（市政工程专业论文）颤蚓扰动作用对东洞庭湖沉积污染物释放的影响研究.pdf

摘要 随着外源污染正逐步得到有效控制，沉积物内源污染将成为东洞庭湖湖区的 主要污染源。本研究选取东洞庭湖沉积物中优势底栖生物颤蚓作为研究对象，进 行沉积物生物扰动模拟试验，研究颤蚓生物扰动对沉积物中有机质、n 、p 等典 型污染物释放的影响，以及温度、溶解氧和p h 等常规环境参数对颤蚓生物扰动 过程的影响规律，旨在为正确认识东洞庭湖沉积物内源污染特点，以及在此基础 上实施沉积物的生态修复提供基本参量和科学依据。 本课题主要研究结果如下： ( 1 ) 颤蚓引起的生物扰动明显促进沉积污染物的释放，且颤蚓水平密度越高， 释放强度越大。颤蚓水平密度为l i n d c m 2 和2 i n d c m 2 时，与空白组相比，c o d 释放分别增加了1 5 9 倍和1 8 2 倍，t n 分别增加了1 12 倍和1 2 2 倍，t p 分别增 加了2 5 3 倍和2 6 6 倍。 ( 2 ) 在一定的范围内温度的提高有助于提高颤蚓生物扰动对污染物释放的促 进效果。其中温度由5 升高至15 时，提高效果不明显，而由l5 升高至2 5 时，颤蚓生物扰动作用得到显著提高，54 c 、154 c 、2 5 下，c o d 释放在的释 放平均值分别是13 5 2 、2 0 4 4 、2 3 2 l m g t , ，t n 释放平均值分别为2 5 1 、3 6 7 、 5 6 2 m g l ，t p 释放平均值分别为0 1 9 、0 4 5 、0 8 7 m g l 。 ( 3 ) 对c o d 而言，颤蚓的存在反而会抵制底泥中c o d 向上覆水释放；沉积 物中投加最适密度颤蚓后，p h 为5 、7 、9 和l1 时，各自的平均增幅分别为7 3 6 、 一2 1 3 、2 6 6 和8 4 1 m g l 。对t n 、t n 来说，相较于中性环境而言，酸性和碱性 环境中颤蚓生物扰动对污染物释放的促进效果更为明显。沉积物中投加最适密度 颤蚓后，p h 为7 时，上覆水中t n 和t p 的浓度平均值分别为5 9 1m g l 和 o 3 8 m g l ，而p h 为5 时分别为7 5 0 m g l 和o 4 9 m g l ，p h 为1 1 时，则分别为 9 3 5 m g l 和1 0 6 m g l 。 ( 4 ) 溶解氧水平的变化也会影响沉积物颤蚓生物扰动效果。无论是好氧状态 还是厌氧状态，颤蚓生物扰动均能促进c o d 、t n 和t p 的释放。c o d 在好氧、 厌氧条件下的释放均值分别为8 3 8 、2 0 5 6 m g l ，t n 在好氧、厌氧条件下的释放 均值分别为4 2 7 、8 5 0 m g l ，t p 在好氧、厌氧条件下的释放均值分别为o 3 5 、 1 9 3 m g l 。 上述研究结果表明，颤蚓通过在沉积物中的迁移运动和摄食排泄等活动， 改变了沉积物及沉积物水界面处的物化和生化特性，其生物扰动对沉积物中 c o d 、t n 和t p 的释放具有促进作用，而温度、p h 和d o 等环境参数通过影响 颤蚓在沉积物中的生活习性，继而可以影响到颤蚓生物扰动对沉积污染物释放的 效果。充分利用颤蚓生物扰动的上述特点，可以有效降低沉积物污染负荷水平， 在此基础上对上覆水辅以适当的污染物原位控制技术，则可实现对整个水体污染 负荷的削减。 关键词：东洞庭湖；沉积物；污染物释放；颤蚓；生物扰动 l l a bs t r a c t s i n c ee x o g e n o u sp o l l u t i o ni sb e i n gc o n t r o l l e de f f e c t i v e l y , e n d o g e n o u sp o l l u t i o n r e s u l t e df r o ms e d i m e n t sw i l lb et h em a j o rp o l l u t i o ns o u r c eo fe a s td o n g t i n gl a k e z t u b i f e x ，a na q u a t i cb e n t h i co l i g o c h a e t ed o m i n a t i n gt h em a c r o b i o t i cc o m m u n i t yo f e a s td o n g t i n gl a k e ，w a su s e da ss t u d yo b j e c ti n t h i sr e s e a r c h b ys i m u l a t i n gt h e b i o t u r b i t i o na c t i v i t yo fzt u b i f e xi nl a b o r a t o r y , b i o t u r b a t i o ne f f e c t so nt h er e l e a s eo f t y p i c a lp o l l u t a