（环境工程专业论文）天津市地表水体水质安全研究.pdf

中文摘要 本文针对天津市地表水系统特点、水污染现状，以地表水水质安全为主要研 究内容，通过地表水质安全系统结构分析，确定了水质安全的主要影响因素，并 针对危及饮用水源安全、城市水环境安全的两大要素_ 水库藻类爆发与城市雨 水径流污染，建立了水库水质预警模型、汛期市政排水污染控制规划，以期达到 提高供水安全、水环境安全的目的。 首先，分析了饮用水源、城市水环境的水污染现状及其主要影响因素，应用 水安全理论，构建了地表水水质安全系统。引入脆性理论，就影响水质安全的主 要因子进行脆性分析，并进一步分析了饮用水源、城市水环境、社会、经济各子 系统之间的脆性联系，为城市水污染治理与控制规划奠定基础。 其次，在分析于桥水库藻类爆发变化规律的基础上，应用突变理论，建立了 以总磷、温度为控制变量的藻类爆发尖点突变模型；进一步采用主成分分析法， 构建了组合变量的尖点突变预警模型，经检验，模型具有较好的预警准确度，能 够对藻类爆发进行突变预警。 再次，针对城市景观河在汛期市政排水后水体污染特征，应用水环境容量、 水体自净及系统优化的理论方法，以市区一条景观河为研究对象，建立了汛期降 雨排污后景观河流水质模型，将削减排污口污染物与生态处理措施有机结合，建 立了生态工程与环境工程相结合的汛期雨污水污染控制多目标规划数学模型并 求解。 综上，本文提出的地表水体水质安全、水库水质污染预警及城市水环境污染 控制的方法，可为水污染预警、控制提供理论依据，以保证水质安全。 关键词：地表水系统 水质安全藻类爆发预警 水污染控制脆性理论 尖点突变多目标规划 a b s t r a c t b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs u r f 矗c ew a t e rs v s t e l na i l dt h ec u n e n ts i n l a t i o n so f w a t e rp o l l u t i o ni i lc i t yo ft i a l l 讧1 1 ，r e s e a r c hw a s m a d em a i n l yo ns e c 耐付o fs u r f a c e w a t e rq u a l i 够i l lt h i sp 印e r t h ek e yi i l n u 既l c ef a c t o r so fw a t e rq u a l i t ) rs a f l e t yw e r e i d e n t i f i c db ys y s t e ms t n l c 眦a n a l y s i s h lo r d e rt 0i n l p r o v ew a t e rr e s o u r c es e c u d t y a n dw a t e re i l v i r o i l n l e n ts e c u r i t y ，w a t e rq u a l i t ) rw a m i i 培m o d e lo fr e s e r v o i ra n dw a t e r p o l l u t i o nc o m r o lp l a n l l i n gw e r em a d ef o ra l g a eb l o o m 锄du i b a ns t o n i lw a t e rm n o f r p o l l u t i o 玑w b j c ha r et h et w om a i nr i s kf a c t o r so ft h es a f e t yo fw a t e rs o u r c ea n du 1 b 锄 w a t e re n v i r o n m e n t f i r s to fa l l ，t l l ec u r r e l l ts i t u a t i o na i l dt h em a i n 砌u e i l c ef a c t o r so fw a t e rp 0 1 l u t i o n o fd r i n k i n gw a t e rr e s o u r c ea i l du r b a i lw a t e re 1 1 v i r o m n e n tw e r ea n a l y z e d t h es a f e t y s y s t e i no fg u r f a c ew a t e rq u a l i t yw a se s t a b l i s h e db yt h ew a t e rs a f e t ym c o 够b r i m e n e s s m e o r yw a si i l ：鲰通u c e di n t 0t h eb m l e n e s sa i l a l y s i so ft h em 洳i n f l u e n c ef l a c t o r so f w a t