（环境工程专业论文）富营养化水体微生物生态修复技术评价及水质模型研究.pdf

北京建筑工稷学院硕士论文摘要 摘要 水体富营养化是豳外界污染物的大鼙输入与底混营养物的内源释放所共同引起的生态 退纯过程，是蘑前世界范鼷肉面晒鹣主要农环境问戆，己威为入类社会、经济可持续发震翡 重臻限制性因素。因此开展对富营养化水体修复的研究已成为热点。城市水体由于其特殊的 地理环境，寓营养化阈题十分严爨。 稻香滏洒瘩永体鹅于已经严重富营养佬鹃城市忒体。其承矮修复方法以生态修复技术为 基础，通过阿水体投加生态修复剂诱导水体重建健康水生态系统，提高水体自狰能力，改善 水体水质。为掌握稻香湖酒店水体甯营养化状况及其修复过程中的水质变化情况，用以指导 箕缝城市甏营养化水体豹修复实践，有必要对稻香潮灏瘩求体承痍修复过狴进行长期连续的 水质监测，并深入研究。 本研究中，通过实验室小试研究和对稻香湖酒店水体水质的连续监测，较为系统的研究 了采崩生态修复削修笈寓营养化水体的水质转化过程，主要研究成果包括： ( 1 ) 生态修复剂修复视理。分析实验室小试数据，对生态修复杌理进行研究，研究结 果表明，原水含磷量、修复剂投加量和修复时间三个闪素对修复过程中水质影响比较显著， 丽原水含氮鬃对承质的影响较小；试验条件下，当微生物生态修复荆投加爨为2 m 鐾毽醣， 微生物生态修复的效巢最佳，投加微生物生态修复裁的周期为一周；此生态修复技术能显著 降低水体中氮氮和总磷浓度，去除率分别可达到7 2 5 8 和7 i 5 0 ，同时能少量减少水体中 有机物和叶绿素a 含最，对其去除率分别为3 7 1 7 和1 6 。6 l 。以上小试试验结果表明，本 研究中所使用的微生物生态修复荆确实能改善富营养纯窳体永质。研究成聚可罐子指导今后 同类水体水质修复过程中微生物生态修复剂的应用过程，确保水体修复取得实际成效。 ( 2 ) 富营养化水体生态修复效果评价。分别在2 0 0 7 年7 l o 月和2 0 0 8 年3 l o 月，对 实施微生物生态修复麴稻香潮酒痞景褒永体生态修复过程中静水质变纯情猛进行连续益测， 并根据监测结果评价修复效果，研究生态修复剂改善水体富营养化状况的能力和长期可持续 性。研究结果表明，实施生态修复后，水体中有机物、总氮和总磷浓度都驻著降低，叶绿索 鑫浓度含量稍微减少。2 0 年有桃物、葱氮嚣总磷去除攀分别可达到7 3 5 、9 5 s 翱9 9 。2 ， 叶绿素a 浓度从进永的6 2 3 2 m g l 降到4 0 m g l 左右：2 0 0 8 年3 月实施生态修复后，水体中 有机物浓度从春季5 2 7 3 m g l 降到夏秋季的3 5 m g l 左右，总氮浓度从进水的8 8 7 m g l 降到 3 3 1 m g l ，总磷浓度从进水1 3 2 m g l 降到0 。5 0 m g l ，时绿素a 浓度麸春攀1 4 0 5 l u g l 降到 夏季5 2 1 9 u g a 。表明本研究中所使用的微生物生态修复剂确实在修复水体水质、抑制水华 方面成效卓越。 ( 3 ) 水质模型。通过研究被修复水体中时绿素纛与磷浓度之间的关系，提出稻香潮酒 鏖永体富营养纯水震模型方程。 稻香湖酒店水体眷季总磷与夏季叶绿索a 的相关模型： l 越鼢a 1 = - 0 。1 5 4 2 l g f 弦1 + 2 。1 8 8 4 春季溶懈性磷与夏季叶绿素a 的相关模型： l g c h l a 】= - 0 + l1 4 3l g d t p + 2 0 4 4 2 稻香湖酒店水体富营养化主要受磷浓度影响，根据稻香湖一年的水质脏测资料，对多个 混合的湖泊模型进行了识别，最终确定v o l l c n w e i d c r 模型和d i l l o n 模型作为稻香湖酒店水体 的磷预测模型。 关键词：富营养化，稻香湖酒店水体，生态修复剂，磷，水质模型 北京建筑- t 程学院硕士论文摘要 a b s t r a c t e u t r o p h i c a t i o ni st h eh y p e r t r o p h i cs t a t eo fa q u a t i ce c o s y s t e mo w i n gt o l o t so fp o l l u t a n t s i n - p u tf o r mo u t e rr e s o u r c e sa n dn u t r i m e n t sr e l e a s e df r o mt h eb o t t o ms e d i m e n t so fl a k e s w h i c h b e c o m e st h em a i na q u a t i ce n v i r o n m e n t a lp r o b l e ma l lo v e ft h ew o r l da n dk e yf a c t o r sr e s t r i c t h u m a ns o c i e t ya n de c o n o m yd e v e l o p i n g s ot h es t u d yo nt h er e s t o r a t i o nf o rw a t e rb o d i e so f e u