苏州市高新区运河段水环境影响因素分析及氨氮容量研究.pdf

苏州科技学院硕士学位论文 摘 要 i 摘 要 随着社会经济的迅速发展，京杭运河的污染日益严重。因此，对京杭运河水质的 影响因素进行分析评价，显得十分有必要。本文以苏州高新区运河段为研究对象，结 合社会经济因素， 并建立相应的指标体系， 选用主成分分析法对其影响因素进行分析， 得出主成分的影响。并在此基础上，运用修正的层次分析法分析了2011年影响苏州高 新区运河段沿岸企业氨氮容量分配的各要素权重， 同时得出了各企业所应排放的氨氮 容量值。主要结论如下： （1）根据主成分分析法的结果可以知道，影响水环境的第一主成分是人口、第 二产业所占比例，第二和第三主成分分别是第三产业所占比例和工业废水排放量。 这 说明苏州市的经济发展与水环境有着密不可分的关系，人口的增长，经济的发展，使 苏州市的生活污水及工业废水的排放量逐渐增加。而第二、第三产业的发展速度过快 也会带来水环境问题。因此，对苏州市的产业需进行一定的调整：加强巩固农业的基 础性地位，适当放慢第二产业的发展速度，合理发展第三产业。 （2）沿岸企业进行氨氮容量排放量进行分配时，除了政策因素占较大权重外， 主要与企业自身的发展规模及其相应政策相关。一般发展规模大的企业，其分配所得 的氨氮容量排放量就大。除此之外，它还与企业距离所取末断面的距离有关。离末断 面的距离远，在河流自身的扩散等作用下，对末断面的影响就小，则相应分配得的容 量就大。 关键词：主成分分析法，主成分，层次分析法，容量分配 苏州科技学院硕士学位论文 abstract ii abstract with the development of social economy, the pollution of beijing-hangzhou grand canal is becoming more and more serious. so it is very necessary to analyze the factors that influence beijing-hangzhou grand canal.in this paper, beijing-hangzhou grand canal in snd as the research object combines the social economy establishes the index system and analyzes the factors with the method of principle component. then on the basis of the conclusion, the modified analytic hierarchy process is used to calculate the weights of each factor in 2011 that influences the capacity allocation of ammonia nitrogen in each enterprise along beijing-hangzhou grand canal in snd. meanwhile, the emission values of ammonia nitrogen capacity can be worked out.main conclusions are presented as follows: (1)according to the result of principal component analysis, the first of principal component is population, the proportion of the secondary industry, while the second and third component analysis are the proportion of the tertiary industry and emissions of industrial waste water. there is a close relationship between the economy of suzhou and water environment. the domestic sewage and industrial waste water will gradually increase with the growth of population and economy. and the rapid pace of the secondary and tertiary industries will also make the water environmental problems. therefore, it needs some adjustment to strengthen the fundamental statues of agriculture, appropriate to slow down the