一种用氢或氧同位素丰度评价人工湿地水流状态的方法

摘要

本发明属于环境监测技术领域，具体涉及一种用氢或氧同位素丰度评价人工湿地水流状态的方法。该方法根据测量所得采样点数据绘制待评估区域同位素丰度等高线，根据同位素等高线，2H和18O丰度较大，且与湿地其他区域有明显边缘的区域为缓流区或死水区，2H和18O丰度相对较小且变化不大的区域为湿地水流通道，本发明可准确标示湿地内水流通道和滞留区的具体位置，确定缓流的程度，克服投加示踪剂研究方法和模型模拟的局限性，本发明分析样品预处理简单，数据结果真实可靠，实用性强。

说明书

一、技术领域

本发明属于环境监测技术领域，具体涉及一种人工湿地水流状态的监测评价 方法。

二、背景技术

人工湿地作为一种污水生态处理工艺由于其投资少、能耗低、效果好、维护 管理简单等优势，已广泛的应用于生活污水、暴雨径流、污水处理厂的尾水处理 以及河流、湖泊的污染防治。

人工湿地内水体的流动状态和水力学特性是维持湿地系统正常运行及充分 发挥净化效果的一个重要因素。湿地系统内水流流态较为多样化，存在滞留和短 流现象，局部区域或未被充分利用。因此评估湿地的水流状态，确定湿地中各区 域水流动的趋势、死水区、漩涡区成为湿地研究应用中的重要组成部分。

目前研究湿地的水流特征的方法主要有两种：投加示踪剂法和模型模拟的方 法。投加示踪剂法即在湿地进水口处一次投加KBr、KI、NaCl等，在出口处连续 监测示踪剂浓度，来研究系统内水力停留时间的分布。但投加示踪剂法只适用于 中小型研究性实验，在大型规模化人工湿地中不适用，主要由于一方面投加量太 大，成本较高，另一方面会给湿地带来二次污染的问题。利用模型模拟湿地中水 体流态的方法存在很大的不确定性，模拟方程多采用经验公式，模拟结果与实际 水流状态没有对比，往往存在较大差异。

三、发明内容

本发明针对目前人工湿地水流状态和水力学特征研究中存在的不足，提出一 种精确度高，简单方便，不存在二次污染的利用湿地水流中固有氢或氧同位素确 定人工湿地处理系统中水流通道的监测评价方法。

本发明的技术思路如下：

在湿地水体的蒸发过程中，由于饱和蒸汽压与分子量成反比，导致重同位素 ²H和¹⁸O在液相中不同程度的富集，引起的湿地不同区域水体中²H、¹⁸O丰度 不同，而湿地植物根系从土壤中吸收水分时，并不发生同位素分馏，水分在植物 根部与茎干之间运输时，在到达如叶片或幼嫩未栓化的枝条之前，它的同位素组 成（木质部中水分D/H或¹⁸O/¹⁶O）并不发生变化。所以不同位置的植物根系叶 片的水同位素组成也有所不同。通过绘制同位素丰度等高线，结合湿地地形条件 来确定湿地的水流特征，确定是否存在缓流区、死水区等，从而评估湿地设计是 否合理。实施步骤如下：

(1)采样点位的确定：根据湿地的结构、形状、进水流量、占地面积基本信 息，分析水流趋势，结合湿地地形条件采用网格布点确定采样点位置，沿水流方 向确定监测断面；

(2)样品的采集：在高蒸发无降水的天气进行采样，首先测定进水口处进水流 量，用GPS对采样点进行定位，每个采样点采集水面以下15-30cm处的水样及 采集植物根系和叶片，采集的样品分别在聚乙烯的样品瓶和样品袋中冷藏保存；

(3)数据测量与分析：采用真空蒸馏法提取植物叶片和根系中的水分得到待测 水样，将从湿地中直接采集的水样及叶片和根系的水样过滤后，用水同位素分析 仪测定其中氢或氧同位素的丰度，根据测量所得采样点数据绘制待评估区域同位 素丰度等高线，根据同位素等高线，²H和¹⁸O丰度较大，且与湿地其他区域有 明显边缘的区域为缓流区或死水区，²H和¹⁸O丰度相对较小且变化不大的区域 为湿地水流通道。