n t so fe a s td o n g t i n gl a k es u c ha so r g a n i cm a t t e r , t na n dt pw e r e s t u d i e d t h ei n f l u e n c e so ft e m p e r a t u r e ，p ha n dd oo np o l l u t a n t sr e l e a s i n gp r o c e s s d u r i n gt h es e d i m e n t sb i o t u r b a t i o no fzt u b i f e xw e r ei n v e s t i g a t e da l s o t h em a j o r p u r p o s eo ft h ep r e s e n tr e s e a r c hi s t or e c o g n i z et h ec h a r a c t e r so fe n d o g e n o u s p o l l u t i o nf r o ms e d i m e n to fe a s td o n g t i n gl a k ea n dt h e np r o v i d eb a s i cp a r a m e t e r s a n ds c i e n t i f i cf o u n d a t i o nf o rt h eb i o - e c o l o g i c a ls e d i m e n tr e s t o r a t i o no ft h el a k e t h ep r i n c i p a lf i n d i n g so ft h ep r e s e n tr e s e a r c ha r ea sf o l l o w ： ( 1 ) t h eb i o t u r b a t i o no fzt u b i f e xc o u l dp r o m o t et h er e l e a s eo fp o l l u t a n t sf r o m s e d i m e n ta n dt h eh i g h e rw o r md e n s i t y , t h es t r o n g e rr e l e a s ei n t e n s i t y c o m p a r e dt o c o n t r o lg r o u p ，t h ei n t r o d u c t i o no fw o r mw i t hd e n s i t yo f1i n d c m 2a n d2i n d c m z i n d u c e d5 9 a n d8 2 i n c r e a s eo fc o dr e l e a s er e s p e c t i v e l y f o rt nt h ei n c r e a s e w e r e12 a n d2 2 t h ei n c r e a s eo ft pr e l e a s ew a so b s e r v e da l s o ，a n dt h ei n c r e a s e m a g n i t u d ew e r e15 3 a n d16 6 r e s p e c t i v e l y ( 2 ) p r o p e ri n c r e a s i n go ft e m p e r a t u r ew a sh e l p f u lt oe n h a n c et h ep r o m o t i v e e f f e c to fw o r mb i o t u r b a t i o no np o l l u t i o nr e l e a s ef r o ms e d i m e n t s s u c hp r o m o t i v e e f f e c tw a sa p p r e c i a b l yl o ww h i l et e m p e r a t u r ei n c r e a s e df r o m5 t o15 b u t s i g n i f i c a n tw h i l ei n c r e a s e df r o m1 5 t o2 5 a t5 ，1 5 a n d2 5 ，t h em e a n r e l e a s ei n t e n s i t yw e r e13 5 2m g l ，2 0 4 4m g la n d2 3 21m g lf o rc o d r e s p e c t i v e l y , a n d2 5 1m g l ，3 6 7m g la n d5 6 2m g lf o rt na n d0 1 9m g l ，o 4 5 m g la n d0 8 7 m g lf o rt p ( 3 ) f o rc o d ，zt u b