（水利工程专业论文）汤河水库水质分析与水污染防治研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 汤河水库作为辽阳、鞍山两市的集中供水水源，良好的水质是促进经济社会发展、 提高入口素质、稳定社会秩序的基本条件，是实现经济社会可持续发展、构建和谐社会、 落实科学发展观的基础。对水库水质进行分析评价和制定合理有效的水污染防治控制方 案，可以更好的保护汤河水库水源，防止水体污染，确保生活饮用水安全。 本文采用多种评价方法对汤河水库水质现状进行了分析评价，评价结果表明汤河水 库的大部分断面的水质状况为i i 级，可能受评价因子权重的影响，少数断面的水质评价 结果为级，但总体水质状况较好。 模糊综合评价法克服了污染指数硬性分级的不足；将污染源划分为点源污染和非点 源污染，对其污染负荷和允许污染负荷分别进行定量分析；通过水库水域功能区划和水 质标准分析计算水库的水环境容量，为水库的水质规划和水污染防治综合防治方案的制 定提供科学依据。在此基础上，制定出合理有效的汤河水库水污染防治控制方案与汤河 水库流域生态恢复方案。 本项研究对污染源的治理不仅考虑外源污染的控制，而且重视内源污染负荷的削 减，从根本上降低了水库水体中污染物的浓度。结合汤河水库流域污染的现状，外源污 染的控制以非点源源的控制治理为重点，尤其是人工湿地和环库过渡带技术的应用，可 有效地控制污染物的输入。通过对污染源的治理，可使水库水质和营养化状态在短时期 内得到较大改善。与此同时，在水库流域范围内进行长期的生态重建和生态恢复，最终 使其生态系统达到良好的循环状态。通过该项研究，预计将使汤河水库的水质得到进一 步提高。 关键词：汤河水库：水质分析；模糊综合评价：污染防治 汤河水库水质分析与水污染防治研究 t a n g h er e s e r v o i rw a t e rq u a l i t ya n a l y s i sa n dw a t e rp o l l u t i o n p r e v e n t i o na n dc o n t r o lr e s e a r c h a b s l r a c t a st h em a i nw a t e rr e s o u r c ef o rl i a o y a n ga n da n s h a n , t h eq u a l i t yo ft h ew a t e ri nt a n g h e r e s e r v o i ri st h eb a s i so f s o c i a la c t i v i t y s i n c et h eh i g hq u m i t yo f w a t e rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei n s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ta n dh a r m o n i o u ss o c i e t y , ar a t i o n a lp o l l u t i o nc o n t r o lp r o p o s a li s b r o u g h tf o r w a r dt op r o t e c tw a t e rr e s o u r c e ，p r e v e n tp o l l u t i o na n da s s u r et h es a f e t yo fd o m e s t i c w a t e r t l l ew a t e rq 砌毋i nt a n g h er e s e r v o i ri se v a l u a t e db yf u = yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n m e t h o d t h ee v a l u a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ew a t e rq u a l i t yi sg r a d ei ii nm o s tl t o s ss e c t i o n sa n d g r a d eh ii ns m a l lp a r to f c r o s ss e c t i o n s ( b a s e do nt h ew e i g h ti ni n d e x ) t h ew h o l ew a t e rq u a l i t y i sh i 【g h u t i l i z i n gt h e 向z 巧c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o d ，t h es o u r c e so fh a z a r d o u s e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o ni sd i v i d e dt