地下水系统中的抗生素对反硝化的影响研究进展

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作者 刘菲 黄福杨 《水文地质工程地质》 CAS CSCD 北大核心 2024年第2期3-12,共10页

微生物反硝化过程是地下水中硝酸盐最重要的脱氮形式。再生水利用和养殖业引起的抗生素污染常与硝酸盐共存。因此,需深入研究抗生素及其存在形式对地下水中硝酸盐反硝化过程及抗生素抗性基因(ARGs)产生、富集和传播的影响,以综合解析地... 微生物反硝化过程是地下水中硝酸盐最重要的脱氮形式。再生水利用和养殖业引起的抗生素污染常与硝酸盐共存。因此,需深入研究抗生素及其存在形式对地下水中硝酸盐反硝化过程及抗生素抗性基因(ARGs)产生、富集和传播的影响,以综合解析地下水硝酸盐浓度升高的原因。近年来的研究识别了地下水系统中抗生素的解离/络合形态、吸附形式(层间吸附/表面吸附)、水解与微生物降解产物等存在形式,并从反硝化微生物群落、功能酶的种类与活性、功能基因丰度以及ARGs产生与传播途径阐释了抗生素对反硝化过程的抑制机制。主要结论为:(1)地下水系统中,抗生素以多种形式存在,而不同形式的抗生素对微生物的毒性有显著差异;(2)在每升纳克至微克水平的抗生素存在下,地下水反硝化过程受到抑制,抗生素改变了微生物群落结构,抑制了功能酶活性,增加了ARGs的丰度,在这些作用的协同影响下,硝酸盐降解动力学由零级向一级转变;(3)在抗生素抑制反硝化过程中,还增加了温室气体N2O的释放量,抗生素影响了功能基因nosZ表达,N2O浓度与nosZ丰度呈负指数关系。在综述相关文献的基础上,对未来研究提出了展望:(1)定量识别典型抗生素进入地下水系统后的存在形式;(2)厘清不同存在形式的抗生素对反硝化微生物群落、功能酶种类与活性、功能基因丰度和多样性的影响;(3)探索反硝化功能基因在抗生素不同存在形式和不同输入方式下的变化过程,并建立ARGs产生、富集与传播模式;(4)结合野外观测和室内实验从分子生物学、环境化学和水文地质学多尺度研究复合污染下地下水系统的反硝化过程,可为日益复杂的地下水污染防治和饮用水安全保障提供理论依据。 展开更多

关键词 含水层 复合污染 硝酸盐 反硝化 抗生素 抗生素抗性基因

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氢氧同位素在地下水流系统的重分布:从高程效应到深度效应 被引量：4

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作者 韩鹏飞 王旭升 +1 位作者 蒋小伟 万力 《水文地质工程地质》 CAS CSCD 北大核心 2023年第2期1-12,共12页

大气降水的氢氧同位素含量具有高程效应,降水入渗后参与地下水循环,其高程效应如何受地下水流系统的影响转化为地下水氢氧同位素的深度效应?现有研究对于这个问题缺少定量认识。文章构建单向倾斜盆地和双峰波状盆地的稳态地下水循环理... 大气降水的氢氧同位素含量具有高程效应,降水入渗后参与地下水循环,其高程效应如何受地下水流系统的影响转化为地下水氢氧同位素的深度效应?现有研究对于这个问题缺少定量认识。文章构建单向倾斜盆地和双峰波状盆地的稳态地下水循环理论模型,采用MODFLOW模拟剖面二维地下水流场、采用MT3DMS模拟重同位素分子的对流-弥散过程,得到地下水D和18O含量的空间分布,探讨了氢氧同位素高程效应在地下水流系统转化为深度效应的机理。结果表明:在单斜盆地,补给区大气降水D和18O含量的高程效应转化为排泄区地下水δD和δ^(18)O值随埋深增大而指数型衰减的深度效应;在双峰波状盆地,当含水层渗透性相对入渗强度较大时(K_(0)/w=1 000),仅发育一个区域地下水流系统,在区域地下水的排泄区δD和δ^(18)O随埋深增大呈现S形曲线分布;当含水层渗透性相对入渗强度较小时(K_(0)/w=250),双峰波状盆地发育多个局部地下水流系统,区域地下水的排泄区δD和δ^(18)O随埋深增大呈现S形曲线,而局部地下水排泄区的δD和δ^(18)O随深度增加呈单调衰减趋势。本研究从理论上推进了地下水流系统对溶质运移影响机理的认识,揭示了氢氧同位素对地下水流系统的指示作用。 展开更多