本发明可直接的标示湿地内水流通道和滞留区的具体位置，确定缓流的程 度，克服投加示踪剂研究方法和模型模拟的局限性，为有针对性的优化湿地设计 提供支持。本发明采用的监测方法直接对湿地内本身存在的水和植物进行评价， 不用投加示踪剂，不会对湿地系统造成污染，也不会增加湿地的负荷，而且降低 了监测的成本。本发明所采用的分析方法采样只需一次采样，耗时少，分析样品 预处理简单，数据结果真实可靠，实用性强。

四、附图说明

图1给出一例人工湿地水流状态氧同位素丰度等高线示意图，图2给出一例 人工湿地水流状态氢同位素等高线示意图。

五、具体实施例

实施例1

待测湿地系统为面积100-10000亩的区域，采用网格布点法确定这片水域上 采样点的位置。沿水流方向确定监测断面，每个监测断面之间的距离一般在 100-300m之间，当监测断面宽度小于50m时，只在断面中间确定一个采样点； 断面宽度在50-100m时，在左右近岸10-30m处设置两个采样点；水面宽度为 100-1000米时，设左中右三个采样点。在可能存在短流或缓流的区域加强布点。 在无风空气湿度较低的天气采样，用GPS对每个采样点定位，用水样采样器在 每个采样点采集水面以下20-30cm处的3个混合水样100ml，水样置于塑料样品 瓶中低温避光保存。采样过程记录水面以上150cm处的风速、相对湿度、水温 及气温等气象信息。样品带回实验室后，经0.22μm的滤膜过滤后，用Picarro 水同位素分析仪分析¹⁸O或²H稳定同位素丰度，根据测量所得采样点数据绘制 待评估区域同位素丰度等高线，根据同位素等高线，²H或¹⁸O丰度较大，且与 湿地其他区域有明显边缘的区域为缓流区或死水区，从湿地进水到湿地出水²H 或¹⁸O丰度相对较小且变化不大的区域为湿地水流通道。

实施例2

在监测湿地中确定植物采样点位置，采样点确定同实施例1，每个采样点采 集植物叶片100g左右，置于样品袋中，冷藏避光保存带回实验室。采用真空蒸 馏法提取植物叶片中的水分得到待测水样，水样经过0.22μm的滤膜后，用 Picarro水同位素分析仪测定其中氢或氧同位素的丰度。根据测量所得采样点数 据绘制待评估区域同位素丰度等高线，根据同位素等高线，²H或¹⁸O丰度较大， 且与湿地其他区域有明显边缘的区域为缓流区或死水区，从进水口到出水口²H 和¹⁸O丰度相对较小且变化不大的区域为湿地水流通道。

实施例3

在监测湿地中确定植物采样点位置，采样点确定同实施例1，每个采样点采 集植物根系100g左右，测试分析方法同实施例2。

实施例4

图1给出一例人工湿地水流状态氧同位素丰度等高线示意图，从图1中可以 看到，该湿地中氧同位素的丰度范围在-5.98至-5.04‰之间，其中有三个同位素 丰度很高的点，1所指示的区域同位素丰度最高达到-5.04‰，同位素丰度等高线 密集，该区域给死水区。2、3所指的区域氧同位素丰度也相对较高，最高分别 达到-5.42‰和-5.61‰，2区中同位素丰度等高线丰度密集，为死水区，3区为缓 流区，湿地内部等高线较疏的区域即水流通道。

实施例5

图2给出一例人工湿地水流状态氢同位素等高线示意图，从图2中可以看到， 该湿地氢同位素风度范围为-47.11至-45.06‰之间，同位素等高线分布与图1相 似。从而，由氢和氧同位素丰度监测得到的湿地的水流状态相似。

该方法用来分析评估湿地内水流状况，结合采样点处水体流速的测定，证明 该发明有效可行。该发明同样适用于潜流人工湿地水流状态的监测评价。