t r o p h i c a t i o ni sb e c o m i n gt h eh o tt o p i c t h a n k st ot h es p e c i a ls u r r o u n d i n g s ，a l m o s ta l lt h eu r b a n l a k e sh a v eo nt h es e r i o u se u t r o p h i c a t i o ns t a t u s d a o x i a n gl a k eh o t e lw a t e rb o d yb e l o n g st ot h es e r i o u se u t r o p h i c a t i o nu r b a nl a k e i t sr e s t o r i n g m e t h o db o l o n g st om i c r o o r g a n i s me c o l o g i c a lr e s t o r i n gt e c h n o l o g yb ya d d i n gm i c r o o r g a n i s m e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o nt ot h ew a t e rb o d y ，w h i c hc a ni n d u c et h ew a t e rb o d yt or e c o n s t r u c th e a l t h y w a t e re c o s y s t e m ，i m p r o v et h ea b i l i t yo fs e l f - p u r i f i c a t i o na n dt h ew a t e rq u a l i t yo fw a t e rb o d y 1 1 1 o r d e rt od i r e c tt h ep r a c t i c eo fo t h e ru r b a ne u t r o p h i cw a t e rb o d yr e s t o r a t i o n ，i ti sn e c e s s a r yt oc a r r y o n al o n g t e r mc o n t i n u o u sw a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n ga n du n d e r s t a n dh o wi t se u t r o p h i c a t i o n c o n d i t i o na n dt h ew a t e rq u a l i t yc h a n g ed u r i n gi t sr e s t o r a f i o np r o c e s s i nt h i sr e s e a r c h ，w a t e rq u a l i t yc h a n g e so fe u t r o p h i cw a t e rb o d yr e s t o r e du s i n gm i c r o o r g a n i s m e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o nw e r es t u d i e di nd e t a i lt h r o u g hl a b o r a t o r yt e s t sa n dc o n t i n s o n sw a t e rq u a l i t y m o n i t o r i n go fd a o x i a n g1 a k eh o t e lw a t e rb o d y i t sm a i nr e s e a r c hr e s u l t si n c l u d e ： ( 1 ) n 屺r e s t o r a t i o nm e c h a n i s mo fm i c r o o r g a n i s m se c o l o g i c a lr e p a r a t i o n t h el a b o r a t o r yt e s t s d a t es h o w st h a tt h e r ea r et h e r ef a c t o r st oe v i d e n t l yi m p a c to nw a t e rq u a l i t y t h e ya r et h e p h o s p h o r i cq u a n t i t yi nl a ww a t e r ，t h eq u a n t i t yo fm i c r o o r g a n i s me c o l o g i c a lr e s t o r a t i o na d d e dt o n l et e s tb e a k e r sa n dt h er e s t o r a t i o np e r i o d h o w e v