CN113624931A - 平原河网交汇区氮转化动态调节河工模型试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平原河网交汇区氮转化动态调节河工模型试验系统及方法，属于水资源研究的技术领域。该系统包括进水箱、河网区、出水箱及地下水库，河网区包括一个干流河道和若干个支流河道，支流河道的下游端均与干流河道连通，干流河道和若干个支流河道的上游端均与进水箱连通，干流河道的下游端与出水箱连通，出水箱连通地下水库；干流河道铺设有河网底泥；支流河道与干流河道之间的交汇角度以及支流河道的坡度可调节；进水箱的出流区域设置水质在线监测仪。该方法为设定标准工况，变化参数分组试验，采集底泥样品，测定底质中不同形态氮浓度和微生物群落，测定模型中水体中不同形态氮浓度。本发明为科研提供了实施环境和方法。

Description

平原河网交汇区氮转化动态调节河工模型试验系统及方法

技术领域

本发明涉及一种平原河网交汇区氮转化动态调节河工模型试验系统及方法，属于水资源研究的技术领域。

背景技术

氮素污染作为河流的主要污染方式，氮素污染物是衡量水体毒理性和富营养化程度的重要指标，其中氨氮、亚硝酸盐氮浓度过高，会对水生生物的生长产生毒害作用，是产生水体毒害的常见因子。河流的氮素污染，不仅仅制约了社会和城市的发展，也对人们的生活造成了巨大的影响，饮水安全、河流黑臭以及食品安全问题都随之出现。城市河流作为自然流域的一部分，它参与整个水文循环过程，但他又深受城市环境的影响。在城市生态建设过程中，河流显示出不可替代的作用，城市河流具有水源地、水路运输、旅游娱乐、物质循环与生态保护、减弱城市热岛效应及调节局部气候等功能。平原河网地区是河流高度发育并受到城市化深刻影响的区域，平原河网地区人口密集，排污量大，含氮污染物多，对平原河网交汇区氮转化研究是去除含氮污染物的关键环节。

河流水域通常在户外或野外，对河流水域内的元素或者微生物的研究，受到户外或野外环境的影响，而很难实施，比如天气变化、白昼变化，都会给定期采集底质或水质样品带来很大难度，河流水域本身的水流量大，采集难度大，如果定期频繁采样，更是要耗费大量的人力物力，受到户外或野外的条件限制，试验仪器不好搬运到现场，样品需要带回实验室检测，增加运输和保存成本，且水质或底质中的元素或微生物，很可能在运输过程中发生变化，而失去研究的价值和意义，最终导致研究失败。

可见研究出一套能够在实验室内完成实验过程的河工模型试验系统和方法是水资源研究领域内亟待解决的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种平原河网交汇区氮转化动态调节河工模型试验系统及方法，其具体技术方案如下：

平原河网交汇区氮转化动态可调节河工模型试验系统，包括进水箱、河网区、出水箱及地下水库，所述河网区包括一个干流河道和若干个支流河道，所有支流河道的下游均汇流到干流河道，所述干流河道和若干个支流河道的上游端均与进水箱连通，所述干流河道的下游端与出水箱连通，所述出水箱设置有出水口，通过出水管道连通出水口和地下水库，且出水管道设置有出水阀门；

所述干流河道和支流河道均铺设有河网底泥；

所述支流河道与干流河道之间的交汇角度以及支流河道的坡度可调节；

所述进水箱的出流区域设置两个以上的水质在线监测仪。

进一步的，所述支流河道由有机玻璃制成，在其与干流河道交汇处用弹性橡胶材料与干流河道连接。

进一步的，所述支流河道的底部设置有支流托架和滑轮，所述滑轮可滑动地置于支流托架上，通过变动滑轮距离交汇处的距离，实现支流河道坡度变化。

进一步的，每个所述支流河道分别通过各自的进水管与进水箱连通，且各个进水管的进水端均独立设置有控制阀，中部均独立设置有流量计；

每个所述支流河道内均设置有水位计和流速仪；

所述干流河道的交汇区域的上游设置有水位计和流速仪，下游设置水质在线监测仪、流速仪和水位计；

相邻的交汇处之间分别设置有水质在线监测仪。

进一步的，所述地下水库和进水箱用水管连通，所述水管连接水泵；

所述进水箱设置有溢流口，通过溢流管道连通溢流口和地下水库；

所述地下水库设置有水质在线监测仪。

平原河网交汇区氮转化动态可调节河工模型试验方法，包括以下步骤：

步骤1：搭建模型：

制造进水箱：进水箱用不透水钢筋混凝土浇筑，内部贴附光滑有机玻璃，体积为35m×11m ×1.5m，在进水箱出流区域安置两处水质在线监测仪器，确保河网区进水总氮浓度保持不变；