op o i n ts o u r c e sa n dn o n - p o i n ts o u r c e sa n dt h ed i f f e r e n c e b e t w e e nt h er e a lp o l l u t i o nl o a da n dt h e o r e t i cp o l l u t i o nl o a di s a n a l y z e d t h i sm e t h o d o v e r c o m e st h ei n s u f f i c i e n tc l a s s i f i c a t i o ni n p o l l u t i o ni n d e x t h ec a p a c i t yo fw a t e r e n v i r o n m e n ti sc a l c u l a t e db a s e do nf u n e t i o n a l i z e da r e a sa n dw a t e rq u a l i t ya n a l y s i s t h e m e t h o dp r o v i d e sc l u e sa n ds u p p o r t st ow a t e rq u a l i t yp r o p o s a la n dt h ew a t e rp o l l u t i o n t r e a t m e n t o u ri n v e s t i g a t i o nc o n s i d e r sn o to n l yt h ec o n t r o lo fo u t e rp o l l u t i o ns o u r c e sb ma l s oh o w t or e d u c et h ei n n e rp o l l u t i o nc a p a c i t y i na l lo u t e rs o u r c e s ，t h ep l a n es o u r c e sa r et h ek e yp a r t s t 0b et r e a t e d t h r o u g ht h eu t i l i z a t i o no fc o n s t r u c t e dw e t l a n da n dt r a n s i t i o na r e aa r o u n d r e s o v i o r , t h ei n p u to ft h ep o l l u t i o nc a nb ec o n t r o l l e d t h ei m p l e m e n to fp o l l u t i o ns o u r c e s c o n t r o lc a n i m p r o v et h ew a t e rq u 面i t yi na s h o r tt e r mw h i l et h ee c o l o g i c a lr e s t o r a t i o na r o u n d r e s e r v i o ri sa l o n g - t e r mc o m m i t m e n t b a s e do nt h i si n v e s t i g a t i o n , t h ew a t e rq u a l 时i nt a n g h e r e s e r v o i rc a nb ei m p r o v e di nt h en l 冀u f u t u r e k e yw o r d s ：t a n g h er e s e r v o i r ；w a t e rq u a l i t ya n a l y s i s ；f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ； p o l l u t i o np r e v e n t i o n i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他己申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 作者签名： 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本入完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理工大学专业学位硕士学位论文 引言 水作为一种重要的自然资源，它具有水量和水质两方面的特征。水量即水的多少， 也就是水能够满足一定用水目的的数量要求。水质是指水的适用性，即水的物质成分， 物理性状和化学性质及对于所有可能的用水目的的适用性和重要性的综合特征，而与水 环境污染密切相关的则是水质指标。水库是人工拦截河道形成的具有湖泊特征的水体， 其水体特点介于河流和湖泊之间，在人为控制下排水及交替更新快，其特点接近河流， 更新期长，蓄水量大的水库则接近于湖泊。