地表水-地下水作用带内水动力过程对溶解性磷酸盐迁移富集的控制机理

In the surface water–groundwater interactive zone with complex and variable flows (hereinafter referred to as the interactive zone), the hydrodynamic processes play a role in controlling the reactive transport and fate of soluble phosphate. The relevant mechanism, however, remains unclear. Based on field monitoring and laboratory batch experiments, this project intends to reveal the effects of groundwater environmental factors and geochemical processes under their control on the adsorption and release of phosphate under the control of different hydrodynamic conditions in the Shahu Lake Test Site on the Jianghan Plain, where the groundwater is rich in phosphorus and the interaction between surface water and groundwater is strong. A surface complexation model is built for fine interpretation of the effects. Based on this, a reactive transport model of soluble phosphate in the interactive zone is created by coupling water flow, solute transport and geochemical reaction through numerical simulation. The transport, enrichment and fate of the soluble phosphate are depicted quantitatively, and the phosphorus flux across the surface water–groundwater interface and its spatiotemporal variations are calculated. The control mechanism of hydrodynamic processes within the interactive zone over the reactive transport process of soluble phosphate is revealed. The results of this study can provide a scientific basis for the phosphorus pollution prevention and control in water environment.

在水流复杂多变的地表水-地下水作用带（简称作用带）内，水动力过程对溶解性磷酸盐的反应迁移及归宿起着控制作用，但其机理尚不明确。本项目拟以地下水中富磷且地表水-地下水作用强烈的江汉平原沙湖试验场为研究对象，基于野外监测和室内批实验，揭示水动力条件控制下的地下水环境要素及其主控的地球化学过程的变化对磷酸盐吸附与释放的影响，建立表面络合模型进行精细解译；基于此，运用数值模拟方法，将水流、溶质迁移和地球化学反应相耦合，构建作用带内溶解性磷酸盐的反应迁移模型，定量刻画其迁移、富集过程及归宿，计算其在地表水-地下水界面上的通量及时空变化，揭示水动力条件对作用带内溶解性磷酸盐反应迁移过程的控制机理。研究成果可为水环境中磷污染防治提供科学依据。

本项目以地下水中富磷且地表水-地下水作用强烈的江汉平原沙湖试验场为研究区，采用野外监测与取样、室内实验、理论分析和数值模拟相结合的方法，深入研究作用带内溶解性磷酸盐迁移、富集过程及归宿，揭示水动力条件对作用带内溶解性磷酸盐反应迁移过程的控制机理。.1. 收集与整理研究区水文、气象、土地利用、野外钻探数据和地质、构造、水文地质等相关资料，并对研究区典型富磷地下水开展了综合调查与监测工作。分析了研究区地下水含水系统和流动系统的结构、地下水与地表水间的补排关系及其时空变化特征。查明了作用带内补排关系的变化与地下水中磷酸盐含量之间的关系，识别出影响磷酸盐吸附与释放的关键环境要素。.2. 开展了室内批实验，分析环境要素温度、pH值、共存离子及氧化还原条件的变化对磷酸盐吸附与释放过程的影响，揭示出作用带内磷酸盐的吸附与释放机理。建立了表面络合模型定量刻画作用带内磷酸盐的吸附与释放过程。基于资料收集分析和野外监测数据，建立了研究区典型剖面尺度水文地质概念模型和地下水流数值模型，利用MODFLOW进行求解。在此基础上，构建了地下水溶质运移模型，利用MT3DMS进行求解，并基于监测数据分别对水流模型和溶质运移模型进行了校正。.3. 在校正典型剖面地下水流数值模型和溶质运移模型的基础上，进一步耦合了表面络合模型，构建了地下水流动、溶质运移、磷酸盐吸附与释放等多过程耦合的磷酸盐反应迁移模型。基于场地典型剖面的水化学组分动态监测数据，对反应迁移模型进行了校正。基于校正后的磷酸盐反应迁移模型，定量评价了水动力条件对作用带内溶解性磷酸盐反应迁移过程的控制机理。.本项目探讨了“作用带内水动力过程如何控制地下水中溶解性磷酸盐的反应迁移过程及归宿”这一科学问题，研究成果不但能够丰富和拓展我国地下水环境中磷迁移转化研究的理论和方法，而且可以为水环境中磷污染防治提供科学依据。