池塘水力停留时间和氮素分层滞留能力分析

文雯，张名瑶，钟泳林，高绣纺，吕明权*，吴胜军

（1.长江大学，武汉 430000；2.中国科学院重庆绿色智能技术研究院，重庆 400714）

以池塘为代表的小型水体是内陆水体的重要组成部分，我国的小型水体（0.1～10 hm2）数量约510万个，占所有内陆水体（不包括河流）数量的98.65%，占内陆水体面积的17.85%[1]，在全国各地分布较广，集中分布在地势低平、气候湿润、降水丰沛、地下水和地表水丰富的大江大河中上游以及天然湿地集中的周边区域，其中，川渝地区、长江流域中下游是中国塘库分布最为集中的地区。小型水体相比于大型水体具有更强的生物地球化学过程[2-3]，且这些水体常分布于耕地和居住区周围，具有拦截农业面源污染的重要作用。研究表明，小型水体对水中营养盐的去除效果显著[4-7]，尤其是对氮素的去除。在降雨产流时，池塘能够减缓径流流速，拦截悬浮物中携带的养分，在微生物的作用下经由再矿化、硝化、反硝化及厌氧氨氧化等过程对氮素进行转化，进而降低水中氮的浓度。反硝化和厌氧氨氧化是脱氮过程中较为重要的两个环节，能够极大降低水环境中的活性氮，缓解水体富营养化，促进水质进化[8-9]。

目前，关于池塘对流域氮素拦截削减的贡献研究较多[3，10-11]，大多数研究都把池塘当作黑箱处理，针对整个池塘进行研究，根据对池塘进出口处以及底泥的变化，分析池塘的拦截率，对比说明池塘内部发生的系列转化，但并未清楚地揭示池塘内部在不同深度下发生的反应[12-14]。现有研究证明，水力负荷、水力停留时间及水深直接影响塘库的微生境和氧含量分布，进而影响氮的硝化、反硝化等过程，影响塘库对径流污染物的截留、缓冲和存储[15-16]。在塘库不同深度的上覆水中，微生物、含氧量以及颗粒物浓度均不同，颗粒物的含量对微生物的数量及生长发育都具有促进作用，从而促进氮的转化[17-18]。总之，现有的研究简化了池塘径流拦截过程，难以深入剖析小水体对氮素的滞留能力和氮素输移的精确模拟。

本研究以重庆市北碚区碑湾流域一池塘为例，通过模拟径流和氮素脉冲添加试验，对池塘出口和上覆水进行分层观测取样，利用水力停留时间分布（residence time distribution，RTD）和TASCC（tracer additions for spiraling curve characterization）方法，分析每一层的水力滞留及氮营养盐滞留情况，为后续塘库在不同深度下进行氮的反硝化研究奠定基础，同时为小型水体物质输移模型的开发提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验塘位于重庆市北碚区碑湾流域（106.607°E，29.947°N），见图1a，属亚热带季风性湿润气候，年均温度16～18℃，年均湿度70%～80%，年均降水量1 000～1 350 mm，四季分明，空气湿润，多雾少霜。试验塘平均水深1.26 m，水面平均宽度20 m，底部为凹槽状，底泥厚度约0.52 m，面积约835 m2，有效容积约1 052 m3（图1b）。试验塘塘内未进行鱼类养殖，其上方是一口较大的池塘，可为试验塘提供来水，周围为农业用地，多种植蔬菜、水稻等作物，有分散的居民住宅，未建有工厂、小作坊等，塘周交通方便，便于实验设备运输以及水样采集。塘边长有植物，但大多未接触水面，塘中未分布水生植物。该试验塘大小深浅适中，四周种植情况符合该流域大多数池塘种植情况，具有代表性，且无其他化工污染，交通便利，有来水供应，利于试验进行，因此选择此池塘进行野外试验。

图1 试验点碑湾流域地形（a）及试验塘影像（b）Figure 1 Topography of Bei Wan watershed（a）and image of the test pond（b）

试验塘冬季水温5℃，水体背景浓度TN为1.22 mg·L-1，为0.18 mg·L-1，几乎为0，电导率为422 μS·cm-1，Cl-为1.23 mg·L-1，底泥背景浓度TN为2.81 g·kg-1，为0.28 mg·kg-1，NH+4-N为7.40 mg·kg-1。

