Analysis of phosphorus retention in freewater surface treatment wetlandsWord文档格式.docx

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担心部分大沼泽地水质质量恶化已经致使法律授权对于大沼泽地生态系统的恢复和保护。

大沼泽地永远法案（EFA;

Section373.4592,FloridaStatutes）1994由佛罗里达立法机关制定，并授权了一系列措施包括建设雨水处理区（STA），应用最好管理操作（BMPs）和设定有限P排放阈值，所有的这些限制都是为了确保保护和恢复残留的沼泽地。

STAs，投影面积为160平方公里，位于EAA南边，将暂时保留EAA雨水和降低P-浓度到达可接受的水平，在向南排放到水保护区之前（Walker,1995）。

STA最佳的营养物保留是大沼泽地恢复工程的重要组成部分。

因此，一种系统的方法可以用于优化STA的P-同化能力，作为一个已知P-负荷和可控水文的功能的函数是值得的。

因此，这项研究的主要目标是：

（1）研究湿地性能对于P-滞留影响，

（2）开发一个简单的管理工具，它可用于预测预期的处理效率和优化湿地上的P-滞留;

（3）说明和讨论提出的方法如何可以用来协助湿地管理人员在设计和建造管理湿地处理系统中获得最佳的P-去除。

方法

湿地实验数据

本研究分析数据从BoneyMarsh和美国环境保护署（USEPA）湿地数据库获。

BoneyMarsh是一个小的（0.48平方公里）在佛罗里达州HighlandsCounty,KissimmeeRiverbasin上构建的亚热带淡水湿地。

（北纬27.5，东经81.2），测量长度为1.60公里，宽度为0.30公里。

沼泽被构建来评价地表漫流的效力作为一种提高水质量的方法。

沼泽内每年的水位在11.90至12.81米波动，高于平均海平面，平均水深为38厘米，而每年5月1日至6月15日由最小水流量供给。

美国环境保护署数据库是美国所有可用的湿地处理系统信息的集合，共454湿地处理系统。

一个含101个数据点的子集代表了地表流（FSW）湿地处理系统从提取美国环境保护署数据库中提取，并在随后的分析中使用。

湿地的选择，从美国环境保护署数据库，是基于关键变量的可用性，如水深，流入和流出物质，流入和流出湿地的P-负荷，沼泽潮湿面积，这些点至少被监测一个月。

如需其他信息的读者可以参考Moustafaetal.（1996）,Moustafa（1997）forBoneyMarsh和Knightetal.（1992）fortheUSEPA数据库。

计算部分

湿地总磷浓度，形态特征，和从BonyMarsh和所有其他美国环境保护署数据库中报道的湿地中收集的水文资料被用于计算P-负荷率（L），水负荷率（HLR），水的深度（Z），和水力停留时间（HRT）。

水负荷率（my-1）被计算如下：

HLR=

（1）

这里：

A=湿地潮湿面积（m2），

Q=水流量（m3day-1）

P-负荷率被计算如下：

L=

（2）

M=进入沼泽的P（gy-1）

水的深度被报道对于美国环境保护署数据库并计算对于BonyMarsh数据库。

水深度被计算，对于BoneyMarsh，通过减去平均地面高度，在沼泽内，从两个阶段记录的平均水面高度，位于其上游和下游末端沼泽（Moustafaetal.,1996）。

P-去除百分比（总磷％），对于这两个数据库，被计算通过流入沼泽的总负荷量减去流入和流出的P-负荷之比，（例,Tot-Pretention=[Tot-Pin—Tot-Pout/Tot-Pin]