e r , t h ei n f l u e n c eo fn i t r o g e nc o n t e n ti nt e s t b e a k e r si sl i t t l e i ti sa p p r o v e dt h a t2 m g lo fd o s a g ec a nm a k et h eb e s tr e s t o r i n gi m p a c t ，a n dt h e a d d i n gc y c l ei so n ew e e k ；t h ec c o l o g i c a lr e s t o r a t i o nc a no b v i o u s l yr e d u c et h ec o n c e n t r a t i o no f a m m o n i an i t r o g e na n dt h et o t a lp h o s p h o f u si nt h ew a t e rb o d ya t7 2 5 8 a n d71 5 0 r e s p e c t i v e l y , a l o n gw i t l l3 7 17 a n d16 61 r e m o v a lr a t e so fo r g a n i c sa n dc h l o r o p h y l lar e s p e c t i v e l y i tc a n b ec o n c l u d e dt h a tt l l em i c r o o r g a n i s m se c o l o g i c a lr e t o r a t i o nu s e di nt h er e s e a r c hc a nt r u l yr e s t o r e w a t e rb o d vw a t e rq u a l i t ya n ds u p p r e s st h ew a t e rb l o o mw e l l t h er e s e a r c hr e s u l t sc a nu s et od i r e c t t h ea p p l i c a t i o np r o c e s so fm i c r o o r g a n i s m se c o l o g i c a lr e s t o r a t i o ni ns i m i l a rw a t e rb o d y ( 2 ) a s s e s s m e n to ne c o l o g i c a lr e s t o r a t i o ne f f e c to fe u t r o p h i cw a t e rb o d y i tw e r ei n d u c e dt o u s em i c r o o r g a n i s me c o l o g i c a lr e s t o r a t i o nt or e s t o r ee u t r o p h i cw a t e rb o d vi nd a o x i a n gl a k eh o t e l w a t e rb o d yf r o mj u l yt oo c t o b e ri n2 0 0 7a n df r o mm a r c ht oo c t o b e ri n2 0 0 8 ，r e s p e e t l y a c o n t i n u o u sm o n i t o r i n go fw a t e tq u a l i t yw a gp u ti np r a c t i c ea l o n gw i me c o l o g i c a lr e s t o r a t i o ni n o r d e rt oa p p r a i s a lt h er e s t o r a t i o ne f f e c ta n di t sl o n g t e r mo fd u r a t i v e i tc a nb ef o u n dt h a tt h ec o n c e n t r a t i o no fo r g a n i c t o t a ln i t r o g e na n dt o t a lp h o s p h o m sa r e o b v i o u s l yr e d u c e d ，a n dt h ec h l o r o p h y l lar e d u c e ds l i g h t l ya f t e re c o l o g y i c a lr e s t o r a t i o n i n2 0 0 7 ， t h er e m o v a ll a t eo fo r g a n i c ，t o t a ln i t r o g e na n dt h et o t a lp h o s p h o r u sm a ya c h i e v e7 3 5 。9 5 8 a n d 9 9 2 r e s p e c t i v e l y 。