硝酸鹽在有水生植物的地下水-湖泊界面運移的實驗方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種硝酸鹽在有水生植物的地下水-湖泊界面運移的實驗方法，屬于 水利工程、地質工程及環境工程領域。
【背景技術】
[0002] 地下水-湖泊交互作用在很多方面成為湖泊生態的一個重要的控制因素。地下水 是湖泊水均衡的一個重要的組成部分，這種地下水-湖泊補排關系可能最終決定湖泊的生 物地球化學和生態過程。很多研究顯示地下水對湖泊營養鹽均衡、孔隙水化學組分、水生植 物生長有重要的貢獻，地下水滲流攜帶的營養鹽占很多湖泊營養鹽的50%。控制湖泊的富 營養化關鍵是控制湖水的營養物質濃度，而控制營養物質濃度的關鍵是切斷營養物質的輸 入，找出營養物質的輸送途徑并加以控制是治理湖泊富營養化的重要內容，因此如何通過 控制地下水-湖泊界面地下水滲流的手段來控制進入湖泊的營養鹽引起關注。
[0003] 與地表水入湖不同，由于地下水可視性差、監測困難和費用昂貴等原因，一直以來 處于不斷探索過程中，特別是關于地下水對湖泊營養物質的貢獻研究不多，也尚未足夠重 視。湖泊的水量平衡估算中，地下水入湖量的定性研究較多，定量化研究較少，一直以來影 響著湖泊水量平衡和營養物質平衡計算的準確性。針對目前地下水對湖泊營養物質的貢獻 研究方面存在的主要問題，研究集中在地下水-湖泊界面的通量上，同時由于地下水可視性 差、監測困難和費用昂貴等原因，缺乏硝酸鹽在有沉水植物的地下水-湖泊界面的迀移過程 研究。
【發明內容】
[0004] 本發明所要解決的技術問題在于針對上述【背景技術】中存在的問題，提供一種可以 切實有效的取樣和測量來來研究硝酸鹽迀移規律的硝酸鹽在有水生植物的地下水-湖泊界 面運移的實驗方法，為為硝酸鹽污染物在地下水-湖泊界面中的研究提供理論依據和技術 支持，為控制地下水滲流中營養物質的輸入，治理湖泊富營養化提供理論依據。
[0005] 為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為:硝酸鹽在有水生植物的地下水-湖泊界面運移的實驗方法，其特征在于，包括如下步驟：
[0006] (1)制備人工地下水并進行預處理:配備具有硝酸根離子的溶液作為人工地下水， 收集并洗凈粒徑大小為〇. 5-lmm的沙子作為沉積物，取沉水植物洗凈后作為實驗對象；
[0007] (2)運行實驗裝置并加入硝酸鹽:實驗裝置分為兩部分，上水箱用于模擬湖水，在 實驗初期向上水箱加入去離子水，記錄好初始水位;下水箱用于模擬含有硝酸鹽的人工地 下水;在上水箱和下水箱之間有一層沉積層，沉積層由沉積物構成，沉積層與下水箱之間設 有濾網，沉積層放置于濾網上，制成地下水-湖泊界面;在沉積層上加入沉水植物，使沉水植 物根系埋入沙中；打開蠕動栗，開始向下水箱中輸入人工地下水，同時通過蠕動栗栗吸作 用，使人工地下水從下水箱到上水箱，上水箱與下水箱之間發生水力交換，持續循環運行使 上覆水與湖床間交換達到平衡；
[0008] (3)循環運行過程中硝酸鹽的定時監測：按預定的時間從實驗裝置中抽取上覆水 和孔隙水，充分搖晃，用紫外分光光度計測量硝酸鹽濃度；
[0009] (4)實驗結束后，將沉積物分層分塊，平均等分若干塊，然后分塊測定每塊沉積物 中的硝態氮含量;最后將每塊硝態氮含量累加得到沉積物中硝態氮總量；
[0010] 測定每塊沉積物中的硝態氮含量的方法為：用取沙器在每塊中取出一定體積沙 樣，取樣后分離泥沙中含有的硝酸鹽:用超聲波振蕩儀振蕩，通過超聲波分離截留和吸附在 泥沙表面的硝酸鹽，然后測定硝態氮含量。
[0011] (5)根據實驗裝置中湖水位變化統計通過蠕動栗輸入人工地下水的總氮量（即下 述的輸入硝態氮量），分析湖水中的氮濃度隨時間的變化再根據湖水位計算出湖水量，然后 計算出湖水中的總硝態氮量，最后進行氮均衡及水均衡分析。
[0012] 湖水中的硝態氮量計算:根據實驗裝置中實時監測的上水箱湖水位變化與上水箱 截面積乘積計算出上水箱水量體積變化，通過湖水體積與湖水中氮濃度的乘積計算出湖水 中的硝態氮量；
[0013] 輸入硝態氮量計算:上水箱水量體積變化與下水箱的人工地下水中硝態氮濃度乘 積計算出輸入的總硝態氮量；
