高寒地区湿地公园不同深度地温变化规律研究＊

李含雄，张高军，董亮亮，王永军，魏玉朝，魏 征，陆海军，袁月祥

（1.中国科学院成都生物研究所，四川 成都 610041；2.兰州新区城建工程有限公司，甘肃 兰州 730300）

当今城市化发展的今天，生活污水和工业污水的排放与无害化处理需求的矛盾日益剧增[1]，建造人工湿地不仅恢复生态[2]，同时也能应用于污水治理[3]，尤其是可应用于小型乡村生活污水处理和城市污水处理厂尾水的深度净化[4]。将污水导入人工湿地填料层，利用填料层中的微生物降解废水的有机成分[5]，同时通过地表种植的植物吸收其重金属[6]，二者协同的方式构建生态湿地模式具有巨大的经济价值和生态效益[7]。由于生物生存受环境因素限制，而高寒地区的低温环境是限制生物生长的主要因素，因此准确了解湿地公园的地表与地下温度对湿地公园的建设与后期运行管理具有重要意义[8]。有关高寒地区寒冷季节地温研究文献较少。

本文以兰州新区秦王川湿地公园为例，连续监测冬春季地表与不同深度地下温度，分析兰州湿地公园冬春季节温度变化规律，为兰州新区及相似地区人工湿地的设计与运行管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验条件

1.1.1 实验器材

实验器材如下：一体式PT100热电阻温度传感器15支，wecon可编程控制器1台。

1.1.2 试验地点

试验地点为甘肃省兰州新区秦王川湿地公园内。

1.2 地温监测设计

在秦王川湿地公园内选取一块地面平坦、离水面约10 cm的区域，设置﹣120 cm、﹣90 cm、﹣60 cm、﹣30 cm，4个不同的地下深度，将温度传感器竖直插入地下，使温度传感器的探头分别位于地下120 cm、90 cm、60 cm和30 cm。每个深度设置3个温度传感器，3个重复间隔20～30 cm。地面设1个未完全封闭的箱子，里面放置控制器，在箱子内放置3个温度传感器测定地表气温（探头露出箱子5～10 cm，离地约30 cm）。将各传感器的数据线、电源线分别接入控制器内，每2 min记录1次数据，实时监测记录每个传感器当前温度。

1.3 地温数据分析

地温监测系统正式运行于2020-01-19T18：00，连续监测至04-30。将测得的数据运用数据处理软件整理成表，删除其中的错误数据，计算有效数据的平均值作为当前时间对应深度的地温。

选择连续一段时间内的不同深度地温进行对比分析，研究不同深度之间地温日变化之间的关系，并分析不同深度温度的日间规律；然后选择试验期间（103 d）地表温度数据单独汇总分析，讨论冬季和春季地表气侯变化规律；最后将试验期间地下不同深度地温进行汇总分析，讨论不同深度地温对气候回暖的响应。

2 试验结果与分析

2.1 2月不同深度地温变化分析

由于试验时间太长，数据量大，因此仅以最寒冷的2月前半月测量数据作图详细分析不同深度地温的变化规律，按每间隔1 h的温度数据绘制曲线，如图1所示。

由图1发现垂直方向上，地表气温受到光照而波动巨大，温度整体集中在夜间段（低温段），到了地下30 cm处昼夜温差仅有1℃左右，并且2月上半旬地下30 cm温度达到最高值平均在22∶20左右，与日最高温度平均相位差约7.5 h，此时地表地温平均为﹣4℃左右；而深层60 cm及以下深度地温基本不受昼夜温度变化影响。从数据分析发现湿地公园土壤具有很强保温能力。

图1 2020-02（前半月）不同深度地温变化图

2.2 地表气温变化分析

由于地表温差较大，整理01-19—04-30的地表气温，按每间隔1 h的温度数据绘制曲线，地表气温随时间的变化情况如图2所示。

分析图2发现，地表气温随着昼夜交替，昼夜温差最高超40℃，同时昼夜温差变化随时间的推移，并没有明显增加的趋势。另外，数据分析发现湿地公园在02-25之后地表夜间温度才能基本维持在0℃以上，地表气温对植物影响巨大，反复冻融使得植物无法正常生长，且对表层土壤微生物代谢繁殖威胁巨大。而02-25后试验期间，温度并没有上升趋势，而且夜间温度也很低，但基本都维持在0～5℃。