a n dc h l o r o p h y l lac o n c e n t r a t i o nr e d u c e sf r o m6 2 3 2 m g lt oa b o u t4 0 m g l ； e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o nw a sb e g u nf r o mm a r c hi n2 0 0 8 o r g a n i cc o n c e n t r a t i o nr e d u c ef r o m 5 2 7 3 m g li ns p r i n gt oa b o u t3 5 m g li nf f u l m n e ra n da u t u m n ，t o t a ln i t r o g e nf r o m8 8 7 m g ，lt 0 3 31m g l ，t o t a lp h o s p h o r u sf o r m1 3 2 m g lt o o 5 0 m g l ，c h l o r o p h y l laf r o m1 4 0 51u g lt o 5 2 19 u g l t h er e s e a r c hi n d i c a t et h a tt h em i c r o o r g a n i s m se c o l o g i c a lr e s t o r a t i o nu s e di nt h e r e s e a r c hc a nt r u l yr e s t o r ew a t e rb o d yw a t e rq u a l i t ya n ds u p p r e s st h ew a t e rb l o o mw e l l ( 3 ) w a t e rq u a l i t ym o d e l t h er e l a t i o no fc h l o r o p h y l lac o n g c e n t l a t i o na n dp h o s p h o r u s c o n g c e u t r a t i o nw a gd e t e r m i n e d a n dt h ee u t r o p h i c a t i o n w a t e rq u a l i t ym o d e le q u a t i o n so f d a o x i a n gl a k eh o t e lw a t e rb o d yw e r ep u tf o r w a r d ar e l a t e dm o d e lo ft o t a lp h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o ni ns p r i n gt oc h l o r o p h y l lac o n c e n t r a t i o ni n s u m m e ri nd a o x i a n gl a k eh o t e lw a t e rb o d yi sa sf o l l o w i n g ： 北京建筑工程学院硕上论文 摘要 l g c h l a 】= - o 1 5 4 2 1 9 t p 】+ 2 1 8 8 4 a n dar e l a t e dm o d e lo fs o l u b i l i t yo fp h o s p h o r u si nt h es p r i n gt oc h l o r o p h y l lai ns u n l m e ri sa s f o l l o w i n g ： l g c h l a 】= 一o 114 3l g d t p + 2 0 4 4 2 e u t r o p h i c a t i o no fd a o x i a n gl a k eh o t e lw a t e rb o d yi sm a i n l ya f f e c t e db yi t sp h o s p h o r u s c o n c e n t r a t i o na c c o r d i n gt om o r et h a no n ey e a r sw a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n gd a t ao fd a o x i a n gl a k e h o t e lw a t e rb o d y t h em o d e lv o l l e n w e i d e ra n dd i l l o nm a yb ea sp r e d i c t i o nm o d e l so fd a o x i a n g l a k eh o t e lw a t e rb o d yt op r e d i c tt h ep h o s p h o l n sc o n c e n t r a t i o ni nd a o x i a n gl a k eh o t e lw a t e rb o d y a c