制造河网区：河网区由一条0.66m宽的干流河道和八条0.5m宽的支流河道构成，干流河道尺寸55m×1m×0.66m为有机玻璃构筑而成，支流河道尺寸为13m×1m×0.5m为有机玻璃构成，在交汇口处由有机玻璃和弹性橡胶材料连接与支流河道共同构成可调节交汇区，可调节交汇角度和支流河道坡度，其调节方式由钢结构的支流托架和滑轮共同调节，河网区进水由进水箱提供，河网流量由电磁流量计测量，通过控制阀调节进水量大小，通过进水箱(聚乙烯管道) 进入河网，河网水位、流速及总氮浓度分别由水位计、流速仪和水质自动监测仪监测；

制造出水箱：出水箱用不透水钢筋混凝土浇筑，内部贴附光滑有机玻璃，体积为35m×11m ×1.5m，设置一处出水口，出水箱中的水流进入地下水库，出水口设置出水阀门，控制出水量和调节下游末端水位；

建筑地下水库：地下水库由不透水混凝土衬砌而成，内部为光滑有机玻璃贴附，内部尺寸为55.7m×35m×2m，收纳河网末端尾水，通过自动监测水质及时调节总氮浓度，使进水箱浓度稳定，再通过水泵抽至进水箱及时补充进水箱水量至溢出，使得进水箱水位始终处于固定水位，形成稳定供水系统，而进水箱缺口溢出水量通过溢流通道再次回到地下水库；

步骤2：在干流河道和支流河道铺设0.1m厚的河网底泥，

步骤2：在干流河道和支流河道铺设0.1m厚的河网底泥，底泥和厚度是根据《GB15618-1995土壤环境质量标准》《HJ/T 166土壤环境监测技术规范》，0-15cm成为表层底泥，而河底微生物主要富集在表层底泥；

步骤3：设定基础工况：以干流流量43m³/h，干流水位0.4m，支流流量和水位根据其与干流河道的宽度比设定，基础工况为流量32.6m³/h，交汇角度45°，干流的河床宽深比(宽深比是河流的宽度与深度的比值)50，总氮浓度1.5mg/L为基础工况；

步骤5：每组实验别分在0天、5天、10天、15天及20天采集底泥样品，测定河网底泥中不同形态氮浓度和微生物群落；水质为自动监测每2h记录一次数据，测定模型水体中不同形态氮浓度；

步骤6：通过高通量测序和荧光定量PCR方法，研究河网底泥微生物群落及微生物氮转化相关基因变化规律；

根据响应面方析分法，通过对比不同的变量条件下河网底泥不同形态氮浓度与氮循环菌相关基因的绝对丰度及微生物群落的均匀度、丰度、丰富度及组成结构相关性分析；

解析动水条件下单个交汇区的不同水动力分区中氮循环微生物群落组成、均匀度及丰富度的变化规律，探讨水动力参数对氮循环微生物群落演替过程的影响，阐明多主导因子协同驱动下氮循环微生物群落及基因的响应规律；

步骤7：在研究单个交汇区的不同水动力分区对微生物影响的基础上，运用神经网络，利用评级指标体系神经网络构建、网络训练、相关性析分、显著性析分及绝对影响析分，建立河网底泥微生物多样性特征指标与各个变量及总氮特征参数的方程，阐明水动力空间差异性对氮循环微生物群落的作用机制及氮转化作用机理。