1.2 试验方案

在所选定的试验塘，以NaCl作为保守型示踪剂，KNO3作为添加营养盐，采用瞬时投加示踪剂的方式，进行现场示踪试验，试验时间为2021年12月。从试验塘的上塘出口放水，记录其起始水位线，待试验结束关闭上塘的出水口后记录结束水位线。待水流稳定后，利用试验塘的水将NaCl（使试验塘里面水中NaCl浓度升高5 mg·L-1，加入6.5 kg NaCl）和KNO3（使试验塘里面水中KNO3浓度升高6 mg·L-1，加入7.8 kg KNO3）混合均匀，在试验塘的入水口处瞬时投放，投放时间控制在15 s内。在投加药品前采集上塘出口处、试验塘进出口以及每一层的背景水样，测定其电导率、Cl-、NH+4-N、NO-3-N以及TN的背景浓度。

在距离试验塘进水口2/3处的中间位置（图2a，此处为该试验塘水最深的地方）布置分层采样装置，该采样装置分设四层，如图2b所示，分别为A（最底层）、B、C、D。每隔15 min采集试验塘出口处E的水样，以及用抽水泵抽取每层的水样，水样用塑料瓶（500 mL）保存。采样时间间隔根据情况进行调整，保证每层时间间隔一致。采用MGG/KL-DCB便携式流速仪测定每层的流速，在试验进行的前、中、后期测量每一层的流速，结果取三次测量值的平均值。

图2 试验装置安装位置（a）及试验塘分层情况剖面图（b）Figure 2 Installation position of experimental device（a）and sectional view of stratification of test pond（b）

为获得较为完整的示踪剂浓度穿透曲线，采用现场测定Cl-和实验室测定营养盐浓度的试验方案。在野外，采用多参数水质分析仪测定电导率。在实验室，每个样品原液的一部分用氯离子测定仪测定Cl-浓度，一部分用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法（GB11894—1989）测定TN；另一部分水样经过滤膜抽滤后用于测定的浓度，分别以靛酚蓝比色法[19]和紫外分光光度法（HJ/T 346—2007）测定。

1.3 模型与方法

1.3.1 水力滞留

（1）数据标准化方法

在脉冲示踪试验中，由得到的瞬时电导率转换成NaCl浓度，其浓度变化曲线相当于停留时间的分布密度图（简称RTD曲线），数据标准化公式为[20]：

式中：N（t）为标准化停留时间分布密度，h-1；E（t）为t时刻出水口处瞬时电导率，S·m-1；EW为进水口处电导率（背景值），S·m-1；MNaCl为氯化钠摩尔质量，g·mol-1，取MNaCl=58.5 g·mol-1；λ1为钠离子摩尔电导率，S·m2·mol-1，取λ1=5.01×10-3S·m2·mol-1；λ2为氯离子摩尔电导率，S·m2·mol-1，取λ2=7.63×10-3S·m2·mol-1；Q为进水流量，m3·h-1；m为示踪剂加入总量，g。

（2）水力停留时间

理想条件下，水流流经池塘时，其各个水流质点往往都具有相同的停留时间，为表观停留时间tn（h），表达式为：

式中：V为池塘体积，m3；Q为进水流量，m3·h-1。

实际情况下，水流会以不同的路径流经池塘，在同一时刻进入池塘的水会有不同的停留时间，其平均停留时间tm（h），表达式为：

1.3.2 营养盐滞留

养分螺旋指标是对小流域养分滞留评估的重要技术手段，是表征小河流水系统养分吸收和传输的重要生态过程。TASCC方法是基于养分螺旋原理的主要计算方法，为了使养分螺旋指标展现出动态变化过程，该方法通过向小型水体瞬时投加一定量的添加营养盐，从而来营造一个贯穿背景浓度值至饱和状态的浓度变化范围。目前，TASCC方法广泛应用于溶解性磷酸盐、硝态氮及铵态氮和吸收动力学模拟[21]。

（1）添加硝态氮动态螺旋指标

式中：Sw-add-dyn为添加动态吸收长度，m；kw-add-dyn为动态综合衰减系数，m-1；Vf-add-dyn为动态吸收速度，m·s-1；Q为流量，m3·s-1；W为水面宽度，m；Uadd-dyn为动态吸收速率，g·m-2·s-1为动态浓度，mg·L-1[22]。

（2）硝态氮背景螺旋指标

以实测浓度与保守性浓度几何均值来表征集成背景浓度和添加营养盐总动态浓度（mg·L-1），表达式为：

根据示踪试验获得各样本动态吸收长度Sw-add-dyn为纵坐标，其对应的计算值为横坐标，采用线性回归分析，确定背景浓度对应的吸收长度Sw-amb[23]。继续计算相应的吸收速率和吸收速度，表达式分别为：