本课题对汤河水库水质的分析与现状评价研 究属于水环境研究的范畴。 水体的污染物质主要来自工业废水、农田排水、城市污水( 包括降水初期的城市地 表径流) 、大气沉降物( 包括降尘和降水) 、工业废渣和城市垃圾等。水体中的主要污 染物包括物理性污染物、化学性污染物和生物性污染物，各污染物的性质、来源和对水 体的影响也各不相同。水体接纳污染物，水环境质量有所下加，但水体的原有功能未必 遭到破坏。也就是说，在水体的原有功能不受影响或在水体满足一定的用途和功能的条 件下，水体均允许接纳一定数量的污染物质，水体的这种特性在合理利用水体的净化能 力和水污染防治及水环境管理方面具有重要的应用价值。本课题通过对汤河水库水质现 状的分析，可确定影响水库水体的污染程度、污染类型、主要污染物、主要污染源及允 许容纳的污染物数量，从而为水污染的防治和治理提供科学的依据。 当今经济的快速发展、城市化进程的加快、人口的增长和人民生活水平的提高，又 这些因素所造成的世界各国水环境问题也越来越突出。为了能有效评价水体质量、防治 水环境的不断恶化，各国科学工作者从水环境问题的多个方面开展了大量有效的研究。 我国很早就开始进行了重点水体的水质评价工作。在2 0 世纪5 0 年代，在全国主要 河流、湖泊( 水库) 上进行水质评价工作。1 9 6 0 年提出了中国河流水化学特征报告及有关 图表。1 9 7 2 年，包含了水质评价内容的北京西郊环境质量评价研究树立了我国水质 评价研究上的第一个里程碑。随后，开展了官厅水库、松花江、图们江、白洋淀、湘江、 杭州西湖、武昌东湖、昆明滇池、太湖、东海海域及南海海域等水环境的专题质量评价 工作。目前，水质评价工作得到了蓬勃发展，己成为凡乎所有综合环境质量评价中不可 残缺的重要内容。 由于各种人为活动的影响，包括物质的加入和能量的参与直接地改变了水质及水体 各组成部分的物质特征和存在状态，使水资源、水环境和水生态功能遭到破坏。水库是 为了满足人类生活和生产的需求而拦截河道形成的具有湖泊特征的水体。为了使水库的 水体功能能过满足人类的需求，必须有效防治水体污染的发生。由于水库属于静水环境， 汤河水库水质分析与水污染防治研究 水流速度很低，停留时间很长。水体的大气复氧能力极其有限，进入水库中的营养物质 在其中不断的积累，因而在水库中突出的水质问题就是水体的富营养化。 汤河水库是辽宁南部地区重要的供水水源，主要是为鞍山、辽阳两市提供工业、生 活供水，水质一旦受到污染，其后果是不堪设想的。因此汤河水质的研究具有重要意义。 该课题的研究将为汤河水库水污染防治及水质规划管理提供科学的依据。并且汤河水库 水质评价、水环境容量计算等模型可广泛地应用到辽宁省其他水库。水污染问题将成为 我省各水库在今后的运行过程中所面临的主要闯题。 通过对水库的水环境质量现状评价，可以得出汤河水库的污染程度；进而开展水库 水环境容量的分析计算，得出水库的允许纳污能力。在上述评价分析的基础上，通过结 合汤河水库流域各方面情况，制定切合实际的水库水污染防治对策，从而保证水库水体 的正常使用功能。 大连理工大学专业学位磺士学位论文 i 汤河水库概况 1 1 汤河水库及其流域基本情况 汤河水库位于辽河流域太子河支流汤河干流上，坐落在辽阳市弓长岭区汤河乡境 内。汤河是太子河中游左岸的一条较大支流，全长9 0 9 公里，流域面积1 4 6 0 平方公里， 汤河水库控制流域面积1 2 2 8 平方公里，占汤河流域面积的8 4 ，占太子河流域面积的 9 。汤河流域有东西两大支流，西支发源于辽阳县吉洞乡韩家蛉，东支分东西两般，东 股发源于辽阳县河栏镇样子岭，西段发源于辽阳县塔子岭乡熊洞沟。汤河上游东西两支 于坝址前龙山脚下相汇。水库流域内有汤河、二道河、郝家店三个水文站及隆昌、塔子、 吉洞、上麻屯、花红沟五个雨量站。其中二道河和郝家店为入库站，汤河站为出库站， 两入库站控制的流域面积分别为：二道河子5 2 3 平方公里，郝家店4 3 l 平方公里，两入 库站至坝址区间流域面积2 7 4 平方公里。 汤河水库流域属于辽阳市东南山区，有长白山余脉、千山山脉穿过，山地面积占9 0 平均山岭高度在4 0 0 - - - 4 5 0 米，属中低山区。流域内山地林木丛生，植被良好，水资源 丰富。汤河流域属寒温带季风气候，早晚温差较大。四季冷暖、干湿分明。多年平均降 雨量为7 7 4 毫米，多年平均径流量为2 8 9 亿立方米。 凰11 汤河水库流域水系图 f i 9 1 1 r i v e r s y s 自= mc h a n o f t m s kr a r b a s r a 汤河水库水质分析与水污染防治研究 1 2 工程基本情况 1 2 1 汤河水库水利枢纽工程 汤河水库于1 9 5 8 年开工后又停建，1 9 6 8 年复工，于1 9 6 9 年底建成，汤河水库是一 座以防洪、工业及城市生活供水为主，兼顾灌溉、发电、养鱼等综合利用的大( i i ) 型 水利枢纽工程。工程按百年一遇洪水设计，可能最大洪水校核，其总库容为7 0 7 亿m 3 ， 防洪库容3 6 8 亿m 3 ，兴利库容为3 5 9 亿m 3 。汤河水库工程特征值详见表1 1 。 