i f e xb u tw i l lr e s i s tt h ep r e s e n c eo fc o d i ns e d i m e n tr e l q a s e t oo v e r l y i n gw a t e r ；a f t e ra d d i n go p t i m a ld e n s i t yo fzt u b i f e xi ns e d i m e n t ，p h = 5 ，7 ，9 a n d11 ，r e s p e c t i v e l y , t h e i ra v e r a g ei n c r e a s e 一7 3 6 ，一2 13 ，2 6 6a n d - 8 4 1m g l f o r t na n dt p , zt u b i f e xw o u l db ei n d u c e db ya c i d i ca n da l k a l ie n v i r o n m e n t c o m p a r e d t on e u t r a le n v i r o n m e n t ，t h es t r e s sb e h a v i o ru n d e rs u c hc o n d i t i o n se n h a n c e dt h e i i ! b i o t u r b a t i o ne f f e c to fzt u b i f e x a f t e rt h ei n t r o d u c t i o no fw o r mt os e d i m e n t s t h e m e a nc o n c e n t r a t i o n so ft na n dt pi no v e r l y i n gw a t e r w e e 5 9 1 m g la n d0 3 8m g l r e s p e c t i v e l yf o rp h 7 ，w h i l e7 5 0 m g la n do 4 9m g lf o rp h 5a n d9 3 5 m g la n d1 0 6 m g lf o rp hl1 ( 4 ) t h ec h a n g eo fd oc o u l di n f l u e n c et h ee f f e c to fzt u b i f e xb i o t u r b a t i o no n s e d i m e n t r e s u l t ss h o w e dt h a ti nb o t ha n a e r o b i ca n da e r o b i ce n v i r o n m e n t ，t h e r e l e a s eo fp o l l u t a n t sw e r ep r o m o t e db yzt u b i f e xb i o t u r b a t i o n f o ra n a e r o b i c t h e m e n ar e l e a s ec o n c e n t r a t i o n so fc o d ，t na n dt pw e r e2 0 5 6 m g l ，8 5 0 m g la n d 1 9 3m g lr e s p e c t i v e l y , c o m p a r e dt o8 3 8 m g l ，4 2 7 m g la n do 3 5m g li na e r o b i c t h er e s u l t ss h o w e dt h a tzt u b i r eb i o t u r b a t i o nc a np r o m o t et h er e l e a s ep r o c e s s o fc o d ，t na n dt pt h r o u g ht h e i rm i g r a t i o n ，i n g e s t i o na n d e g e s t i o ni ns e d i m e n t s b y w h i c ht h ep h y s i c a lp r o p e r t i e s ，c h e m i c a le q u i l i b r i u ma r ea l t e r e di ns e d i m e n t s s u c h e n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r sa st e m p e r a t u r e ，p ha n dd oc a ni n f l u e n c et h ew o r m sl i f e h a b i ta n dh a v ee f f e c to nr e s u l t so fb i o t u r b a t i o nt or e l e a s ep r o c e s so fp o l l u t a n