[0014] 沉積物中硝態氮量計算:將沉積物分層分塊，平均等分若干塊，然后分塊測定每塊 沉積物中的硝態氮含量;分塊測定每塊沉積物中的硝態氮含量的步驟為：用超聲波振蕩儀 振蕩，通過超聲波分離截留和吸附在泥沙表面的硝酸鹽，并測定硝態氮含量;最后將每塊硝 態氮含量累加得到沉積物中硝態氮總量；
[0015] 氮均衡及水均衡分析指的是輸入硝態氮量=湖水中硝態氮量+沉積物中硝態氮量 +植物吸收與揮發量。
[0016] 步驟(1)中，人工地下水由KN〇3、KH2P〇4、CaCl 2和MgS〇4配置而成。
[0017] 步驟(2)中，蠕動栗的轉速為0.8rpm，蠕動栗勻速向下水箱輸入人工地下水。
[0018]步驟(4)中，用超聲波分離截留在泥沙表面上的膠體，超聲波振蕩儀振蕩2h。
[0019] 步驟(2)中，打開蠕動栗之前，檢查實驗裝置是否漏水以及實驗裝置是否正常，如 無異常用去離子水沖洗實驗裝置，把清洗過的沙子轉到實驗裝置的上水箱中，人工上下翻 轉沙床若干次，以完全排除沙床中的氣體。
[0020] 步驟(1)中，人工地下水中硝酸鹽濃度為30mg/L。
[0021] 步驟(2)中，上覆水與湖床間交換達到平衡是指上覆水硝酸鹽的濃度達到穩定狀 ??τ 〇
[0022] 本發明具有以下有益效果：
[0023] (1)本發明采用自制實驗裝置(上水箱+沉積物+下水箱），有效的彌補了地下水的 不可視性、監測困難的缺陷，運用蠕動栗來控制地下水的流速，可以很直觀的刻畫地表水-地下水交互作用以及監測硝酸鹽在地下水-湖泊界面運移。（2)本發明中硝酸鹽分層采樣， 對沉積物進行了分層，確保了取樣的有序并使沙樣具有代表性，做到了科學測量。（3)由于 對所采沙樣人工搖蕩只能分離少部分硝酸鹽，為達到硝酸鹽濃度的準確測量需采用超聲波 振蕩儀振蕩，經實踐發現，振蕩的最佳時間為2h，超過2h振蕩值基本不變，表明沙粒表面的 硝酸鹽已基本脫離，測量時經過不斷實踐，總結出了地下水-湖泊界面上地下水攜帶的營養 鹽入湖量的具體范圍。這種方法可以彌補地下水排入湖泊營養鹽難以定量計算的缺陷。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本發明的實驗設備示意圖，其中1、上水箱；2、鐵絲濾網；3、下水箱;4、蠕動 栗;5、塑料容器；
[0025] 圖2為上覆水中污染物硝酸鹽濃度隨時間的變化關系圖，可以看出14天之后硝酸 鹽進入湖水中濃度趨于平緩，這主要是河流上覆水和孔隙水的濃度基本達到一致的結果。 由此可見，本發明方法能夠很好的反映硝酸鹽在湖泊上覆水與空隙間的交換過程。
【具體實施方式】
[0026] 下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
[0027] 硝酸鹽在有水生植物的地下水-湖泊界面運移的實驗方法，包括如下步驟：
[0028] (1)制備人工地下水并進行預處理:配備具有不同濃度梯度硝酸根以及尿素的溶 液作為人工地下水，收集粒徑大小為〇. 5-lmm的沙并用去離子水洗凈作為沉積物，取長度和 大小相近的沉水植物洗凈后作為實驗對象;將實驗用的沉水植物分離后冷凍干燥并搗碎， 過100目篩裝密封袋低溫保存；
[0029] (2)運行實驗裝置并加入硝酸鹽:清潔實驗裝置(如附圖1)，實驗裝置分為兩部分， 上水箱1主要用于模擬湖水，在實驗初期向其中加入去離子水，記錄好初始水位;下水箱3主 要用于模擬含有硝酸鹽的地下水;在上水箱和下水箱之間有一層沉積層，沉積層由洗凈的 粒徑大小為0.5-lmm的沙子構成，沉積層與下水箱之間設有鐵絲濾網2,沉積層設置于濾網 上，制成地下水-湖泊界面，在沉積層加入洗凈的沉水植物，使沉水植物根系埋入沙中。
[0030] 檢查實驗裝置是否漏水以及實驗裝置系統其它部件是否正常運行，在實驗裝置沒 有異常的情況下，再用去離子水沖洗實驗裝置2遍，并用抹布擦干凈實驗裝置的壁面以及底 部。然后把清洗過的沙子轉到實驗裝置的上水箱中，人工翻轉沙床兩遍，按圖1所示上下顛 倒翻轉，以完全排除沙床中的氣體，使沙床處于完全飽和的狀態。
[0031] 將步驟（1)制備的人工地下水放入塑