表1 1汤河水库工程特征值表 t a b 1 1t a n g h cr c s c r v o kp r o j e c tc h a m 咖f i s f i c 、r a l 嘣 项目单位数量 校核年pmp 设计标准 设计年 1 0 0 校核洪水位 m1 1 7 。8 6 设计洪水位 m1 1 1 4 6 库水位正常蓄水位 囊1 0 9 3 6 防洪限制水位m1 0 7 8 6 死水位噩8526 总库容亿m 3 7 0 7 调洪库容亿m 3 3 6 8 库容 兴利库容亿m 3 3 5 9 死库容亿m 3 0 2 5 汤河水库设计灌溉面积3 0 万亩，与稷窝、大伙房水库联合运用，采用补偿调节方 式，共同负担浑太地区水田的灌溉任务，解决下游辽阳、鞍山、营口等地区水田用水需 要；并供辽阳化纤厂、弓长岭铁矿工业及居民生活用水。1 9 8 8 年辽阳汤河水源供水工程 建成，取水头部设计供水能力l o 万m 3 d ；1 9 9 3 年鞍山汤河水源供水工程建成，取水头 部设计取水能力3 7 5 万m 3 d 。为保证辽阳、鞍山城市生活用水要求，本着优先优用的 原则，辽宁省水利厅决定采取与观音阁水库换水措施，将汤河水库农业灌溉水量全部供 给城市生活用水。因此，汤河水库由原设计以农业供水为主，变为以工业供水为主的水 库。目前汤河水库负责向中国石化辽阳分公司、鞍钢弓长岭矿业公司、辽阳自来水公司 以及鞍山市自来水公司供水，其弃水与观音阁水库、稷窝水库联合调度补偿下游区间的 缺水。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 2 2 兰河引水工程 兰河是太子河左侧又一较大支流，上游分为左右两支，左支发源于辽阳县水泉乡的 鸡爪山，河源海拔高程为6 8 6 1 m ；右支流发源于辽阳县水泉乡的八盘岭，河源海拔高程 为6 2 7 3 m 。兰河流经辽阳县的水泉乡、甜水乡、寒岭镇，在寒岭镇汇入莅窝水库。全河 长6 8 2 k m ，流域面积5 1 3 7k m 2 。左边与汤河一山相隔，右边与细河相邻。整个流域为 山区，山多地少，植被较好。 流域内有辽阳县的水泉乡、甜水乡、寒岭镇和弓长岭区的弓长岭镇的两个村。兰河 引水工程是引兰河水入汤河水库，经汤河水库调节，向鞍山市城市供水，缓解鞍山市城 市供水紧张局面的一项引水工程。该工程位于辽阳县甜水乡谢家堡子村下游5 0 0 m 的兰 河干流上，经6 1 5 k i n 的引水隧洞，将水引至辽阳县河栏乡城沟河上游汇入汤河水库。 兰河引水工程枢纽控制流域面积2 3 4 9k m 2 ，隧洞洞径为2 5 2 5 m ，最大设计引水流量 7 m 3 s ，设计多年平均年引水量1 8 3 0 万m 3 ，经汤河水库调节后，与汤河水库弃水配合， 汤河水库供鞍山用水保证率为9 5 时的多年平均年供水量为3 0 2 0 万m 3 。 1 。2 3 弓l 细入汤工程 细河是太子河左岸的一条一级支流，发源于辽宁省风城青城子乡阳沟屯，流经本溪 县的草河城、连山关、南芬区的下马塘镇、南芬乡、恩山岭乡、平山区的桥头镇和北台 镇，在辽阳县汇入参窝水库。河道长11 9 4 8 k i n ，流域面积l1 2 6 3k m 2 ，多年径流量4 2 7 亿m 3 年。流域内总人口1 4 1 6 万人。 引细入汤输水工程是指引细河水输入汤河水库，工程主要由拦河枢纽( 冲沙闸、溢 流堰、防护提、进水闸) 和引水隧洞组成。引细入汤工程取水头部在本溪市下马塘附近， 工程输水隧洞长1 5 4 k m ，出口设在引兰入汤迸水口上游约1 0 0 0 m 处，最大引水量6 m 3 s ， 平均每年从细河引水5 3 1 0 万m 3 ，每年可给鞍山市增加供水5 4 1 0 万m 3 。 1 3 汤河水库上游乡镇情况 汤河水库上游共有6 个乡镇( 原9 个乡镇) ：下达河乡、河栏镇、八会镇、吉洞峪 乡、隆昌镇、甜水乡，1 0 9 个自然村，总面积1 4 3 1 平方公里。 六个乡镇土地总面积1 3 7 5 0 1 公顷。耕地面积1 0 7 6 8 公顷；林地面积1 1 8 9 3 9 公顷， 其中成熟林6 5 9 2 9 公顷，未成熟林5 3 0 1 0 公顷；封山育林面积5 4 7 0 3 公顷( 不完全统计) ； 水土涵养林面积3 2 0 1 6 公顷( 不完全统计) ；果树面积3 8 2 1 公顷，主要品种有苹果、 梨、葡萄、山楂、李子、红枣、杏、板栗、樱桃、桃等。果树株数5 4 1 万株，新栽果树 2 5 万亩( 不完全统计) ；草地面积3 1 0 8 公顷( 不完全统计) 。其中完成植树造林面积 2 2 万亩，退耕还林l 。5 万亩。 汤河水库水质分析与水污染防治研究 矿业用地面积1 5 6 公顷，矿业用地破坏面积1 1 5 5 公顷，矿业用地恢复面积1 7 3 公顷，有9 8 2 公顷没有恢复。主要矿藏种类有金、铁、镁砂、长石、滑石、重晶石、 磷矿、皂石、大理石、硫化铁、石墨和钠长石等。据不完全统计，矿业开发投资约3 9 5 0 万元，年收利税1 3 0 万元左右。 禽畜和渔业养殖：马3 2 9 5 匹，牛5 3 8 4 6 头，羊4 8 8 9 0 只，猪8 9 2 0 1 头，蛋鸡4 8 2 2 0 0 只，肉食鸡2 1 5 0 0 0 只，鸭3 9 0 0 0 只，鹅2 4 1 0 0 只。 