关键词 降水入渗 地下水循环 地下水流系统 含水层 数值模拟

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跨流域地下水循环研究进展

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作者 韩鹏飞 王旭升 +1 位作者 蒋小伟 万力 《地质科技通报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第4期107-117,129,共12页

在区域尺度上,地下水流的路径存在跨越地表分水岭的可能性,从而形成跨流域地下水循环,影响流域之间的水文关系和溶质输送过程。跨流域地下水循环的研究在国际上尚处于起步阶段,方兴未艾,目前已经取得的进展是一个值得关注的问题。对近2... 在区域尺度上,地下水流的路径存在跨越地表分水岭的可能性,从而形成跨流域地下水循环,影响流域之间的水文关系和溶质输送过程。跨流域地下水循环的研究在国际上尚处于起步阶段,方兴未艾,目前已经取得的进展是一个值得关注的问题。对近20年来国内外跨流域地下水循环的研究文献进行了系统的跟踪分析,从形成机理、识别方法和影响评估3个角度总结现有的研究进展。在水动力学形成机理方面,已经从理论上确定了地表分水岭、潜水面最高点和地下水流系统分水点之间的偏离特征,为划分河流之间的多种跨流域地下水循环路径提供了依据。在跨流域地下水循环的识别方面,一系列实际流域的案例提供了可以借鉴的方法,包括水均衡法、流域水文模型和水文地球化学端元混合模型等,证实了跨流域地下水循环的存在性,甚至评估出其循环通量,深化了流域水量平衡关系的认识。研究表明流域地理位置、形态尺寸、气候背景和地质构造等条件都会影响跨流域地下水循环的发生及通量。在影响评价方面,初步发现跨流域地下水循环对水文要素的气候敏感性、Budyko模式状态参数及碳源碳汇形成有重要影响,忽略其作用可能产生错误的认识。目前,科学界对跨流域地下水循环的动力学过程及其物质输送效应的研究还相对薄弱,缺乏准确的定量评估方法,未来的研究重点是揭示三维含水层空间的跨流域地下水循环路径,准确评估跨流域地下水循环的各种影响。 展开更多

关键词 闭合流域 分水岭 地下水流系统 气候水文模型 Budyko模式 碳循环

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权重和数据影响下水资源承载力评价不确定性研究 被引量：1

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作者 李占玲 王佳雯 +2 位作者 叶瀛韬 董俊巧 刘星才 《人民长江》 北大核心 2023年第5期53-60,共8页

水资源承载力是实现“空间均衡”的重要刚性约束条件,其科学评价对于地区生态文明建设与可持续发展具有重要理论与实践意义。以往研究多集中于确定性评价,然而受多种因素的影响,水资源承载力评价也存在一定的不确定性。以新疆地区为例,... 水资源承载力是实现“空间均衡”的重要刚性约束条件,其科学评价对于地区生态文明建设与可持续发展具有重要理论与实践意义。以往研究多集中于确定性评价,然而受多种因素的影响,水资源承载力评价也存在一定的不确定性。以新疆地区为例,采用Bootstrap、均匀分布假设法的随机抽样以及随机误差生成等方法,借助隶属度及不确定度的概念,量化指标权重及指标数据不确定性对研究区水资源承载力评价结果的影响。结果表明:基于Bootstrap和均匀分布假设法,由指标权重不确定性导致的新疆地区水资源承载力评价等级不确定度分别为21%和17%,由数据不确定性导致的不确定度为8%;随着指标权重和数据不确定性的增加,研究区水资源承载力评价等级的不确定度均随之增加;通过增加等幅误差的方法表明,数据不确定性对研究区水资源承载力评价等级的影响更大。研究成果可为科学评价水资源承载力、降低其不确性提供参考。 展开更多

关键词 水资源承载力 不确定性 权重 隶属度 不确定度 BOOTSTRAP

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类比法在《地下水动力学》教学中的应用与探究

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作者 童菊秀 王旭升 蒋小伟 《进展》 2023年第19期96-98,共3页