e rq u a l i t ) rs a f e 够t h eb r i t t l e n e s sr e l a t i o n s l l i po ft h es u b s y s t 锄so f 如n k n gw a t e r r e s o u r c e ，u r b 砚w a t e re n v 曲i me i l _ t s o c i e t ) r 锄de c o n o m yw 弱a l s oa n a l ) ，z e d ，w l l i c h c 锄b et a k e na st 1 1 ef o u n d a t i o no ft h eu r b a nw a t e fp o l l m i 伽c o i m r o la n dm a n a g 锄e n t s e c o n d l y b a s e d0 nn l ea i l a l y s i so fm l e sf o ra l g a eb l o o mi ny r u q i a or e s e r v 0 址 c a t 咖h et 1 1 e 0 巧w 船u s e dt oe s 讪l i s ha c u s pc a t a s t r o p h em o d e lo fa l g a eb l o o m ， t 描n gt o t a lp h o s p h o r u sa n dte i i l _ p e r a t u r e 嬲n l ec o n t r o lv 习晒a b l e s w h a t sm o r e ，t l l e c u s pc a t a s 仃o p h ew a n l i n gm o d e lw i t l lc o n l b i n a t i o nv 撕a b l e sw a se s t a b l i s h e db y p 血c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s w i mg o o dw a m i n ga c c u r a c y ，也em o d e lh a s 也ea b i l i t ) r o fc a t a s 仃o p h ew a n l i n go fa l g a eb l o o ma r e rt e s t 珊r d ，a h e da tt h ep o l l u t i o nc h a m c t e r i s t i c so f l em e ri i ln o o ds e 2 l s o 珥a f t e r m u n i c i p a ld r a j l l a g ed i s c h a r g e di i l ，廿1 ew a t e rq u a l i t ym o d e lo fl a l l d s c 印er i v e ra r e r f l o o dd r a i l m g ew a se s t a b l i s h o db yt l l em e t h o d o l o g yo fr i v e rw a t e re n v i r o n m e l l t a l c 印a c 咄w a t e rb o d ys e l f - p 面f i c a t i o na l l ds y s t 锄叩t i m i z a t i o n ，t a l ( i n ga1 a i l d s c a p e r i v e ri i lw b a nd i s t r i c ta st h es t u d ys u b j e c t c o m b i i l i n gt h ed e c r e l n e n to fp o l l u t 锄t s 锄d e c o l o g i c a lm e a s u r e s ，t 1 1 e 姗1 1 t io b j e c t i v ep r o g r 锄m l i i l gm o d e lb a s e do ne c o l o g i c a la i l d e 1 1 v i r o n m e n t a le i l g i n e e f i n gf o rn 0 0 dd r a i n a g ep o l l u t i o nc o r n r o lw a se s t a b l i s h e d i i lg e n e r a l ，i i lo r d e rt og u a r a n t e et h ew a t e rq u a l i t ys a f e 以t l l et e c l l l l i q u e so fs u r f 犯e w a t e rq u a l i t ) ，s a f - e 魄p o l l u t i o nw 础go fr e s e r v o i rw a t e rq