据不完全统计水域面积共有2 1 0 公顷，每年产鲜鱼6 3 0 0 0 公斤。主要鱼的种类：鲢 鱼、鲇鱼、鲤鱼、鲫鱼、草鱼等。每年投放饵料约有4 8 0 0 0 公斤。 六个乡镇每年农药用量3 9 0 0 0 公斤，其中高毒约占1 0 ，中毒约占4 0 ，低毒约占 5 0 。化肥年用量约3 3 6 万公斤，其中有氮肥、磷肥、钾肥等。 1 4 库区各方面基本问题 ( 1 ) 环境保护方面 汤河水库上游6 个乡镇的监督管理审批权，均有辽阳县环保局负责，没有专门 的监督管理机构。县环保局设一个监督所，远不能承担这项工作。对违法违规建设没有 专门执法队伍巡查管理，有的乡镇企业、矿产开发、第三产业没有履行环境影响评价手 续和未经环保主管部门批准任意发展。这些企业对汤河水库水质有一定的影响。 汤河水库周边的旅游渡假村虽经环保局关停取缔，但有的至今没有拆除，有随 时反弹的可能。水库的船只已达1 4 条之多，虽已安装油水分离器，但对水体仍有一定 的影响；游客有任意丢弃废弃物的现象；有违规钓鱼等现象，今年开始为保护水质安全， 水管局已经停止水面旅游及垂钓。 ( 2 ) 经济发展方面问题 汤河水库上游6 个乡镇1 4 3 1 平方公里的范围均属于汤河水库二级保护区。为防 止对水库水质的污染，保护水资源，相应要求环境较高。直接限制了乡镇企业的发展范 围、规模；限制了矿产资源的开发；限制了木材深加工；限制了养牛、养羊业的广泛发 展；限制了养蚕业；限制了第三产业的发展。在经济发展形式和多样性及规模方面收到 了严重的影响。 存在“重保护、轻发展”的现象。有的乡镇反映，只要求保护汤河水库水资源， 没有认真研究怎样扶植发展地区经济和提出有效的措施和政策。所以资金投入不够，没 有完善和明确的扶植政策。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 小城镇建设只有河栏镇、八会镇、隆昌镇有初步计划，下达河乡、吉洞峪乡、 甜水乡至今没有制定小城镇规划。 退耕还林、还果的补偿费少，重点工程资助不够。 八会镇反映上华村的通明山与千山接壤，有1 4 个景点四座庙，有9 道沟，每沟 都有景。被鞍山列为千山风景区规划。我市曾与其交涉，保留了行政区划所有权，但景 点资源没有被重视，至今没有制定开发的方案和计划。 ( 3 ) 林业方面的问题 群众的生态意识不强，造林积极性还须进一步提高。少数人还存在“重造轻管 的思想。6 个乡镇都不同程度的存在毁林开荒的现象。据反映6 个乡镇开荒2 万多亩。 部分农民有蚕食林地、滚边挪界、乱占林地，破坏了植被造成了水土流失。 6 个乡镇每年砍伐近一万立方米林材。形成大约1 0 0 0 亩采伐迹地。由于各村提 前转让林木，把卖林木的款全部用完，重新造林缺乏资金，另外暂时又无外资投入，因 此部分采伐迹地不能及时造林，甚至延缓三、五年也不能恢复，造成水土流失。 由于养羊放牧和养蚕，造成部分蚕场砂化，影响了封山育林，造成了水土流失， 减少了水份的涵养。 ( 4 ) 小流域治理闯题 6 个乡镇共有小流域4 8 个，总面积达到1 7 0 万亩，其中水土流失面积6 8 万亩，如 果按每年治理5 万亩，需1 4 年才能初步完成。况且还有边治理边流失，是一个不容忽 视的问题。 1 5 研究内容及技术路线 研究内容主要包括： ( 1 ) 汤河水库永质现状评价； ( 2 ) 汤河水库营养化状态研究； ( 3 ) 汤河水库水环境容量分析计算t ( 4 ) 汤河水库污染物来源分析； ( 5 ) 汤河水库水污染防治研究。 本研究采用的技术路线是在水库水体特征调查的基础上对水库的水质现状和富营 养化状况进行评价，调查的内容包括水质调查、水生生物调查和底质调查；调查汤河水 库流域范围内的主要污染源和污染物，分析计算入库污染负荷和允许入库污染负荷；调 查环境基本特征，包括流域调查和水库的特征调查；在以上调查评价的基础上提出水库 水污染防治的合理对策。 汤河水库水质分析与水污染防治研究 2 水库水质评价分析 在水环境调查的基础上，进行水环境质量评价，可以定量地对某个水体的污染程度 做出判断，为水环境的防治工作，水资源的合理开发利用提供科学的依据。 水环境质量评价具有如下特征： ( 1 ) 系统中污染物之间存在复杂关系，各种污染物对环境质量的影响不一； ( 2 ) 水质分级标准难以统一； ( 3 ) 对水体质量的综合评价存在模糊性 本研究采取单因素指数评价法和模糊综合评价法对汤河水库的水质现状进行综合 的评价。 2 1 水质监测断面布设情况 环保部门从1 9 9 6 年开始对汤河水库进行水质监测，监测断面有坝前、库中、东叉 中、东叉头、西叉中、西叉头5 个，2 0 0 3 年在辽化取水口处建成汤河水库水质自动监测 站。 水利部门从1 9 9 3 年开始对汤河水库进行水质监测，水质监测工作由大伙房水质监 测站承担，至1 9 9 7 年停测。从2 0 0 7 年7 月开始由辽宁省水文水资源勘测局进行汤河 水库水质监测与评价工作。监测断面为东支、西支、库中、坝前( 取水口) ，采样深度 在水面下0 5 m 处或断面、垂线混合样。 