c o r d i n gt oi d e n t i f i c a t i o no fan u m b e ro fh y b r i dl a k em o d e l si nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：e u t r o p h i c a t i o n ，d a o x i a n gl a k eh o t e lw a t e rb o d y ，e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o na g e n t ， p h o s p h o r u s ，w a t e rq u a l i t ym o d e l 北京建筑工程学院 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名：嘧龠窿 日期：湖年1 月年e t 北京建筑工程学院硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 水体富营养化概述 1 1 1 水体富营养化问题 我国幅员辽阔，河流众多，大小河川总长约达4 2 万k m ，流域面积在1 0 0 0 k m 2 以上的河流有1 5 0 0 多条。同时，我国又是一个多湖泊的国家，总面积约为7 6 5 0 0 k m 2 左右，其中大部分为浅水型湖泊。但随着人口的不断增长，工农业生产的迅速 发展，水的供需矛盾越来越突出。在人类大规模的生产、生活活动中，产生的大 量未经过净化处理的工业废水和生活污水直接排入江、河、湖泊和海洋中，引起 水生生态系统结构和功能的变化。全国性的湖泊富营养化、干旱地区湖泊水质碱 化、湖泊淤积或萎缩、湖泊生态破坏及水质恶化等环境问题不断出现和发生，尤 其是湖泊富营养化，已成为我国目前最突出的环境问题和亟待解决的问题。 水体富营养化通常是指湖泊、水库等封闭水体，以及某些河流水体内的氮、 磷营养元素的富集，水体生物生产能力提高，某些特征性藻类( 主要是蓝藻、绿 藻) 异常增殖，使水质恶化的过程乜3 1 。国际经济与合作开发组织把富营养化定 义为水体营养盐增加而引起的一系列征兆变化，藻类和大型水生植物生产力的增 加，引起水质恶化，破坏了水资源价值。富营养化可分为天然富营养化和人为富 营养化。在自然条件下，湖泊也会从贫营养状态过渡到富营养状态，不过这个过 程十分缓慢，常需几千年甚至几万年。而人为排放含营养物质的工业废水和生活 污水所引起的水体富营养化现象，可在短期内出现h 1 。 当前水体富营养化问题十分严重，已成为全球性的环境问题之一。欧洲和北 美大多数内陆淡水水体都已处于或将处于富营养化。特别严重的是最近几年近海 海面发生大面积赤潮，给海洋渔业造成巨大的损失。我国富营养化湖泊( 水库) 表现出的共同特征是晦1 ：总氮和总磷水平高、透明度差和多数湖泊叶绿素高。据 2 0 0 4 年监测的2 7 个重点湖库中，i i 类水质的湖库有2 个，类水质的湖库5 个， 类水质的湖库4 各，v 类水质湖库6 个，劣v 类水质湖库l o 个。其中“三湖”( 太 湖、巢湖、滇池) 水质因总氮和总磷浓度高而均为劣v 类。太湖水质与上年比有 所改善，但仍处于中度富营养化【6 】。大型淡水湖中的太湖、洪泽湖等均己达富营 养化程度。鄱阳湖、洞庭湖目前虽然维持在中营养水平，但湖水的氮、磷含量偏 高，处于向富营养化的过渡阶段【7 1 。 1 1 2 水体富营养化的形成机理 一 水体富营养化是自然演变过程，湖泊富营养化的状态，是湖泊富营养化过程 所导致的结果。湖泊富营养化也是人类社会活动对湖泊的影响导致的湖泊自然演 变过程的浓缩。它是在湖泊、水库以及海湾等缓流水体的水生态系统中，藻类通 过与其他水生生物的生存竞争，逐渐取得优势并占据其它水生生物的生存空间， 北京建筑工程学院硕士论文第一章绪论 同时也使得自身种属减少，少数藻类恶性增值，进而造成水中溶解氧的急剧变化， 使鱼类等水生生物因缺氧而死亡，最终导致水体老化和衰亡的种自然现象。关 予永体富营养他的形成梳理，有两种理论： 生命周期理论：含氮和含磷的化合物过多排入水体，特别是含磷化合物，破 坏了原有的生态平衡，弓| 起藻类大量繁殖，过多地消耗水中的氧，使鱼类、浮游 生物缺氧死亡，它们的尸体腐烂又造成水质污染。根据这一理论，氮、磷的过量 排敖是造成富营养化的根本原因，藻类是富营养他的主体，其生长速度壹接影响 水质的状态。 食物链理论：稳兰科学家马丁肖顿于1 9 9 7 年6 月在“磷酸盐应用技术研讨 会 上提出食物链理论，认为自然水域中存在水生食物链。如果浮游生物的数量 减少或是能力降低，将使水藻生长量超过消耗量，平衡被打破，发生富营养化。 这说臻氮、磷等营养受荷的增加不是导致富营养化的唯一原因，影响浮游生物捕 食能力的农药、杀虫剂等有机污染物也可能导致水体富营养化【8 1 。 1 。圭。2 。王氮、磷与藻类增殖关系 丹麦著名生态学家j o r g e n s e n ( 1 9 8 3 年) 【9 】指出浮游藻类的生长是富营养化的 关键过程，因此着重研究氮、磷负荷与浮游藻类生产力蛉相互作用和关系，是揭 示湖泊富营养化形成机理的主要途径。