下水渗流计测量剖分长度为l_i的湖岸线的最大地下水排入湖泊渗流量(m^-2yr^-1),是通过剖分长度为l_i的湖岸线地下水排入湖泊最大流量(q_z,i)的算术平均值(m^-2yr^-1)，l_i是每个湖岸线长度；

步骤三、建立井群观测系统对地下水排入湖泊营养物浓度进行监测；

沿湖岸和垂直于湖岸布设观测取样井系统，使用真空泵收集水样，水样通过过滤器过滤后,加入硫酸酸化到PH值为1.11到2之间，注入密封的玻璃采样瓶中储存，样品用于地下水排入湖泊中营养盐的浓度测试；测试得到地下水排入湖泊中营养盐的浓度Ci(kg.m^-3)；

步骤四、地下水对湖泊的排泄的营养盐荷载定量计算步骤；

地下水排入湖泊的营养盐的总体营养盐荷载通量通过公式(2)和公式(3)计算：

Flux_i＝Qi*Ci    (2)

式中，Flux_总是地下水排入湖泊的总体营养盐荷载通量(kgyr^-1)，Flux_i是子单元i中地下水排入湖泊的营养盐荷载通量(kg.yr^-1)，Q_i是子单元i中地下水排入湖泊渗流量(m^-2yr^-1)，Ci是营养盐的浓度(kg.m^-3)。

进一步的，所述步骤三中的每个监测井由PVC管做成，管的外径为2.7cm，内径为2.1cm，每个监测井底部设有铁丝网。

进一步的，取样深度范围0.5m-5m；在从井中取水样之前,对PVC管冲洗至少5次,所有水样使用真空泵收集，20毫升的水样本通过一个玻璃纤维过滤器过滤,加入200μL 2mol硫酸立即保存，注入密封的玻璃采样瓶中,在5℃下储存。

本发明产生的有益效果是：

本发明所述的方法首先从地下水补给、径流、排泄条件和湖泊-地下水界面地质岩性调查分析地下水-湖泊的补给类型；基于地下水-湖泊的补给类型，以多源数据融合的方法，构建湖岸营养盐入渗补给区，将湖床分为n个典型单元，建立井群观测系统对每个典型单元进行地下水排入湖泊渗流量和营养物浓度监测，定量计算地下水排入湖泊营养盐荷载。

本发明所述方法与数值模拟法、同位素示踪法等现有技术相比，较全面的考虑了湖泊-地下水界面非均质对地下水-湖泊界面交互作用的影响，更加简单易行，更适用于湖泊湿地。所述方法可以直接服务于湖泊湿地富营养化恢复目标的确定，对湖泊富营养化的防治具有重要的理论与实践意义。

附图说明

图1是本发明的实施例一所述方法的流程图；

图2是本发明的实施例一所述的地下水等水位线与-观测采样井系统布设图；

图3是图2中AA’剖面地下水渗流计与采样井布设图；

图4是本发明的实施例一所述的地下水-湖泊界面观测采样井剖面图；

其中1、湖水层；2、浅表松散沉积物；3、筛管部分及过滤装置；

图5是本发明的实施例一所述的地下水-湖泊界面地下水排入湖泊营养盐定量计算剖面图；

其中：Z(m)代表高程；Z3是湖水位(m)；Z2是湖床的高程(m)；Z1是湖床底部含水层隔水底板高程(m)；X(m)是离湖岸的距离(m)。

具体实施方式

实施例一：

本是实施例是一种地下水排入湖泊营养盐的定量计算方法，所述方法的流程如图1所示。

本实施例所述方法的步骤如下：

确定地下水-湖泊补给类型的步骤：用于构建湖岸营养盐入渗补给区，包括：

地下水补给、径流、排泄条件分析：以文献资料调研和实地考察为主，主要是分析湖泊区域地下水的补给来源、水流路径和排泄区。地下水补给、径流、排泄条件不仅受到降水入渗的影响，也受到湖泊及其周边地区地形、地质构造的共同影响。对所在区域褶皱和断裂带等构造，出露的地层和岩性进行总体分析，将湖泊区域按水力传导率划分成含水层与隔水层。

例如：湖泊A是一个最大水位埋深深为50米，平均水位埋深为30米的湖泊。湖泊面积为5.1km².它的补给源为地下水，而没有其他地表径流补给来源。根据研究区的湖泊、地下水位常年观测数据得出：主要地下水流向北部，导致湖泊对地下水的渗流出现在南部湖岸线，如图2所示。

湖泊-地下水界面的非均质性分析：主要通过钻孔取样、浅层地球物理探测等方式对湖床底部岩性进行分析，包括不同尺度下湖床渗透系数的各向异性、湖床的凹凸度、地下水-湖泊界面的几何特性等。