u a l j t ya n du r b 柚w a t e r e i l v i r o n m e n tp o l l u t i o nc o 劬r o lp r o p o s e di i lt h i sp a p e rc o u l db et a l ( e i la st h et i l e o r e t i c a l b a s i so fw a t e rp o l l u t i o nw a r i l i n ga n dc o n t r 0 1 k e yw o i m s ：s n c ew a t e rs y s t 锄，w a t e rq u a l 时s a 地w a n l i n go f a l g a eb l o o m ， w a t e r p 0 1 l u t i o nc o 曲l ， b r i t t l e l l e s s 血e o c u s pc a t a s t r c p h e ， m u l t io b j e c t i v e p r o 孕铷咖n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者虢i 叼7 梭签字日期 彤年月鄙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 伊哆 签字日期：) 叩年月够日 新躲劬绛 签字醐：彤钆月移日 天津大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的提出背景 第一章绪论 1 1 1 世界水安全问题 水是人类消耗最多的自然资源，在所有自然资源可持续开发利用中，水资源 的可持续利用是最重要的问题。 水是水质和水量的统一体。由于人类活动影响，使得水资源减少，水质污染 加剧，改变了水文循环平衡，并降低了水质。当人类活动的累积超过水的承受闽值 时，就会危及自然、社会、经济系统的正常运转，引发水安全问题。 早期的水安全问题，集中在干旱缺水、洪涝灾害和河流改道等自然型水安全 范畴。进入现代社会，人类大量干预水文循环的自然过程，水安全性就逐渐从自 然型转为人为型：诸如水量短缺、水质污染、水环境破坏等问题。 早在1 9 7 2 年，联合国就发出警告：“水，将导致严重的社会危机”，并把 1 9 8 1 1 9 9 0 年作为“国际饮水供给和卫生”1 0 年，提出人人都有得到保质保量 的用水权利。1 9 7 7 年，联合国又提出“水在不久将成为一项严重的社会危机， 石油危机的下一个危机便是水。但进入2 1 世纪以来，水危机不但未得到改观， 反而更加严重，同时由于水安全已带来了粮食危机、人身健康危机、环境危机等 诸多问题，因此，水的问题已成为危及全球的重大国际问题，并引起世界各国的 高度重视，对水安全的研究也进一步开展起来。 1 1 2 国内外水安全研究发展概况 对水安全问题的研究起步于2 0 世纪7 0 年代，由于进入2 0 世纪以来，世界人口 剧增，经济迅猛发展，人类和社会对水的需求量大幅度增加，从而导致全球性的 水资源短缺和水危机。自从1 9 7 2 年联合国在第一次环境与发展大会上发出水危机 的警告，国际社会对水危机、水安全的问题日益关注。1 9 9 1 年在瑞典的斯德哥尔 摩召开了第一次国际水讨论会，主题是“2 1 世纪水安全，大会提出要用创新思 天津大学博士学位论文第一章绪论 想解决2 l 世纪水安全问题。以后每年举办1 次国际水讨论会，到2 0 0 0 年已经举办 了l o 次，它己成为世界上有关水资源开发利用和保护、管理的最有影响的论坛之 一。1 0 次水讨论会为水管理的发展探明了方向。从1 0 次会议主题和贡献看，国际 水讨论会对水安全的认识经历了一个不断深化的过程，即从认识缺水、水污染、 水管理演进升华到水安全。 1 9 9 3 年规定每年的3 月2 2 日为“世界水日；1 9 9 6 年成立了世界水理事会， 并决定从1 9 9 7 年开始，每3 年举行一次大型国际水会议世界水论坛及部长 级会议。2 0 0 0 年3 月1 7 2 2 日在荷兰海牙举行第二届水论坛世界部长级会议并 签定了2 1 世纪水安全海牙部长级会议宣言，会议提出了“世界水展望 的观点，把“提供水安全作为2 1 世纪的重要战略目标，提出了水安全的4 个 “确保目标和各国政府实现水安全所面临的7 大挑战，即满足基本需要、 保证食物供应、保护生态环境、共享水资源、控制灾害、赋予水以价值、合理管 理水资源。第四届世界水论坛部长级会议于2 0 0 6 年3 月1 6 2 2 日在墨西哥举行， 确定了“从展望到行动”的主题思想“采取地方行动，应对全球挑战”。 水安全问题已引起了世界专家学者、各国政府和国际组织的广泛关注与重 视。各国政府已制定了本国水资源安全的战略目标，并从制度上和经济上直接推 动了水安全研究的广泛开展，使水安全研究不断走向广泛和深入。 我国水安全研究起步略晚于国外同类研究，但发展迅速，目前基本上与国外 同步。