（环境工程专业论文）天津地区典型入海河流营养盐和有机物的污染解析与控制.pdf

摘要 本论文是“9 7 3 0 6 专题一复合污染控制及典型受损生态系统修复原理”的一 部分。主要研究了氮、磷营养盐和有机物在天津地区典型入海河流水和底泥中的 污染分布情况，有针对性地探讨了营养盐和有机物的控制途径。 陆源污染物是引起渤海近岸海域污染的主要原因，而河流入海污染是陆源污 染物入海的主要污染源之一，因此，研究环渤海河流污染状况对于渤海的环境治 理有很重要的意义。 本文选取大沽排污河和北塘排污河为研究对象，介绍了大沽排污河和北塘排 污河的地理状况及污染源情况等环境现状。结果表明，污染源以点源为主，工业 废水和生活污水是需要重点控制的点源，并找出了点源控制的关键。 经实地调查，根据采样原则，选取了合适的采样断面，对两条排污河进行了 丰水期、平水期和枯水期的布点监测，监测指标为温度、p h 、浊度、氨氮、总 磷、总氮和c o d c ，。根据水质监测结果，对两条排污河中的污染物进行了时空分 布特征的分析，并采用改进的主成分分析法和内梅罗环境质量指数评价法对其水 质现状进行评价。结果表明，两条排污河各项指标( 除p h 外) 全部严重超标； 主要污染物都是c o d 和氮；磷污染相对较轻；大沽排污河桥、靖江桥附近和北 塘排污河汇入永定新河闸口处污染最为严重。不同水期的主要污染物一致，提出 了从源头控制c o d 和氮的方法。不同水期的重点污染断面不太一致，需要对部 分断面附近实行分水期重点控制。 通过分析两条排污河各水质指标间的相关关系可知，水质指标问均会与其它 一个或几个指标之间有显著相关性。因此，建立了北塘排污河氨氮的元多重回 归模型。并对此模型进行了显著性检验、残差分析和强影响分析，最后用实际检 测数据进行了模型的验证，结果证明了模型的可靠性和适用性。 通过对两条排污河底泥的分层采样检测，分析了污染物在底泥中的分布特 征。结果表明，水体中的污染物在底泥中的积累效应比较明显，且污染物在底泥 上、中、下层中并非均匀分布，因此，可以从不同层面来结合历史资料分析年代 污染特征。同时，也证明了分层采样有很大的研究意义。 关键词：大沽排污河北塘排污河营养盐有机物水质评价底泥 a b s t r a c t t h i si sap a r to f9 7 3p r o g r a m ，w h i c hi st of i n dt h em e t h o d o fc o n t r o l l i n gc o m p l e x p o l l u t i o na n dt h ep r i n c i p l eo fr e p a i r i n g t h et y p i c a ld a m a g e de c o s y s t e m t h en l t r o g e n ， p h o s p h o r u sa n do r g a n i cp o l l u t a n t sd i s t r i b u t i o ni n w a t e ra n ds e d i m e n ti nt h et y p l c a l r i v e r si n p o u r i n gi n t om a r i t i m es p a c ei nt i a n j i ni sm a i n l ys t u d i e d ，a n dt h ec o n t r o l m e t h o di sp u tf o r w a r d t h em a i nc a u s eo ft h ep o l l u t i o no fb o h a is e aa l o n g s h o r ea r e ai s t h el a n d8 0 u 。c e p l l u t a n t s ，a n do n eo f t h em a i nl a n ds o u r c ep o l l u t a n t si n p o r i n gi n t os e a i st h ep o l l u t a n t s f r o mr i v e r s t h e r e f o r e ，i ti ss i g n i f i c a t i v et od ot h er e s e a r c ho ft h ep o l l u t i o no f r i v e r s a r o u n db o h a is e a a f t e rd e t a i l e da n a l y s i s ，t h ed a g ud r a i n a g er i v e ra n db e i t a n gd r a i n a g er i v e ra r e s e l e c t e dt ob et h es t u d yo b j e c t t h ee n v i t o n m e n t a l s t a t u si n c l u d i n gg e o g r a p h y c o n d i t i o n sa n dp o l l u t i o ns o u r c e si si n t r o d u c e d t h er e s u l t