2 ，2 水质监测项目 监测项目：透明度、p h 、电导率、溶解氧、高锰酸盐指数、生化需氧量、石油类、 挥发酚、氨氮、总氮、总磷、汞、铅、叶绿素a 、铜、锌、镉、六价铬、砷、硒、氰化 物、硫化物、氟化物、阴离子表面活性剂、粪大肠菌群等2 4 项。 2 3 水质评价依据 对于单因素指数评价法，本研究将对汤河水库的多个实测项目进行评价；对于模糊 综合评价法，本研究选取对水体富营养化影响较大的总氮( t n ) 、总磷( 印) 、溶解 氧( d o ) 、生化需氧量( b o d 5 ) 和高锰酸钾指数( c o d m ) 进行评价。 依据地表水水域功能和保护目标，地表水按功能高低依次分为五类，对于以集中式 生活饮用水供应为主要目的的水域，一般采用地表水环境质量标准( 见表2 1 ) 中的二类 大连理工大学专业学位硕士学位论文 标准评价。本研究选取国家地面水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 中的类水标准为依 据进行分析评价。 表2 1 地表水环境质量标准基本项目标准限值单位：n g l t a b 2 2s u r f a w a t o re n v i r o n m e n tq u a l i t ys t a n d a r db a s i cp r o j c o ts t a n d a r dl i m i t i n gv a l u eu n i t ：l g l _ _ - _ _ l l - _ l _ - - _ - - - - - - - _ l _ _ _ - _ l - - _ - - _ _ - - i _ - - - - _ - _ - _ _ - - _ - - _ _ - _ - _ _ - - _ _ - - - - - _ - - - _ l _ _ _ _ - _ _ - _ - _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ - - l _ _ _ _ _ - _ - - _ - _ _ - _ _ - - _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - - - - - i _ - _ 一 序 分类i 类类类类v 类 号项目 2 3 水温( ) p h 值( 无量纲) 溶解氧 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 6 9 饱和率 6532 9 0 ( 或7 5 ) 4 高锰酸盐指数 246 5 6 7 8 化学需氧量( c o d ) 五日生化需氧量( b o d 5 ) 氨氮( n h 3 - n ) 总磷( 以p 计) 总氮( 湖、库，以n 计) 铜 锌 氟化物( 以f - 计) 硒 砷 汞 镉 铬( 六价) 铅 氰化物 挥发酚 石油类 阴离子表面活性剂 硫化物 1 5 3 o 1 5 0 0 2 ( 湖、库 o 0 1 ) 0 2 o 0 1 o 0 5 1 o o 0 l o 0 5 0 0 0 0 0 5 0 0 0 l 0 0 1 0 0 1 0 0 0 5 o 0 0 2 o 0 5 o 2 0 0 5 1 5 3 o 5 0 1 ( 湖、库 0 0 2 5 ) o 5 1 o 1 o 1 o o o l o 0 5 0 0 0 0 0 5 0 0 0 5 0 0 5 o o l o 0 5 0 0 0 2 o 0 5 0 2 o 1 2 0 4 1 o 1 0 1 o o o l o 0 5 o 0 0 0 1 0 0 0 5 0 0 5 0 0 5 o 2 0 0 0 5 0 0 5 0 2 o 2 l o 3 0 6 1 i5 0 3 ( 湖、库 o 1 ) 1 5 1 0 2 o 1 5 0 0 2 o 1 o 0 0 l 0 0 0 5 o 0 5 0 0 5 o 2 0 0 1 o 5 o 3 o 5 1 5 4 0 1 0 2 o o 4 ( 湖、库 0 2 ) 2 0 1 o 2 o 1 5 0 0 2 0 1 0 0 0 1 o o l o 1 o 1 o 2 0 。1 1 o o 3 1 o 2 4 粪大肠菌群( 个l ) 2 0 02 0 0 0 1 0 0 0 02 0 0 0 04 0 0 0 0 9 一 库 、) o 2湖o l c ；0 仉l 9 加n挖璩m埔坞埔珀加组毖髂 汤河水库水质分析与水污染防治研究 2 4 水质评价方法 单因素污染指数计算公式如下： 乃：生( 2 一1 ) c o 式中乃单因素污染指数； c j 水中某组分的实测浓度； c o 某组分的背景值或对照值( 标准值) 。 公式( 2 一1 ) 适用于有上限的污染物。对于有下限的污染物，如d o ： l i f = 0 d o 8 m g l _ , 时 i 厶：l 一盟d o ：4 8 m g l 时 l c o l = l + ( 氏一c i ) d o 4 m g l 时 当背景值为一含量区间时： 办：生丑或，：旦 c 0 嗽一c 口c 。一c o m j n 式中c 。