根据o e c d 研究的结果f l 锶，8 0 的湖泊富 营养化是受磷元素的制约，大约1 0 的湖泊与氮元素有关，余下1 0 的湖泊与其 它因素有关。根据对藻类亿学成分进行的分析研究，提出了藻类的“经验分子式挣 为c i 0 6 h 2 6 3 0 l l o n l 6 p 。同时，利贝希最小值定律( l i e b i gl a wo f t h em i n i m u m ) 指 壤，植物生长取决予外界提供给它的所需养料巾数量最少的一种。由此可知，在 藻类分子量中所占的重量百分比最小的两种元素氮和磷，特别是磷是控制湖泊藻 一类生长的主要因素。大量的实验结果也证实了这一结论。 一般来说，氮和磷被认为是主要的营养元素，特别是磷对湖泊的富营养化具 有特殊的作用。这是由于植物细胞里的磷直接参加光合作用和呼吸、酶系统的活 性化、能量转化，以及氮、碳承化合物和脂类化台物的交换等过程1 1 1 。藻类多 半利用以磷酸盐、磷酸氢盐和磷酸二氢盐等形式存在的溶解性磷酸盐，但也可吸 收有机磷化会物。 大部分氮则是与水体中的生物，包括微生物、藻类、动物区系代表种类及高 等水生植物等的有机物质有关。有机体死亡时，含氮的有机物质部分被矿质纯， 然后进入水体深层，或集聚在水底沉积物中。颇大一部分含氮有机物质沉降到水 底，形成营葬碎屑，促使淤泥沉积物的生成。还有一部分有机物质参加循环，从 而改变了水域中水生生物群落的营养永平。 在一个富营养化湖泊中，藻类利用植物形式储存过量的营养物质，其繁殖能 2 北墩建筑工程学院硕士论文 第一章绪论 力的强化，乃是湖泊水生生态系统对营养物质和有机物质的富集反应的共同特 征。根据生态学规律，可将水生生态系统的这种反应视为生态系统力图使自身保 存下去，馒外源性作用不断被破坏的生物循环稳定下来的一种适应性反应。 1 1 2 2 磷与水质富营养化 磷是生命活动绝对必须的元素。自然赛中的磷主要来源于磷酸盐矿，动物粪 便以及化石等天然磷酸盐沉积物。自然界中的磷循环只是一个单向流动过程。由 予过度的矿出开采，大量储藏在地球表面的磷被挖掘出来作为原料制造成化肥， 这些化肥在世界范围内过度地使用。此外，还有大量的磷是以动物粪便的形式施 加到土地中去的。在很多地区，这些以化肥或动物粪便形式旋加到- t - 地中的磷远 远超过了土地中产出的磷，因此，这些多余的磷年复一年地累积在土壤中，然后 再通过地表径流进入到地表水中。经过调查发现，从土壤中通过地表径流进入到 地表水中的磷的总量与土壤审的磷的含量呈线形增长酶关系。例如，在j 艺爱尔兰， 过去的5 0 年里土壤中的磷含量以每年每平方公里1 0 0 0 k g 的速度增长，伴随着土壤 中磷含量增长的同时，地表径流中的无梳磷以每年2 m g m 3 的速度增长。 总而言之，由于人类的行为使得大量的磷通过各种方式进入到水循环中，是 水体中的磷负荷增高的主要原因。而由于环境因素造成水体磷浓度的变化又通过 藻类生物量表现出来，当环境中供给的磷总量减少时，水体中的磷浓度降低，影 响藻类的生长率，相反，当环境中连续不断地增加磷的供给时藻类便大量迅速地 增殖。 磷的吸收和藻类生长率之间的关系，通常根据m i c h a l i s m e n t e n 营养物质吸收 公式加以攒述： 出 。 一一黑砧 a r t ( 1 董) 式中c 为藻类浓度； 妻戡 窒 p + k p( 1 2 ) 其中k 为特定种类生长速率；p 为磷浓度，k 称为磷半饱和常数。k 值还包含 光照和其它营养物质的影响。 由式( 1 1 ) 和( 1 。2 ) 可以得到，当求中p 浓度增加时，k 值升高，藻类的生 长速率增大，促使水体迅速向富营养化方向发展。 至1 。2 3 氮与水质富营养化 营养元素氮也是生物生长必需的元素。自然界中的氮主要是以氮气的形式储 藏在大气中。大气圈中的氮气为具有露氮能力的植物与藻类提供了丰富的氮供给 3 北京建筑工程学院硕士论文第一章绪论 源。水体中的一些藻类由于具有固氮能力，能够把大气中的氮转化为能被水生植 物吸收和利用硝酸盐的形式，因而使得藻类能够获得充足的氮营养物质。和磷一 样，人类的行为也同样深刻地改变了自然界中的氮循环。工业的发展导致了化肥 与农药的增长，巨大数量的化肥都是由合成胺工业利用大气中的氮气制造出来 的。大气中的氮被引入到陆地生态系统中的速率比过去大约增加了一倍，并且还 在增加。由于人为原因被固定到陆地生态系统中的氮的总量是其它各种自然原因 固定的氮的总量之和。有统计表吲1 0 】，1 9 5 0 年全球的氮肥产量小于1 千万吨，而 到了1 9 9 0 年，这个数字增加到8 千万吨，预n n 2 0 3 0 年则有可能超过l 亿3 千5 百万 吨。此外，还有大量的氮以动物粪便的形式被施加到耕地中。 所有被应用到土地中的氮，只要很少一部分就可以满足植物生长的需要，剩 余的氮可能：( 1 ) 积累在土壤中；( 2 ) 从土地中转移到地表水中；( 3 ) 迁移 到地下水中；( 4 ) 通过氨的挥发作用生成二氧化氮进入到大气中。同时，汽油、 煤等化石燃料的燃烧也使得大约超过2 千万吨的氮进入到大气中，而它们中的很 大一部分最终以降水的方式又回到水体中。从某种程度上讲水体富营养化形成的 主要原因之一是，由于自然界中氮循环的固氮过程被人类不断强化而造成水体中 氮负荷的增加。 