development speed of secondary industry and vigorously to develop tertiary industry. (2)in addition to policy factor that accounted for a significant weight,it is mainly associated with the development of the each enterprises scale and corresponding policy when capacity of ammonia nitrogen emissions is allotted to each enterprise along beijing-hangzhou grand canal in snd. generally an enterprise will be allotted to larger capacity of ammonia nitrogen emissions when it has a lager development scale. in addition, it is also related to distance between the enterprise and the end of cross-section. under the impact of dispersion, the distance to the end of cross-section is farer, the influence is less and then the capacity of ammonia nitrogen emissions will get more. key words: principal component analysis, principal component, analytic hierarchy process, capacity assignment 苏州科技学院硕士学位论文 目 录 iii 目 录 摘 要 . i abstract ii 第一章 绪 论 1 1.1 研究背景 . 1 1.2 国内外研究现状 . 1 1.2.1 水环境容量国内外研究现状 1 1.2.2 水质模型国内外研究现状 2 1.3 研究目的及意义 . 3 1.4 研究内容及技术路线 4 1.4.1 研究内容 . 4 1.4.2 技术路线 . 4 第二章 运河段水质现状评价. 6 2.1 城市水环境的概念体系 6 2.1.1 水环境的内涵 . 6 2.1.2 城市水环境系统的构成 . 6 2.1.3 城市水环境系统的功能 . 7 2.1.4 城市水环境问题 . 9 2.2 运河区域环境概况 . 10 2.2.1 自然环境 . 10 2.2.2 社会经济环境 . 11 2.2.3 河道环境概况 . 12 2.3 运河水质污染概况 . 12 2.4 地表水环境质量分析方法 13 2.4.1 水质指标 13 2.4.2 水质综合评价方法 13 2.5 运河水质分析 . 15 2.5.1 按水质浓度进行年际对比分析 . 15 2.5.2 主要水质指标分析 16 2.5.3 按单因子污染指数进行年际对比分析 . 18 2.6 小结. 18 第三章 运河水质变化的主要影响因素分析 19 苏州科技学院硕士学位论文 目 录 iv 3.1 社会经济生态因素的影响 19 3.1.1 经济因素的影响 19 3.1.2 社会因素的影响 21 3.1.3 生态因素的影响 23 3.2 评价方法 . 25 3.2.1 评价指标设计原则 25 3.2.2 评价指标构建 . 25 3.2.3 评价方法 . 25 3.3 利用 spss 软件主成分分析 . 28 3.3.1 数据处理 . 28 3.3.2 主成分选取 30 3.3.3 因子载荷矩阵 . 32 3.3.4 主成分综合模型 . 34 3.3.5 各影响指标分析 . 36 3.4 小结. 37 第四章 氨氮容量及分配技术研究 38 4.1 水环境容量概念体系 38 4.1.1 水环境容量的定义 38 4.1.2 水环境容量的特性 39 4.1.3 水环境容量的影响因素 . 40 4.1.4 水环境容量的确定步骤 . 40 4.2 技术方法及其理论基础 41 4.2.1 水质数学模型 . 41 4.2.2 氨氮容量分配技术研究 . 43 4.2.3 修正的 ahp 法 . 45 4.2.4 容量分配优化方法 47 4.3 指标体系构建 . 48 4.3.1 指标体系 . 48 4.3.2 影响因素说明 . 49 4.4 苏州高新区运河段容量分配研究 49 4.4.1 污染源 . 50 4.4.2 修正后的各指标权重. 51 4.4.3 各企业分配比 . 51 4.5 小结. 52 苏州科技学院硕士学位论文 目 录 v 第五章 结论与建议 53 5.1 结论. 53 5.2 建议. 54 参考文献 . 55 致 谢 . 58 个人简历 . 