例如：位于南部湖岸线的10个地下水观测井的钻孔数据显示湖床地层为晚更新世基质。埋深为3-34米，饱和渗透系数范围为0.33*10^-4-5.69*10^-4m s^-1。而且钻孔资料表明区域地下水系统中几个含水层之间存在水力联系。湖的南部和东南部含水层地层主要源自更新世沉积物和冰川沉积物。在西部含水层为由中新世沉积物。

构建湖岸营养盐入渗补给区：地下水和湖水之间的营养盐交换通量主要由以下两个因素的控制：

(1)含水层地下水位和湖泊水位中的水位差(水力梯度)作为驱动力；

(2)受含水层-湖泊界面上沉积物水力传导系数的空间分布的影响。含水层地下水位和湖泊水位中的水位差(水力梯度)的空间变异性和含水层-湖泊界面上沉积物水力传导系数决定了湖岸营养盐入渗补给的类型。

结合湖泊-地下水界面的非均质性与地下水-湖泊补给的空间类型确定湖岸营养盐入渗补给区，(a)获取水位数据：运用克里格插值法获得地下水水位等值线，如果湖岸线附近地下水位高于湖水位，则地下水补给湖水，这个区域则成为湖岸营养盐入渗补给区；

(b)获取湖水、湖床、地下水温度数据；当地下水补给湖泊时，相对湖泊具有较大的日间温度变化，湖床下的沉积物中地下水仅有较小的温度差异。在湖床下特定深度，如果有较大流量的地下水补给湖泊，会导致湖床沉积物中水温度具有较小的变化，这是因为较大流量及温度恒定的地下水的缓冲作用较大。如果地下水日间温度变化较大，湖床沉积物中温度变化较小，则该区域则成为湖岸营养盐入渗补给区；

(c)获取湖床渗透系数、湖床的凹凸度、地下水-湖泊界面的几何特性：对湖床渗透系数、地下水-湖泊界面的几何特性进行空间插值，湖床渗透系数高、的区域则成为湖岸营养盐入渗补给区；

将以上三组数据识别出的湖岸营养盐入渗补给区通过多元数据融合方法，运用GIS空间属性叠加构建湖岸营养盐入渗补给区；

如图2所示，将湖床分为n个断面，每个子单元湖岸线长度为l_i，在每个典型子单元里埋设地下水渗流计，测定每个典型子单元中地下水排入湖泊渗流量q；并建立井群观测系统对地下水排入湖泊营养物浓度进行监测，

例如：通过钻孔岩性数据中的饱和渗透系数分区，将A湖床分为26个子单元，每个子单元湖岸线长度为l_i。在每个典型单元中湖岸不同距离埋设地下水渗流计，如图3所示，选择在湖泊的南部布设地下水渗流仪，距离湖岸的距离为1m、2m、3m、5m、8m、10m、15m、39m、62m。

地下水排入湖泊渗流量测定：地下水渗流计底部有一个铁丝网设计,避免摩擦力带来的误差,一个管通过橡皮塞连接渗流计，管子另一端连接一个阀门，有一个4L的渗流袋连接。在渗流袋外侧有一个刚性的有机玻璃将渗流袋包住来保护渗流袋，可以有效的阻止抽吸效应。在测量开始之前，将渗流计放在湖床上一段时间来保证内外水压力相等，湖床沉积物在渗流计周围沉积下来。对每个实验，袋子里预先充满1L的湖水来避免初始水流短缺,将过量的气体排出。当袋子与管连接，阀门打开，开始记录时间。试验结束时，记录时间和对袋子重新称重。

例如：地下水渗流计测量得到最大的地下水入渗量为0.122m³d^-1,在相邻区域地下水渗流计测量得到地下水入渗量范围0.060到0.108m³d^-1。

将总的年均地下水排入湖泊渗流量和地下水排入湖泊渗流类型结合来测定湖岸子单元的地下水排入湖泊渗流量。根据湖泊-地下水界面的非均质性与地下水-湖泊补给的空间类型确定湖岸营养盐入渗补给区，将湖床分为n个断面。年平均地下水排入湖泊总流量均分为n等分(Q_rech,i)，每个湖岸线长度为l_i。每个典型子单元i中地下水排入湖泊渗流量Q_i(m^-2yr^-1)通过以下公式计算：

$Q_i=Q_{\mathrm{rech},i}\frac{q_{z,i}}{q_z}$

$\stackrel{\‾}{q_z}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{z,i}\·l_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{l}_i}$

式中：Q_i是子单元i中地下水排入湖泊渗流量(m^-2yr^-1)，Q_rech,i是年平均地下水排入湖泊总流量均分为n等分(m^-2yr^-1)，q_z,i是通过地下水渗流计测量剖分长度为l_i的湖岸线的最大地下水排入湖泊渗流量(m^-2yr^-1),是通过剖分长度为l_i的湖岸线地下水排入湖泊最大流量(q_z,i)的算术平均值(m^-2yr^-1)，l_i是每个湖岸线长度，