ss h o wt h a tp o i n t s o u r c e sa r e t h em a i np o l l u t i o ns o u r c e s a n dt h a ti n d u s t r i a lw a s t e w a t e ra n dd o m e s t i cs e w a g ea r e t h em a i np o i n ts o u r c e s t h ek e yt oc o n t r o lt h em a i np i o n ts o u r c e s i sf o u n d a f t e rf i e l ds u r v e y ，a c c o r d i n gt ot h es a m p l i n gp r i n c i p l e ，r e a s o n a b l es a m p l i n g s e c t i o n sa r es e l e c t e d ，a n dt h et e s t i n gi sd o n ei nf l o o dp e r i o d ，u s u a ld i s c h a r g ep e r i o d a n dd r o u g h tp e r i o d t h em o n i t o r i n gi n d e x e si n c l u d et e m p e r a t u r e ，p h ，t u r b i d i t y ， n h 3 - n t n t pa n dc o d c r a c c o r d i n gt ot h e t h ew a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n gr e s u l t s ，t h e t e m p o r a la n ds p a t i a ld i s t r i b u t i o no fp o l l u t a n t si n t h et w or i v e r si sa n a l y z e d ，a n dt h e a s s e s s m e n to fw a t e rq u a l i t yi s m a d e b yu s i n gi m p r o v e dp r i n c i p a lc o m p o n e n t a n a l y s i sa n dn e m e r oi n d e xa s s e s s m e n tm e t h o d t h er e s u l t ss h o wt h a tn e a r l y a l lt h e d o l l u t a n t sa r eo v e rs t a n d a r d ，t h a tt h em a i np o l l u t a n ti s c o d ，t h a tt h e e f f e c to f p h o s p h o r u si sr e l a t i v e l yn o ti m p o r t a n t ，a n dt h a t t h em o s tp o l l u t e da r e a sa r ea r o u n d d a g ud r a i n a g er i v e rb r i d g e ，j i n g j i a n gb r i d g ea n dt h e a r e aw h e r et h eb e i t a n gr i v e r c o n v e r g et ot h eg a t eo fy o n g d i n g x i nr i v e r s i n c et h e m a i np o l l u t a n t sa r et h es a m ei n d i f f e r e n tw a t e rp e r i o d ，t h em e t h o do fc o n t r o l l i n gp o l l u t i o nf r o ms o u r c e s i sp u tf o r w a r d s i n c et h em o s tp o l l u t e da r e ai sn o tt h es a m ei nd i f f e r e n tw a t e rp e r i o d ，t h es e l e c t i v e c o n t r o la tt h ek e yp o s i t i o n ss h o u l db ed o n ei nd i f f e r e n tw a t e rp e r i o d a f t e rt h ea n a l y s i so fc o r r e l a t i o n ，i ti sf o u n dt h a tt h em o n i t o r i n gi n d e x e si nw a t e r m a vh a v es i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o