稻田排水在沟塘湿地净化中总氮浓度的周期性特征

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1、万方数据第38卷第2期2010年3月河海大学学报(自然科学版)JournalofHohaiUniversity(NaturalSciences)V01．38No．2Mar．20lOIX)I：10．3876／j．issn．1000-1980．2010．02．020稻田排水在沟塘湿地净化中总氮浓度的周期性特征高焕芝1，彭世彰1，孙勇2，缴锡云1(1．河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210098；2．江苏省高邮市高邮灌区管理处，江苏高邮225600)摘要：基于高邮灌区水稻全生育期排水沟塘湿地水体中总氮质量浓度日变化资料，采用复Morlet小波函数，对沟塘湿地水体总

2、氮质量浓度变化周期进行了分析．结果表明，沟塘湿地水体总氮质量浓度变化存在5个时间尺度的周期震荡，以23d为主周期，每6—7d质量浓度高低交替一次．因此，在满足稻田排水调控要求的前提下，TN质量浓度较高的稻田排水入沟塘后，净化周期以7—13d或19～25d为宜，经此段时间净化，水中TN质量浓度平均降低30％一58％和28％～66％，最大消减率分别达79％和93％；TN质量浓度较低时，沟塘湿地净化时间以13～19d为佳，TN质量浓度平均降低14％～72％，最高降幅87％．选择在该净化周期内对沟塘湿地进行排水，水中TN质量浓度处于较低水平。排水对下游水体造成的污染最轻．关键词：稻田；排水

3、；沟塘；湿地；总氮；周期变化；小波分析中图分类号：$276文献标识码：A文章编号：1000一1980(2010)02—0220—05农田排水造成的面源污染是水环境不断恶化的重要原因之一．排水沟塘作为农田与外河水系连接的通道，既是农田排水最初的汇聚地，又是农田污染物向下游水体排放的输出地，发挥着“汇”和“源”的双重作用，因此，研究农田面源污染控制应重视排水沟塘的作用．现有研究表明，沟塘湿地对氮磷污染物及农药均具有很强的去除能力¨之J，并能截留降雨径流【3J，有效控制农田面源污染物的输出．净化周期是影响湿地对污染物去除效果的关键因子．Maurizio等【4j研究表明，农田排水在湿地净化

4、7d以上，氮素的去除率达90％左右．Moreno-Mateos等bJ研究了不同面积、不同水力停留时间情况下，人工湿地对农田排水氮素的去除情况，结果表明，湿地面积越大，净化周期越长，对氮素去除效果越好．但是，承泄稻田排水的沟塘容积有限，在接收来水的同时还需不断向下游排水，稻田排水的发生又具有不确定性，因此，在满足稻田排水要求的前提下，稻田排水在沟塘湿地的净化周期成为一个新的问题．本文从稻田排水在湿地净化过程中水体总氮质量浓度的时间变化特征人手，借助小波分析方法，研究沟塘湿地水体总氮质量浓度的变化周期，以确定满足最佳净化效果要求的湿地排水运行周期，为合理利用沟塘湿地、控制稻田面源污染提

5、供基础数据．1分析方法与数据资料小波分析是一种信号的时间一尺度(频率)分析方法，既具有多分辨率分析的特点，在时域、频域都具有表征信号局部特征的能力，可以对信号进行多尺度细化分析，得到各个频率随时间的变化及不同频率之间的关系，又具有数学意义上严格的突变点诊断能力，被广泛应用于水温、变形、数据孤立点、降水等方面的研究[6-12J．稻田排水进入湿地后，水体在净化过程中，氮素质量浓度在不定人流(不确定来水时间、质龟浓度和水量)、水塘、降雨等多种因素的影响下，随时间高低变化不定．本文尝试用小波分析方法来辨识沟塘湿地水体氮素质量浓度的变化特征．1．1小波分析方法小波函数定义为【8-12J：设妒

6、(t)为一平方可积函数，即妒(t)∈L2(詹)，若其傅立叶变换矿(甜)满足容许收稿日期：2009一I卜13基金项目：国家自然科学基金(50839002—5)；“十一五”国家科技支撑计划(2006BADllll09—3)；全国优秀博士学位论文作者专项基金(200546)作者简介：高焕芝(19舳一)，女，山东聊城人，博一l：研究生．主要从事节水灌溉与农田面源污染研究．E-mail：gadmanzhi@hhu．edu．册万方数据第2期高焕芝，等稻田排水在沟塘湿地净化中总氮浓度的周期性特征条件G：f丝剑d埘<∞(1)则妒(t)称为一个基本小波或小波母函数，连续小波为‰(t)=南(譬)(Ⅱ’

7、6∈R，口>o)(2)对于任意函数“t)∈￡2(尺)的连续小波变换为町(口’6)=抓九‰㈩)=壳L八t)P(譬)dt(3)式中i口——尺度因子；6——平移因子；孵(口，b)——小波系数．本文根据沟塘湿地水体总氮质量浓度时间序列的变化特征，选择常用的复Morlet小波【IO-11】，其母函数为rp(t)：eicte-‘沈(4)式中：c——常数；i——虚数单位．式(4)是由1个周期函数经过Gaussian函数平滑而得到的，所以它的伸缩尺度口与Fourier分析中周期r的关