59 苏州科技学院硕士学位论文 第一章 绪 论 1 第一章 绪 论 1.1 研究背景 近年来对于河网密集的省和市等这些区域，其所表现的的水环境污染问题严重， 而由于污染物在河流之间中具有扩散作用，这就使得生态系统日益失调，对处于下游 的地区在社会经济发展过程中对水的需求产生了严重影响1,2。这对社会经济与环境 可持续发展构成了一定的威胁3。 中国的京杭运河是由人工开凿的，历史悠久，江苏段的总长为 628 公里，占了这 条河流的三分之一之长，从北至南依次经过徐州、宿迁、淮安、扬州、镇江、常州、 无锡和苏州这八个省辖市4。苏州高新区京杭运河从西起始苏州和无锡交界处的望亭 五七大桥，向南到达江苏、浙江两省交界的王江泾，其中经过吴中区和吴江区，并穿 过滨湖、淀泖和浦南三区域，长 82km 左右5。 苏州市位于长江、太湖下游，地势平坦，市内外河道纵横密布，河湖串通，流速 缓慢，流向不定，属于自流性河网6。京杭运河是苏州的基本航道，也是城市排洪防 涝的骨干河道，还具有重要的纳污、景观河生态功能，是生态、景观、生活和生产用 水的重要来源，是苏州不可或缺的人文景观。然而，随着苏州市经济的快速增长以及 城镇化的速度加快，人们消费水平的提高等，使得大量的工业废水、生活污水排入运 河，从而造成了水体的纳污量超出环境承载能力，引起水质的恶化。 因此，开展对苏州市高新区运河段的水环境影响因素分析显得十分必要，同时对 运河水质实行总量控制，通过选用合适的水质模型及分配技术，科学合理地将氨氮容 量允许排放量分配至运河沿岸各污染企业， 从而达到苏州市的社会经济发展与水环境 协调发展的目的。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 水环境容量国内外研究现状 国际上广泛使用的污染控制方式是对污染物实行总量的控制， 这具有较强的科学 性和实用性。而最初，对环境污染进行控制的思想主要集中在浓度控制，这终将会助 长排污者排放大量低浓度污染物的行为7。 1938 年，比利时数学家、生物学家弗胡斯特（p.e.forest）以马尔萨斯的人口 论 为依据最早提出环境容量的概念。而用于环境保护的环境容量概念是首先由日本 苏州科技学院硕士学位论文 第一章 绪 论 2 学者提出的。 日本早在 1971年就开始对水质总量控制计划问题进行了研究， 并与 1973 年制定的赖户内海环境保护临时措施法中，在废水排放管理中首次引用了总量控 制，而限额颁发许可证的指标则是 codcr（化学需氧量） 。日本环境厅委托日本卫生 工作小组提出1975 年环境容量计算与调查报告 ，使得环境容量逐渐得到了推广， 并且成为污染物总量控制的理论基础8。 美国国家环境保护局所提出的 tmdl， 也就是最大日负荷总量， 在考虑点源和面 源分配问题的同时，对不确定性的安全临界和季节性的变化也纳入了其中9。美国实 行污染物排放许可证的制度于 1972 年开始， 而且取得了明显的经济效益和环境效益。 1986 年底，美国环保局又推出了“排污交易”政策。这些制度和政策的推广及完善， 使得美国水环境质量得到了改善，基本控制了对城市污水的排放量，对工业废水的处 理状况也有了很大的改善。 其它国家则根据自身的社会经济条件，制定并颁布相应的法律政策，保证了水资 源的合理利用开发。 我国的环境容量研究在 70 年代末期开始起步，虽然在时间上较晚，但其发展的 速度相当快，到 90 年代，在其研究方法方面已取得了重要成果。其发展过程大致可 以分为以下三个阶段： 第一阶段（二十世纪八十年代初期） ：对不同水域内的污染物的自净规律、适用 的水质模型以及制定水质排放标准的方法进行了研究。 第二阶段（二十世纪八十年代中期） ：从不同角度研究了水环境容量的概念和影 响因素，采用相应的方法开展水环境综合治理规划、污染物总量控制规划、水环境功 能区划和排污许可证试点工作，同时出版了一系列如水环境总量综合手册 、 水环 境容量开发与利用 、 总量控制技术手册等专著。 第三阶段（二十世纪就是年代以后） ：对于已有的实用化、系列化的计算方法进 行落实工作，推动了水环境容量应用研究的发展10-11。 1.2.2 水质模型国内外研究现状 水环境容量是通过对纳污量进行计算，然后将水质数学模型作为手段。针对这一 方面，国外学者进行了较多的研究，同时也相应的成果。 第一个水质模型基于氧平衡模型和 s-p 模型在 1925 年被美国科学家 streeter 和 phelps 提出，之后发展起来的 bod-do 耦合模型是在其基础上发展起来的。而研 究方法的日益完善是继水质模型的多种形式之后 12。目前在美国环保局，主要运用 的水质模型有：溶解氧垂模型（dosag-),简化河流模型（ssm） ，简化河口模型 （sem） ， 动态河口模型 （dem） ， 1-型水质模型 （qual-),2-型水质模型 （qual-） 苏州科技学院硕士学位论文 第一章 绪 论 3 等等13-14。 同样地，我国也开展了一系列的工作用于河网水质模型的研究。比如河海大学的 用于感潮河网水量、水质统一的 hwqnow 模型；清华大学以不确定性分析为框架， 结合圣维南方程及 cstr 模型所开发的一维动态环状河网水质模型等等。 