nw i t ho n eo rm o r eo t h e ri n d e x e s t h e r e f o r e ，a m o n o v a t i a n tl i n e a rr e g r e s s i o nm o d e li sm a d et op r e d i c tt h e c o n c e n t r a t i o no f n h 3 一ni n b e i t a n gd r a i n a g er i v e r s i g n i f i c a n c et e s t ，r e s i d u a l sa n a l y s i sa n di n f l u e n c em e a s u r e si s d o n ef o rt h em o d e l ，a n dp r a c t i c a ld a t ai su s e dt ov a l i d a t et h em o d e l i ti sp r o v e dt h a t t h em o d e li sc r e d i b l ea n du s e f u l b yt h em e t h o do fs a m p l i n gl a y e r e ds e d i m e n ta n dt e s t i n g ，t h et e m p o r a la n d s p a t i a ld i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fp o l l u t a n t si ns e d i m e n ti sd i s c u s s e d t h er e s u l t s s h o w e dt h a tp o l l u t a n t si nw a t e rc a na c c u m u l a t ei n t ot h es e d i m e n t ，a n dp o l l u t a n t si n s e d i m e n ts h o wa nu n e v e nd i s t r i b u t i o n t h u s ，t h ep o l l u t i n gc h a r a c t r i s t i cb e t w e e n y e a r s c a nb ea n a l y z e dc o m b i n i n gw i t hh i s t o r i c d a t a i ti sp r o v e dt h a ts a m p l i n gl a y e r e d s e d i m e n ti sv e r yu s e f u l k e y w o r d s ：d a g ud r a i n a g er i v e r ，b e i t a n gd r a i n a g er i v e r ，n u t r i a n ts a l t s ，o r g a n i c p o l l u t a n t s ，w a t e rq u a l i t ya s s e s s m e n t ，s e d i m e n t 天津大学硕士学位论文篁二兰堑鱼 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题是“9 7 3 0 6 专题一复合污染控制及典型受损生态系统修复原理”的一 部分，该课题的主要研究内容是：以污染源和渤海典型海岸带生境系统为主要研 究对象，重点开展区域污染源控制方法与途径研究，海岸带生境退化过程的研究， 海岸带生境退化诊断方法体系的建立和渤海典型滩涂生境修复原理的研究。本论 文以天津地区典型入海河流为主要研究对象，重点开展区域污染物的控制方法与 途径研究。即通过一年三期的实验监测结果，确定主要控制的氮、磷营养盐和有 机污染物排放强度、时空分布特征及污染水平，结合区域优先控制污染物清单和 重点污染源以及现场和历史资料调研，解析氮、磷营养盐和有机污染物的污染情 况，同时提出些有具体的、针对性的渤海近岸海域氮磷营养盐和有机污染物的 控制方法与途径，以及区域内主要污染物减排限排途径调控策略。 1 2 研究背景及国内外研究进展 1 2 1 渤海海域环境状况及天津段典型入海河流的选取 渤海是一个半封闭的陆架边缘海，是受沿岸人为活动影响最为明显的海域之 一1 。海域面积约7 1 7 万k m 2 ，平均深度1 8 m 。其中渤海湾、辽东湾和莱州湾 是渤海海域内的三大海湾。 渤海资源十分丰富。其石油开采、渔业、盐业、旅游业和港口开发等在全国 都占有优势。渤海地处欧大陆桥之桥头，其沿海地区是我国北方经济最发达的 地区，是中国北部沿海的黄金海岸，也是对外开放的重要窗口。以辽东半岛、山 东半岛、京津冀为主的环渤海经济圈，人口密集，环绕渤海的1 7 个沿海城市， 宛如一串“c ”字型明珠，形成一个大型经济区，素有“金项链，之称【2 o 近十 几年来，随着经济的迅猛发展和人口的不断增长，近岸海域的环境在不断恶化， 环境问题日益突出，围绕着渤海的开发利用和环境保护问题，关系到我国北方广 大沿海地区经济发展的命运，已引起了国内外各界广泛关注。 