一種用氫或氧同位素豐度評價人工濕地水流狀態的方法
【專利摘要】本發明屬于環境監測【技術領域】，具體涉及一種用氫或氧同位素豐度評價人工濕地水流狀態的方法。該方法根據測量所得采樣點數據繪制待評估區域同位素豐度等高線，根據同位素等高線，2H和18O豐度較大，且與濕地其他區域有明顯邊緣的區域為緩流區或死水區，2H和18O豐度相對較小且變化不大的區域為濕地水流通道，本發明可準確標示濕地內水流通道和滯留區的具體位置，確定緩流的程度，克服投加示蹤劑研究方法和模型模擬的局限性，本發明分析樣品預處理簡單，數據結果真實可靠，實用性強。
【專利說明】一種用氫或氧同位素豐度評價人工濕地水流狀態的方法
一、【技術領域】
[0001]本發明屬于環境監測【技術領域】，具體涉及一種人工濕地水流狀態的監測評價方法。
二、【背景技術】
[0002]人工濕地作為一種污水生態處理工藝由于其投資少、能耗低、效果好、維護管理簡單等優勢，已廣泛的應用于生活污水、暴雨徑流、污水處理廠的尾水處理以及河流、湖泊的污染防治。
[0003]人工濕地內水體的流動狀態和水力學特性是維持濕地系統正常運行及充分發揮凈化效果的一個重要因素。濕地系統內水流流態較為多樣化，存在滯留和短流現象，局部區域或未被充分利用。因此評估濕地的水流狀態，確定濕地中各區域水流動的趨勢、死水區、漩渦區成為濕地研究應用中的重要組成部分。
[0004]目前研究濕地的水流特征的方法主要有兩種:投加示蹤劑法和模型模擬的方法。投加示蹤劑法即在濕地進水口處一次投加KBr、K1、NaCl等，在出口處連續監測示蹤劑濃度，來研究系統內水力停留時間的分布。但投加示蹤劑法只適用于中小型研究性實驗，在大型規模化人工濕地中不適用，主要由于一方面投加量太大，成本較高，另一方面會給濕地帶來二次污染的問題。利用模型模擬濕地中水體流態的方法存在很大的不確定性，模擬方程多采用經驗公式，模擬結果與實際水流狀態沒有對比，往往存在較大差異。
三、
【發明內容】
[0005]本發明針對目前人工濕地水流狀態和水力學特征研究中存在的不足，提出一種精確度高，簡單方便，不存在二次污染的利用濕地水流中固有氫或氧同位素確定人工濕地處理系統中水流通道的監測評價方法。
[0006]本發明的技術思路如下:
[0007]在濕地水體的蒸發過程中，由于飽和蒸汽壓與分子量成反比，導致重同位素2H和18O在液相中不同程度的富集，引起的濕地不同區域水體中2η、18ο豐度不同，而濕地植物根系從土壤中吸收水分時，并不發生同位素分餾，水分在植物根部與莖干之間運輸時，在到達如葉片或幼嫩未栓化的枝條之前，它的同位素組成(木質部中水分D/Η或180/160)并不發生變化。所以不同位置的植物根系葉片的水同位素組成也有所不同。通過繪制同位素豐度等高線，結合濕地地形條件來確定濕地的水流特征，確定是否存在緩流區、死水區等，從而評估濕地設計是否合理。實施步驟如下:
[0008](I)采樣點位的確定:根據濕地的結構、形狀、進水流量、占地面積基本信息，分析水流趨勢，結合濕地地形條件采用網格布點確定采樣點位置，沿水流方向確定監測斷面；
[0009](2)樣品的采集:在高蒸發無降水的天氣進行采樣，首先測定進水口處進水流量，用GPS對采樣點進行定位，每個采樣點采集水面以下15-30cm處的水樣及采集植物根系和葉片，采集的樣品分別在聚乙烯的樣品瓶和樣品袋中冷藏保存；[0010](3)數據測量與分析:采用真空蒸餾法提取植物葉片和根系中的水分得到待測水樣，將從濕地中直接采集的水樣及葉片和根系的水樣過濾后，用水同位素分析儀測定其中氫或氧同位素的豐度，根據測量所得采樣點數據繪制待評估區域同位素豐度等高線，根據同位素等高線，2H和18O豐度較大，且與濕地其他區域有明顯邊緣的區域為緩流區或死水區，2H和18O豐度相對較小且變化不大的區域為濕地水流通道。
[0011]本發明可直接的標示濕地內水流通道和滯留區的具體位置，確定緩流的程度，克服投加示蹤劑研究方法和模型模擬的局限性，為有針對性的優化濕地設計提供支持。本發明采用的監測方法直接對濕地內本身存在的水和植物進行評價，不用投加示蹤劑，不會對濕地系統造成污染，也不會增加濕地的負荷，而且降低了監測的成本。本發明所采用的分析方法采樣只需一次采樣，耗時少，分析樣品預處理簡單，數據結果真實可靠，實用性強。
四、【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1給出一例人工濕地水流狀態氧同位素豐度等高線示意圖，圖2給出一例人工濕地水流狀態氫同位素等高線示意圖。
五、具體實施例
[0013]實施例1