水利部前部长汪恕诚提出了由工程水利向资源水利转变的水安全战吲1 1 ， 把水资源与国民经济和社会发展更加紧密地联系起来，以实现人与自然和谐相 处、社会经济可持续发展的水战略目标。2 0 0 1 年，科技部立项开展了“中国水 资源安全保障系统的关键技术研究”，2 0 0 2 年由钱正英、张光斗等4 3 位中国工 程院院士及一大批专家完成的中国可持续发展水资源战略研究【2 在分析了当 前中国水资源的现状和面临的问题基础上，提出了我国水资源开发利用的总体战 略。该项研究在广泛吸收国内外水安全战略研究最新成果的基础上，针对我国主 要水安全问题进行了系统综合的专题研究，是我国水安全战略研究的里程碑。 2 0 0 5 年中国水周的主题是“保障饮水安全，维护生命健康”。2 0 0 5 年3 月 底，中国政府通过中国日报，正式通告了水资源污染的警告，预计3 6 亿中国 民众缺乏安全的饮用水，全国有7 0 的河流湖泊受到了污染，有大约2 0 0 万人因 天津大学博士学位论文第一章绪论 为饮用含砷量很高的水而患病，其中包括癌症。 “中国水论坛 于2 0 0 3 年发起，得到国内众多专家的大力支持，已成功举 办了四届。2 0 0 7 年论坛的主题是“环境变化与水安全 。通过举办论坛，展示水 科学领域的最新研究成果，探讨水问题及其相关领域的基础理论、应用研究以及 新技术应用等科学问题，为中国水问题的解决提供一定的思路、方法和措施，为 国家水资源开发利用的宏观战略与水资源安全提供学术讨论的平台，并提出科学 对策和建议。 我国政府在社会发展和国民经济发展第十个五年计划纲要中把水与粮食、 石油作为社会经济发展的三大战略资源之一，把贯彻可持续发展提高到一个新的 水平。目前，我国对水安全的研究多侧重于水资源承载力对城市发展的影响方面。 于书霞【4 】等研究了城市水资源供需系统优化问题；龙祥瑜等【5 】运用多目标决策技 术研究了沈阳市水资源承载力；姚志君等【6 】对北京市进行了多目标水安全战略研 究；夏军r 刀等对城市化地区水资源承载力进行了研究。 1 1 3 水安全主要研究内容 水安全研究的主要内容包括水安全基本理论研究和水安全策略及其应用研 究二大类。水安全基本理论研究主要是明确水安全定义、水安全的内涵和外延、 水安全属性，以及对水安全的研究方法等进行研究探讨；水安全策略及其应用研 究主要是对水资源安全、水生态环境安全、水质安全、水量安全和水灾害安全防 范措施及其风险评价等进行研究，包括水安全战略规划、水安全评价与预警、水 的综合开发治理、以及水安全的协调控制，提出解决水安全问题的新思路与新方 法。 在水安全中，由于地表水和地下水的污染所引发的水资源短缺、人体健康安 全和水环境安全问题称之为水质性( 或污染性) 水安全 8 】，其造成的后果往往是 广泛、隐性和滞后的，其中，地表水体水质污染重于地下水污染，特别是城市地 表水体水质安全问题最为突出。 天津大学博士学位论文第一章绪论 1 2 城市地表水体水质安全问题 很长时间以来，在北方一些缺水城市，由于面临水资源短缺、水环境污染双 重压力，其地表水体已逐渐形成两大系统，其一，部分水体作为城市供水水源专 用，如北京的密云水库，天津的于桥水库、尔王庄水库；其二，城市的大部分河 流已不同于传统意义上的河流，基本上没有上游天然来水，且原有的灌溉、饮用 与航运等功能多已消失，绝大多数城市河流主要功能被定位于排水和景观娱乐 上。而且，两大水系系统均面临着水体污染与水质安全问题。 1 2 1 城市供水水源水质安全 城市供水水源是城市生活及工业用水的来源，是城市供水系统中最重要的部 分，其中地表水源由于可视易得而成为人类的优先水源，在城市供水水源中占据 很大份额。但由于易受到人类生产、生活的干扰，故易导致水源污染，特别是近 年来水源水质突发事故时有发生，严重影响了城市供水安全。 据不完全统计【3 】，目前，我国9 0 以上的城市水域受到不同程度的污染，城 市水环境普遍恶化，流经城市的河流水质7 8 不符合饮用水水源标准，7 5 的 湖泊富营养化，约5 0 重点城市的水源不符合饮用水水源标准，近1 3 城市人 口用水缺乏安全保障。2 0 0 5 年初有关调查显示，调查范围内的4 5 个城市饮用水 水源存在不同程度的有机物污染，其中部分有机物具有“致癌、致畸、致突变” 等毒性。供水水源的污染，不仅加剧了水源短缺的形势，而且增加了饮用水的处 理难度。如在氯消毒过程中有机物与氯作用，不仅增加氯耗，而且生成多种氯化 消毒副产物，其中大部分对人体健康构成潜在威胁。 武汉东湖，由于受到周围生活污水的污染，富营养化严重，不能达到水源水 质的要求，致使以东湖为水源的几个水厂目前基本上处于停用状态。而武汉的另 一主要水源汉江武汉段，分别在1 9 9 2 年、1 9 9 8 年和2 0 0 0 年初春发生三次 “水华 现象，特别是2 0 0 0 年的“水华”现象，自2 月2 8 日发生一直持续到4 月上旬。而武汉市自来水公司的1 0 座水厂中，4 座水厂从汉江取水，负责汉口、 汉阳等地的供水任务，日供水量1 6 4 万立方米，占全市总供水量的5 6 。