而计算机、数学、水环境、统计、仿真等科学的发展速度不断加快，出现了更加 新颖的方法用于水质模型的研究。 针对水质模型， gis 技术是水质模型得以空间离散 化、参数化以及可视化的有效工具。将水质模型与 gis 技术结合起来，一方面能展示 出数据处理分析这方面的优势；另一方面，更加容易对水质模型进行检验和校正。可 见，在水质模型预测、模拟及易操作性这些方面，将水质模型与 gis 结合起来会成为 发展的必然趋势 15。 1.3 研究目的及意义 水资源，作为基础的自然资源，除了是生态环境进行控制的一个因素，也是战略 性的经济资源， 是一个国家综合国力的重要构成要素。 要建成一个健康的城市水循环， 则要以自然、社会经济发展和生态环境规律为前提，不然会给人类社会和自然的和谐 发展带来负面作用。这就要求建立一个遵循社会经济发展规律和自然、生态环境规律 的可持续发展的动力循环系统。 近年来， 随着苏州市国民经济的快速增长， 城市化进程的加快， 城镇人口的增多， 水环境负荷日益严重，随之而来的则是水生态问题的突出，尤其是既作为主要航行要 塞又具有景观功能的京杭运河，其水质问题已引起社会的关注。因此，从宏观方面研 究苏州高新区运河段水环境影响因素， 再进一步通过中观方面对其污染指标之一的氨 氮进行容量及分配技术研究，进而提出合理可行的控制方案，有着重要的研究意义： （1）丰富了污染负荷分配决策方法 目前的污染负荷分配的依据原则往往是单一的，仅强调公平或效益，而现实则需 两者兼顾，找出最佳均衡点16。论文从公平、效益等角度展开研究，使得污染分配方 法进一步深化，提高了环境管理水平。 （2）使层次分析法、主成分分析评价法等智能算法进一步深化 随着环境管理深层次发展，环境管理中所应用的模型复杂性的增加，传统的优化 方法就会有一定的不足。 本文混合使用了层次分析法、 主成分分析评价法等智能方法， 并在水环境管理中推广了这些智能算法，这为本文处理环境管理中的优化、预测等问 题提供了有效工具。 （3）为苏州市高新区大运河的发展提供参考思路 我市的水环境污染问题十分突出，迫切要求制定科学的环境整治方案，为污染治 苏州科技学院硕士学位论文 第一章 绪 论 4 理提供指导。本文从水体纳污能力出发，综合社会经济的发展因素，为社会的可持续 发展提供决策支持。 1.4 研究内容及技术路线 1.4.1 研究内容 宏观研究方法是从大方面、 整体去研究， 微观研究方法是从小方面、 局部去研究， 中观则是介于宏观与微观之间。 环境管理的宏观方面是将环境与发展综合起来，并将国家的发展战略作为前提， 从国家层面提出一系列有指导性的环境政策、战略和措施等。 微观方面是在宏观环境管理的基础上，以企业作为管理主体，在企业内部实行一 系列以改善环境质量为目的的管理工作。 而中观是相对宏观和微观而言，从地方政府出发，在国家政策下制定适应于该区 域社会经济发展的一系列环境措施和政策， 对具体的环境污染和生态破坏问题加以解 决。 本论文主要是从宏观、 中观出发， 对水环境问题进行一系列探讨， 具体内容如下： （1）环境现状分析与评价。对苏州市的地理、经济、人文概况以及水质进行分 析，评价苏州市河流的水环境现状。 （2）通过苏州高新区运河段近 7 年的水质指标，对苏州市高新区运河段的污染 现状进行分析。 （3）从宏观方面，对高新区运河段的社会经济因素进行综合性分析，建立适当 的评价指标体系，利用主成分分析法，得出对生态影响的主成分因素，并针对其因素 进行深入分析和提出相应措施。 （4）从中观方面，选取适合本研究的水质模型及分配技术对氨氮容量及其苏州 高新区运河段沿岸企业所应分配的排放量进行研究。 1.4.2 技术路线 苏州科技学院硕士学位论文 第一章 绪 论 5 图 1-1 技术路线 收集、分析相关文献资料 确定研究目标 对现状水文、水质和 社会经济资料调查评 构建适合评价的指标体系 利用主成分分析法对社 会经济因素进行分析 确定主成分及综合得分模型， 计算综合得分值并进行分析 提出适合研究区域的 水质模型及分配技术 构建相应指标体系 利用层次分析法分 析各指标因子 对运河沿岸各排污企业 分配氨氮所应排放量 提出相应措施保证社会经济与水环境发展的协调性 苏州科技学院硕士学位论文 第二章 运河段水质现状评价 6 第二章 运河段水质现状评价 2.1 城市水环境的概念体系 2.1.1 水环境的内涵 环境是将人类作为主题的客观物质体系，具有一定的特征结构和动态变化规律。 在不同层次、空间和地域中，它的结构方式、组成程度、能流和物流的规模和途径以 及它的稳定性都有其相应的特点。按组成要素可以划分为水环境、大气环境、土壤环 境等17。 “水环境”是将水体作为载体，其体系包括了水体中的生物物体和非生命物质（包 括水分子） 。在其组分改变的条件下，其水质可能会变差，这就会不适合人类的利用， 更甚者会对人类的生活、生产产生危害。例如，近年来，媒体经常提及的“大量污水 排入地表或地下，导致水体污染，使水环境恶化”。地表水和地下水环境构成了水环 境。海洋、河流、湖泊、沼泽等都属于地表水环境之列；泉水、浅层地下水、深层地 下水等则列入了地下水环境。水是生命之源，是人类社会生存和发展的基本资源，同 时也是水生生物能够得以生存繁殖的的基础前提18。 