哈尔滨工业大学硕士学位论文
摘要
北方城市河流多为雨源型河流，水体补给主要来自于降水，缺乏天然径流
及自净容量，且常作为城市排污通道，遭遇断流、黑臭等复杂的环境问题。潜
流带是地表水和地下水混合的重要过渡带，同时也是一个活跃的生物地球化学
区域。增强潜流带的自净功能，是充分发挥雨源型城市内河调蓄、自净的方法
之一，能实现雨水自然积存、渗滤和净化，水体自然净化、修复和循环。
本文以北方城市哈尔滨的城市内河何家沟小南沟-富山屯段为研究对象，
采用实验室土柱实验联合数学模型方法，研究了溶解氧（DO，dissolved
oxygen）浓度、潜流带沉积物粒径、河水NH4+-N浓度、潜流交换周期时长对
潜流带氮素的迁移转化的影响。
潜流带沉积物粒径实验结果表明，河水中DO浓度分别为2、9mg/L时，
对潜流带上层的NH4+-N浓度影响较大，河水NH4+-N浓度为30mg/L时，7
cm深度处NH4+-N浓度分别为22.56、13.56mg/L。河水DO浓度为2mg/L时，
非均质和均质潜流带NH4+-N去除率分别为50.3%和72.5%，非均质潜流带中
NH4+-N去除率更低；河水DO浓度大时，NH4+-N去除率在均质和非均质潜流
带中相近，分别为63.8%和64.0%。NO3--N浓度为5mg/L的缺氧地下水补给
河水时，在流经3cm长度潜流带的第5天，即降低至0mg/L。
潜流交换周期时长实验结果表明，潜流交换周期为2天且河水中NH4+-N
浓度为8mg/L时，DOC消耗更快，NH4+-N去除率为45.3%，NH4+-N浓度为
5mg/L时，NH4+-N去除率为32.2%。潜流交换周期为2天，潜流带中NH4+-
N的去除效果更好，与周期为10天相比，NH4+-N去除率分别为45.3%和
29.9%。潜流交换周期为10天时，潜流带内的NO3--N去除效果更好，与周期
为2天相比，NO3--N去除率分别为95.4%和68.8%。
数值模拟实验结果表明，当河水持续饱和入渗地下水至数值稳定后，河水
通过潜流带最终进入地下水的NH4+-N浓度为6.79mg/L，NH4+-N去除率为
15.1%。在潜流带约0~3cm深度范围内，硝化作用速率大于反硝化作用速率，
NO3--N浓度增至0.21mg/L。在潜流带约3~6cm深度处，反硝化作用速率更
大。同时，在潜流带6cm深度以下，DO浓度小于2mg/L，为缺氧环境。当
地下水持续饱和补给河水的第13.4天，潜流带中的NH4+-N被地下水完全净化。
NO3--N在潜流带25~30cm深度范围基本通过反硝化作用去除完毕。
关键词：潜流带；氮元素；迁移转化；潜流交换；非均质层；数值模拟
I
哈尔滨工业大学硕士学位论文
Abstract
Mostoftheriversinnortherncitiesarerainsourcerivers,andthewater
supplymainlycomesfromprecipitation.Theylacknaturalrunoffandself
purificationcapacity,andoftenserveasurbansewagechannels,encountering
complexenvironmentalproblemssuchasflowinterruptionandblack