在汉江 ”水华”期间，由于汉江各水厂所采用的净水工艺对高藻水源水的处理无特效，为 保证出厂水水质符合国家生活饮用水水质标准，不得不采取紧急预防措施，增大 4 天津大学博士学位论文第一章绪论 投氯量、投矾量、厂自用水量，缩短滤池运行周期。由此增加的成本费用9 2 年 为1 6 0 万元，9 8 年增加到2 8 0 万元，2 0 0 0 年又有提高。即使如此，由于处理过 程中大量藻的死亡，使自来水中带有”腥味”，水质投诉增加。 2 0 0 8 年9 月中下旬，浙江省对1 3 个县级以上城市供水水质进行了抽查，检 查统计汇总数据表明，水源水污染状况未有明显好转，不少城市的水源水污染情 况依然严重，部分水源水质仍为地表水一v 类，甚至个别城市在一些时段为劣 v 类。如嘉兴地区作为城市供水水源的北郊河、新塍塘、京杭古运河、长山河、 等河塘。除江、河、湖水域外，水库水源富营养化程度也呈逐年增长的势态，锰、 氨氮、总磷等指标超标现象时有发生。如岱山县的小高亭水库、浦江县的金坑岭 水库，城市供水水源水质为地表水类。 此外，近年来太湖蓝藻的连年暴发，已对太湖流域城市的饮用水安全造成了 严重威胁。 另一方面，近年来我国重大突发性水污染灾害事件时有发生，2 0 0 4 年3 月， 四川沱江发生因川化技改项目违规生产造成水质严重污染的事件，内江、简阳、 资阳三地城乡自来水公司停止取水和供水。2 0 0 5 年1 1 月，吉林化工公司双苯厂 爆炸，1 0 0 吨左右的强致癌物质苯、硝基苯流入河中，使黑龙江省境内松花江流 域约7 0 0 公里的水域受到严重污染，迫使哈尔滨全市停水4 天，沿岸数百万居民 的生活受到严重影响，涉及跨国界污染问题；2 0 0 6 年1 0 月，甘肃省兰州市南滨 河路体育公园附近一排污管道向黄河排放红色污水，致使管道下游近一公里的黄 河水变成了红色，对兰州市供水安全构成威胁；2 0 0 6 年，湘江株洲霞湾港至长 沙江段发生镉重大污染事件，湘潭、长沙两市取水水源水质受到不同程度污染， 严重影响当地人们的饮用水安全；2 0 0 6 年江苏太湖藻类大规模爆发并进入了无 锡水厂取水口，造成饮用水严重的异臭味等等。国家环保总局的调查显示，近年 来我国水环境事件频发，自2 0 0 5 年底松花江事件以来，我国共发生1 4 0 多起水 污染事故，平均每两三天便发生一起。这些重大水质污染事件，对城市供水和人 民健康造成了重大危害，城市供水安全问题已成为社会关注的焦点，而确保城市 供水水源水质的安全已是事关人类健康、社会稳定的重要问题。 1 2 2 城市景观水系水质安全 长期以来，我国面临着极其严重的工业废水和生活污水的污染问题，虽然近 5 一 天津大学博士学位论文第一章绪论 年来我国在水污染防治方面做了许多工作，但不少江河湖泊的水质仍然逐渐变 差，并呈发展势头。2 0 0 4 年，我国七大水系监测的4 1 2 个水质监测断面中， v 类和劣v 类水质的断面比例分别为3 0 3 和2 7 9 。工业发达地区水域污染尤 为严重，如海河流域、太湖流域的水环境质量下降、水生态系统破坏已严重制约 了地区经济、社会的可持续发展。 海河流域的水环境日益恶化，其表现形态可归纳为“有河皆干，有水皆污， 湿地消失，地下水枯竭，沙尘暴肆虐”。由于山区径流大部分被水库拦截，从而 导致整个流域内的许多河流几乎全年无水，海河流域4 0 0 0 多公里平原河道大都 成为季节性河流；而有水的河流，污染严重，根据华北地区某城市2 0 0 6 年水资 源公报显示，在评价的8 6 6 8 4 公里河长中，v 类1 7 7 3 公里，占评价河长 的2 0 ，劣v 类5 5 9 8 公里，占评价河长的6 5 。近两年其他区域的环境状况 公告也显示出各大流域片的主要污染河段均集中在城市河段。 导致城市水环境恶化主要原因之一是地表径流污染。以往，由于我国污染治 理的工作重点主要放在了点源污染控制方面，对于面源污染，尚未给予足够的重 视，开展这方面研究的报道也较少。近年来，我国对滇池污染、太湖污染、淮河 流域污染等重大河流、湖泊污染问题的调查研究结果都表明面源污染危害巨大。 其中滇池的富营养化问题的研究结果表明工业废水、城市污水以及面源的污染分 担率分别为9 、2 4 和6 7 。特别是随着城市规模的扩大，城区的建筑、道路、 绿地的占地面积的不断变化，降雨产生的径流量也在不断变化。而且随着城区不 透水面积的不断增加，雨水的流失量随之增加，从而减少了地下水的补给，增加 了城市的洪涝灾害威胁，并且大量初期雨水对河流水体也构成了严重污染，整个 城市的生态环境将日趋恶化。 此外，由于历史的原因，目前我国很多老城市市区的雨水排放还保留着合流 制排水管网。由于汛期合流制管道雨污水和径流雨水大量排入景观水体，导致水 质在短期内迅速恶化，超出国家地面水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 中的 类水质标准，甚至超出v 类水质标准。在降雨过程结束十几天后，才逐渐恢 复到降雨前水质，但有些河流仍然严重超标。 天津大学博士学位论文第一章绪论 1 2 3 城市地表水体水质安全研究发展概况 针对水源污染及其引起的饮用水质安全问题，发达国家从2 0 世纪7 0 年代开 始给予高度关注，并在水源保护方面开展了大量工作，并取得了显著成效。