2.1.2 城市水环境系统的构成 水，作为一切生物进行生存的基础，是人类生活和社会生产中最基本的物质条件 之一，具有无可替代的特点。一个城市欲发展其工业、农业和旅游业等这些方面，都 必须要建立在水资源的利用的基础上。因此，水对城市的社会经济的发展有着极其重 要的作用，对水资源的合理利用就显得极为迫切19。 在符合以下三个条件的前提下， 才能评价水资源是对社会有用的： 合适的水质； 充足的水量利用率；能在较合适的时间满足某种特殊的需求20。然而，因地理、 气候和一些社会因素的缘故，我国目前的大部分区域，特别是城市，以上三个条件并 不能完全的满足。比如，城市水污染问题的出现导致了城市水量的不足。同时，由于 人类社会活动的频繁及其强化，使得这些问题更加严重。 整个流域的城市水系在整个水文循环系统有一定的参与。 由于城市对水资源的利 用活动较强，人工循环系统又成为城市水系的一部分。因此，自然循环系统和水资源 利用人工循环系统构成了整个城市水环境系统，具体如图 2-1 所示。 苏州科技学院硕士学位论文 第二章 运河段水质现状评价 7 图 2-1 城市水环境系统 城市给水系统和排水与处理系统组成了城市水资源利用人工循环系统。 在此循环 系统中，水质变化过程成为此系统的核心，而用于消耗的水量则属于小部分。况且对 于城市边界来说还要考虑上下游的输入输出问题，因此，城市水环境系统作为开放性 的生态系统，较为复杂，其间任意一个环节都可能导致整个系统的失调。 自然循环系统中，大气的降水通过地表径流作用进入城市水系，而蒸腾、蒸发等 行为使水体进入大气，并完成一个循环。 从上面的城市水环境系统图中， 我们可以得知构成城市水环境的水体主要是地表 水和地下水，而地表水则包括了河流、湖泊、水库等。 2.1.3 城市水环境系统的功能 水是生命的源泉、农业的命脉、工业的血脉、城市的生命线、环境的要素、生态 环境的支柱和社会安定的重要因素。 通过图 2-2 可以得出水环境对人类社会所带来的 各种综合利益。 苏州科技学院硕士学位论文 第二章 运河段水质现状评价 8 图 2-2 水环境带来的利益 城市水资源系统的功能有： 生态功能； 环境容量功能； 防洪排涝功能； 健康保健、 环境美化功能；文化功能；经济价值和对气候的调节作用21-22。它们之间相互联系、 相互制约、相互发展、各有层次。 （1）生态功能 作为城市中最活跃、最富有生命力的水环境，呈现出生态的多样性。它的功能体 现在水土保持、水利循环、储水调洪、水质涵养和维持大气的成分稳定，同时还能够 调节温度、湿度，通过对城市的气候和生态环境进行改善，使自然环境容量增加等。 它对城市经济可持续的发展起着至关重要的作用。 （2）环境容量功能 水体具有较强的纳污能力和净污功能， 其环境容量的大小则由水体的水域面积决 定。一般的，水体的水域面积越大，水体的环境容量越大，则其纳污能力也就越强。 （3）防洪排涝功能 水环境的防洪排涝功能与城市水环境面积息息相关。水环境面积越大，则洪水的 调节能力就越大，通过对洪水进行储蓄以调节洪水的流量，使得水体的洪峰值得以降 低，这为城市在防洪过程中减轻了压力。而水体面积越小，则会导致河流的洪峰流量 增大，突破城市为防洪所筑起的防围，使城市在防洪过程中承受比较大的压力。 （4）健康保健、城市美化功能 空气中的负离子对人的身体具有保健作用， 国内很多研究证实， 负离子具有降尘、 苏州科技学院硕士学位论文 第二章 运河段水质现状评价 9 灭菌、防病治病功能，能促进人体合成和储存维生素，并对人体系统的多种疾病具有 抑制、缓解和辅助治疗作用。而在城市建设中，有景观功能的喷泉和溪流设计，水体 的高速运动会产生负离子，这必然会提高空气中的负离子量，对市民的健康起到了积 极的作用。 （5）文化功能 水环境不仅仅是单纯的城市景观，同时还是文化景观。城市中的一些河流承载着 悠久的历史，充分体现了城市丰厚的文化底蕴和物质文明。 （6）经济价值 城市工农业的发展、人类的生活起居都离不开水。农业作为第一产业，是人类赖 以生存的基本，而它的生长则需水的灌溉；作为第二产业的工业的发展，是一个城市 经济的命脉，城市发展离不开工业，而工业的发展更是需要以水作为支撑。而其他产 业的发展，比如水产业、旅游业、服务业等都需要依靠水资源。水资源的合理利用、 优化配置能够促进一个城市的经济发展。 （7）对气候的调节作用 城市独特气候的形成是因为随着城市建筑物和街道的修建以及一些人类的生产 活动，会产生大量的热量、水汽和粉尘等进入大气。而城市水环境的存在，能在一定 程度上缓解城市气候，因为水体的蒸发等作用能与大气形成一定的环流，通过降温增 温作用等，来调节城市气候，从而达到改善城市气候的作用。 城市水资源系统的功能发挥由它的结构和系统的完善程度组成。从图 2-1 可知， 一个完整的城市水资源系统除了自然循环系统的存在， 还包括了水资源利用人工循环 系统。 而人工水循环系统是城市的基础设施，并且对城市水环境质量的作用越来越明 显； 相较于人工水循环系统，不受人类活动影响的自然水循环系统一般都会处于一个 平衡状态，但是，近些年城市化进程的加快渐渐打破了这个平衡，使得相应的结构和 功能也发生了改变。 