100））。

HRT被计算通过将沼泽内水的体积除以出水流量对于BonyMarsh数据库，而HRT被报道对于美国环境保护署的数据库。

结果

关键变量之间的图形比较展示在图2至图7。

数据的箱形图分别表示中值和平均值作为每一个方块的水平实线和虚线。

垂直线伸展到10%到90%，方块代表25%和75%。

P-负荷率（L）

一般来说，BonyMarsh的P-负荷率比美国环境保护署数据库报道的那些要小（图2a）。

平均P-负荷率（0.54gm-2y-1

0.02SE）比美国环境保护署平均值（32.16gm-2y-1

5.28SE）的两个数量级小，即使是BonyMarsh最大负荷率（1.61gm-2y-1）也远小于美国环境保护署报道的平均值（图2a）。

在BonyMarsh观察到的P-负荷率包含一个狭窄的范围值，与美国环境保护署数据库报道的P–负荷率相比（图2b）。

最低和最高值分别为0.07和1.61gm-2y-1对于BonyMarsh，0.22和359.06gm-2y-1对于USEPA。

最高频率值（29）出现在0.4〜0.5gm-2y-1对于BonyMarsh，而最高频率值（7）出现在5.0-5.50gm-2y-1对于美国环境保护署（图2b）。

BonyMarsh的P-负荷率不超过1.70gm-2y-1且观察到的53％P-负荷率主要落在三个区间（0.4-0.5，0.5-0.6，0.6-0.7）。

在另一方面，美国环境保护署P-负荷率散落在广泛的区间（0.1至超过350）;

应当指出，然而，对于美国环保署，有36观察点集合成一个单个大区间（L>

10.0gm-2y-1）。

在BonyMarsh观察窄的P-负荷率范围是由于这样的事实，供给沼泽的河水总磷浓度波动很小（Moustafaetal.，1996）。

与此相反，美国环境保护署是不同位置信息的集合，展示出范围广泛的P-负荷率（图2b）。

水深

除了一个数据点，这两个数据库水深均小于80-90厘米级，进一步支持一般结论，即湿地是浅的且在窄的深度范围内运作（图3A）。

BonyMarsh和美国环境保护署的平均水深是相当的（38厘米），BonyMarsh水深范围为3至83厘米，美国环保署水深范围为6至150厘米（图3a）。

虽然BonyMarsh和美国环境保护署平均水深平等，但BonyMarsh平均深度（35公分），比美国环境保护署平均深度（29厘米）略高。

这两个数据库的最小水深值接近一致;

对于BonyMarsh和美国环境保护署分别是3和6cm。

但是，美国环境保护署数据库报道的最大水深值（157厘米）大约是BonyMarsh观察的最大水深（83厘米）的两倍（图3a）。

水深频率分布表明，在一般来说，大多数的湿地，包括美国环境保护署和BoneyMarsh，在浅水操作（<

60cm），很少观察点出现在较高的水深度（>

100cm）（图3b）。

例如，81％BonyMarsh观测点在30-60厘米水深范围，而71％的美国环境保护署观测点在20-60cm水深之间（图3b）。

最高频率值出现在30-40厘米级和20-30厘米级分别（38）和美国环境保护署（32），而最低频率值出现在两个极端（例如，<

10厘米对于BonyMarsh，>

150厘米对于美国环境保护署;