t si n s e d i m e n t s t h el o a d i n gl e v e lo fp o l l u t a n t si ns e d i m e n ti sh o p e f u lt ob ec u td o w n e f f e c t i v e l yb y f u l lu t i l i z a t i o no ft h ec h a r a c t e r so fzt u b i f e x b i o t u r b a t i o n f u r t h e r m o r e ，p o l l u t a n t sl o a d i n gl e v e lo ft h ew h o l ew a t e rb o d yw i l lb ed e c r e a s e d p r o v i d e dp r o p e rt e c h n o l o g i e so fp o l l u t a n t st r e a t m e n ti ns i t ua r ei n t r o d u c e da l s o k e yw o r d s ：e a s td o n g t i n gl a k e ；s e d i m e n t s ；p o l l u t i o n sr e l e a s e ；t u b i f i c i dw o r m s ； b i o t u r b a t i o n l v 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：关凉遗氮 日期：沁年r 月汐日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 储戤：关糊 醐p 年硼勿日 导师签名嘞矛猊1 讼日期：神年j 月矽日 1 1 课题研究背景 第一章绪论 我国是一个多湖泊的国家，这些湖泊主要分布在东部沿海与长江中下游地 区。由于这些湖泊地处平原，人口稠密，经济发达，加上不适宜的人类活动方式， 极大地改变了湖泊的天然生态系统的循环和能量流动，以至于多数湖泊都面临着 这样或那样的生态环境问题，如湖泊生态系统功能退化、蓝藻水华频繁爆发、水 质性缺水日趋严重、洪涝灾害加剧并造成巨大的经济损失等。随着城市发展，大 量工业废水、居民生活污水以及汛期的雨水经过一定程度的处理，甚至不经处理 直接排入河流、湖泊及海洋，造成了水质的破坏。排入天然水体中的污染物，包 括金属、非金属及其化合物，酸、碱、盐和重金属、有机物，热废水等对水生生 物和对各种人体有毒有害的物质。 天然水体中的污染物通常呈溶解态、悬浮态和底泥态三种形态。在天然水体 中污染物质不仅因对流、扩散发生物质传递，同时还因吸附、解吸、沉降、再悬 浮以及化学转化发生物质传递和变化。当这些污染物在水体中发生对流、分子扩 散、紊流扩散的同时，部分污染物存在溶解态、悬浮态和底泥态三种不同形态之 间的相互转化。底泥是湖泊水库的重要组成部分，能够反映湖泊水库演化的历史 过程。底泥主要由三部分组成：无机矿物、有机物和流动相例如水或者气体。底 泥含水量非常高，一般在8 3 9 5 之间。底泥主要由矿物元素和有机化合物组 成，主要元素包括硅( s i ) 、钙( c a ) 、铝( a 1 ) 、钠( n a ) 、钾( k ) 和镁( m g ) 等，营养元 素是有机碳、氮和磷，活泼元素铁( f e ) 、锰( m n ) 和硫( s ) ，以及其他微量重金属元 素。河流底泥是污染物的载体，被吸附的污染物在条件改变后可能重新释放，因 此又是重要的内源性污染物源。底泥污染直接影响底栖生物质量，从而直接影响 整个生物食物链系统。 日趋严重的湖泊水环境恶化与富营养化问题严重制约着社会和经济的可持 续发展，引起了政府和社会的高度关注。因此，在人类对湖泊资源的不断开发和 利用的同时，湖泊环境的保护与人类生产实践活动的可持续发展就越来越受到人 们的重视。 现代工业化社会对水环境的影响分为三个途径：“点源”、“城市面源”和“大 气沉降”。“点源”主要是污染物在固定地点连续排放，例如，烟囱排放，工业废 水和城市污水排放。根据国家环保局环境状况公报，我国在2 0 0 0 年工业废水排 放最达到1 9 4 亿t ，城市污水排放量达到2 2 1 亿t ，工业废水合有的c o d 总量约 为7 0 5 万t 。而城市行水中的c o d 总量达到7 4 0 万t 。可见，城市污水的污染已 经超过了工业废水，而且随着我国城市化程度石断提高，城市污水排放量将会继 续增大，成为主要污水来源。 “城市面源”指分散的非定点连续徘放的污染源，主耍是自然降雨冲刷城市地 表形成的市政排水。随着城市沾水处理车不断提高，城市面源污染显得日益严重。 一般，在一个l0 万人口以上的城市，其住房、工商业、行政、文化娱乐等建筑 物所占的面积达到5 0 以上。在比较发达的城市里，各种建筑物和道路密集， 不透水面积的比例更高达8 0 以上。