进一步的，所述相关基因包括amoA、nirK、hzo、nrf、nxrA、nap、narG和dsr。

本发明的有益效果是：

氮素污染作为河流的主要污染方式，氮素污染物是衡量水体毒理性和富营养化程度的重要指标，其中氨氮、亚硝酸盐氮浓度过高，会对水生生物的生长产生毒害作用，是产生水体毒害的常见因子。河流的氮素污染，不仅仅制约了社会和城市的发展，也对人们的生活造成了巨大的影响，饮水安全、河流黑臭以及食品安全问题都随之出现。平原河网地区，人口密集，排污量大，含氮污染物多，对平原河网交汇区氮转化研究是去除含氮污染物的关键环节。

本发明构建的试验系统，符合模型试验大厅面积和基础设施，把户外或野外的河流水域试验转移到试验大厅，增加了试验的可操作性，实现部分参数变化，而其他参数不变的情况下，对河网底泥中的微生物菌群、水质中的氮采样分析。这些都是户外河流水域无法研究的，可见本发明对于科研行业作为了巨大的贡献。

平原河网结构形态对水体氮素自净能力、环境容量及营养循环之间的关系，对指导城市内河生态修复、恢复河流生态结构与净化功能具有的理论与实际意义。河网地区氮转化是生物地球化学氮循环的重要环节，为城市河网水污染治理、农业面源治理及水产养殖提供科学依据。

附图说明

图1是本发明的平面图，

图2是本发明实施例的基础工况的流速分布图(流速单位m/s)，

图3是图2中的1和2汇流处的局部放大图，

图4是图2中的3和4汇流处的局部放大图，

图5是图2中的5和6汇流处的局部放大图，

图6是本发明实施例的基础工况的铵根NH4+浓度场(浓度单位mg/L)，

图7是本发明实施例的基础工况的亚硝酸盐NHO22-浓度场(浓度单位mg/L)，

图8是本发明实施例的基础工况的硝酸盐NHO3-浓度场(浓度单位mg/L)，

图9是本发明实施例的基础工况的溶解氧DO浓度场(浓度单位mg/L)，

图10是本发明实施例的基础工况的微生物摄取N量(摄取N量的单位mg/L/d)，

图上的各字母代表含义为：Q-水质在线监测仪，M-流量计，L-水位计，V-流速仪，ADV -声学多普勒流速仪。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明，给出一个具体实施例。

如图1所示，本发明根据已有模型试验大厅面积和基础设施，构建长为81m宽35m的试验系统，主要分为进水箱、河网区、出水箱及地下水库(也叫水质恢复区)。模型根据水深及实验场地面积等，按照太湖典型区的河网河宽100m，河深2m，采用的水平比尺λ_l为1∶150，垂直比尺λ_h为1∶5，其变态率e为30，流量比尺λ_Q为1677，流速比尺λ_u为12，相应模型河宽0.66m，模型河深0.4m。

变态率：

流量比尺：λ_Q＝λ_lλ_h ^3/2＝150×5^3/2＝1667

速度比尺：λ_u＝λ_l ^1/2＝12

上述参数是实际河道在长度、宽度方面缩小的倍数，实际河道的流速和流量是模型试验监测数据的扩大倍数。

进水箱为不透水钢筋混凝土浇筑，内部由光滑有机玻璃贴附而成，体积为35m×11m×1.5m，主要用于蓄水和稳流，使得试验用水充足稳定且能够平稳出流，在进水箱出流区域安置两处水质在线监测仪器，确保进水总氮浓度保持不变。河网区由一条0.66m宽的干流和八条0.5m宽的支流构成，干流尺寸55m×1m×0.66m为有机玻璃构筑而成，支流河道尺寸为13m×1m×0.5m 为有机玻璃构成，在交汇口处由有机玻璃和弹性橡胶材料连接与支流共同构成可调节交汇区，可调节交汇角度和支流河道坡度，其调节方式由钢结构支流托架和滑轮共同调节。河网区进水由进水箱提供，河网流量由电磁流量计测量通过控制阀调节进水量大小，通过进水管(聚乙烯管道)进入河网。河网水位、流速及总氮浓度分别由水位计、流速仪和水质自动监测仪器监测，仪器分布情况见图。出水箱构造同进水箱，设置一处出水口将使得水流进入循环系统，出水阀门控制出水量和调节下游末端水位。地下水库由房屋构造时不透水混凝土衬砌而成，内部为光滑有机玻璃贴附，内部尺寸为55.7m×35m×2m，作为收纳河网末端尾水，通过自动监测水质及时调节总氮浓度同进水箱固定浓度，再通过水泵抽至进水箱及时补充进水箱水量至溢出，使得进水箱水位始终处于固定水位，形成稳定供水系统，而进水箱缺口溢出水量通过溢流通道再次回到地下水库。