日本 在2 0 世纪6 0 年代经济高速发展的过程中也出现了较为严重的水质污染问题，导 致一段时间饮用水水质显著恶化。为了改善水环境质量，日本从1 9 6 3 年开始实 施第一个下水道整治5 年计划，显著加大了在城市污水处理方面投资的力度。到 了1 9 8 8 年，全日本包括河川、湖泊、海域在内的2 2 7 1 个水域中， b o d 、c o d 等指标达到各类环境标准要求的水域为7 3 7 。为了控制日益严重的水环境富营 养化问题，日本于1 9 8 2 年1 2 月颁布了有关湖泊中氮，磷的环境标准，并从1 9 8 5 年6 月2 6 日起分别对1 0 5 9 个湖泊进行了磷的排放限制，对7 6 个湖泊进行了氮 的排放限制。经过长期不懈的努力，发达国家已经在水环境质量改善方面取得了 惊人的进步【9 】。 此外，国外对城市水源安全突发事件应急对策进行了深入的研究，其中以美 国饮用水源突发污染事件应急管理为典范。它从法律体系、机构设置、信息技术 应用、多部门参与、专业研究、资金保障六个方面制定了全面的应急预案。美国 水安全相关法律主要有1 9 4 8 年制定、1 9 7 7 年修订的清洁水法，1 9 74 年制定的 安全饮用水法，1 9 7 6 年制定的国家紧急状态法和2 0 0 2 年制定的公众健 康安全和反恐怖准备及应对法( 适用于饮用水源突发污染事件的应急管理) 。 美国国家环境保护局( e p a ) 是饮用水源突发污染事件应急预案的总体负责部 门。e p a 在水源污染应急管理方面开展的工作主要包括：评估和降低饮用水源面 对恐怖袭击潜在的易损性、制定和演习突发事故的应急预案、发展新的检测和监 测污染物的水源安全技术、制止各种破坏水源安全的行为。在e p a 的领导下， 对涵盖美国9 0 9 6 以上人口的8 0 0 0 多个供水人口在3 3 0 0 人以上的水源地供水系统进 行了易损性评价并制定了应对计划。在一些重要河流( 如密西西比河) 的沿河主要 城市水源地和取水口都加强了突发污染事故风险管理，沿河各州政府、环保署及 海事部门等联合制定了详细的、可操作的应急预案【1 0 1 。 关于城市河湖的面源污染，t a l e 等人的研究结果表明，中型城市水体中b o d 与c o d 的总量约有4 0 8 0 来自面源污染，在降雨较多的年份中，9 0 9 4 的总b o d 与c o d 负荷来自城市下水道的溢流。国外很多城市对雨水径流污染进行了大量的 天津大学博士学位论文第一章绪论 监测分析。1 4 】，也曾经对合流制排水系统在晴天和雨天排水中的污染物浓度进行 对比【1 5 18 】，结果显示有些集水区雨天污染物浓度是晴天的2 2 0 倍。城市地表径 流中悬浮固体、重金属及碳氢化合物的浓度与未经处理的城市污水基本相同。在 一些州大约2 20 0 0 个被污染水体中，城市雨水径流和其它非农业的非点源污染被 列为主导污染源的占1 8 以上【l9 】。而英国水研究中心研究表明，分流制排水系 统中，地表径流所引起的污染总体上与合流制排水系统溢流所带来的污染相当。 英国全年河流排放污染物中，3 5 是来自合流制系统暴雨溢流。为解决雨水径流 污染，美国、德国、新西兰等国家在8 0 年代即开始治理雨水径流污染【2 0 圳】。 城市河流治理的典范当属著名的泰晤士河。泰晤士河一度成为城市的排污 河，河流常年黑臭，鱼虾绝迹，河流生态环境遭到严重破坏，曾是世界上污染最 早、危害最严重的城市河流之一。经1 0 0 多年的努力，特别是本世纪6 0 7 0 年代 的高强度治理，8 0 年代的河流水质，已恢复到1 7 世纪的原貌，1 0 0 多种鱼类重返 泰晤士河，成为污染治理收效最显著的河流。泰晤士河流域已建立了完善的城市 污水和废水处理系统，截至1 9 8 8 年，全流域正在运行的污水处理厂4 7 6 座，地下 污水管总长4 5 0 0 0 公里，平均日处理污水4 7 0 5 万立方米，形成了完整的城市污水 处理系统，使排入河流废水由污水变成清水。 法国的塞纳河、新加坡的新加坡河、渥太华的利多运河、首尔的清溪川、华 盛顿波托马克河等在治理早期都曾经采用修建污水处理厂的治理方式，一定程度 上改善了水质，对河湖治理起到了很大的功效。但若全部污水均采用该方案处理， 其财力不堪重负，而且尚不能从根本上解决河湖生态问题。因此近几十年来，人 们越来越关注于对河湖的生态治理。 其实早在1 9 3 8 年，欧洲的s e i f 瞰首先提出近自然河溪治理的概念，其中较 早开展是河流生态环境需水量的研究。1 9 4 0 年，美国渔业和野生动物保护组织 规定了维持河流的最小生态流量，5 0 年代出现了河流生态流量的定量研究。7 0 年代，欧洲、澳大利亚和南非等国家也都开展了关于鱼类生长繁殖与河流流量关 系的研究。但早期的研究并没有把水资源和生态环境系统联系起来，随着河流受 人为因素影响和控制的加强，河流生态系统结构和功能遭到破坏，特别是到了2 0 世纪9 0 年代，当水资源的可持续利用受到严重威胁时，人类才逐渐认识到保证 自然生态环境需水的重要性。