城市的混凝土地面，使得降水无法入渗， 且汇流速度快，形成径流后，流速快，冲刷力大，城市地表和建筑物上的各种物 质都可能进入水流成为污染物质。在降雨后，除少量的截流和蒸发之外，大部分 通过地下水管道系统排出，进入自然水环境，加重水体污染。 “大气沉降”也已经成为一个污染水环境的不可忽视的污染源。在工业区和城 市里，各种活动比较密集地进行，消耗大量化石能量，改变了局部小气候，形成 “热岛效应”，容易产生大量的大气污染物，包括溶解性的和颗粒性的。在降雨季 节，大气中污染物随着雨水进入陆地水体，主要危害是酸雨和颗粒物质。在2 0 0 0 年，我国向大气排放的二氧化硫总量达到1 9 9 5 万t ，酸阿区面积已经占国土面 积的3 0 ；烟尘排放总量达到1 1 6 5 万t 。对于水体来说，降尘可能是富营养元 素磷的一个重要来源。例如，在严重富营养化的云南滇池，水体生物包括藻类本 身所含有的磷的总量约为2 t ，而每年超过大气沉降直接进入滇池水体的磷达到 1 2 t ，远远超过生物本身的需要。 1 1 1 洞庭湖的水环境污染 洞庭湖是中国第二大淡水湖，位于长江中下游下荆江南岸，流域面积达到 2 5 9 4 3 0 0 k m 2 。洞庭湖蓄纳湘、资、沅、澧四水，北部有长江经松滋口、太平口、 藕池口和调弦口流入，经岳阳城陵矶流入长江，形成向北开口的马蹄形盆地。由 于历史上围湖筑垸，洞庭湖被分为东洞庭湖、西洞庭湖( 目平湖) 和南洞庭湖( 万子 湖) 三个部分。东洞庭湖湖盆面积l2 8 8 9 k m 2 ，南洞庭湖9 0 7 2 k m 2 ，目平湖 31 4 5 k m 2 【2 】。 该湖区是候鸟的理想越冬场所，经记录的水禽约2 0 0 余种，每年约有2 0 0 万只鸟类在此越冬。其中有国家一级保护鸟类如白鹳( c i c o n i aa c o n i a ) 、白头鹤 ( g r u sm o n a e h a ) 、白鹤( o t i st a r d a ) 等6 种，i i 级保护鸟类2 6 种。已记录的鱼类有 1 2 目2 3 科1 1 4 种，其中濒危的鱼类有白鲟( p s e p h u r u sg l a d i u s ) 和中华鲟( a c i p e n s e r s i n e n s i s ) 等1 3 。 2 l9 9 9 年的调查显示，洞庭湖纯湖区人口为l0 7 9 6 3 万，其中农业人口8 2 5 2 9 万，非农业人口为2 5 4 3 4 万。农村人口密度为3 8 1 1 人k m 2 ，城镇人口密度4 4 0 0 3 人k m 2 ，人口自然增长率为4 31 。与19 8 6 年相比，城镇人口增长较快，增加 了8 8 5 3 万，城镇人口密度每平方公里增加了4 8 4 8 人。 洞庭湖区既是我国重要的商品粮、棉、油及水产基地，又是湖南省主要的造 纸、石化及纺织工业基地。2 0 0 0 年洞庭湖纯湖区调查的重点工业污染源企业1 4 5 家，年工业废水排放总量为2 3 3 5 7 5 6 1 0 4 t ，造纸业8 7 6 0 7 6 x 1 0 4 t ，占3 7 5 1 ， 石油加工业4 5 6 5 1 1 0 4 t ，占1 9 5 4 ，食品烟草加工与饮料业3 9 6 9 1 9 1 0 4 t ，占 1 6 9 9 ，化工业3 5 9 7 2 l 1 0 4 t ，占1 5 4 。洞庭湖纯湖区年排放的污染物以化学 需氧量、悬浮物为主，分别为1 6 3 9 0 6 5 9 t 和4 0 3 3 7 6 1 t 。主要污染物c o d 排放量 中，以造纸业为主，占9 0 。随着湖区工农业生产的发展和湖区人口城镇化趋 势加强，工业污染、农业污染、生活污染等对湖区水域的污染日益严重。 2 0 0 2 2 0 0 4 年洞庭湖1 2 个监测断面( 图1 1 ) 的2 4 项水质监测结果表明， 不同水文形势下，水质变化随不同断面有明显变化。( 1 ) 枯水期，l2 个监测断面 全部超过i i i 类水质标准，断面1 、6 和8 为劣v 类，占2 5 0 ；断面2 和3 为v 类，占16 7 ；断面4 、5 、7 、9 、1o 、1 1 和1 2 为类，占5 8 3 。东洞庭湖为 类，南洞庭湖和西洞庭湖为劣v 类。采用面积加权法，全湖的总体污染程度 为v 类。( 2 ) 平水期，1 2 个监测断面全部超过i i i 类水质标准。断面6 和9 为劣v 类，占1 6 7 ；断面2 、3 、4 、5 、7 、8 、10 、1 l 和1 2 为v 类，占7 5 o ；断面 1 为类，占8 3 。东洞庭湖为v 类水质，南洞庭湖为v 类水质，西洞庭湖为 劣v 类水质。全湖的总体污染程度为劣v 类水质。( 3 ) 丰水期，12 个监测断面全 部超过i i i 类水质标准，断面1 为劣v 类，占8 3 ；断面10 为v 类，占8 3 ； 断面2 、3 、4 、5 、6 、7 、8 、9 、1 l 和12 为类，占8 3 3 。东洞庭湖为类水 质，南洞庭湖为类水质，西洞庭湖为i v 类水质。全湖的总体污染程度为类水 质【2 1 。 