近岸海域水质超标严重。根据国家环保总局近年来组织的有关沿海地区陆源 污染调查以及与农业部联合组织的科技发展项目“黄渤海近岸海域污染发展状况 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 及生态影响研究”项目中关于l1 个沿海城市濒临海域的1 3 8 个监测站位的资料 分析，除有2 个城市还保持着大部分近岸海域为一类海水标准外，有8 个城市的 5 0 以上的监测站位己恶化为三类和超三类海水。其中沧州海域、营口海域、盘 锦海域、锦州海域、东营海域、潍坊海域等6 个城市，三类海水站位和超三类海 水站位数已高达1 0 0 。这表明，渤海大部分沿海城市监测站位所控制的近岸海 域，污染较重，局部超标尤为严重。超标污染物中以营养盐超标倍数为最高，其 中，天津海域监测站二类海水站位占4 5 ，超三类海水站位占9 5 5 ，超标污 染因子为无机氮、无机磷、c o d 和石油。此外，渤海近岸海域的悬浮物排放强 度很大，占入海污染物总量的9 9 7 1 3 j 。 目前，渤海近岸海域海水富营养化问题日益尖锐。历年赤潮造成鱼、虾、贝 类大量死亡：，经济损失惨重。油类污染使渤海海水溶解氧降低，使海水中鱼虾贝 类由于油膜堵塞而窒息死亡，失去食用价值，并且破坏了海滨景观。 就渤海海域目前的这种污染状态，已持续了1 0 多年之久。从主要污染物浓 度近1 0 年来的变化，呈上升趋势。最为突出的为营养盐类，上升速度最快。其 中无机氮浓度的年递增率为18 。直至形成9 8 渤海赤潮重大灾害，其规模和延 续时间皆为史无前例，污染发展状况十分严重。其他污染物，也有不同程度上升。 如油类浓度年递增率为7 ，c o d 年递增率4 1 5 ，活性磷酸盐年递增率为2 。 近岸海域生态系统已受到影响。调查表明，从2 0 世纪8 0 到9 0 年代的近十 年来人类活动对渤海近岸海域生态环境产生的影响日益增大，生态平衡受到破 坏，主要表现为浮游生物减少，底栖生物种类减少而优势种增加，渔业资源衰竭， 营养结构向低级化发展等。 渤海污染突出表现在城镇濒临的河e l 、海湾及近岸海域，目前的监测站位大 多分布在沿海城镇的入海排污口或入海河口附近的近岸海域，其岸边的环境容量 已极为有限，已基本不具备继续接纳更多污水的能力。 近岸海域污染的原因主要表现在两方面。 一方面，入海污染源的大量排污。 渤海近岸海域污染主要是陆源污染物引起的，它约占入海污染物总量的 8 7 ，而陆源污染物中由入海河口排入的约占9 5 ，污染物主要来源于流域里的 生活污水和工业废水【4 】o 调查表明，渤海沿岸入海污染物总量( 扣除悬浮物) 约 6 6 3 万如。其中陆源污染物为5 7 9 万t a ，大约占入海污染物总量的8 7 ，而 陆源污染物中，由入海河口排入的为5 5 1 万“a ，占陆源的9 5 。其中，入海河 口排放污水负荷最重的有黄河口、大沽排污河、蓟运河口、潮白新河口、大辽河 口、北塘排污河。大沽排污河、蓟运河口、潮白新河口、北塘排污河均在天津境 内。这些入海污染物，按各省入海总量比较，渤海沿海各省向海洋排污总量以辽 天津大学硕士学位论文第一章绪论 宁为最大，其后依次排序为天津、山东、河北。大沽排污河的等标污染负荷为 1 7 1 7 8 6 1 0 6 m 3 a ，主要污染物为c o d 、s s 和c u ：蓟运河口的等标污染负荷为 6 5 5 4 9 10 6 m 3 a ，主要污染物为c o d 和磷酸盐；潮白新河口的等标污染负荷为 6 3 2 4 6 1 0 e m 3 a ，主要污染物为氨氮、磷酸盐、c o d ；北塘排污河的等标污染负 荷为5 1 4 6 4 1 0 6 m 3 a ，主要污染物为s s 、c o d 和氨氮 3 】。 由此看来，陆源污染物是引起渤海近岸海域污染的主要原因。近些年富含氮、 磷营养盐的工农业废水的大量排放使得渤海湾营养盐结构发生了很大变化，同时 导致渤海湾局部海域“赤潮”频繁发生。自1 9 9 6 年以来共发生了1 3 次“赤潮”， 多数发生在7 8 月间 习。海域水体富营养化是本海区的主要环境问题 6 j 。营养物 质进入水体后，将会在水与沉积物之间发生迁移，其中一部分可以与钙、铁或铝 络合形成沉淀，或吸附到矿物颗粒的表面而转移到沉积物中。近海沉积物可以看 作营养物质的“蓄积库”。沉积物中营养物质的再生，对水体中营养盐的收支和 营养盐循环动力学有着及其重要的作用。海域水体富营养化是本海区的主要环境 问趔7 1 。 另一方面，海域环境管理薄弱。 在人口和资源的强大压力面前，人类逐渐把目光转向海洋。国内外呼声日益 强烈，国际间活动曰益频繁。沿海地区是我国经济发展最快的地区，也是污染负 荷量增长最快的地区，因而又是环保工作日益加重、环境管理严重不适应的地区， 许多环保部门对海域环境尚未设专门机构甚至无专人管理。海洋环境管理的技术 力量分散，应与陆地环境管理紧密配合，实行全国环境的统一监督管理。海洋环 境投资比例严重失调，造成海洋环境保护队伍不稳定、组织协调工作不得力的局 面。因此，海洋环境意识及管理队伍亟待加强。 海域中的陆源污染物多数是通过岸边的入海河口进入的，然而这些污染物的 来源涉及到整个流域。一般较大流域面积可达数百至数千平方公里，如果只按行 政区域，将流域内水系统进行分割管理，或将海、陆两部分脱节，是不科学的， 都不能达到保护环境的目的。