图2 表层地温变化图

2.3 不同深度地下地温整体规律探讨

建设湿地公园旨在打造绿色环境的同时利用地下生态环境，使用功能菌剂和湿地植物对废水进行生态净化，因此环境温度成为了影响植物根系和细菌繁殖的主要因素，全方位了解冬季和春季地下温度情况对湿地建设与运营管理具有重要的参考意义。试验选取了地下30 cm、60 cm、90 cm和120 cm深度地温数据，按每隔1 h的数据分析汇总，结果如图3所示。从图3可知，﹣30 cm和﹣60 cm地温从实验开始便缓慢上升，日均温度分别从最初2.97℃、7.83℃逐步上升到13.4℃、12.23℃，日均温差最大分别为10.43℃、4.42℃，湿地公园地下30 cm以下的土壤全年温度都维持在0℃之上，确保人工湿地中、下层土壤微生物生长的气温条件，也保证了多年生植物根系的正常代谢；﹣120 cm、﹣90 cm的地温分别从11.03℃、10.27℃下降到10.72℃、10.14℃后再回升到11.47℃、11.42℃。深层地温的最低温延后于浅层地温是因为外界低温向地下传导需要一定的时间，地表最低温与地下120 cm深度最低温时间相位差约1个月，说明土壤具有较好的保温能力。

图3 不同深度地下地温变化图

实验统计了每次检测数据中的历史最低与最高温度，各地下层的最低温、最高温和温差如表1所示，从表1可知，随着地下深度增加，最低地温在逐渐提高，最低气温从﹣30 cm的2.93℃逐步增加到﹣120 cm的10.67℃；实验期间的温差则随着地下深度的增加而减少，温差从﹣30 cm的11℃逐步减少到0.9℃，说明冬季深层地下地温基本能保持恒定，人工湿地项目中处理轻度污染废水的功能菌生存环境条件可控。

表1 实验期不同深度最高/最低地温与温差

3 结论

本次试验研究了兰州湿地公园地表与不同深度地下气温变化规律。该地区研究结果表明，地表昼夜温差大且升温缓慢，温度主要集中在低温段，冬季夜间地表气温长期低于0℃；随着深度增加，最低地温在逐渐提高，温差则逐步减少。﹣90 cm及以下区域地温能稳定维持在10℃以上，确保脱氮除磷等功能微生物的正常生长繁殖的温度，这也说明兰州新区的人工湿地在冬季也具有污水处理能力。

4 讨论

本次试验以兰州新区秦王川湿地公园为例探究了冬季地温的规律，由于采样地点在水源附近区域，地温主要受地下水的影响，因此能最大限度地客观反映出湿地公园完全建成并通水运行后的实际地下地温。本实验数据将为高寒地区人工湿地的建设与冬季运行管理提供基础数据，有助于高寒地区人工湿地的推广应用。目前人工湿地在城市污水处理厂尾水的深度净化和小型乡村污水处理中发挥了较大的作用，但在高寒地区普遍担心冬季能否正常运行。从实验结果可知，冬季，地下60 cm处也基本维持在7.5℃以上，通过实验证明了西北高寒地区人工湿地仍然能满足污水处理的基本温度条件。这将进一步促进人工湿地在高寒地区微污染水体处理的应用，经过人工湿地处理后的水可以回用于农灌用水、景观用水等，促进水体的循环利用，尤其是西北地区普遍缺水的情况下，有助于缓解西北地区的缺水问题。

虽然湿地公园的优势很大，但也有其局限性，由于本次试验地点属于西北高寒地区，冬季夜间地表长期处于冻土状态，植物枯萎，虽然深层地下温度能保持在10℃以上，但依然影响到微生物的代谢速率，因此急需研发并筛选出更适用于低温强效的微生物菌剂，添加高效耐低温微生物工程菌剂才能在冬季依然达到较好的净化水源效果。