东洞庭湖的地表水环境质量评价结果表明其水体本底值尚好，温度、p h 值 均在正常范围内，极个别地方的样品n 0 3 - n 超标；无机污染参数f 、c i 、s 0 4 2 的含量也均在正常范围之中，重金属c u 、z n 、p b 、m n 、c d 、a s 的含量均达到 国家i 类水质标准；d o 、总氮超标现象严重，部分水域出现绿藻，表现部分富 营养化1 4 1 。 枯水期，西洞庭湖和南洞庭湖水质污染最严重；平水期，西洞庭湖水质污染 最严重；洞庭湖的丰水期的污染程度小于平水期。洞庭湖水质以点源污染为主， 而且工业废水和生活污水的排放是洞庭湖水质污染的主要原因1 2 1 。具体污染情况 如下： 图1 1 洞庭湖监测断面示意图 ( 1 ) 透明度和悬浮物 洞庭期湖水的外观颜色受各入湖河流携带的泥沙影响，长江上游水土流失严 重，泥沙含量高，故长江来水透明度低，如茅草街、耳平湖四季皆浊，透明度在 l5 2 0 c m 左右，湘江次之，以沅水、资水最为透明，高达7 0 c m 以上。 纵观悬浮物全年的变化。全湖内丰水期悬浮物明显高于枯水期，且以长江、 澧水水系的代表断面茅草街、牛望咀变化最大，资水中的悬浮物含量最低。 ( 2 ) 电导率 全湖枯水期电导率在1 2 0 1 6 0 1 t q c m 之间变化，丰水期在1 8 0 2 4 0 9 f 2 c m 之 间，长江来水的电导率一般高于2 0 0 1 t q c m ，湘江濠河口附近水域的电导率亦在 2 0 0 p , q c m 上下波动，而其它水域的电导率都不很高，全期电导率年均值的高低 4 顺序为：长江水、东洞庭湖、南洞庭湖、湘江、沅水、资水。 ( 3 ) 水温、酸碱性及含氧量 洞庭湖水温多年平均值为17 1 ，变化范围在5 5 2 7 之间，澧水 5 5 2 6 。南洞庭期5 2 7 8 。东洞庭期7 2 6 ，湘江7 5 2 8 ，各 水域年内水温变化差别不大，全期p h 值呈弱碱性，多年平均值为7 4 ，最高值 达8 5 。湖水含氧量丰富，多年平均值为9 7 m g l 。 水温变化大，含氧量丰富，有利于污染物的净化、降解、水质偏碱性，有利 于污染物凝聚沉降。 ( 4 ) 耗氧量 洞庭湖由于岸边城镇工业、乡镇企业发展迅速，排入湖内的有机废水量大， 致使c o d 、b o d 5 时常超标。历年监测的c o d 、b o d 5 值较高，c o d 在1 4 3 2 2 m g l 之间，多年平均值为2 2 m g l ；b o d 5 最高达3 4 8 m g l ，多年平均值为1 0 1 m g l 。 湖内的茅草街、三岔河断面c o d 值最高，其次是南洞庭潮，沅水、资水中的c o d 含量最低。 ( 5 ) 三氨( n h 3 一n 、n 0 2 - n 、n 0 3 。一n ) 全湖历年分析数据表明，n h ，n 含量高值出现在湘江入湖口及东洞庭湖，其 年均值在0 3 0 6 m g l 之间。南洞庭湖水域、资水、澧水入湖水居中，年均值在 o 2 0 0 3 5 m g l 之间，沅水氨氮含量最低。n o z - - n 含量全湖普遍较低，且各水域 差异不明显，各断面年均值为o ，0 2 m g m 左右。n 0 3 。n 含量高值出现在湘江、资 水入湖水域，其年均含量在0 9 m g l 以上。澧水、长江来水及东洞庭期n 0 3 。一n 含量居中，年均值在o 7 m g l 左右。南洞庭期与沅水的含量低，各断面的年均值 只有0 4 m g l 左右。 ( 6 ) 磷、总氮 由于各入湖水系营养物质的输入，湖区大量的生活污水、工厂废水的排放以 及湖泊内生物化学作用，洞庭湖水中的总磷、总氮浓度较高。 就水域而言，总磷峰值出现在茅草街、鲇鱼口、目平湖一带。总氮峰值出现 在大湾和濠河口两断面。从湘江和资江入湖口至洞庭湖出口城陵矾，这一水域全 年总氮、总磷污染最严重。 ( 7 ) 重金属 洞庭湖水质重金属含量水平低：与湘江水系元素背景值比较，铜、铅、锌、 镉均在背景值浓度范围内，汞、砷晓高于背景值浓度，汞值还时有超标现象。 ( 8 ) 大肠菌群、细菌总数 大肠菌群主要来源是下水粪便、杂排水等生活污水，另外包括由于降雨而挟 带土壤中的废弃物、畜牧业与水产业排水和食品、化学、造纸工业等废水。洞庭 湖中大肠菌群在0 2 2 4 0 0 0 个范围内，细菌总数在4 0 8 3 0 0 i n d m l 之间。尤其是 在茅草街附近水域，大肠菌群数常年在2 3 8 0 0 i n d l 左右，超过国家地面水 g b 3 8 3 8 2 0 0 2 的i 类标准 5 1 。 1 2 洞庭湖沉积物内源污染问题及底栖生物分布 1 2 1 沉积物污染水平及释放强度 1 9 9 3 年洞庭湖底质监测结果表明，洞庭湖底质中铜、铅、锌、镉、镍等项 目均高于背景值，尤其是镉，其平均值超过背景值4 倍多，铜、铅、镍的平均值 也都超过背景值l 倍多，由此可见，洞庭湖底质已受到了镉等重金属的明显污染。 以19 9 3 年与1 9 8 5 年洞庭湖底泥重金属进行比较，除锌外，l9 9 3 年底泥中铜、 铅和镉的含量均超过了l9 8 5 年，比值分别为1 2 l 、1 17 、3 3 7 ，尤以镉为甚。 