图3b）。

水力停留时间（HRT）

美国环境保护署数据库报道的水力停留时间比那些BonyMarsh计算的涵盖了更广泛的范围（图4a）。

除两个数据点（118和209天），美国环境保护署数据库的水力停留时间值介于3到94天，对于BonyMarsh则为7到56天（图4a）。

BonyMarsh的水力停留时间平均值（17天

0.68SE）是美国环境保护署数据库报道的水力保留时间平均值（34天

3.3SE）的一半。

在一般情况下，和美国环境保护署数据库的水力停留时间都小于50天（图4b）。

然而，大多数观察到的HRT值在9和27​​日（图4b）之间​​。

例如，65％的BoneyMarsh的HRT值在9-18天之间，而44％的美国环境保护署HRT值在9-30日之间（图4b）。

BoneyMarsh最高HRT频率出现在14天，美国环境保护署则出现在9天和10天。

水负荷率（HLR）

BoneyMarsh和美国环境保护署数据库中的水负荷率都小（图5）。

除了美国环境保护署报道的两个数据点，所有的HLR值都小于9cmday-1（图5a）。

BoneyMarsh所有的HLR值都不超过6cmday-1而美国环境保护署98％的值小于9cmday-1。

BoneyMarshHLR值在0.25到5.37cmday-1之间波动，平均值为2.46cmday-1（

0.07SE），而美国环境保护署的HLR值在0.08到27.3cmday-1之间波动，平均值为3.0（

0.37SE）cmday-1。

虽然，这两个数据库的最小HLR值接近一致，BoneyMarshHLR最大值比美国环境保护署报道的最大值小五倍（图5a）。

尽管事实是HLR的频率分布图覆盖范围广（高达28cmday-1），大部分数据落在范围的低端（图5b）。

例如，BoneyMarsh87％的HLR值在2至4cmday-1之间，而美国环境保护署98％的HLR值落在0.2到9cmday-1之间（图5b）。

BoneyMarsh（71）HLR最高频数出现在2-3cmday-1，美国环境保护署数据库（13项）出现在2至4cmday-1。

磷去除效率

P-去除

虽然P-负荷率（图2）和水力停留时间（图4）覆盖了广泛的值，BoneyMarsh和美国环境保护署数据库展示出相似的P-去除率值（图6a）。

BonyMarsh和美国环境保护署数据库报道的湿地P-去除率是有效的，被大的平均值（71％和64％）和中位数（74％和72％）表明。

BonyMarsh和美国环境保护署的数据库的频率分布显示，多数观测点都超过了50％的除去率（图6b）。

总数为89％和63％的P-去除率比60-65％的P-去除要高，分别对于BonyMarsh和美国环境保护署数据库（图6b）。

全部P-释放（P输出）被集中到一个级别（10％），包括一个P-释放观测点对于报道的BonyMarsh和美国环境保护署。

出水浓度

磷的去除效率也可以表示为出水总磷浓度方面。

所有的雨水处理区（STAs）的主要性能目标，目前正在南佛罗里达兴建，是对于STA出水总磷（TP）负荷以实现了长期平均高达75％的削减相对于进水总磷负荷。

STAs次要性能目标是实现长期的年径流量加权平均浓度不大于50ugL-1在STA流出中。

两个数据库的出水总磷浓度非常不同，迄今为止，美国环境保护署比BonyMarsh覆盖更广泛的总磷浓度（图7）。

例如，美国环境保护署出水浓度在11和8000ugL-1之间，平均为1580ugL-1

199.09SE（图7a）。

与此相反，BonyMarsh覆盖一个更小出水磷浓度范围（总磷介于6到47ugL-1之间），平均只有19.0ugL-1

0.67SE（图7a）。

两个数据库之间观察到的大区别是明显的，通过比较两个数据库的平均值和/或中值。

美国环境保护署数据库的均值和中位数都要比BonyMarsh计算的值得数量级要高;

这是处理水源的反映（例如，国内废水与河水）。

BonyMarsh所有的数据点落在两个级别（总磷<

20和总磷20-40ugL-1），而美国环境保护署数据库出水P浓度分散在很宽的范围（图7b）。

例如，41％的美国环境保护署的数据点落在高于2000ugL-1范围内，32％的美国环境保护署数据落在低于100ugL-1范围内，只有21％的美国环境保护署数据点落在和BonyMarsh相同的两个级别里（图7b）。

磷去除效率图

一些研究人员认为，没有简单的关系可以被确定来准确地表达去除效率作为为养分负荷和出水营养浓度的函数（Kadlec&

Newman,1992;

Reckhow&

Qian,1994）。

另一方面，Howard-Williams（1985）研究总结养分流失率系数并指出损失系数是流入浓度的函数。

此外，Reckhow（1979）证明了一个简单的输入-输出是足够好的总污染物捕获潜力的预测者对于沉积盆地和湖泊。

但是，Reckhow＆Qian（1994）报道，早年废水应用使用一阶损失模型估计的恒定速率系数可能高估了湿地的长期搬运能力。

尽管如此，开发一个管理工具，可用于指导新构建地表流（FSW）湿地的操作以优化营养保留通过管理可控的水文条件是可取的。

作为这里分析的一部分，对几个功能关系进行了研究，以确定内陆水营养捕获预测变量是否也可能是湿地全部磷捕获的良好预测者。

此外，P-负荷，水深，水力保留时间，和水负荷率已经被报道出对内陆水域营养物去除影响很大（Vollenweider,1975;