因此，需要对入海河流进行全流域的综合环境管理。 渤海天津近岸海域位于渤海的西部，管辖海域面积约为3 0 0 0k m 2 ，其滩涂面 积约3 7 0 k m 2 ，海岸线长约1 5 3 k m 。根据国家海水水质标准和海域环境功能区划 的要求，天津近岸海域划分为一、二和三类水质海区( 现改为一、二、三和四类 海区1 。三类水质海区包括天津港区和大沽口附近水域，二类海区包括北塘e l 、 大沽口外锚地附近水域；其他水域为一类海区。 研究表明，渤海天津近岸海域海水中的c o d 、石油类污染在1 9 9 1 - 2 0 0 4 年 间整体呈现下降趋势，营养盐污染( 无机氮i n ，无机磷i p ) 有加重趋势，海水 富营养化风险增加，这说明“九五”以来陆源水污染防治对改善渤海湾海水有机 天津大学硕二匕学位论文第一章绪论 污染起到明显的作用，而对营养盐污染的控制非常有限，石油类污染减轻是加强 海洋污染源管理的结果；从污染物的空间分布看，c o d ，无机氮( 1 n ) 和无机 磷( i p ) 高值区集中在北塘口、大沽口和歧口附近海域，并且具有从沿岸近海向 渤海湾外部海区逐渐降低的变化规律；海水中c o d 、i n 、i p 的浓度与天津地区 河流的人海径流量呈显著正相关，而石油类、铅、锌和汞的相关性较差，说明渤 海天津近岸海域有机污染和营养盐污染来自陆源输入，重金属铅、锌污染，主要 受入海河流上游汇水区内冶金、化学工业的废水排放影响，汞污染相对较轻，仍 以环境背景值的贡献为主；渤海湾沉积物总氮含量较高，空间分布趋势与水体中 无机氮近似，说明氮的迁移性较差。受氮的矿化成岩作用的影响，柱状沉积物中 总氮含量随深度而呈现加大趋势。天津渤海湾沉积物巾的磷以无机磷( i p ) 形态 为主，近岸海域中有机磷( o p ) 在t p 中所占的比例相对较高，而离岸较远的 o p 所占比例有所下降，说明近岸海域受陆源输入等人为干扰的影响，含有机磷 化合物的有机污染较为严重。沉积物中的有机磷通过降解作用向沉积物中的间隙 水释放可溶性磷，因此有机磷的垂向变化规律是随深度加大而减少。“十一五” 及今后一段时期加大氮、磷陆源控制将是改善渤海湾海水水质和减少富营养化风 险的关键l 1 基于上述分析，要控制渤海天津段近岸海域的污染状况，就需要对其陆源污 染物的排放进行有效控制。而河流入海污染是陆源污染物入海的主要污染源之 一，因此，研究环渤海河流污染状况对于渤海的环境治理意义重大。本文选取渤 海湾天津段的典型入海河流进行具体的分析和研究。天津地区陆源污染物最重要 的排放口是大沽排污河、蓟运河口、潮白新河口、和北塘排污河。 2 0 0 6 年的统计结果显示，大沽排污河入河污染物总量占滨海新区入河污染 物总量的3 2 左右( 如图1 1 ) 。其中，氨氮污染负荷占滨海新区入河氨氮污染 物总量的2 0 左右( 如图1 2 ) ；化学耗氧量污染负荷占滨海新区入河化学耗氧 量污染物总量的2 9 左右( 如图1 3 ) 。北塘排污河排放污染物总量占滨海新区 入河污染物总量的9 左右( 如图1 1 ) 。其中，氨氮污染负荷占滨海新区入河 氨氮污染物总量的9 左右( 如图1 2 ) ；化学耗氧量污染负荷占滨海新区入河 化学耗氧量污染物总量的8 左右( 如图1 3 ) 。 以上资料显示，在途经或起源于天津的主要入海河流中，无论入河污染物总 量还是入河氨氮和化学需氧量污染负荷，居前四位的均是永定新河、独流碱河、 大沽排污河及北塘排污河。独流碱河自1 9 9 8 年以来除人工调水外，大部分年份 河道出现断流现象，不利于完整和连续的监测和分析。永定河流经众多的辖区， 污染物组分复杂，天津入海的永定新河仅仅属于永定河的下游，如果要对永定新 河进行全面的污染物的分析，就势必涉及对永定河上游进行采样检测。而在课题 4 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 的有限时间内，对地跨数省市的永定河进行连续且全面的监测显然是不现实的。 2 独流减河 3 9 大沽排污河 3 2 图1 12 0 0 6 年滨海新区入河排污1 3 水量分布图 北塘排污河 9 卜_ ) 0 2 排污河 0 图1 22 0 0 6 年滨海新区入河排污1 3 氨氮分布图 新开河 1 永定新河 1 6 1 _ f i ：7 口 人沽丰1 i 亏河 2 9 图1 32 0 0 6 年滨海新区入河排污1 ：3 化学耗氧量分布图 5 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 同时，天津地区陆源污染物最重要的排放口是大沽排污河、蓟运河口、潮白 新河口、和北塘排污河。将天津地区陆源污染物的重要排放口和途径或起源于天 津的主要入海河流取交集，最终确定了研究目标，即天津段主要入海河流为大沽 排污河和北塘排污河。 1 2 2 国内外入海河流营养盐和有机物污染与控制的研究现状 市政及：e 业点源污染、农业面源污染中氮磷营养盐进入相对封闭的水域后， 在阳光照射下，极易导致水体富营养化。纵观全球，几乎所有湖泊和其他娱乐水 体都存在着j 不同程度的富营养化问题，藻类水华爆发( a l g a lb l o o m s ) 则是许多 富营养化湖泊和水体面临的挑战，世界各大洲自然水域、河流、湖泊( 水库) 及 沿海水域均存在不同程度的富营养化问题，而且大部分地区还相当严重。