这说明泥沙沉积带来的重金属已日益严重，特别是镉的污染最大。据湘江污染防 治报告中概略的计算，由湘江输入洞庭湖的镉每年达到6 5 9 t t 5 1 。 2 0 0 7 年胡艳华等【l 对东洞庭湖底质进行评价，结果表明其底质处于污染状 态，特别是c d ，其评价指数高达9 3 7 1 ，将底泥与湖水水质中各元素含量的对比， 重金属元素大部分富集在底泥中，故东洞庭湖区水体重金属污染并不明显，显示 较强的自净化能力。但东洞庭湖的自净化能力已遭到了极大的人为破坏，一旦湖 泊的这种自净化能力降低或者丧失，重金属污染即将是东洞湖面临的一大难题。 1 2 2 底栖生物的分布及其生物扰动作用 底栖动物是水生生态系统的重要生态类型，在淡水湖泊和河流中其优势类群 主要包括水生昆虫、水栖寡毛类和软体类等，它们既是鱼类的天然食物资源，又 能起到较好的水质监测作用。一般说来，底栖动物长期生活于水体底部，水体 质量直接影响到它们的存活、生长和繁殖，决定底栖动物的宏观分布。因此研究 底栖动物的群落特征可了解水质的状况f 7 j 。 2 0 0 1 年对东洞庭湖保护区大型底栖动物进行的调查中，共发现底栖动物5 1 种，隶4 门8 纲2 0 科。其中，寡毛类2 科l3 属18 种( 3 5 3 1 ，软体动物8 科l3 属l 5 种( 2 9 4 ) ，摇蚊科8 属8 种( 15 7 ) ，其它昆虫6 科6 属6 种( 1 1 8 ) ，其 他动物8 种( 9 1 ) 。样点间平均物种丰富度6 3 。软体动物为保护区底栖动物的 绝对优势类群，其密度( 19 3 0 i n d m 2 ) 占总密度的7 1 1 ，其次为寡毛类 ( 4 9 0 i n d m 2 ，1 8 1 ) 和水生昆虫( 2 0 5 i n d m 2 ，8 0 ) 。生物量方面，软体动物占 了绝大部分( 17 3 4 8 8 m g m 2 ，9 9 9 ) 。优势度分析表明，腹足类的长角涵螺 ( a 1 0 n g i c o r n i s ) 为第一优势种( 8 5 5 i n d m 2 ，31 4 ) ，其次为铜锈环棱螺 6 ( b a e r u g i n o s a ) ( 3 5 o i n d r n 2 ，1 2 7 ) 、中华沼螺( p s i n e n s i s ) ( 2 9 0i n d m 2 ，1 0 7 ) 、 纹沼螺( p s t r i a t u l u s ) ( 15 o i n d m 2 ，5 5 ) 和寡毛类的苏氏尾鳃蚓 ( b s o w e r b y i ) ( 1 4 o i n d m z ，5 2 ) 。功能摄氏类群研究显示，洞庭湖底栖动物的物 种组成主要是直接收集者( 2 1 种，占总物种数的4 1 2 ) ，其次是捕食者( 11 种， 2 1 6 ) ，刮食者( 10 种，l9 6 ) ，过滤收集者( 6 种，1 1 8 ) 和撕食者( 3 种，5 9 ) 。 而刮食者为底栖动物的最重要的摄食类群( 6 6 ，7 ) ，其次是直接收集者( 1 9 9 ) 、 捕食者( 7 2 ) 、过滤收集者( 4 8 ) 和撕食者( 1 5 ) 。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 湖泊沉积物内源污染控制技术 底泥一般系指江河湖海的沉积物，是自然水域的重要组成部分。在底泥系统 中，污染物主要以3 种形式存在：溶解于间隙水、吸附于固相颗粒表面、分配于 底泥有机质内。其中溶解于间隙水相和附着于固相颗粒表面的污染物占释放总量 的绝大部分【8 1 。当水域受到污染后，水中部分污染物将通过沉淀或者由颗粒物吸 附而蓄存在底泥中。在适当条件下，底泥中的污染物可能会释放出来，成为二次 污染源。例如，研究发现，杭州西湖内源污染负荷已经达到外来污染负荷的4 1 ； 安徽巢湖内源污染负荷是外来负荷的2 1 ；而云南滇池中8 0 的氮和9 0 的磷 都分布在底泥中f 9 j 。大量的研究表明，从各污染源排除的有机污染物有很大一部 分会依附在水中悬浮粒子( 泥沙) 表面成为固体营养盐进入湖泊( 水库) 等水域， 输入水体的氮、磷等营养物质被生物吸收利用，或以各种形式存在于水中，还可 沉降水底，在潮泊底部形成“淤泥，【，o 】。在扩散、净化过程中下沉到底部，蕴涵在 常年积累的底泥中。不少湖泊调查资料表明，当入湖营养盐减少或完全截流后， 底泥营养盐释放作用仍会使水质处于富营养化水平，甚至出现藻类“水华”现象 1 1 _ ：l 。因此，湖泊中水质的优劣，不仅受到入湖支流的直接污染影响，还会受到 底泥释放的影响i t 3 1 。若要制定切实有效的富营养化治理措施，就必须掌握湖泊底 泥的各种控制技术。 为实现湖泊内源污染的有效控制，国内外对湖泊沉积物污染控制技术开展了 大量的研究工作，取得了丰富的研究成果。目前国际上采用的技术主要有以下方 法【1 4 1 8 1 ： ( 1 ) 物理方法 稀释和冲刷 采用外流引水进行稀释和冲刷，可以短时间内有效地减少污染物的浓度和负 7 荷，提高水体自净能力，还能影响污染物质向底泥沉积的速率。