《地下水动力学》是面向地下水科学与工程专业及水文水资源专业的大三学生开设的核心专业课程,该课程涉及大量抽象的物理概念和复杂的数学公式,对学生数学抽象思维要求较高。为利于学生对地下水动力学课程中数学公式的理解、掌握,提高... 《地下水动力学》是面向地下水科学与工程专业及水文水资源专业的大三学生开设的核心专业课程,该课程涉及大量抽象的物理概念和复杂的数学公式,对学生数学抽象思维要求较高。为利于学生对地下水动力学课程中数学公式的理解、掌握,提高教学效果,本文将类比法应用于课程教学,通过简单的地下水运动数学方程,对复杂的地下水动力学数学方程进行类比分析,实现对晦涩难懂的数学方程的归纳、梳理、简化,易于学生理解、接受、掌握,显著提高学生学习的成就感。同时,学生也可以根据个人已掌握的知识,利用类比法,对本课程其他部分内容,进行举一反三的学习,调动学生的学习积极性,激发学生的学习兴趣与探索精神。 展开更多

关键词 类比教学法 地下水动力学 教学研究

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包气带中手性抗生素的环境行为研究进展

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作者 秦晓鹏 刘菲 +1 位作者 王广才 翁莉萍 《水文地质工程地质》 CAS CSCD 北大核心 2024年第2期23-34,共12页

目前,手性抗生素在包气带中的检测、分布、迁移转化等方面缺乏系统总结和全面综述。文章指出手性抗生素不同异构体的物理化学性质存在差异,例如左旋吉米沙星的溶解度、辛醇-水分配系数分别是右旋吉米沙星的301倍、9.8倍,会影响其在环境... 目前,手性抗生素在包气带中的检测、分布、迁移转化等方面缺乏系统总结和全面综述。文章指出手性抗生素不同异构体的物理化学性质存在差异,例如左旋吉米沙星的溶解度、辛醇-水分配系数分别是右旋吉米沙星的301倍、9.8倍,会影响其在环境中的迁移转化。高效液相色谱-手性色谱柱法和手性配体交换色谱法是目前最常用的分析手性抗生素的方法。梳理了国内外土壤、水体和农产品中手性抗生素的检出情况,其中最常见的是氟甲喹、洛美沙星、氧氟沙星等。手性抗生素在矿物和微塑料上的吸附速率和分配系数均存在差异,天然有机物的存在导致差异更大,但是不同种类手性抗生素之间并没有规律。手性抗生素会与地下水中的常见阳离子发生络合作用,络合物的稳定常数不同,例如镁离子-左氧氟沙星络合物的稳定常数是镁离子-氧氟沙星络合物的22.9倍。在生物降解过程中,不同手性抗生素的可降解性、降解速率不同,另外,抗生素异构体之间还会发生相互转化。文章系统阐述了手性抗生素在包气带中的分布情况和迁移转化行为,可供地下水系统中手性抗生素方面的研究参考。研究认为对于包气带中手性抗生素的环境行为,亟需开展以下研究:(1)手性抗生素的拆分、检测、毒理学和标准建设;(2)多种手性抗生素的调查、迁移转化;(3)手性抗生素的多界面环境过程。 展开更多

关键词 抗生素 手性 异构体 土壤 环境行为 氧氟沙星

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不同类型含水层中的抗生素污染特征及成因研究

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作者 王佳林 潘金伟 刘菲 《水文地质工程地质》 CAS CSCD 北大核心 2024年第2期13-22,共10页

抗生素在含水层中构成的风险已经引起广泛关注。为探明抗生素在不同类型含水层中的污染特征及主控因素,识别含水层中抗生素污染的指示因子,本研究在松嫩平原、华北平原和西南岩溶区共采集309组样品,利用超高效液相色谱串联质谱联用仪(UP... 抗生素在含水层中构成的风险已经引起广泛关注。为探明抗生素在不同类型含水层中的污染特征及主控因素,识别含水层中抗生素污染的指示因子,本研究在松嫩平原、华北平原和西南岩溶区共采集309组样品,利用超高效液相色谱串联质谱联用仪(UPLC-MS/MS)分析了35种抗生素含量。结果表明:(1)35种抗生素均有检出,岩溶含水层(34种)和华北孔隙含水层(32种)主要检出喹诺酮类和大环内酯类抗生素,东北孔隙含水层仅检出以红霉素为主的6种抗生素。在孔隙含水层中,松嫩平原整体呈低浓度污染(中位数为2.07ng/L,检出率为100%),华北平原污染偏重(11.76ng/L)但空间占比仅为49%,而岩溶含水层中的抗生素污染整体表现为浓度高,面积广(37.5ng/L,87%);(2)岩溶与孔隙含水层抗生素污染特征差异归因于水文地质条件的差异(开放程度和渗透性),而抗生素的排放强度是导致不同地区孔隙含水层差异的主要原因;(3)基于相关系数的聚类分析识别了不同类型含水层中抗生素的指示因子,TOC能有效指示孔隙含水层的抗生素污染,同时NH^(+)_(4)和SO^(2-)_(4)揭示了人类活动与抗生素的正相关关系,地下水性质参数是岩溶含水层中可靠的抗生素污染指示因子,表现为在偏碱性和呈氧化环境的岩溶水中抗生素浓度偏低。研究结果可为地下水新污染的区域防治提供科学依据。 展开更多