值得注意的是，由于水体中的某些藻类具有固氮能力，当环境中的氮减少时， 它们可以自己把大气中的氮通过固氮作用转化为硝酸盐。因此，与磷元素相比， 氮作为湖泊富营养化的限制因素，处于次要地位。 1 1 2 4 氮、磷比值与藻类增殖 在研究氮磷物质与水质富营养化的过程中，大量事实还表明，氮、磷浓度的 比值与藻类增殖有着密切关系。日本湖泊学者坂本的研究指出，当湖水的总氮和 总磷浓度的比值处在1 0 ：1 2 5 ：1 范围时，藻类生长与氮和磷的浓度存在直线相 关关系，此时，藻类就会疯狂繁殖，水体富营养化加剧。而日本另一位湖沼学专 家合田健博士提出最适宜于藻类增殖的w ( t n ) w ( t p ) = 1 2 1 1 3 1 【1 2 】。若总 氮和总磷浓度之比小于此值时，则藻类增殖可能受到影响。 总之，湖泊富营养化的实质是由于营养物质输入输出的失衡，特别是在富营 养化不断加剧的体系中，营养物质消耗量远远低于其供给量，从而造成了藻类和 其它水生植物的大量生长。在这样的生态系统中，由于营养水平的失衡，物种分 4 北京建筑工程学院硕士论文第一章绪论 布的平衡被打破，导致单一物种( 如藻类) 的疯长，从而进一步破坏了系统的能 量流动和物质流动，致使整个生态系统逐步走向消亡。 1 2 北京城市景观水体现状 1 2 1 城市水体功能 城市水环境代谢系统是由水源、供水、用水和排水等要素组成的一个城市水 资源利用和保护的循环链。因此，它是城市的生命之源和活力之源，总体功能是 满足城市的合理用水需求，即：满足城市居民的生活及社会用水需求、城市发展 的生产用水需求和城市景观与市政环境用水需求。 以上的基本功能外，随着人们对环境品质要求的提高以及对城市生态环境的 重视，城市水环境系统作为其重要的子系统已经成为城市系统的绿色生命线，能 有效减弱城市“热岛效应”和污染影响，具有提供绿地、保护环境和开展旅游娱 乐、文化教育等生态功能，对高品位生态城市的建设具有重要的意义。 1 2 2 城市景观水体富营养化危害 我国许多城市，包括北京市，其景观水体质量严重下降，许多具有美学价值、 旅游观光、娱乐休闲功能的景观，其生态环境效益、社会经济效益正在逐步削弱。 景观水体富营养化是近几年北京地区出现的新型污染，自北京建都以来，北 京城郊河湖水系经过挖填、疏堵等一系列人工活动，逐渐演变成一个人工系统。 特别是解放以后，随着都市化、工业化进程的加快，加之居民生活污水的排放， 城郊河湖水系逐渐失去了其自然属性。再因近几年持续干旱缺水，河湖补水量逐 渐减少，导致了北京近两年水体富营养现象不时发生，城市水环境逐年恶化。实 践表明，生态系统的演变是不可逆的和不可重复的，一旦遭到破坏，恢复到原来 状态将是不可能的，而且在修复时所付出的代价要比利用或破坏时大得多。 由于人类经济社会活动产生的污染源和径流及水面的污染影响，已超过了水 生态系统固有的自净能力，使之长期处于超载状态，系统的自我恢复能力降低， 生态功能退化，生物种群的寿命短、稳定性差、自我恢复调节和缓冲能力极弱， 承受外部负荷的能力较差，水面呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等异常水色的现 象，导致水味腥臭，降低水体的透明度。同时，水体处于严重的缺氧状态，并分 解出有毒物质，进而导致湖水中的生物大量死亡和湖水变浊发臭，造成水生生态 严重恶化，直接影响湖泊生态系统和景观效应，有损市容市貌。 5 北京建筑工程学院硕士论文第章绪论 景观水体污染具有三点共同之处，即污染源类似、污染物基本相同、都缺乏 综合防治污染的措施。水体污染主要来自以下方面：( 1 ) 临近水体的民屠、餐厅、 厕所等的生活污水；( 2 ) 水边植物的代谢残留物；( 3 ) 游人随手丢弃的垃圾杂物； ( 4 ) 公园植物施加的化肥农药；( 5 ) 初期雨水径流携带的地面、植物表面的尘 埃等有害物质；( 6 ) 游艇等公园娱乐设施的直接接触污染。 北京8 0 以上的公园水体都遭到不同程度的污染，化学需氧量( c ) 、生 化需氧量( b o d ) 、总氮( t n ) 、总磷( t p ) 和非离子氨等指标，大多超过国家 地面水环境质量四类标准。豳予水体结构和功能被破坏，多样性丧失，水生资源 及其美学价值损害，为改善环境而修建的水体也失去了它的意义。 l 。2 。3 城市景观水体富营养化原因分析 北京市水体由于地处高纬度，气候原因，其有低温低浊的特点，再加上经济 的鸯蠢速发展，其景观东体富营养诧状况也西益严重。 城市景观水体多为静止或流动性差的封闭缓流水体，一般具有水域面积小、 易污染、水环境容量小、水体自净能力低等特点。位于城市中或城市近郊的各种 具有观赏、娱乐、供水、纳污等功能的湖泊、水库、小区水景等水体，皆属于此 范畴。小送水景缀容易成为居民生活污水、雨农及垃圾的受纳体，面天然湖泊则 可能成为工业废水的排放地，从而导致不同程度的污染，甚至发生水体富营养化， 严重影响爝围的鲁然环境和居民的生活环境。 1 2 3 1 水体生态需水不足 = 艺京是世界上严重缺水的大都市之一，水资源紧缺闻题由来已久，连续7 年 干旱使北京市水资源供需矛盾更尖锐。目前全市大中型水库蓄水量严重不足。