2.1.4 城市水环境问题 随着城市的迅速发展，水环境面临着水资源匮乏、水质严重恶化的问题。其中， 水质的污染恶化问题已成为城市水环境主要问题23。而造成水质污染的原因有很多， 主要可归结为以下几点。 （1）城市化进程加快、人口增加、经济增长加快 我国是一个人口基数大，增长速度快的国家，同时，改革开放以来，随着城市经 济的迅速发展，人口集中聚集在城市，加快城市化进程的同时，制约了城市环境与经 济的可持续发展。其中，工业的迅速崛起是以环境为代价，其所带来经济效益的同时 苏州科技学院硕士学位论文 第二章 运河段水质现状评价 10 加重了水污染的严重问题。 （2）城市工业结构及废水治理力度不足 目前，我国的大部分企业的产业结构不是很合理，生产效率低下、物料消耗多、 生产工艺落后等原因严重影响了水环境。并且一些老企业并没有完善的污水处理设 施，直接将污水排至水体，从而造成了水体的严重污染。 （3）城市基础设施建设与城市发展不适应 城市化水平的迅速发展，使得城市的排水系统和污水处理设施跟不上步伐，这与 城市建设和经济的发展是相悖的。由于污水处理设施的不完善，导致污水直接排入城 市地表水系统，这无疑又对水环境带来了极大的危害。 （4）城市固体废物对城市水环境的影响 城市中每天都会产生大量的固体废弃物， 固体废弃物的长期堆置等会产生渗滤液 问题，而渗滤液中又含有高浓度的污染物，如若其进入城市水体，会对城市水体造成 严重的污染。除此之外，由于居民环保意识的缺乏以及企业追求高利润，会将一些固 体废弃物直接排入水体，这不仅影响水质，还会造成了水域面积的减少，同时会对水 体中的水生生物的生存造成危害，破坏生态平衡。 （5）城市面源污染严重，缺乏有效的管理防治措施 城市不透水的混凝土及沥青路面比例较大， 各种类污染物会随着雨水径流进入水 体，导致水质的恶化。城市面源的污染对水环境影响较大，其现状令人担忧。 2.2 运河区域环境概况 2.2.1 自然环境 京杭运河北以北京通州为起点，南以浙江杭州为终点，全长达到 1800 公里。其 中，京杭运河苏州段是在太湖水网平原上开挖的运河，全长 18 公里，由北至南依次 流经苏州市相城区、高新区、吴中区，最后经吴江市进入浙江嘉兴境内。 苏州市位于北纬 3047322，东经 1195512120之间，地处长江三角洲东部， 北倚长江，西南靠太湖，东与上海接壤，西与无锡为邻，南与嘉兴、杭州相连，南北、 东西范围均在 140km 左右，总面积 8488.42km2，约占江苏省面积的 8.27%。其中， 平原洼地约 4660km2， 占 54.9%； 河湖水面约 3607km2， 占 42.5%； 丘陵山地约 221km2， 占 2.6%。 苏州属于北亚热带湿润性季风气候，四季分明，温暖湿润。全年的平均气温为 15.7，最高气温 38.8，最低气温9.8。常年平均日照时数为 1965.0h，光照较 充足。春夏受梅雨和台风的影响，雨量充沛，多年平均降水量为 1300mm，天然年多 苏州科技学院硕士学位论文 第二章 运河段水质现状评价 11 年径流量的平均值为 24.9 108m3，水资源总量平均超过 30 108m3（其中地下水资源 量平均为 11 108m3） 。因从地理位置来看，苏州既有来自太湖的供水，又有长江水的 补给， 同时将引水入境及过境水量考虑在内， 平水年份的总水资源量约为 100 108m3， 特殊干旱年份达到 60 108m3，丰水年份则有 180 108m324。降雨的时空分配年内主 要集中在汛期 59 月。 苏州常年的主导风向夏季以东南风为主， 秋冬季则是以偏北风 为主，风速平均是 3.4m/s25。 苏州高新区位于苏州古城西侧，东临京杭大运河，南邻吴中区，北接相城区，西 至太湖，总面积达 258km2。高新区地势西高东低，吴淞标高 4.88-5.38m，土质粘性， 地耐力强，地质稳定。属亚热带海洋性气候，春秋短，冬夏长，四季分明，全年气候 温和湿润，年平均温度 17.7。 2.2.2 社会经济环境 苏州高新运河段段是大运河中灿灿闪光的一段，是水利运输的动脉，对经济发展 有十分重要的作用26。 （1）农业的命脉 运河的开通，调节了太湖的水源，同时对水的供应与调节做出了贡献，促进了农 业的发展。在春秋时期，就使稻麦、黍等八谷、蔬果的产量有所提高。两汉时期，改 进的耕作方法和技术使农业丰收，苏州一带变成沃野乐土。两晋时期，牛耕技术的推 广、水旱田的配置提高了产量，使三吴成为富裕之区。隋唐时期，耕作农具的改进， 粮食产量大幅度增加，粮食产量居举足轻重的低位。 除此之外，苏州副业特产菱、藕、芡实等“水八仙”，本是水中之物，更与运河有 着直接关系。 上述农业的发展中， 水的灌溉、 良种的输入与推广， 粮食的调配与买卖， 运河都起着至关重要的作用。 （2）舟船制造的前提 运河的开挖，直接促进了造船业的兴起。吴地的独木舟早在上古时代就出现了。 春秋后期，吴国在建设运河的同时，特别重视舟船的制造。汉时，苏州就是有名的楼 船建造地。三国东吴，吴郊是重要的造船基地。 明代太仓县城北门外就设有船厂。清朝时，苏州设船场，船只的种类繁多，用于 驳运漕粮、装载物料、载客、游玩等。