因此， 富营养化已经成为我国水环境最为重要的环境问题。 氮、磷是生物体必需的元素，同时也是引起水体富营养化的主要元素。氮磷 元素从陆地到海洋的输送过程是生物地球化学循环的重要组成部分。很多研究结 果表明，近年来我国大河流域的营养元素含量有升高的趋势【8 儿9 l 。氮、磷的流失， 不仅影响河水的水质，而且对河口及近海造成很大的影响。随着工农业的迅速发 展，大量的营养元素通过地表径流进入海洋，使得海洋环境中的营养物质大量增 加，引起海水富营养化，导致浮游植物异常繁殖【1 0 】。渤海湾近年来赤潮频发，与 该区域向海洋大量输送营养盐有密切关系儿坦j 。 孟伟掣” 收集了黄河流域下游主要干流监测站近4 0 年来( 氮数据) 或2 0 年( 磷数据) 来的水质数据，同时，收集了流域各省人口、氮肥磷肥施用量及工 业废水排放量等数据，研究了黄河氮磷营养盐通量( 或浓度) 的多年变化趋势， 并统计了水质变化与流域人口、化肥用量和工业废水排放量等社会经济指标的关 系。研究结果表明，黄河氮输送通量的变化主要受流域内人口、氮肥施用量的影 响，而与工业废水排放量没有统计上的相关性；黄河总磷含量和流域人口、磷肥 施用量和废水排放量均无相关性，而与黄河水体中悬浮物含量显著相关。 张晟等 1 4 】通过对三峡库区1 5 条次级河流的t p 、t n 、c h l a 、高锰酸盐指数、 s d 和浮游植物的测定，分析了次级河流的营养状态及营养盐输出状况。结果表 明，三峡库区次级河流水体中n 含量丰富，部分次级河流富营养化的限制因子 为p ，有机污染相对较轻，均具备了产生富营养化的营养盐浓度条件。 许朋柱等 1 5 】以m o n e r i s 河流系统模型为基础，建立了由农业土地营养盐平 衡模型，流域营养盐排放模型及河道营养盐滞留模型3 个模型组成的模型系统， 该系统被用来计算太湖西南部河流流域的营养盐排放量。分析结果表明，与 1 9 9 2 1 9 9 6 年相比，1 9 9 7 2 0 0 1 年间的点源排放量及农业土地营养盐剩余量的减 6 天津大学硕士学位论文第一章绪论 少是流域营养盐排放量减少的主要原因。 张龙军掣1 6 】于2 0 0 5 年对环渤海的黄河等1 6 条主要河流的入海污染进行了调 查。通过污染分担率分析，环渤海河流的首要污染物为石油类( 1 l 条河流) ， 其次为营养盐，高锰酸盐指数仅位居第3 。这表明，环渤海河流的富营养化现象 非常严重，同时也显示，虽然环渤海1 6 条河流中的化学需氧有机物质的污染严 重，但总有机物的入海通量更大。这一点必须引起足够的重视。 刘成等 1 7 】根据对环渤海湾诸河口实地采集的1 2 个水样进行的重金属、砷、 总氮和总磷含量分析，发现环渤海湾诸河1 3 水污染严重，多超过地表水v 类标 准，主要污染物质为h g 、n 和p ，其他污染物含量均在地表水i i 类标准以内。 其中海河1 ：3 处的h g 含量在2 0 年问增加了1 0 倍左右。诸河1 5 1 水体中n 和p 含 量均达到水体富营养化危险负荷，可见陆源污染是渤海湾富营养化日趋严重、赤 潮日趋增多的主要原因。 孟伟掣1 8 】于2 0 0 0 年对渤海湾主要河1 ：3 及海岸带部分区域与环境毒理学相关 的污染特征进行了一次探查分析。结果表明，环渤海湾河i ：3 区域部分水质和底泥 的环境污染程度属中度或严重污染状态。其中，有些采样点个别重金属元素和有 机污染物超过有关环境标准的状况较严重，如在海河1 2 1 、辽河1 3 及黄河口的个别 样品中，有害元素铬、锡、镍、汞、砷、铅等的含量超标数倍以上，总可检出有 机物达2 0 余种，污染物可能主要来源于各类生产单位的废水排放。 孟春霞等 1 9 于2 0 0 2 年6 月对小清河口及邻近海域进行大面调查资料的基础 上，分析了调查区域内溶解氧的分布特征，发现在小清河河口内存在低氧区。结 合盐度、c o d 、营养盐的分析数据，查明了小清河河口内形成低氧区的主要原因 是小清河径流带来的大量有机污染物所致。 张枝焕等【2 0 】对天津地区海河、北运河、潮a 新河、北京排污河、永定新河、 蓟运河、北塘排污河( 北排污河) 、大沽排污河( 南排污河) 和南运河等9 条具 代表性河流的沉积物样品进行了分析检测。结果表明，不同河流沉积物样品中均 分布有多种类型的烃类污染物，已经检测到的多环芳烃化合物主要包括萘、苊、 苊烯、联苯、菲、惹烯、芴、二苯并呋喃( 氧芴) 、二苯并噻吩( 硫芴) 、荧蒽、 芘、菌、苯并芴、苯并葸、苯并荧蒽、苯并芘、花、二苯并 a ，h 葸、茚并【l ，2 ， 3 c d 】芘、苯并 9 ，h ，1 】茈等系列多种单体化合物。城区及津南地区的南北排污 河、南运河多环芳烃中石油烃贡献相对较大，津北地区北京排污河、潮白新河、 蓟运河和永定新河沉积物中石油烃污染源贡献相对较小，大气沉降物的贡献相对 较大。 近年来，国际上有关水环境污染灾害的研究合作十分活跃。主要是基于河口 入海物质的变异与海岸带水环境质量的变化，通过对河口及其周边近岸带径流、 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 城市废水、农业污水、养殖排污等水体中涉及生境水质退化的主要相关物质，如 氮磷类营养盐、有害元素、持久性有毒有机污染物( p o p s 、p p t s ) 、石油烃或 农药类、藻类毒素等有害污染物的生态毒理学过程机制的分析讨论，建立相关识 别和控制的方法技术1 2 1 。