1 9 9 5 年g 1 e i c “2 2 】提出的基本生态需水量的概念认 天津大学博士学位论文 第一章绪论 为，应该提供定质量和数量的水给天然生境，以求保护天然生态系统的物种多 样性和生态完整性。由此，人们开始研究生态系统与水资源的内在联系，生态水 量的最优分配及生态环境用水与经济用水的关系等，并提出了许多计算和评价方 法。如：保护水生生物栖息地需水量计算方法有：河道内流量增加法( i f i m 法) 【2 3 1 、湿周法【2 4 】、r 2 c r o s s 法圆、物理栖息地模拟法【2 6 】、建立分区法【2 刀等。其中， 湿周法需要现场搜集河道的几何尺寸和流量资料，并依据湿周流量关系曲线中的 变化点来确定河流生态环境需水量。r 2 c r o s s 法基于曼宁公式，根据栖息地要 求的水深、河宽和流速等计算河流生态环境需水量，需要通过实地调查获取计算 参数。而i f i m 法是应用比较广泛的生态环境需水量计算方法，它根据水深、河 流基质类型、流速等现场资料，采用p h a b s i m ( p h y s i c a l h a b i t a t s i 肌1 a t i o n ) 模 型模拟流速变化和栖息地类型的关系，通过水力学资料和生物学信息的结合，判 定一定流量条件下的水生生物种类及栖息地分布。此外，生态需水量的计算方法 还包括保证河流基本生态流量( 避免出现河流断流导致河流生态环境功能破坏的 现象) 的计算方法，如7 q 1 0 法【2 羽、径流时段曲线分析法 2 9 】、蒙大拿法【3 0 】等。 2 0 世纪5 0 年代在德国正式创立了近自然河道治理工程，提出河道整治要植物 化和生命化，从而使植物首先作为一种工程材料被应用到工程生物治理之中。自 然治理的目标是，在满足人类对河溪利用的要求的同时要维护河溪的生态多样 性。2 0 世纪7 0 年代以后，在美国，与自然相协调的可持续河流管理理念得以确立， 受这一理念的影响美国各州大力推行综合性的流域保护方法，并建立和保护了大 量的湿地，形成较为完整的湿地生态系统。在日本，政府于1 9 9 7 年对旧河川法 进行了大幅度的修改，在原来河川管理两大目标“治水、“利水”的基础上增 加了新的管理目标一“环境”。在河道工程方面，对“多自然型河流治理法” 进行了大量的研究，强调用生态工程方法治理河流环境、恢复水质、维护景观多 样性和生物多样性。 我国应对水源污染采取的主要措施是水源地保护。在我国水环境污染趋势还 没有完全得到遏制，很多地方在水源水质出现恶化之后，往往倾向于采用更换水 源或实施远距离输水的措施。在2 0 世纪8 0 年代前后，这种调水措施确实在一些 重要城市的饮用水安全保障方面发挥了重要作用。但是在目前水资源整体上出现 短缺、而且水环境污染比较普遍的今天，调水成本日趋增加，调水的效果也日趋 天津大学博士学位论文第一章绪论 低下。从国外的经验教训来看，水源保护与水质改善最关键的措施是加强立法、 严格执法、防止污染物进入水源地。目前，加强水源地保护也已经列入我国有关 部门的议事日程。对于水源地的面源污染控制来说，一些生态工程技术非常有效。 一些科研机构正在开展相关研究，并进行了一些示范应用，取得了明显的成效。 我国8 0 年代初期已开始关注城市雨水径流污染，但由于点源污染一直很严 重，因此，到9 0 年代才对雨水径流污染有了较多的研究，如陈绍军 3 l 】分析了合流 污水管道雨天水质水量的变化规律；李怀恩等【3 2 】提出暴雨径流污染负荷计算的响 应函数模型，并通过野外实测证实；汪慧贞等【3 3 】分析了北京城区雨水径流的污染 源，并估算了污染量；车武等瞰】初步估算了北京和上海城区雨水径流污染占水体 污染负荷约l o 。上海市水环境监测中心近3 0 年来对全市河道水质进行全面监 测，表明汛期是上海水质污染最严重的季节【3 5 1 。在有关雨污水对城市河流污染的 研究方法方面，主要集中在利用数学模拟的方法分析污染负荷对受纳水体的影 响，如徐祖信【3 6 3 8 1 建立了苏州河和黄浦江的水质模型，分别对苏州河整治复原工 程效果和污水处理厂排放的污水对黄浦江水质的影响进行分析；陈西平【3 9 】应用 g i s 模型计算径流悬浮物对河流水质的影响。此外，近年来，许多城市开始研究 有关径流污染的各种控制措施m 。4 2 1 。 而我国关于河湖的生态治理、近自然治理研究，可以追溯到几千年前，古老 的风水理论在我国园林的发展过程中充分体现了“人与自然和谐发展 的思想， 追求人与自然的和谐与统一，以大自然为审美和审美表达的对象。尽管“人与自 然和谐发展”的思想在我国产生已有数千年的历史，然而近自然治理概念的提出 及在河流治理中的大规模应用却发生在2 0 世纪4 0 年代的欧洲及北美，在我国的应 用是随着生态学与工程设计的结合而逐渐被国内的学者所重视，许多学者分别从 河流治理、滨水景观设计和沿河土地利用等角度探讨了城市河流近自然治理的思 想。 目前利用水生植物净化河湖水的处理方式的研究也越来越多。