同时清朝统治者为驿运的需要，曾规定苏州商 民承造“便民船”多艘。造船技术的提高，为航运业的发展创造了条件，也提高了运河 的价值。 （3）城镇的兴起 运河，是以运输为主的人工河流，它的出现，加强了各地物资交流，促进了苏州 苏州科技学院硕士学位论文 第二章 运河段水质现状评价 12 一批运河城镇的产生。 唐时苏州称雄，宋时号平江府，产丝帛，造纸及造船业极发达。明清，苏州是丝 绵粮食的重要集散地，是药材、海味、豆麦等的交易场所。运河是经济连接的纽带， 苏州市漕运与丝绸之路的出发地。苏州的阊门与娄门是漕运的出发地。苏州堪称运河 上的明珠。 商业与运输业的发展带动了沿河集镇的兴起。 苏州之西的浒墅关镇就是运河上的 重要集镇；东距阊门十里的阊门，则是运河上重要的交通枢纽。吴江县治所在地的松 陵镇则是太湖通向运河的连接点这些城镇完全依托运河而发展。 1992 年，苏州高新区成为国家级高新技术产业开发区，总面积达 258km2，下辖 枫桥、狮山、横塘、镇湖 4 个街道及浒墅关、通安、东渚 3 个镇，下设通安、东渚、 浒墅关 3 个区和苏州高新区出口加工区。 苏州高新区自启动开发至今，在坚持“以人为本，全面、协调、可持续发展”的原 则下，以聚集新产业、建设新城区和建立新体制的发展思路，大力实施产业发展、城 市建设和生态保护并重的发展战略， 着力构建高标准的基础设施和高品位的环境管理 体系， 使经济社会得到了持续快速发展， 每年以 20%的增长率使各项经济指标迅速增 长，在全国 53 个国家高新技术产业开发区中名列前茅。 2.2.3 河道环境概况 地处长江尾闾、太湖下游的苏州，境内河道纵横交错，湖泊众多，拥有 2 万多条 河道，323 个湖泊，河湖的相互串通构成了水网。由于地处平原，地势较平坦，故流 速缓慢。苏州市区水系可概化为京杭运河和外城河两部分27。其中，苏州高新区运河 段以望亭镇的五七大桥作为起始，向南以尹山桥作为终点，全长约为 38km，河宽为 60m70m，平均水深为 2.5m3m，平均水位约为 2.8m。京杭运河流域内的水系比较 发达，其包括支流、断头浜等在内的大小河流就有 470 多条，河网密度有 4km/km2， 区内用地面积的 6.6%则是河道面积。苏州高新区运河段的上游水来自无锡境内，其 西岸支流有月城河、浒光运河、胥江，而太湖水则是通过以上三条支流与京杭运河混 合， 是苏州高新区运河段较为重要的补给水源； 东岸支流有黄花泾、 白洋湾、 上塘河、 老运河段的胥江等，上述支流则是出流性质的河道28。 2.3 运河水质污染概况 苏州高新区运河段的上游来水来自无锡境内，无锡的经济水平发达，在日常生活 和工、 农业生产过程中产生了大量的污废水， 这对运河水体的水质造成一定的威胁29。 苏州科技学院硕士学位论文 第二章 运河段水质现状评价 13 同时运河沿线地区的社会经济发展水平也会影响运河水环境的水质状况。造纸 厂、印染行业、污水处理厂和制药厂等众多工厂密布在苏州高新区运河段沿岸。为追 求企业经济效益的提高，企业盲目发展、粗放式经营等将产生的大量污废水直接排入 运河水体，导致运河水质严重污染。而生活在运河周边的居民生活区，垃圾和生活污 水的产生量也是相当可观的，其也会对运河水体造成一定的污染。因此，苏州高新运 河段的污染主要是以有机污染为主。 2.4 地表水环境质量分析方法 2.4.1水质指标 根据京杭运河水环境质量现状（苏州市环境质量公报，2011） ，苏州高新区运河 段以有机污染为主。因此，可以选择较为有代表性的水质指标对运河水质进行评价： 溶解氧、 高锰酸盐指数、 化学需氧量 （cod） 、 五日化学需氧量 （bod5） 、 氨氮 （nh3-n） 、 总磷、总氮、挥发酚和石油类作为主要的评价因子。 2.4.2 水质综合评价方法 对水质状况进行综合评价时，可以使用水质类别评价法、综合污染指数法和单因 子污染指数法30。 （1）水质类别评价法 所谓水质类别评价法，是通过地表水环境质量标准对水质类别进行划分，这种评 价方法在环境质量评价中环保部门使用的较为常规的方法。 各单项污染物的水质类别 可以通过污染物的分级标准获取， 然后监测点的水质类别以各单项污染物中最差的为 标准。地表水环境的各指标限值见表 2-1。 苏州科技学院硕士学位论文 第二章 运河段水质现状评价 14 表 2-1 地表水环境质量标准各监测项目标准限值（mg/l） 监测项目 类 类 类 类 类 水温（） 人为造成的环境水温变化应限制在： 周平均最大温升1 周平均最大温降2 ph 值（无量 纲） 69 溶解氧 饱和率 90% （或 7.5） 6 5 3 2 高锰酸盐指 数 2 4 6 10 15 化学需氧量 （cod） 15 15 20 30 40 五日生化需 氧量 （bod5） 3 3 4 6 10 氨氮 （nh3-n） 0.15 0.5 1.0 1.5 2.0 总磷 （以 p 计） 0.02（湖、库 0.01） 0.1（湖、库 0.025） 0.2（湖、库 0.05） 0.3（湖、库 0.05） 0.4（湖、库 0.2） 总氮 （湖、库，以 n 计） 0.2 0.5 1.0 1.5 2.0 挥发酚 0.002 0.002 0.005 0.01 0.1 石油类 0.05 0.05 0.05 0.5 1.0 （2）综合污染指数法 综合污染指数评价方法的主要特点是通过运用数学方面的归纳统计方法分析污 染物的相对污染指数，然后会获得能代表水体受污染程度的一个数值。