2 4j 。 我国也积极参与了一些国际性研究计划，如联合国教科文组织政府问海委会 的有害藻华研究计划、亚太经济合作组织( a p e c ) 有害藻华p 赤潮管理计划等。 这些研究的重点主要在于污染危害的生物学基础研究、增殖实验生态研究、现场 自然生态研究及数学模型等方面。我国至今尚未形成全面、系统的水环境污染危 害控制与灾害恢复的环境安全性基础理论及行之有效的水污染灾害控制技术体 系，如水环境藻华p 赤潮控制理论、灾害预警预报技术等；尤其是在水生态微污 染的健康危害及控制学等方面的生物化学与生物物理学耦合多学科交叉等领域 都急需开展研究【2 川。 国外在污染化学物质对环境生物和人体的危害性方面极为关注。过去的2 0 年间，欧、美、e t 等一些发达国家相继制定了化学物质的审查与管理法规，列出 了各自优先控制的化学物质名录，如美国在水清洁法中列出了1 2 9 种优先控制的 污染物质，饮用水中需重点控制的痕量有害有机物达5 0 多种，并在环境调查、 毒性鉴别与分析方法、曝露剂量响应等环境风险评价方法、污染机理、风险特性 以及污染控制等方面进行了一系列深入的基础研究【26 | 。 近些年富含氮、磷营养盐的工农业废水的大量排放使得渤海湾营养盐结构发 生了很大变化，同时导致渤海湾局部海域“赤潮”频繁发生。目前，关于渤海氮、 磷营养盐的研究主要集中于沉积物中氮、磷形态分析1 2 7 - 2 9 ，而从区域污染源角度， 将水体与沉积物中氮、磷营养盐，有机污染物分布特点结合在一起来研究的非常 少。因此，调查研究海岸带区域优先控制污染物的清单，研究主要污染物排放特 征，分析污染水平，提出减排、限排途径及调控策略，是控制水环境污染灾害发 生的基础性工作。 1 2 3 河流底泥污染与水质变化 底泥污染是河流污染的重要研究内容之一，也是世界范围的一个突出环境问 题。底泥是河流湖泊水体的一个重要组成部分，它不仅是底栖生物的栖息之地， 也是水体细菌活动的重要场所，它在沉淀、沉积和分解释放污染物质方面起着重 要作用。底泥中的氮、磷是形成富营养化的重要原因之一，尤其是随着外源负荷 的有效控制后，内源负荷对水体富营养化的贡献，显得格外重要。贺宝根等【3 0 】 研究发现，仅苏州河市区段底泥的影响就将河流的水质状况下降约两个等级，劣 于国家v 类地表水标准。因此掌握河流底质中氮、磷的分布及其含量，其意义 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 是不言而喻的。 作为河流生态系统的重要组成部分，底泥不仅是河流营养物质循环的中心环 节，而且也是营养物质的主要聚集库【3 1 】。通过大气沉降、废水排放、雨水淋溶与 冲刷等各种方式，大量的污染物进入河流水体，其中一部分沉积到底泥中并逐渐 富集，使底泥受到污染【3 2 】【3 3 】。从国外来看，莱茵河流域、美国的大湖地区、荷 兰的阿姆斯特丹港口、德国的汉堡港等，底泥污染均十分严重。我国城市河流底 泥中也积累了大量耗氧性有机污染物、重金属、氮磷和各类优先有机污染物，其 含量往往比背景值高出一至几个数量级【3 4 】。作为河流污染物的主要蓄积库，底泥 不仅可以直接反映水体的污染历史，而且在一定条件下可向上覆水体释放各种污 染物，是影响河流水质的重要二次污染源，如穿越上海市区的苏州河，在一定流 速下底泥的作用可使水中c o d c ，增加1 5 - 6 7 m g l 【3 5 | 。 底泥与上覆水之间不停地进行着物质交换，溶解于水中的污染物浓度在很大 程度上要受到底泥的影响。当底泥未被扬动时，底泥中的污染物主要从表层沉积 物向上覆水扩散和分解，对水质的影响较小；而底泥一旦被扬动，较厚层底泥中 的污染物将会大量向水体释放，消耗上覆水中的溶解氧，造成水质不断恶化”5 | 。 已有研究表明，卜海市苏州河水质与底泥中的污染物浓度成正比【3 6 j ；过去的十几 年的污染物排放，使河流底部的液固面上呈现出污染物质累积和释放的不平衡， 致使污染物质与自然沉积的泥沙一起淤积在河床上，形成了l 3 m 厚的污染层， 污染层中c o d c r 最高可达3 3 0 0 0 1 3 0 0 0 0 m g k g l 3 0 j 。由于底泥与河水之间存在着 一种吸收与释放的动态平衡，一旦河水污染物含量减少，底泥中污染物的释放量 就会增加，其对河水的二次污染也会增大 3 7 】。底泥污染会严重损坏河流生态系统 的健康，美国e p a 在1 9 9 8 年的调查报告中指出，美国己发生的2 1 0 0 起鱼类污 染事件大部分与底泥污染有关【38 1 。在我国，也己发现并证实水体底泥具有生物毒 性，如乐安江在距河e l2 0 1 9 5 k m 河段沉积物中均显示出毒性【3 9 l 。 河流底泥对水质的影响一般通过以下几个途径实现：底泥悬浮过程中吸附 于颗粒物上的污染物解吸释放；表层底泥中的污染物直接向上覆水体解吸释 放；底泥间隙水中的污染物直接向上覆水体扩散释放等。当底泥间隙水污染物 浓度接近平衡时，其与上覆水的混合作用是影响水质的主要作用，其次是下部底 泥的静态释放，而悬浮颗粒的污染物解吸释放作用则较小【4 。