背景( 或) 对照含量区间中值； 一c o 曲背景( 或对照) 含量区间最大和最小值； 其他符号意义同上。 利用这种方法可以对各种污染组分进行分别评价，是多要素污染指数评价的基础。 当五 l 时，为污染。其优点是直观、简便，缺点是不能反映水体 整体污染情况。 模糊评价，即在评价过程中引入模糊性概念，运用模糊数学来处理水质评价的一些 问题，以反映水质质量状况或水体污染程度的不确定性。其具体步骤如下： ( 1 ) 确定评价因素集 u = & ，屯，屯x m ) ( 2 ) 建立评价集 v - - 垂，2 ，- - , - - n 根据地面水环境质量标准g b z b l 一1 9 9 9 ，地面水环境质量划分为6 个级别，即刀= 5 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 3 ) 建立模糊关系矩阵 应用模糊数学的基本概念，确定评价因素集中每一个指标隶属于评价集中不同评价 分级的程度，称为隶属度。通过隶属函数公式求出m 个单项指标对1 1 级水质的隶属度， 组成m x 船模糊矩阵r 。 r = l ( 而) 材l ( x 2 ) 1 ( ) 以2 ( 五) 1 2 ( 屯) 2 ( ) 隶属度u ( x ) 的计算公式如下： 对于d o ，评价指标以数值大为优，采用偏大型分布，其5 级标准的隶属函数设计如 r lx 8 z f l ( 功= ( x 一6 ) 2 6 x 8 1 0 x 6 f 0 x 8 ，x 5 即2 ( x ) = ( 8 一x ) 2 6 x 8 l x - - 5 5 x 6 f0 x 6 ，x 3 甜3 ( z ) = 6 一x 5 x 6 k x 一3 ) 2 3 x 5 f 0x 5 ，x 2 1 4 ) = ( 5 一x ) 2 3 x 5 lx 一2 2 x 3 f0 x 3 却5 功21 ；一x 三三三 3 对于其他指标，使用以下隶属函数( 在式中，v ，为等级标准，f = 1 , 2 ，拧) ： 。c 功= 一吃一h x ，l m x 屹 x v 2 叫010 心慨； 以如 如 汤河水库水质分析与水污染防治研究 x 2 哆 u i x v l x u + l 材。e 功= 言1 一一。“。一甜。一t 三，三 0 和甜1 砧：2 甜，记 u = g 。，戤：，甜，) = ”l lu 1 2 甜2 l 复 u p 1 般p 2 u l p u 2 p 甜， 表4 3 尺特征值和方差累计贡献率 z 8 b 4 3rc 妇鞠鼬嚣西如v a l u ea n dv a e i a n a c c u m u l a t i o nt e c h n i c a lp r o g r e s sf a c t o r 表4 4r 单位特征向量 t a b 4 4u n i t 咖v e c t o r f e a t u r ev e c t o r p r o p e rv o 曩x j i 丑 根据方差累计贡献率的要求，即等一8 5 ，取前m 个因子。由上表可知，由三 磊 i = 1 个主因子代替原来5 个因子的累积贡献率达9 2 3 9 ，因此取前三个因子做因子载荷分 析。 ( 4 ) 因子载荷阵 因子载荷矩阵可根据下式进行计算： 大连理工大学专业学位硕士学位论文 _ _ i 一i _ - 一，。_ - 一 a 1 1a 1 2q 肘 豁1 l 五豁1 2 如豁】脚以 口2 1a 2 2口2 拼 a - 甜恐压压 a = = - ： 一口纠口一口朋一，一瓜越，2 压钍咿压 表4 5 因子载荷 t a b q5f a 嘭眈l o a d i n g x ( 1 ) x ( 2 ) x ( 3 ) x ( 4 ) x ( 5 ) 特征值 累计贡献 因子l因子2因子3共同度特殊方差 0 8 3 9 5 30 9 7 9 3 90 0 2 0 6 1 0 0 7 1 2 20 9 5 2 1 60 0 4 7 8 4 0 3 6 3 6 40 8 1 6 6 60 1 8 3 3 4 o 0 6 1 8 30 8 8 4 4 20 1 1 5 5 8 0 3 1 4 5 60 9 8 7 1 10 0 1 2 8 9 0 9 4 4 8 9 0 9 2 3 9 5 a “为因子载荷，是第f 个原有变量在第，个因子变量上的负荷。上表中的共同度即 变量共同度，也称公共方差，反映全部公共因子变量对原有变量置的总方差解释说明比 例。原有变量蔓的共同度为因子载荷阵a 中第i 行元素的平方和，即： 红2 = 2 j = l 原有变量c 的方差可以表示成两个部分：忽2 和毛2 。第一部分吃2 ，反映公共因子对 原有变量的方差解释比例，第二部分2 反映原有交量方差中无法被公共因子表示的部 分。因此，第一部分忽2 越接近于l ( 原有变量置标准化前提下，总方差为1 ) ，说明公 共因子解释原有变量越多的信息。可以通过该值，掌握该变量的信息有多少被丢失了。 如果大部分变量的共同度都高于0 8 ，说明提取出的公共因子已基本上反映了各原始变 量8 0 以上的信息，仅有较少的信息丢失，因子分析效果较好。可以说，各个变量的共 同度是衡量因子分析效果的一个指标。 