式中：Uamb为背景浓度吸收速率，g·m-2·s-1；Vf-amb为背景浓度吸收速度，m·s-1。

（3）硝态氮总动态螺旋指标

综合考虑背景浓度和添加浓度影响之后，NO-3-N总动态螺旋指标表达式为：

式中：Utot-dyn为总动态面积吸收速率，g·m-2·s-1；Vf-tot-dyn为动态吸收速度，m·s-1[21]。

2 结果与讨论

2.1 水力滞留分析

试验塘不同深度的停留时间分布密度（RTD）曲线如图3所示，除了A层的曲线形状较为符合正态分布，其他几层的曲线上下波动幅度大，甚至出现几个峰值，因此无法使用本研究的评价参数对水力停留时间及特征进行各层的对比分析。由于采样时间间隔过大，未能捕捉到明显的峰值，无法拟合较好的数据曲线，因而也不适用于肖海文的PFD+CSTRs模型[24-25]、WERNER等[26]的ZDM模型等，以及其他水力特性评价方法[20，27-29]来对滞留时间和特征进行具体计算和分析。在此结合电导率和Cl-浓度对每层及出口处进行分析来阐述各水力滞留的基本情况。

从图4、图5可以看出，试验塘不同深度的变化情况，除了A层的电导率和Cl-浓度变化明显，其次为B层的电导率稍有增加，其他两层以及出口处电导率和Cl-浓度的变化幅度较小。A、B、C、D层上下小范围波动，可能是在采样过程中，抽水泵在抽取底层水样时，将沉底的粒子搅动，引起各层的波动。A层的电导率以及Cl-浓度上升幅度大且出现峰值，B、C、D、E层均未出现峰值，存在三种可能，一是取样时间间隔太长，未取到B、C、D、E层峰值时的水样，B、C、D、E层比A层的峰值出现得早[30]；二是取样时间太短，B、C、D、E层的峰值还未出现就被迫中止采样，B、C、D、E层比A层的峰值出现晚[16]；三是氮素营养盐可能容易沉积在底层，上层流经的水里携带的溶质少，导致粒子浓度变化小，B、C、D、E层则不会出现明显峰值[31]。具体结果还需进一步试验研究。

图4 试验塘各层及出口处电导率及氯离子浓度变化情况Figure 4 Changes of conductivity and Cl-concentrations in each layer and outlet of the test pond

图5 试验塘B、C、D层及出口处电导率及氯离子浓度变化情况Figure 5 Changes of conductivity and Cl-concentrations of layer B，C，D and outlet of the test pond

2.2 营养盐浓度分析

从图6、图7中试验塘不同深度的NO-3-N和TN的浓度变化可知（试验塘NH+4-N含量检测结果极少，几乎为零，因此不对其进行分析），与电导率和氯离子浓度变化情况相同，只有A层的变化明显，其次为B层，C、D、E层在扰动的情况下出现轻微波动。A、B层的电导率、Cl-、NO-3-N和TN浓度变化明显，而上层C、D层及出口处E各项均无明显变化，数值与背景值相差很小。试验塘底层的营养盐浓度显著高于上层浓度，且底层浓度居高不下，表明投入试验塘的大部分氮营养盐从底层流过，并聚积在塘底，而上层只有水流流过，携带的营养盐非常少。现有的研究表明，水体的去氮区域，集中在底泥和上覆水的交界处，此处微生物活性最强[8，32]，底层氮营养盐浓度高，氮素聚集多，便于后续池塘对氮素的去除。

图6 试验塘各层及出口处硝态氮、总氮浓度变化情况Figure 6 Changes of NO-3-N and TN concentrations in each layer and outlet of the test pond

图7 试验塘B、C、D层及出口处硝态氮及总氮浓度变化情况Figure 7 Changes of NO-3-N and TN concentrations in B，C，D and outlet of the test pond

对渤海的研究表明[33-35]，当陆地雨水丰沛，入海的径流量大时，携带着大量入海的水流，在上覆水与沉积物之间的间隙水存在一定浓度梯度的情况下，则优先向沉积物转移。经研究发现，与沉积物的含水率呈正相关，说明河床底泥中的大多数从上覆水沉积而来，而不是来自沉积物本身或是由铵态氮转化而成[36]。吕晓霞等[31，37]研究发现，大多数聚积在河床底泥表层的沉积物中并发生还原反应。以上的研究都是针对大型水体来说明氮素营养盐在河床沉积物中的聚积，而本研究的结果与前面研究结果相一致，这表明在小型水体中，当进入池塘的水体携带的氮营养盐浓度大于池塘本身的氮浓度情况下易向沉积物沉积并聚集在塘底，在降雨时，雨水冲刷周围农田，携带氮素进入到池塘中并大量聚集在塘底发生硝化和反硝化等作用，部分氮素从出口处直接流走。池塘能够拦截大量氮素并将其进行转化，净化水质，减少农业非点源氮素污染[1，10]。