密 云水库蓄永量l o 亿o ，可利用求资源不足6 亿m 3 ，仅够北京中心城1 年用水；官 厅水库蓄水不足1 6 亿m 3 ，扣除死库容，可利用量0 8 亿m 3 ，仅够保证京西三大厂 ( 酋钢公司、石景由热电厂和离井热电厂) 半年用求i 蠢官厅水库由于受污染水 质下降，已不能作为饮用水源。北京已进入最严重的枯水期，水资源紧缺形势非 常严峻。2 0 0 5 年全市人均水资源量仅为2 4 8 m 3 ，是全国入均的1 8 ，世界入均的 1 3 0 ，属于资源型严重缺水的特大城市，远远低于国际公认的人均1 0 0 0n a 3 的缺 水下限。资料表明，托京市规划市区河湖环境霈水量为2 - - - m l m 3 a ，然而由于干 旱缺水，“十五”期间每年向城市河湖供水仅0 6 - , 0 。8 亿m 3 ，使得河道生态补水严 6 北京建筑工程学院硕士论文第一章绪论 重不足，致使河流流动性差，自净能力明显减弱，城市水环境质量大幅度下降， 全市6 0 的河道水质不达标，永定河、潮白河等河道长期断流。 1 2 3 2 水体污染负荷增加 ( 1 ) 城市中心区生活污染源比重上升 随着北京市对工业污染源治理力度的不断加大，全市工业污染得到有效控 制。与此同时，北京人口数量也在不断增加，使北京市城市污水构成发生了较大 变化。生活污水比例由“十五 初期的4 5 0 上升至t 2 0 0 6 年的6 6 3 ，工业废水 比例减少到3 1 。相应的河流中污染物也发生了较大变化，挥发酚、重金属等污 染明显降低，主要以氨氮和耗氧有机物污染为主。生活污染源已经成为影响北京 市地表水环境质量的主要因素。 ( 2 ) 生活污水直接排入城市河湖 尽管北京城市污水集中处理建设发展较快，城市污水处理能力已从“九五 初期的5 8 万t d 上升至1 j 2 0 0 6 年的2 4 8 万t d ，污水处理率由2 0 2 提高到7 0 。但由于 雨污分流不彻底及污水管线不完善等原因，仍有3 0 的城市污水未经处理直接入 河，成为地表水的重要污染源。 按照水利部确定的水功能区划目标，北京市现有河道水量对c o d 纳污能力 ( 水环境容量) 为7 8 万吨，对氨氮纳污能力( 水环境容量) 为0 3 2 万吨。而据统 计，2 0 0 6 ；i l 京向城市水体年c o d 排放总量为1 0 9 9 万吨，氨氮排放总量为2 9 万吨， 远超过水体环境容量，因此要改善水环境质量，还应加大污水治理力度，将河道 的c o d 和氨氮负荷在现状基础上分别消减5 0 和7 0 以上。 ( 3 ) 初期雨水截流率低，径流污染严重。北京路面雨水径流研究表明，城 区雨水径流中污染物主要为有机物污染和悬浮物。降雨初期路面径流c o d 浓度在 1 4 3 - 8 3 5m g l 之间，s s 浓度在2 4 2 - - 1 3 0 6m g l 之间，均超过城市污水，污染严 重。一般而言，初期雨水径流污染最严重，可达到很高的浓度，随降雨历时的延 长，浓度逐渐下降并趋于稳定。汇水面性质对雨水径流水质有最直接的重要影响。 由于现状城市排水管道系统大多没有考虑对初期雨水的截流，而是将初期雨 水直接排入河道，导致北京城区水体丰水期水质明显比枯水期水质差。例如北京 南护城河水域功能为一般工业用水及娱乐用水，执行类水质标准。而2 0 0 3 年 水质监测结果显示，枯水期水质符合类水质标准要求，但在丰水期水质明显变 7 北京建筑工程举院硕士论文第一章绪论 差，主要污染指标高锰酸盐指数、生化需氧量和氨氮全部超标，现状水质下降为 劣v 类。2 0 0 1 年8 月5 日, - - 7 隧，受雨水径流污染的影响，从京密辱l 水渠部分河段 到紫竹院、展览馆后湖、北护城河、什刹海等爆发严重的“水华现象。 ( 4 ) 再生水补给对城市河潮的影响 根据北京市“十一五”发展规划，在“十一五”期间，将主要采用再生水作 为为城市河湖於水，计：笺u 2 0 lo 年将有l 。5 亿m 3 蒋生水补绘城市河湖。在2 0 0 2 年颁 布的城镇污水处理厂污染物排放标准中明确提出，“一级a 标准是城镇污水 处理厂出水作为回用水的基本要求 。在地砸水环境旗量标准中，将水域功 能划分为五类，分别规定了相应的水质标准，其中一般景观水体适应v 类水质标 准，对比一级a 标准与地表水v 类水质标准，霹得童采用再生水作为城市河流主 要补水来源，水质很难达到其水域功能标准要求。从长远观点来看，如果不采取 进一步的措旌来去除再生水中的营养盐含量，孬生水本身也可以看作是缝表水酶 一种污染源。 圭2 。s 。3 水体滨岸带破坏严重 滨岸带指高低水位之间的河床及高水位之上直至河水影响完全消失为止的 地带，包括湿地、革地、灌木、森林等不同类型景观。其生态系统功能可以嫱纳 为：滞留泥沙等颗粒物质，过滤地表径流所带来的污染物；维护河岸；改进邻近 地区的微气候；维持地表永妨蓄积帮她表及地下水的循环变动；维持求隧交错带 植被群落；维持无脊椎动物的丰富性和多样性；维持湿地内部的生境结构及其食 物链。以水质保护和溽道稳定为冒标的河岸带宽度应在9 - - - - 3 0 m 之闻。 就北京市而言，一方面，由于城市土地紧缺，河岸带狭窄，为建筑用地所挤 占，导致灞道坡度很大，缓、汴带缺失，截流地表径流污染物能力微弱，同时也对 河流内部生态系统造成了不良影响。另一方面，以前人们出于行洪安全的考虑， 对河道进行裁弯取壹，并对河床加以