Kadlec&

Knight,1996）。

但是，双变量散点图对于湿地的营养保留，去除效率，和/或总磷流出浓度相对于水的深度，水力保留时间，和P-负荷率显示无明显关系。

P-去除等值线作为水深，水负荷率，磷负荷率的函数被绘制出，使用映射软件来创建一个有规律的间隔网格从无规律的间隔数据（图8）。

点之间的内插是根据克里格法过程，其中数据点之间的线性关系被假定，并且一个数据点对另一个的影响随着增加距离而减小（金软件，1990公司）。

等高线图利用BonyMarsh和美国环境保护署数据库所有可用的数据生成，等高线描画在这些图中（图8）表示P-去除效率（即，总磷％）。

P去除作为水深和P-负荷率的一个函数的关系示于图8A。

在图8a所示的图形表示高磷滞留（75—95％）可以被实现通过保持水面高度接近地面高度（即，深度<

20cm），而水深和P-负荷率对观察的营养物去除的联合影响可用于优化湿地处理系统P去除（图8a）。

例如，最高的P-去除（80-95％）发生在水深小于10厘米和输入的P-负荷率高达9gm-2y-1（图8a），而低P-去除（<

60％）发生在水深在30—60厘米之间，当负荷率为<

0.5gm-2y-1和/或L>

8.5gm-2y-1（图8a）。

在高的磷去除在浅水（10厘米）和低的磷去除率在深水（35-65厘米）表明，水深在确定湿地除磷效率中起着关键作用（图8a）。

此外，图8A中图形表明高的磷去除率可达到在负荷率为1至10gm-2y-1用于水深小于1米。

因此，高的P去除可以被实现在负荷率小于10gm-2y-1而不考虑论水深（图8a）。

虽然水深和P负荷率的单独影响没有透露一个系统的模式，其综合影响导致得出以下结论：

1．最高的P-去除效率（70—95％）是在水深小于20厘米下获得，

2．为了维持高的磷去除效率（60-95％），湿地处理系统内的水深应保持在小于40厘米，而L<

8.5gm-2y-1，或水深<

20厘米，L<

10gm-2y-1

3．P-的去除效率迅速降低到小于50％，在水深度大于80厘米时。

P去除率作为水和P-负荷率的一个函数的关系示于图8b。

此图中（图8b）表明，P-滞留在湿地，可以预见知道水负荷率和P-负荷率。

该图表明，高的磷去除（总磷去除=80％-95％）可以在低P-负荷率（L=3-5gm-2y-1）和水负荷率（HLR<

2cmday-1）获得（图8b）。

中度至高度的P-去除（55％至95％）也可通过保持实现P-和水负荷率分别低于5gm-2y-1和4cmday-1来获得实现（图8b）。

虽然，HLR和L的单独影响并没有对P-去除率透露一个系统的模式，其联合作用导致以下结论：

1．最高的P-去除效率（70-95％）在HLR中小于2cmday-1和L在1—5gm-2y-1范围内获得，

2．为了维持高的磷去除效率（60到＞95％），HLR应保持在小于2cmday-1而当L小于8gm-2y-1

3．P-去除率迅速降低到小于50％，在HLR大于2且小于7cmday-1当L小于1.5gm-2y-1时。

讨论

所有天然的湿地功能都是湿地水文作用的结果或者与湿地水文紧密联系。

（HowardWilliams,1985）。

因此，理解湿地水文是必要的对于营养流的评价，关于速度，方向，最重要的是，含量表示为质量每单位时间（P-流量）。

P-流量（gsec-1）可以获得通过磷浓度（gm-3）和水排放量（m3sec-1）相乘，因此，可以预期到有种关系存在于这些变量中。

例如，P-负荷率的影响已被众多研究人员引用作为主要的变量在确定湿地P-去除上（Mitsch,1992;

Kadlec,1995;

Moustafaetal.,1996）。

在低的P-负荷率下，湿地具有去除大部分应用P的能力（Moustafaetal.,1996）。

然而，当负荷率增加，P-去除率迅速下降（e.g.,Nichols,1983;

Howard-Williams,1985;

Mitsch,1992;

Moustafaetal.,1996）.