关键词 抗生素 孔隙含水层 岩溶含水层 污染特征 水化学特征

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渗透系数非均质场对沙丘尺度潜流交换的影响研究

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作者 王旭东 苏小茹 +5 位作者 韩鹏飞 刘升阳 张锁 朱晓倩 邢朕国 王路军 《人民黄河》 CAS 北大核心 2024年第1期79-84,共6页

为了研究河床介质渗透系数非均质性对潜流交换的影响,应用随机一阶分析工具,分析潜流交换通量与河床不同空间位置渗透系数的互相关关系以及渗流流速方差的空间分布。结果表明:潜流交换通量与渗透系数之间成正相关关系,且正相关关系最强... 为了研究河床介质渗透系数非均质性对潜流交换的影响,应用随机一阶分析工具,分析潜流交换通量与河床不同空间位置渗透系数的互相关关系以及渗流流速方差的空间分布。结果表明:潜流交换通量与渗透系数之间成正相关关系,且正相关关系最强的区域位于沙丘表面附近;忽略河床非均质性将导致河床浅层位置的流速具有较大不确定性,野外应重点监测河床浅层位置的渗透系数以减小潜流交换的不确定性。 展开更多

关键词 潜流交换 渗透系数 随机一阶法 流速方差

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潜水稳定井流的剖面二维数值模拟方法 被引量：1

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作者 王旭升 谢永桦 陈崇希 《地质科技通报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第4期27-36,共10页

经典Dupuit井流模型与考虑入渗的改进Dupuit井流模型,都受到Dupuit假定的影响,可能存在系统误差。建立反映三维流或轴对称二维流特性的潜水井流数值模型,是检验Dupuit模型可靠性的重要手段。提出一种模拟潜水稳定井流的剖面二维数值模... 经典Dupuit井流模型与考虑入渗的改进Dupuit井流模型,都受到Dupuit假定的影响,可能存在系统误差。建立反映三维流或轴对称二维流特性的潜水井流数值模型,是检验Dupuit模型可靠性的重要手段。提出一种模拟潜水稳定井流的剖面二维数值模拟方法,通过参数转换把柱坐标系的渗流方程变换为等效的直角坐标系方程,利用MODFLOW方体网格有限差分模型实现剖面二维流场模拟。数值模型以抽水井的井中水位为已知条件,渗出面的排水量按照Darcy定律差分公式计算,潜水面则通过MODFLOW对干-湿单元的处理加以识别,抽水流量经水均衡计算得到。通过采用精细化网格建立典型案例模型,获得模拟精度很高的结果,使反算抽水井流量的相对误差不超过0.2%。以此检验Dupuit井流模型,发现解析公式得到的水位线总体与数值模拟结果一致,仅在抽水井附近由于没有考虑水跃而偏低,且误差受到含水层渗透系数各向异性的影响。在有入渗的情况下,分水岭附近的渗流违反Dupuit假定。然而,改进的Dupuit井流公式计算的分水岭水位相对误差低于1%。这一数值模拟方法简单实用,但也受到MODFLOW本身局限性的约束。 展开更多

关键词 Dupuit假定 抽水井 入渗补给 渗出面 潜水面 各向异性 有限差分法

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基于HYDRUS模拟的ABCD模型变量及参数物理基础研究

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作者 王旭东 韩鹏飞 +4 位作者 张锁 曹志国 王路军 朱晓倩 邢朕国 《水文地质工程地质》 CAS CSCD 北大核心 2023年第5期20-27,共8页