由于环境质量 的综合特征可通过它反映，因此，对于不同地区不同时间的多项污染物进行比较时较 适用。对评价因子的标准指数进行加和，然后通过算数平均获得综合污染指数。具体 公式如下： n i i s n p 1 1 ， oi i i c c s n i oi i c c n p 1 1 式中 p综合污染指数； si第 i 种评价污染物标准指数； ci第 i 种污染物实测平均质量浓度，mg/l； coi第 i 种污染物评价标准值，mg/l。 苏州科技学院硕士学位论文 第二章 运河段水质现状评价 15 表 2-2 则反映了其对应的水质污染程度分级。 表 2-2 水质污染程度分级 p 级 别 分 级 依 据 0.2 严重污染 相当一部分检出值超过标准数倍或几十倍 （3）单因子污染指数法 通常采用单因子污染指数法评价主要污染物的水质状况，即任何监测项目的 si 指数大于 1 时，表明该监测项目超过了选定的水质标准，已不能满足使用要求。 2.5 运河水质分析 2.5.1 按水质浓度进行年际对比分析 按照 地表水环境质量标准（gb3838-2002） 用水质类别评价法对 2006 年至 2012 年的石湖大桥断面（其中， 2008 年至 2012 年水质数据是来自于石湖大桥下游 1km 处 的友新大桥） 进行水质评价， 从图 2-3 可以发现， 通过对 7 年水质类别比例进行对比， 苏州高新区运河段这 7 年的水质达标率的总趋势是上升的。 通过这段期间内的水质类别变化特征可以知道，劣类类别是逐年减少的，07 年的时候所占比例最大， 达到 50%(06 年的水质指标只有氨氮、 高锰酸盐指数和总磷； 07 年的水质指标则只含有氨氮、总磷、总氮和高锰酸盐指数） 。类类别则也呈现出 上升趋势。反观其类类别，随着年份的增加则减少。总体上来说，京杭运河苏州高 新区的水质类别是逐年转好。 图 2-3 2006-2012 年京杭运河水质类别百分比对比图 苏州科技学院硕士学位论文 第二章 运河段水质现状评价 16 2.5.2 主要水质指标分析 根据江苏省地表水（环境）功能区划2010 年类水质目标的要求，选用苏 州高新运河段 7 年的水质指标进行分析（数据来源于运河苏州段监测站，其中总氮和 化学需氧量的数据不算完整，化学需要量只有 2008 至 2012 年的数据，而总氮只有 2007 年至 2012 年的数据） 。 （1）高锰酸盐指数 图 2-4 高锰酸盐指数 图2-4显示的高锰酸盐指数和类水质标准值间的关系。 根据2006年至2012 的数值，可以发现高锰酸盐指数处于标准值之下，其变化趋势是相对较缓慢的。 （2）化学需氧量 根据图 2-5 可知，苏州高新区运河段的化学需氧量也是处于标准水平之下， 其变化率和高锰酸盐指数类似，不是很明显。 图 2-5 化学需氧量 （3）总磷 苏州科技学院硕士学位论文 第二章 运河段水质现状评价 17 图 2-6 总磷 图 2-6 是总磷的年际浓度变化值， 总磷的变化趋势相较于高锰酸盐指数和化学需 氧量还是相当明显的，虽然不能全都处于类水质目标的标准值之下，但并没有超过 类水质目标标准，总体说来，总磷对苏州高新区运河段的水质影响还不是很大。 （4）氨氮 图 2-7 氨氮 图 2-7 表明了氨氮指标在这 7 年间都是出于类水质目标标准之上， 可见运河段 氨氮的污染还是比较严重的。 （5）总氮 总氮可以分为有机氮、氨氮和硝态氮。图 2-8 说明了水体中的总氮一直处于超标 状态。 图 2-8 总氮 苏州科技学院硕士学位论文 第二章 运河段水质现状评价 18 2.5.3 按单因子污染指数进行年际对比分析 先将所有断面的各项水质指标每年测得值进行算术平均， 利用单因子污染指数法 计算各主要水质指标每年的单因子污染指数。 图 2-9 运河水质各指标单因子污染指数 通过图 2-9 对各指标 2006 年至 2012 年的单因子污染指数进行分析可知，总氮、 总磷、 高锰酸盐指数和化学需氧量的变化趋势均较平缓，都随着年份的增加呈现下降 趋势，但在 2011 年，这四个指标均有一个升高。而反观氨氮的变化，其随着年份的 增加，反而逐年减小。 2.6 小结 通过对运河段水质的分析，氨氮、总氮指标相较于其他四个指标的变化是相对明 显的，但是由于总氮既包括了有机氮、氨氮和硝态氮，成分较为复杂，分析起来有一 定的困难，同时图 2-9 中氨氮的变化趋势是最明显的，可见政府在为改善水体中氨氮 的污染方面做了很大的努力。因此，综合上述原因，选取氨氮指标对苏州高新区运河 段的水质进行分析是较为合适的。 苏州科技学院硕士学位论文 第三章 运河水质变化的主要影响因素分析 19 第三章 运河水质变化的主要影响因素分析 3.1 社会经济生态因素的影响 随着苏州市城镇化和工业化的飞速发展， 该区域所接纳的点源及船舶污染物的污 染物也在不断的增加，使得运河的水质收到污染。而水