在完成物理模型构建之后，在模型干流和支流河道铺设0.1m厚的河网底泥，河网底泥，通过控制变量的方法进行试验，试验工况见表1。通过控制水量、水位、交汇角度、河床宽深比等变量的变化，当进行某一变量下的试验时，其他不变量选取基础工况。对各个方案分别在 0天、5天、10天、15天及20天采集底泥样品，测定底质中不同形态氮浓度和微生物群落；水质为自动监测每2h记录一次数据，测定模型中水体中不同形态氮浓度。通过高通量测序和荧光定量PCR方法，研究底质微生物群落及微生物氮转化相关基因变化规律。根据响应面分析方法，通过对比不同的变量条件下底质不同形态氮浓度与氮循环菌相关基因(包括amoA、nirK、 hzo、nrf、nxrA、nap、narG和dsr等)的绝对丰度及微生物群落的均匀度、丰度、丰富度及组成结构等参数的相关性分析。解析动水条件下单个交汇区的不同水动力分区中氮循环微生物群落组成、均匀度及丰富度等参数的变化规律，探讨水动力参数对氮循环微生物群落演替过程的影响，阐明多主导因子协同驱动下氮循环微生物群落及基因的响应规律。

表1平原河网交汇区物理模型试验工况

在研究单个交汇区的不同水动力分区对微生物影响的基础上，运用神经网络，利用评级指标体系神经网络构建、网络训练、相关性分析、显著性分析及绝对影响分析等，建立底质微生物多样性特征指标与各个变量及总氮特征参数的方程，阐明水动力空间差异性对氮循环微生物群落的作用机制及氮转化作用机理。

试验过程实测数据如图2-10所示，图2是本发明实施例的基础工况的流速分布图(流速单位m/s)，图3是图2中的1和2汇流处的局部放大图，图4是图2中的3和4汇流处的局部放大图，图5是图2中的5和6汇流处的局部放大图，图6是本发明实施例的基础工况的铵根NH4+浓度场(浓度单位mg/L)，图7是本发明实施例的基础工况的亚硝酸盐NHO22-浓度场(浓度单位mg/L)，图8是本发明实施例的基础工况的硝酸盐NHO3-浓度场(浓度单位mg/L)，图9是本发明实施例的基础工况的溶解氧DO浓度场(浓度单位mg/L)，图10是本发明实施例的基础工况的微生物摄取N量(摄取N量的单位mg/L/d)。当根据表1进行变量调整时，重新得到调整后的模拟数据，为底质中的微生物、氮转化、硝酸盐、亚硝酸盐转化提供了研究数据，为科研提供强有力的试验支撑，便于将试验数据与理论结合，为研究事业的发展具有重大的贡献。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.平原河网交汇区氮转化动态可调节河工模型试验系统，其特征在于：包括进水箱、河网区、出水箱及地下水库，所述河网区包括一个干流河道和若干个支流河道，所有支流河道的下游均汇流到干流河道，所述干流河道和若干个支流河道的上游端均与进水箱连通，所述干流河道的下游端与出水箱连通，所述出水箱设置有出水口，通过出水管道连通出水口和地下水库，且出水管道设置有出水阀门；

所述干流河道和支流河道均铺设有河网底泥；

所述支流河道与干流河道之间的交汇角度以及支流河道的坡度可调节；

所述进水箱的出流区域设置两个以上的水质在线监测仪。

2.根据权利要求1所述的平原河网交汇区氮转化动态可调节河工模型试验系统，其特征在于：所述支流河道由有机玻璃制成，在其与干流河道交汇处用弹性橡胶材料与干流河道连接。

3.根据权利要求1所述的平原河网交汇区氮转化动态可调节河工模型试验系统，其特征在于：所述支流河道的底部设置有支流托架和滑轮，所述滑轮可滑动地置于支流托架上，通过变动滑轮距离交汇处的距离，实现支流河道坡度变化。