根据上表可以得到所有变量的共同度都高于0 8 ，因子效果分析很好。 ( 5 ) 用方差极大正交旋转后的因子载荷阵 因子载荷矩阵a 中某一行中可能有多个比较大，说明某个变量鼍可能同时与几个 因子有比较大的相关关系。因子载荷矩阵4 中某一列中可能有多个a 订比较大，说明某个 6 8 8 3 3 7 l 1 9 7 7 7 3 o 8 4 9 2 3 9 0 1 2 4 3 l 0 4 2 o 3 6 9 5 7 o o 0 一o 一 一0 l o 6 4 l 7 7 9 o 6 7 9 2 9 7 6 3 4 0 5 i 8 9 2 4 4 5 2 4 1 7 3 7 8 8 1 4 o 0 一o o 0 2 o 汤河水库水质分析与水污染防治研究 因子变量可能解释多个原变量信息。但它只能解释某个变量一小部分信息，不是任何一 个变量的典型能够代表。会使某个因子变量的含义模糊不清。在实际分析中，希望对因 子变量的含义有比较清醒的认识。这时，可以通过因子旋转来进行。目的是使每个变量 仅在一个公共因子上由较大的载荷，二在其余公共因子上的载荷比较少，至多是中等大 小。 对于本研究，采用最常用的方差最大法对因子载荷阵旋转，结果如下表： 表4 6 因子载荷阵方差最大旋转结果 t a b 4 6f a c t o rl o a d i n gv m a n c eb i g g e s tr e v o l v i n g 麟l l l t 分析上表，生化需氧量( b o d 5 ) 、总氮( t a r ) 和总磷( 舻) 对第一主因子的贡 献明显，这3 个指标反映了水体的营养化状况；对第二个主因子作主要贡献的主要是石 油类污染物；高锰酸钾指数( c ( 勉 胁) 指数对第三个主因子作主要贡献。 ( 6 ) 方差极大旋转后样本因子得分 5 旋转主因子载荷矩阵，并求出各因子的得分系数矩阵，然后由乃= p 业( k = l 为标准化后的第f 个断面第k 个变量的数值：i = 1 ，2 - - - , 6 ；j = l 2 ，3 ) 求出各断面在主因 3 乃乃 子上的得分。由e = 上l 一一( ，= 1 , 2 ，6 ) 求出各断面的综合得分。 乃 1 = 1 大连理工大学专业学位硕士学位论文 4 2 2 小结 分析上表可以得出，在汤河水库的6 个水质监测断面中，西叉头断面的综合得分最 高，表明该端面受污染状况相对于其他断面来说比较严重。对于汤河水库的东叉和西叉 来说，西叉的污染状况较东叉严重，而且叉头的污染状况较叉中的污染状况严重。全库 污染状况最轻的断面为库中断面。 综上所述，在高锰酸钾指数( c o d m ) 、五日生化需氧量( 及如；) 、总氮( t n ) 、 总磷( 1 7 ) 和石油类这5 项指标中，总氮和总磷对第一主因子的贡献较大，说明营养 物质总氮总磷对整体的影响比较突出。虽然目前汤河水库的营养水平为中营养，但水体 富营养化仍可能是水库水质今后面临的主要问题。丽石油类污染物对第二主因子的贡献 较大，说明石油类污染物对汤河水库水质的影响同样较大，从年际趋势分析也可以得出， 汤河水库水体中石油类污染物的含量也有增长的趋势。在因子综合得分较高的坝前和西 叉头端面，第一和第二主因子的得分较高，说明在这两个端面上，总氮、总磷和石油类 污染物对水质的影响较大。 4 3 水库污染物来源调查、分析 水体污染负荷可点源污染负荷和非点源污染负荷，点源污染一般是以集中于某个地 点的形式排放的，如工业废水、城镇生活污水等，以点源方式进入水体的废、污水量一 般具有经常性的特点。非点源污染是相对于点源污染而言的，与点源污染相比较，非点 源污染具有许多显著不同的特点，一般非点源污染只要是指农业污染径流、矿区废水、 城市无排雨系统的降雨径流等，其产生的主要原因是暴雨径流。因此非点源污染具有： 发生具有随机性、污染物的来源和排放点不固定、排放具有间歇性、污染负荷的时空变 化幅度大、监测控制和处理困难而复杂等特点。 汤河水库水质分析与水污染防治研究 来自欧洲和美国、加拿大、日本等地区和国家的资料表明，湖泊污染负荷的5 0 来 自流域内非点源。我国众多湖泊调查结果表明，除城市湖泊外，非点源占湖泊负荷量的 比例一般均在5 0 左右。非点源是湖泊污染物的主要来源。 通过对汤河水库以上流域各项资料的分析研究，认为汤河水库的污染负荷主要来自 于面源污染。以下将用d i l l o n 模型反推进入汤河水库的总磷污染负荷，并于汤河水库 流域的年降雨量建立相关关系，分析其相关性，从而进一步确定影响汤河水库水质的主 要污染源。 4 。3 ，1 特征参数计算 d i l l o n 模型 p - - 警 对上式进行简单的变换可得： 铲等 式中：o 为单位面积允许入库负荷量； p 】为磷浓度的实测值 p ，为水力冲刷系数，p ，= 墅v ，其中为水库年出水量，y 为水库年平均蓄水 体积o z 为水库平均水深，z = _ v ，其中4 水面面积； r 为滞留系数，r = 0 4 2 6 e x p ( - o 2 7 1 q ，) + o 5 7 4 e x p ( - 0 0 0 9 4 9 q ，) ，其中吼为单位 面积水负荷，吼= 堕a ，既为年入库水量。 取水库的年平均库容作为水库年平均蓄水