但引水稀释导致 交换水体的生态体系发生变化，也会产生一定的负面影响。 底泥覆盖 通过在底泥表面敷设渗透性小的塑料膜或卵石，削减波浪扰动时的底泥翻 滚，有效抑制底泥营养盐的释放，提高湖水透明度，促进沉水植物的生长。但存 在治标不治本，成本高，难以大面积使用等缺点，而且影响湖体固有的生态与环 境。 底泥疏浚 底泥疏浚是修复湖泊水库的一项有效技术，能够彻底去除积累在其中的有毒 有害物质，但须注意防止底泥泛起以及底泥的合理处置，避免二次污染。 气体抽提技术 利用真空泵和井，在受污染区域诱导产生气流，将有机污染物蒸气，或者将 被吸附的、溶解状态的或自由相的污染物转变为气相，抽提到地面，然后再进行 收集和处理。在美国，抽提技术几乎已经成为修复受加油站污染的地下水和土壤 的“法定”技术。 水力调度技术 根据水体条件不同，生物体在水中可表现为3 种状态：自由态、增长增殖 状态和抑制状态。水力调度技术是根据生命体的生态水力特性，营造出特定的水 流环境和水生生物所需要的环境，抑制藻类大量繁殖，采取水系连通等方式，遵 循“湖程取长，渠程取短”的原则。但应注意防洪、防涝、防沙、防螺、防污染迁 移和防内源释放。 空气吹脱技术 在一定的压力条件下，将压缩空气注入受污染区域，使溶解在地下水中的挥 发性化合物、吸附在土壤颗粒表面上的化合物以及阻塞在土壤空隙中的化合物驱 赶出来。在实际应用中，它和抽提技术相结合可以得到更好的效果。 ( 2 ) 化学方法 投加石灰法 水体酸化主要是由于化石燃料燃烧造成的，投加石灰是快速修复酸化湖泊水 库的简便方法，并得到广泛的认可，在美国、加拿大和欧洲( 如瑞典、挪威等国 家) 得到成功的应用。 磷的沉淀和钝化 该技术属于改善湖泊水库的技术，向水体中投加硫酸铝 a 1 2 ( 5 0 4 ) 3 1 8 h 2 0 ， 形成磷酸铝( a 1 p 0 4 ) 沉淀，吸附在a i ( o h ) 3 絮体表面，以及含磷颗粒的网捕过 程等去除磷。如果将大量氢氧化铝投加覆盖在底泥表面，可以随时吸附任何从底 泥中释放的磷或者形成铝酸盐，起着钝化的作用。但若运行不当，会造成湖泊中 8 更多金属离子存在，污染湖泊水体。 原位化学反应技术 通过化学反应和生物反应例如氧化、还原、吸附、沉淀、有机金属络合等， 使重金属离子在受污染地点就地固定下来。常用的物质包括石灰 c a ( o h ) 2 】、k o h 和硫化钠( n a 2 s ) 等。此外，化学氧化可以将有机物转化为无毒或者毒性比较小 的化合物。 ( 3 ) 生物方法 细菌法 国内外研究较多的是向水体中投入光合细菌、混合菌落等。光合细菌能利用 光能和氧将水中的无机和有机碳源及其他营养物质转化为生物体，但光合细菌不 具有脱氮除磷的功能且只能去除部分污染物。并且细菌由于容易发生变种，而且 难于控制其数量，其分解营养物质的产物也可能再次引起藻类的生长。 生物调控技术 生物调控技术修复水生生态系统是利用营养级链状效应，在水库中投入选择 鱼类，吞食另一类小型鱼类，借以保护某些浮游动物不被小型鱼类吞食，而这些 浮游动物的食物正是人们所讨厌的藻类。该技术具有以下优点：处理效果好，工 程造价低，运行成本低，不会形成二次污染，还可适当提高水库的经济效益。 这三种方法里，物理方法( 即通过工程措施，进行机械除藻、疏挖底泥、引 水稀释等) 往往治标不治本，只能作为对付突发性水体污染的应急措施；化学方 法( 如加入化学药剂杀藻、加入铁盐促进磷的沉淀、加入石灰等) 花费大，并易 造成二次污染；三是生物生态方法费用省、环境影响小( 不会形成二次污染或 导致污染物的转移) 、可最大限度地降低污染物浓度、可用于处理常规污染治理 技术难以应用的场地，这是当前的研究重点。 1 3 2 湖泊沉积物中寡毛类底栖生物的研究 小型底栖生物是指分选时能通过0 5 m m ( 或1 0 m m ) 孔径的网筛，但被 0 0 4 2 m m 孔径网筛所阻留的一类底栖生物，主要指多细胞动物，也包括一部分原 生动物，如有孔虫和纤毛虫1 1 9 l 。寡毛类底栖生物是小型底栖动物的其中一种，一 般说来，寡毛类底栖动物长期生活于水体底部，水体质量直接影响到它们的存活、 生长和繁殖【，l 。 国内外学者对寡毛类底栖生物的研究主要集中在生长、迁移、指示这三个方 面。 9 1 3 2 1 寡毛类底栖生物的生长研究 环境条件适宜时，寡毛类底栖生物可在水源水体中大量繁殖，国内外在水源 水体中寡毛类底栖生物的生长繁殖方面开展了大量的研究工作，研究内容涉及到 温度、光照周期等环境条件、底泥性质、污染物等对生长繁殖的影响、种群结构 与次级生产力以及种群动力学模型等。寡毛类底栖生物的繁殖首先受到自身遗传 因素的影响，其次还与温度、光照、溶解氧、食物等环境参数有关，系统的繁殖 规律研究应包括发育历期、发育速率、成虫存活率、产卵期、产卵量以及孵化率 盘蟹 。 守。 颤蚓隶属寡毛纲，是一种分布比较广泛的淡水底栖蚯蚓，常为组成淡水底栖 动物群落的重要成员；也是鱼类( 淡水底层鱼类、家养观赏鱼类) 的高蛋白优良 天然食物；它有很强的翻土能力，对改善水底环境有显著作用。可生活在有机质 污染严重的地方，并为污染区的优