[0014]待測濕地系統為面積100-10000畝的區域，采用網格布點法確定這片水域上采樣點的位置。沿水流方向確定監測斷面，每個監測斷面之間的距離一般在100-300m之間，當監測斷面寬度小于50m時，只在斷面中間確定一個采樣點；斷面寬度在50-100m時，在左右近岸10-30m處設置兩個采樣點；水面寬度為100-1000米時，設左中右三個采樣點。在可能存在短流或緩流的區域加強布點。在無風空氣濕度較低的天氣采樣，用GPS對每個采樣點定位，用水樣采樣器在每個采樣點采集水面以下20-30cm處的3個混合水樣100ml，水樣置于塑料樣品瓶中低溫避光保存。采樣過程記錄水面以上150cm處的風速、相對濕度、水溫及氣溫等氣象信息。樣品帶回實驗室后，經0.22 μ m的濾膜過濾后，用Picairo水同位素分析儀分析18O或2H穩定同位素豐度，根據測量所得采樣點數據繪制待評估區域同位素豐度等高線，根據同位素等高線，2H或18O豐度較大，且與濕地其他區域有明顯邊緣的區域為緩流區或死水區，從濕地進水到濕地出水2H或18O豐度相對較小且變化不大的區域為濕地水流通道。
[0015]實施例2
[0016]在監測濕地中確定植物采樣點位置，采樣點確定同實施例1，每個采樣點采集植物葉片IOOg左右，置于樣品袋中，冷藏避光保存帶回實驗室。采用真空蒸餾法提取植物葉片中的水分得到待測水樣，水樣經過0.22 μ m的濾膜后，用PicaiTO水同位素分析儀測定其中氫或氧同位素的豐度。根據測量所得采樣點數據繪制待評估區域同位素豐度等高線，根據同位素等高線，2H或18O豐度較大，且與濕地其他區域有明顯邊緣的區域為緩流區或死水區，從進水口到出水口 2H和18O豐度相對較小且變化不大的區域為濕地水流通道。
[0017]實施例3
[0018]在監測濕地中確定植物采樣點位置，采樣點確定同實施例1，每個采樣點采集植物根系IOOg左右，測試分析方法同實施例2。[0019]實施例4
[0020]圖1給出一例人工濕地水流狀態氧同位素豐度等高線示意圖，從圖1中可以看到，該濕地中氧同位素的豐度范圍在-5.98至-5.04%。之間，其中有三個同位素豐度很高的點，I所指示的區域同位素豐度最高達到-5.04%。，同位素豐度等高線密集，該區域給死水區。
2、3所指的區域氧同位素豐度也相對較高，最高分別達到-5.42%。和-5.61%。，2區中同位素豐度等高線豐度密集，為死水區，3區為緩流區，濕地內部等高線較疏的區域即水流通道。
[0021]實施例5
[0022]圖2給出一例人工濕地水流狀態氫同位素等高線示意圖，從圖2中可以看到，該濕地氫同位素風度范圍為-47.11至-45.06%。之間，同位素等高線分布與圖1相似。從而，由氫和氧同位素豐度監測得到的濕地的水流狀態相似。
[0023]該方法用來分析評估濕地內水流狀況，結合采樣點處水體流速的測定，證明該發明有效可行。該發明同樣適用于潛流人工濕地水流狀態的監測評價。
【權利要求】
1.一種用氫或氧同位素豐度評價人工濕地水流狀態的方法，其特征在于該方法步驟如下: (1)樣品的采集:根據濕地的結構、形狀、進水流量、占地面積基本信息，分析水流趨勢，結合濕地地形條件采用網格布點確定采樣點位置。(a)水樣的采集:在高蒸發無降水的天氣進行采樣，首先測定進水口處進水流量，用GPS對采樣點進行定位，每個采樣點采集水面以下15-30cm處的水樣，采集的樣品在聚乙烯樣品瓶中冷藏保存，盡快帶回實驗室進行分析。(b)根系、葉片的采集:在確定的采樣點處采集根系葉片，在樣品袋中冷藏保存，盡快帶回實驗室分析。 (2)數據測量:采用真空蒸餾法提取植物葉片和根系中的水分得到待測水樣，將從濕地中直接采集的水樣及處理得到的葉片和根系的水樣過濾后，用水同位素分析儀測定其中氫或氧同位素的豐度。 (3)數據的分析:根據測量所得采樣點數據繪制待評估區域同位素豐度等高線，根據同位素等高線，2H和18O豐度較大，且與濕地其他區域有明顯邊緣的區域為緩流區或死水區，2H和18O豐度相對較小且變化不大的區域為濕地水流通道。
2.如權利要求1所述的評價人工濕地水流狀態的方法其特征在于:本發明可直接的標示濕地內水流通道和滯留區的具體位置，確定緩流的程度，克服投加示蹤劑研究方法和模型模擬的局限性，為有針對性的優化濕地設計提供支持。本發明采用的監測方法直接對濕地內本身存在的水和植物進行評價，不用投加示蹤劑，不會對濕地系統造成污染，也不會增加濕地的負荷，而且降低了監測的成本。本發明所采用的分析方法采樣只需一次采樣，耗時少，分析樣品預處理簡單，數據結果真實可靠，實用性強。
3.如權利要求1所述的評價人工濕地水流狀態的方法，其特征在于:步驟I所述的樣品采集中，同時采集濕地中水樣和植物根系葉片，可以同時分析這三種樣品中的同位素分布規律，來確保分析數據的可靠性；也可以單獨分析某一類樣品中同位素分布規律，普遍性、實用性很強。
4.如權利要求1所述的人工濕地水流狀態的方法，其特征在于:步驟3所述的樣品分析中，通過繪制同位素豐度等高線的方法確定緩流區死水區的位置，在同位素豐度等高線的示意圖中，可以直接看出同位素豐度較大的區域，該方法簡單方便，直接有效。
【文檔編號】G01M10/00GK103543000SQ201310482675
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月16日 優先權日:2013年10月16日
【發明者】張建, 王洪秀, 張成祿, 馮素萍, 郭子彰, 程呈 申請人:山東大學