以ABCD模型为代表的概念性水文模型是量化水文循环过程的主要手段之一,但是很少有研究检验ABCD模型变量和参数的物理基础及其与传统土壤水力参数的关系。以鄂尔多斯盆地台格庙矿区作为研究区,首先使用HYDRUS-1D软件构建站点尺度土壤-植... 以ABCD模型为代表的概念性水文模型是量化水文循环过程的主要手段之一,但是很少有研究检验ABCD模型变量和参数的物理基础及其与传统土壤水力参数的关系。以鄂尔多斯盆地台格庙矿区作为研究区,首先使用HYDRUS-1D软件构建站点尺度土壤-植物-大气连续体模型模拟获取非冻结期“真实的”实际蒸散量,其作为目标函数对ABCD模型进行校正,然后对比ABCD模型模拟的土壤水储量和土壤水渗漏量与SPAC模型模拟的结果,通过开展大量情景模拟探究ABCD模型中关键参数a和b与传统土壤水力参数之间的关系。结果表明:在站点尺度,ABCD模型可以用于模拟非冻结期月时间尺度的实际蒸散量和土壤水渗漏量;ABCD模型中参数a与饱和含水率、残余含水率和曲线形状参数具有较强的线性相关性,与饱和渗透系数呈对数关系;参数b与饱和含水率和曲线形状参数n具有较强的线性相关性,与饱和渗透系数和曲线形状参数α呈对数关系。研究结果可以提高对概念性水文模型变量和参数物理基础的认识,拓展水文模型在水文地质中的应用。 展开更多

关键词 水文模型 ABCD模型 土壤水力参数 土壤水模拟软件 鄂尔多斯盆地 台格庙矿区

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基于高密度电测法的西沙东岛地下淡水透镜体识别

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作者 韩冬梅 曹国亮 +3 位作者 蔡砥柱 宋献方 邢子浩 孟庆杰 《资源科学》 CSCD 北大核心 2024年第3期635-646,共12页

[目的]珊瑚岛地下淡水透镜体是维持岛上居民生产生活、生态涵养所必需的重要资源。准确识别珊瑚岛地下淡水透镜体的形态,揭示地下淡水补给机制,是珊瑚岛地下水资源评价的重要基础,对实现科学管理海岛地下水资源至关重要。[方法]本文以... [目的]珊瑚岛地下淡水透镜体是维持岛上居民生产生活、生态涵养所必需的重要资源。准确识别珊瑚岛地下淡水透镜体的形态,揭示地下淡水补给机制,是珊瑚岛地下水资源评价的重要基础,对实现科学管理海岛地下水资源至关重要。[方法]本文以西沙群岛的东岛为研究对象,结合水文地质调查,对高密度电阻率法实测剖面数据进行反演解译,基于电阻率和地下水总溶解固体浓度关系识别了咸淡水界面。[结果]①根据高密度电阻率法反演电阻率首次识别了西沙东岛地下淡水透镜体发育特征,该方法在西沙珊瑚岛具有较好的适用性;②东岛淡水透镜体主要发育于岛屿西北和南侧沙堤,厚度较薄,仅3~7m,局部地区甚至无地下淡水;③东岛地下咸淡水界面形态说明沙堤以内植被根系吸水是造成淡水透镜体较薄的主要原因,植被分布对东岛地下淡水资源具有重要影响。[结论]在保护西沙珊瑚岛生态系统的前提下,适当减少人工椰树林种植面积,可有效增加岛屿降雨形成的地下淡水资源,有利于发挥珊瑚岛地下淡水透镜体对岛屿水安全的保障作用。 展开更多

关键词 珊瑚岛 淡水透镜体 高密度电法 咸淡水界面 西沙东岛

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1961—2016年北京地区旱涝中心的演变特征

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作者 霍鹏颖 李占玲 +2 位作者 王佳雯 黄俊雄 韩丽 《武汉大学学报（工学版）》 CAS CSCD 北大核心 2023年第8期987-997,共11页

受气候变化影响,北京地区旱涝事件的时空变异性增强。为全面评估北京地区旱涝严重区域的演变特征,通过融合历时、强度、烈度、峰值、频率等多个旱涝特征,采用熵权法构建了归一化旱涝综合特征指标,并通过Kmeans算法识别了旱涝中心。结果... 受气候变化影响,北京地区旱涝事件的时空变异性增强。为全面评估北京地区旱涝严重区域的演变特征,通过融合历时、强度、烈度、峰值、频率等多个旱涝特征,采用熵权法构建了归一化旱涝综合特征指标,并通过Kmeans算法识别了旱涝中心。结果表明:归一化旱涝综合特征指标能全面地反映出该地区的旱涝状况;1961—2016年北京地区南部偏旱,昌平、海淀、房山区旱情较为突出,北部偏涝,密云区雨涝较为严重;20世纪60—90年代旱涝交替,整体偏涝,21世纪00—10年代整体偏旱;对于高等级及以上旱涝中心,干旱中心多分布于平原区,雨涝中心多分布于西南部和东北部山区;整体上,干旱中心的重心有向北迁移的趋势,雨涝中心的重心有向东迁移的趋势。 展开更多

关键词 旱涝 旱涝中心 K-MEANS算法 标准化降水蒸散指数 北京

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