一种用氢或氧同位素丰度评价人工湿地水流状态的方法
【专利摘要】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。
【专利说明】一种用氢或氧同位素丰度评价人工湿地水流状态的方法
一、【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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、K1、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】
[0005]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。
[0006]本发明的技术思路如下:
[0007]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2η、18ο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/Η或180/160)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:
[0008](I)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；
[0009](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；[0010](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。
[0011]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、【专利附图】
【附图说明】
[0012]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
[0013]实施例1
[0014]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0.22 μ m的滤膜过滤后，用Picairo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。
[0015]实施例2
[0016]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IOOg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0.22 μ m的滤膜后，用PicaiTO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。
[0017]实施例3
[0018]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IOOg左右，测试分析方法同实施例2。[0019]实施例4
[0020]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，I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。
[0021]实施例5
[0022]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。
[0023]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。
【权利要求】
1.一种用氢或氧同位素丰度评价人工湿地水流状态的方法，其特征在于该方法步骤如下: (1)样品的采集: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。(a)水样的采集: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，采集的样品在聚乙烯样品瓶中冷藏保存，尽快带回实验室进行分析。(b)根系、叶片的采集:在确定的采样点处采集根系叶片，在样品袋中冷藏保存，尽快带回实验室分析。 (2)数据测量: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处理得到的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。 (3)数据的分析: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。
2.如权利要求1所述的评价人工湿地水流状态的方法其特征在于: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。
3.如权利要求1所述的评价人工湿地水流状态的方法，其特征在于:步骤I所述的样品采集中，同时采集湿地中水样和植物根系叶片，可以同时分析这三种样品中的同位素分布规律，来确保分析数据的可靠性；也可以单独分析某一类样品中同位素分布规律，普遍性、实用性很强。
4.如权利要求1所述的人工湿地水流状态的方法，其特征在于:步骤3所述的样品分析中，通过绘制同位素丰度等高线的方法确定缓流区死水区的位置，在同位素丰度等高线的示意图中，可以直接看出同位素丰度较大的区域，该方法简单方便，直接有效。
【文档编号】G01M10/00GK103543000SQ201310482675
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月16日 优先权日:2013年10月16日
【发明者】张建, 王洪秀, 张成禄, 冯素萍, 郭子彰, 程呈 申请人:山东大学