水力停留时间是影响湿地P-去除的另一个变量。

水力停留时间影响实验湿地中养分吸收的重要性被deJong（1976）和Spangleretal.（1976）强调。

deJong（1976）描述了使用一公顷栽有乌芋（Scirpuslacustris）的池塘去净化露营地的污水。

他发现，去除氮和磷化合物的能力随着停留时间增加而增加。

在最适宜的停留时间对于BOD和COD处理（10天），人工湿地去除流入的35％的P（deJong,1976）。

同样，Spangleretal.（1976）证实了人工湿地中表现出停留时间和P-去除的正相关关系。

Mulhollandetal.（1981）也报道了增加实验室流水力停留时间导致养分被生物更大的吸收，减少水体浓度，并且通过生物群增加磷循环。

Preverly（1982）发现，通过湿地保留营养成分只发生当低流速时。

此外，McColl（1979）表明，水生植物在流动水中的积水效应减少了水流动速率因此微粒的P被沉积，并且允许更长的接触时间来更多的吸附溶解性P。

如果水移动通过湿地比植被去除P更迅速，那么就会有相当可观的营养物流出液（Jones&

Lee,1980）。

在营养去除图中两个低的P-去除区域是显而易见的（图8b）。

第一区域以HLR>

1cmday-1当P-负荷超过850gm-2y-1为边界。

第二个区域以P-负荷率在5-6gm-2y-1之间，HLR小于2cmday-1为边界（图8b）。

发生在图8b中两个区域低的P去除的可能是不同去除机制（例如，沉淀，吸收，吸附，扩散）或可用磷形态的类型（例如，颗粒态，溶解态）的结果。

较高的P-负荷率一般伴随着较高的水负荷，所以在湿地，水力停留时间缩短，更短的时间被允许用于P-除去反应发生（Nichols,1983）。

此外，在非常高的负荷率下，营养物去除可能主要被微粒形式的沉降率限制（Nichols,1983）。

另一个可能影响除磷的因素是湿地形态。

例如，随着湿地深度的增加，P进入湿地和湿地土壤之间反应机会减小（e.g.,Goltermanetal.,1998a,b）。

另一方面，深水湿地比浅水湿地具有更长的停留时间，在给定相同的水负荷下（图8a）。

在图8a中所观察到的图形分别基于BoneyMarsh75％和美国环境保护署100％的散点图数据点（图9a）。

研究这些数据表明，在图8a图形中所观察到的等值线是由于观察到的数据，而不是由于线性内插处理（图9a）。

选定的水深范围（高达85厘米）和P负荷率（高达10gm-2y-1）含有89％以上的所观察到的数据点，所选择的水深和P-负荷率范围不是由单一的数据库主导。

如图8a所示，分别约75％和100％的美国环境保护署和BoneyMarsh数据点落在选定范围，表明所观察到的图形，主要是因为观测点而不是由于克里格过程的错误引入（即，线性内插）。

在图8b中所观察到的图形基于BoneyMarsh和美国环境保护署散点图中的209个（即，91％）数据点（图9b）。

研究这数据点表明，美国环境保护署和骨多沼泽的数据76（75％）和129（100％）的数据落在P-负荷率高达10gm-2y-1和水负荷率高达10cmday-1的范围内（图9b）。

基于图8b中数据点的分散，所选择的P和水负荷率可以被分为两个主要区域（图9b）。

第一区域是以P-负荷率在2.0到8gm-2y-1和水负荷率小于1cmday-1为界（图9b）。

第二区域以P-负荷率小于1.6gm-2y-1和水负荷率在1到5cmday-1为界（图9b）。

第一区域是由美国环境保护署数据库处理系统占主导，100％的数据来自美国环境保护署，其特征为高的磷负荷率和低的水负荷率（图9b）。

第二区域是由BoneyMarsh数据库主导，100％和11％分别来BoneyMarsh和美国环境保护署，特点是低的P-负荷率和高的水负荷率（图9b）。

尽管事实上，这两个区域的P和水负荷率不同，从这两个区域获得的信息都是附的而且延伸的单个区域的范围。

例如，如果兴趣是预测低水负荷率和高P-负荷的P-去除率（例如，废水处理的应用，参考Kadlec&

Knight的例子，1996），那么区域I显示的图案可以用来预测预期P-去除率范围（图9b）。

另一方面，如果兴趣是预测高水负荷率和低的P-负荷率下的P-去除率（例如，非点源应用），那么区域II显示的图形可以用来预测预期的P-去除率范围（图9b）。

在区域II，营养物去除图清楚地表明，磷去除率随排放量的增加（即，HLR的增加；

图8b）而降低。

P去除在负荷小于2gm-2y-1的等高线具有与水平x轴有个小角度的特点，这表明水负荷率起着主要作用决定除磷相比起P-负荷率（图9a）。

增加湿地HLR会导致在停留时间减少。

例如，在图9b中区域II是由BoneyMarsh数据库主导，并具有相对较高的水负荷率的特点。

除五个数据点，BoneyMarshHLR都小于5cmday-1（图5b）。

此外，BoneyMarsh大多数HRT值也较小（图4b），这表明增加的HLR会导致HRT减少。

因此，HRT的减少将导致与生物接触时间更少，因此更少的P-的吸收，从而导致更低的P-去除效率。

湿地处理系统和其他内陆水体性能也可用出水浓度表示（（Vollenweider,1975;

Nichols,1983;

Howard-Wil