2.3 营养盐滞留情况分析

图8 试验塘A、B、C层、Cl-浓度∶Cl-比值随时间的序列及示踪剂混合情况Figure 8 Sequence of concentrations and ratio over time and tracer mixing in three layers of pond A，B and C

以Sw-abb-dyn为y轴，以为x轴进行线性拟合，A、B、C层的拟合结果如图9所示，所有结果均在95%的置信区间。这三层的拟合效果较好，将拟合的曲线延伸至纵坐标轴，与之相交得到的截距即为背景浓度对应的吸收长度Sw-amb。

图9 试验塘A、B、C层拟合关系曲线Figure 8 Sw-add-dyn- fitting curve of A，B and C layers in the test pond

数据结果显示，对比Sw-amb值：A层＜B层＜C层，对比Vf-amb、Uamb值，A层＞B层＞C层，表明池塘底层的营养盐滞留能力强于上层。由对营养盐滞留的影响因素研究结果可知[21，38-39]，水流流速及研究区的地貌特征都是养分滞留的重要影响因素，流速与滞留能力强弱呈负相关，地貌特征与养分滞留能力强弱显著相关。A、B、C层和D层的流速分别为0.072、0.075、0.090 m·s-1和0.150 m·s-1。从该试验塘的地貌特征来看，其底部为一个凹槽，A层为试验塘的最底层，靠近凹槽，水流速度较于其他层来说相对缓慢，水面宽度大，有利于营养盐沉积，因而A层的营养盐滞留能力好。试验塘上层距离凹槽较远，且流速相对较快，继而上层营养盐的滞留能力要弱于底层。

WU等[32]、ZHANG等[40]对沉积物研究发现，滞留在底层沉积物中的氮素，一部分为暂时性滞留，能够通过再悬浮和矿化作用重新释放到上覆水体，另一部分滞留在沉积物中。夏星辉等[18]、李素珍等[41]对悬浮泥沙研究表明，氮素从沉积物扩散进入上覆水，在悬浮泥沙作用下发生强烈的硝化反硝化等作用。结合本试验结果分析，各层的Uamb（NO-3-N背景浓度吸收速率）为2.50～9.13 μg·m-2·s-1，Vf-amb（NO-3-N背景浓度吸收速度）为0.12～0.40 m·s-1，在试验塘上覆水中对硝态氮进行吸收转化。池塘等小型水体，氮素进入水体后，大部分滞留在底层，上层的滞留能力弱，因而在上覆水中发生氮转化的氮素主要来源于沉积物中滞留的氮素，上覆水-沉积物不断交换氮素，对氮素进行转化，以达到净化水质的目的。

本研究最小的Sw-amb值为56.135 m，而试验塘长约40 m，表明该试验塘不能将硝态氮在塘里完全截留净化。提高池塘等小型水体的净化能力，可实施的有效措施有：在来水汇入前，合理设置前置库或拦截箱系统来去除冲刷沉积物，或利用排水沟渠对来水进行预先的调蓄净化，减缓池塘淤积，降低池塘入流中的氮浓度，提高池塘净化效率[42-44]；适当种植水生植物，水生植物不但能利用其根系促进底泥的硝化反硝化作用，同时通过自身的吸收作用从水层和底泥中吸收氮，从而促进氮的截留净化，减少池塘底泥中的氮浓度[45-46]。

3 结论

（1）试验塘底层的营养盐浓度显著高于上层，塘底的营养盐滞留能力强于上层。对于池塘等小型水体，氮素进入水体后，大部分沉积并滞留在底层，滞留在底层的氮素一部分在沉积物中进行氮转化，一部分进入上覆水中发生硝化反硝化等作用。小型水体能够拦截滞留大量氮素，在上覆水-沉积物中交换并转化，降低水体中的氮浓度，减少对周围水环境的污染。

（2）在背景浓度条件下，试验塘NO-3-N背景浓度的吸收长度低于试验塘的长度，该试验塘的NO-3-N滞留净化能力相对较差。对于不能完全截留净化污染物的小型水体，可采取设置排水沟、前置库或拦截箱系统，种植水生植物，优化自身结构设计等措施来提高净化能力。池塘等小型水体的槽道地貌特征影响营养盐拦截滞留，凹槽有利于营养盐的滞留，越靠近底层水流流速越慢，离凹槽越近其滞留能力越强，日后塘库设计时，可适当增加底层的凹槽面积来提高小型水体截留净化能力。