4.根据权利要求1所述的平原河网交汇区氮转化动态可调节河工模型试验系统，其特征在于：每个所述支流河道分别通过各自的进水管与进水箱连通，且各个进水管的进水端均独立设置有控制阀，中部均独立设置有流量计；

每个所述支流河道内均设置有水位计和流速仪；

所述干流河道的交汇区域的上游设置有水位计和流速仪，下游设置水质在线监测仪、流速仪和水位计；

相邻的交汇处之间分别设置有水质在线监测仪。

5.根据权利要求1所述的平原河网交汇区氮转化动态可调节河工模型试验系统，其特征在于：所述地下水库和进水箱用水管连通，所述水管连接水泵；

所述进水箱设置有溢流口，通过溢流管道连通溢流口和地下水库；

所述地下水库设置有水质在线监测仪。

6.平原河网交汇区氮转化动态可调节河工模型试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：搭建模型：

制造进水箱：进水箱用不透水钢筋混凝土浇筑，内部贴附光滑有机玻璃，体积为35m×11m×1.5m，在进水箱出流区域安置两处水质在线监测仪器，确保河网区进水总氮浓度保持不变；

制造河网区：河网区由有机玻璃构筑而成的一条干流河道和多条支流河道构成，在干流河道和多条支流河道的交汇口处由有机玻璃和弹性橡胶材料连接与支流河道共同构成可调节交汇区，可调节交汇角度和支流河道坡度，其调节方式由钢结构的支流托架和滑轮共同调节，河网区进水由进水箱提供，河网流量由电磁流量计测量，通过控制阀调节进水量大小，通过进水箱进入河网，河网水位、流速及总氮浓度分别由水位计、流速仪和水质自动监测仪监测；

制造出水箱：出水箱用不透水钢筋混凝土浇筑，内部贴附光滑有机玻璃，设置一处出水口，出水箱中的水流进入地下水库，出水口设置出水阀门，控制出水量和调节下游末端水位；

建筑地下水库：地下水库由不透水混凝土衬砌而成，内部为光滑有机玻璃贴附，收纳河网末端尾水，通过自动监测水质及时调节总氮浓度，使进水箱浓度稳定，再通过水泵抽至进水箱及时补充进水箱水量至溢出，使得进水箱水位始终处于固定水位，形成稳定供水系统，而进水箱缺口溢出水量通过溢流通道再次回到地下水库；

步骤2：在干流河道和支流河道铺设0.1m厚的河网底泥，

步骤3：设定基础工况：以干流流量43m³/h，干流水位0.4m，支流流量和水位根据其与干流河道的宽度比设定，基础工况为32.6 m³/h，交汇角度45°，干流的河床宽深比50，总氮浓度1.5mg/L为基础工况；

步骤4：变化水量、水位、交汇角度、河床宽深比中的某一变量进行实验，其他不变量选取基础工况数据，进行多组实验；

步骤5：每组实验分别在0天、5天、10天、15天及20天采集底泥样品，测定河网底泥中不同形态氮浓度和微生物群落；水质为自动监测每2h记录一次数据，测定模型水体中不同形态氮浓度；

步骤6：通过高通量测序和荧光定量PCR方法，研究河网底泥微生物群落及微生物氮转化相关基因变化规律；

根据响应面分析方法，通过对比不同的变量条件下河网底泥不同形态氮浓度与氮循环菌相关基因的绝对丰度及微生物群落的均匀度、丰度、丰富度及组成结构相关性分析；

解析动水条件下单个交汇区的不同水动力分区中氮循环微生物群落组成、均匀度及丰富度的变化规律，探讨水动力参数对氮循环微生物群落演替过程的影响，阐明多主导因子协同驱动下氮循环微生物群落及基因的响应规律；

步骤7：在研究单个交汇区的不同水动力分区对微生物影响的基础上，运用神经网络，利用评级指标体系神经网络构建、网络训练、相关性分析、显著性分析及绝对影响分析，建立河网底泥微生物多样性特征指标与各个变量及总氮特征参数的方程，阐明水动力空间差异性对氮循环微生物群落的作用机制及氮转化作用机理。

7.根据权利要求6所述的平原河网交汇区氮转化动态可调节河工模型试验方法，其特征在于：所述相关基因包括 amoA、nirK、hzo、nrf、nxrA、nap、narG和dsr。

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