如图3所示，建立井群观测系统对地下水排入湖泊营养物浓度进行监测：沿湖岸和垂直于湖岸布设观测取样井系统，AA^/剖面垂直于湖岸布设。

如图4所示，监测井由PVC做成，外径为2.7cm，内径为2.1cm，井底底部有一个铁丝网设计,避免摩擦力带来的误差和防止淤泥堵塞取样井，取样深度范围0.5m-5m。

进一步的，在从井中取水样之前,对PVC管冲洗至少5次,所有水样使用真空泵收集，20毫升的水样本通过一个玻璃纤维过滤器过滤,加入200μL 2mol硫酸立即保存，注入密封的玻璃采样瓶中,在5℃下储存。样品用于地下水排入湖泊中营养盐的浓度测试，营养盐浓度测试方法参照国家标准。

如图5所示：地下水对湖泊的排泄的营养盐荷载定量计算步骤：为获取地下水排入湖泊的营养盐的总体营养盐荷载通量计算，

Flux_i＝Qi*Ci

式中，Flux_总是地下水排入湖泊的总体营养盐荷载通量(kg.yr^-1)，Flux_i是子单元i中地下水排入湖泊的营养盐荷载通量(kg.yr^-1)，Q_i是子单元i中地下水排入湖泊渗流量(m^-2yr^-1)，Ci是地下水排入湖泊中营养盐的浓度(kg.m^-3)。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳的布置方案对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种地下水排入湖泊营养盐的定量计算方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：

步骤一、构建湖岸营养盐入渗补给区：结合湖泊-地下水界面的非均质性与地下水-湖泊补给的空间类型确定湖岸营养盐入渗补给区；

步骤二、地下水排入湖泊渗流量测定；将湖床分为n个断面，每个子单元湖岸线长度为l_i，在每个典型子单元里埋设地下水渗流计，测定每个典型子单元中地下水排入湖泊渗流量q(m^-2yr^-1)；剖分长度为l_i的湖岸线的最大地下水排入湖泊渗流量q_z,i(m^-2yr^-1)；每个典型子单元i中地下水排入湖泊渗流量Q_i(m^-2yr^-1)通过公式(1)计算：

$Q_i=Q_{\mathrm{rech},i}=\frac{q_{z,i}}{\stackrel{\‾}{q_z}}---\left(1\right)$

$\stackrel{\‾}{q_z}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{z,i}\·l_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{l}_{\text{i}}}$

式中：Q_i是子单元i中地下水排入湖泊渗流量(m^-2yr^-1)，Q_rech,i是年平均地下水排入湖泊总流量均分为n等分的地下水排入湖泊量(m^-2yr^-1)，q_z,i是通过地下水渗流计测量剖分长度为l_i的湖岸线的最大地下水排入湖泊渗流量(m^-2yr^-1),是通过剖分长度为l_i的湖岸线地下水排入湖泊最大流量(q_z,i)的算术平均值(m^-2yr^-1)，l_i是每个湖岸线长度；

步骤三、建立井群观测系统对地下水排入湖泊营养物浓度进行监测；

沿湖岸和垂直于湖岸布设观测取样井系统，使用真空泵收集水样，水样通过过滤器过滤后,加入硫酸酸化到PH值为1.11到2之间，注入密封的玻璃采样瓶中储存，样品用于地下水排入湖泊中营养盐的浓度测试；测试得到地下水排入湖泊中营养盐的浓度Ci(kg.m^-3)；

步骤四、地下水对湖泊的排泄的营养盐荷载定量计算步骤；

地下水排入湖泊的营养盐的总体营养盐荷载通量通过公式(2)和公式(3)计算：

Flux_i＝Qi*Ci            (2)

式中，Flux_总是地下水排入湖泊的总体营养盐荷载通量(kgyr^-1)，Flux_i是子单元i中地下水排入湖泊的营养盐荷载通量(kg.yr^-1)，Q_i是子单元i中地下水排入湖泊渗流量(m^-2yr^-1)，Ci是营养盐的浓度(kg.m^-3)。

2.根据权利要求1所述的一种地下水排入湖泊营养盐的定量计算方法，其特征在于，所述步骤三中的每个监测井由PVC管做成，管的外径为2.7cm，内径为2.1cm，每个监测井底部设有铁丝网。

3.根据权利要求2所述的一种地下水排入湖泊营养盐的定量计算方法，其特征在于，取样深度范围0.5m-5m；在从井中取水样之前,对PVC管冲洗至少5次,所有水样使用真空泵收集，20毫升的水样本通过一个玻璃纤维过滤器过滤,加入200μL 2mol硫酸立即保存，注入密封的玻璃采样瓶中,在5℃下储存。