如在h u d s o n 河下 河e l 地区，p c b s 的沉积物交换通量估计在2 0 8 6 0 “g ( m 2 d ) 之间。沉积物中的 p c b s 主要通过两个过程进入河口水体：溶解态和胶体态p c b s 从底部沉积物向 上覆水体的扩散释放，底部沉积物再悬浮后发生解吸附过程【4 1 1 。底泥中的污染物 累积是在很长时间中形成的，它对水质的影响也比较持久。受污染的底泥相当于 一个储藏的污染源，即使外界污染源消除后，河流底泥仍能在较长时间中对上覆 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 水的水质不断产生影响。可见，河流底泥污染的研究和治理，是河流污染综合整 治的重要内容，是从根本上解决河流污染问题的重要途径之一。 因此，本文也针对大沽排污河和北塘排污河的底泥进行了分层研究。 1 2 4 国内9 1 n 流水质评价现状 河流环境质量评价工作已有多年的历史，最初水质的优劣是通过水的色泽、 味、嗅、浑浊度等感官性状来认识评定的，自从西方工业革命以后，人口大量向 城市集中，排入河流、湖泊等地表水体的生活污水量剧增，由于未采取任何处理 措施，污水中的病原菌大量繁殖，水质卫生状况严重恶化，导致1 9 世纪末至2 0 世纪初，在英国伦敦、德国汉堡等地大规模霍乱流行，使成千上万人丧生，从而 引起对水卫生学的重视，因此，除增加了生化需氧量和化学需氧量外，又提出了 大肠菌群和细菌总数等卫生学指标作为水质评价参数【4 2 | 。 二次世界大战后，随着工业迅速发展，大量污染物随工业废水进入水体，严 重危害水生生物生存和人类健康。因此，水质评价参数中引入了重金属、农药和 有机化合物等有毒、有害物质指标。自1 9 7 0 年代以来，随着水体富营养化研究 的深入，磷、氮等被列为湖泊、水库、河口等的重要评价指标【4 3 1 。 从评价方法来看，最初的水质评价方法仅凭感官性的指标进行描述性评价， 后来，采用了化学指标和生物指标，进行一定程度的定量评价，r k h o r t o n 【4 4 j 提出了水质评价的质量指数法( q i ) ，以此标志着水质现状评价工作的开始。此 后，国外许多环境科学家研究和构造出各种环境指数，用以表明各种不同的环境 要素的环境污染状况。比较有代表性的水环境质量指数有：美国布朗水质指数 w q l ，美国内梅罗水质污染指数p i ，英国罗斯水质指数，意大利帕梯水质指标， 苏联依库拉里水质指数等。在前东欧和苏联，多数学者在评价时既考虑物理一化 学指标，还考虑生物指标，使水质现状评价更加全面、科学【4 副。我国也提出了一 些方法，例如，在北京西郊环境质量评价时提出了迭加型指数法，在南京城区环 境质量综合评价研究中提出了加权均值指数法，在图们江水系污染与水质资源保 护研究时提出了均值型指数法【4 6 | 。 从环境评价发展的历程来看，2 0 世纪6 0 年代中、末期，对环境污染主要采 取以“治”为主的方针，相应的环境评价工作是以现状评价为主。从2 0 世纪6 0 年代末开始，进入防治结合以“防”为主的环境污染综合防治阶段。这一阶段的 环境评价工作以预测评价为主，开展环境影响评价。 日本从2 0 世纪5 0 、6 0 年代以来经济发展迅速，它的经济密度大，污染负 荷重，在出现一系列公害事件后，开始重视环境污染防治与环境评价工作。日本 的环境质量评价的一个重要特点就是把评价与污染控制紧密结合起来，先后提出 1 0 天津大学硕士学位论文第一章绪论 多种控制方式，例如早期的浓度控制方式，以后的总量控制方式和按变化的排放 量分配控制方式等。1 9 7 2 年起，把环境影响评价作为一项重要的政策来实施， 在评价内容上，不仅包括对自然环境的影响，还包括对社会和经济带来的影响。 东欧与前苏联从2 0 世纪7 0 年代开始环境质量评价，主要侧重于河流和地理 的评价，前苏联在伏尔加河、顿河、莫斯科河建立了河流污染平衡模式，许多学 者强调，评价时不仅要考虑物理、化学指标，还要考虑生物学指标。捷克在2 0 世纪7 0 年代中期就进行了全国的环境质量评价工作、并出版了一套比例尺为1 ： 5 0 万的彩色环境质量图。捷克、波兰还开展了旅游地的环境评价研究。东欧各 国与美国、日本、西欧各国在环境质量评价方面的学术交流及双边协作也十分活 跃，美俄、日俄等国都有定期的专题讨论会，并出版相应的会议纪要。例如，美 国和前苏联1 9 7 5 年开始举行两年一次的城市环境质量问题讨论会，主要讨论“现 代与未来的城市环境问题”1 4 7 。 我国的环境质量评价工作是2 0 世纪7 0 年代逐步发展起来的，大体上经过 了四个阶段：初步尝试阶段、广泛探索阶段、全面发展阶段和环境影响评价阶段。 在初期仅限于城市或小范围区域的现状评价。如北京西郊环境质量评价、官 厅水库环境质量评价等。之后开展了像北京官厅水库、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。 从环境质量评价的应用理论来看，2 0 世纪8 0 年代以前，国内外进行的环境 质量分析与评价的理论基础是基于随机性的概率论和数理统计；基本方法主要为 综合指数评价法、概率统计评价法、主分量分析评价法等。 主分量分析法，也称主因子分析法( 含主成分分析法) 是从研究相关矩阵内 部的依赖关系出发，把一些错综复杂的变量归结为少数几个综合因子的一种多变 量统计分析方法。