通过水生植物 群落的阻滤、沉降、吸附等物理作用以及植物体的吸收、积累等作用而达到对水 的净化效果【4 3 】。最近几年水生植物净化塘在国内外发展都比较快，处理规模也越 来越大。从利用人工净化塘发展到利用天然湖塘、湖湾放养水生植物净化水质和 底泥。在水生植物利用上，由一种植物为主发展到多种植物搭配以取长补短，达 天津大学博士学位论文 第一章绪论 到最佳净化效果。不仅使得试验区内长年保持较好的水质，而且对外来的污染有 很强的冲击能力，它可用来水源保护、局部性水质控制、污水净化生态工程、小 型富营养水体生态恢复等。 本世纪七十年代发展起来的人工湿地系统是利用水生植物处理河湖污染水 体的又一个方向，由于建造费用低、维护简单、效果好，而且为众多野生动物提 供栖息地，成了研究重点。如芦苇湿地可用于处理污水，具有良好的生态以及经 济效益。在处理污水的同时也营造了优美的水体景观。所以湿地是一种低成本、 易操作、高效率的污水处理方法。 景观水体的滞流会降低水体的复氧能力，加快水体的富营养化使景观水质恶 化，因此水体循环对景观水体的净化起着十分重要的作用。袁文麒等【4 5 】以拙政园 为研究对象，考察了人工水力循环改善拙政园池塘水质的效果。研究表明，在不 影响园林原有景观的前提下，采用人工水力循环实施水体修复试验可以使园林水 体的浊度平均下降4 5 n t u ，d o 平均提高3 9 1 ，c o d 平均下降2 5 ，同时 避免了“翻塘 现象的发生，并使水体水质受温度变化的影响减小，水质的稳定 性得以增强。 1 2 4 河湖水质污染控制规划研究发展概况 六十年代末期以后，水环境污染的控制开始进入一个较高的阶段综合防 治环境污染的新阶段。在这个阶段中，除继续研究和发展各种控制污染的新技术、 新方法外，更注重于研究和发展综合防治的措施及其规划与应用。 区域综合治理是在某个区域或某个水域范围内，按照当地的生态条件和环境 质量目标，统一地全面研究各种治理措施与方案，寻求其综合的最优方案。例如， 1 9 7 2 年美国c o n v e r s ea q 对新英格兰州m e r r i m a c k 河的区域污水处理系统进行 了“最优”规划。日本从1 9 6 5 年以来，由原来以改进排水处理设备为主转向以 建立区域污水处理系统为主。这种按区域综合治理所规划的系统，以1 5 年发展 计划而言比过去分散局部处理的系统可节省2 0 以上的费用。 早期的水污染控制模型多采用线性规划、非线性规划、动态规划、模拟技术 及它们之间的有机结合，这些方法应用于复杂大系统时会受到一定的限制。9 0 年代以来，尤其是决策支持技术、模拟优化的模型技术等的应用使得水资源管理、 水污染控制规划方法的研究产生了更大的活力 4 “8 】。分析方法已从简单水资源系 1 1 天津大学博士学位论文 第一章绪论 统到复杂大规模水系统，从单目标、确定型问题到多目标、随机型和风险型问题 【4 9 】；而且，新近发展起来的智能优化方法，如遗传算法( g a ) 、模拟退火算法( s a ) 、 禁忌搜索( t a b u ) 、人工神经网络( 6 州n ) 和混沌优化等，对于离散、非线性、非 凸等大规模优化问题充分显示出其优越性例。此外，在技术手段上，也从单纯借 助于数学模型到计算机数据管理、信息控制理论、人工智能及数学模型的结合运 用，特别是优化方法和3 s ( g i s 、g p s 、r s ) 技术的应用将丰富水环境污染治理的 研究领域和手段。 我国较早期系统性的研究有1 9 8 9 年清华大学出版傅国伟教授所撰水污染 控制系统规划一书，该书是国内外水污染系统控制规划研究理论的归纳与总结， 在其后的一段时间内，国内关于该领域的研究基本是源于该书理论的应用与拓 展。如1 9 9 2 年中国环境科学院刘玉生等人提出的滇池水污染控制系统规划模型 【5 1 1 ，对滇池区域污水集中治理措施、厂内治理措施与面源治理措施同时进行优化， 从而得出滇池流域综合治理优化方案。2 0 0 0 年合肥工业大学的李如忠提出了将 层次分析法应用于河流水污染控制系统区域规划的思路【5 2 】，为水污染控制系统规 划提供了一种新方法和新途径。2 0 0 1 年武汉水利电力大学的冯尚友等人将遗传 算法应用于水污染控制系统规划中排放口最优化问题【5 3 1 ，取得了良好的结果。 2 0 0 2 年湖南大学的秦肖生等人尝试将遗传算法与传统非线性规划相结合用以求 解排放口最优化问趔5 4 1 ，使得该问题的解法水平得以进一步提高。另外该领域研 究见诸报道的还有泾河水质规划( 5 习和四湖排水系统优化研列5 6 】等文章。总体而 言，我国关于水污染控制系统规划的研究较多，但实践相对较少，该领域的实际 应用还有待进一步推广。 1 3 课题研究意义与主要研究内容 1 3 1 课题研究意义 水安全是一个长期存在，且不断变化的动态系统，只要有水存在就会有水安 全问题出现。水安全问题已成为直接威胁人类生存安全、社会安全、经济安全、 生态环境安全和国家安全的重要因素。目前，针对水安全问题的研究已经得到了 广泛地开展和重视，水安全也已成为国内外水利、资源与环境科学等领域最前沿 天津大学博士学位论文第一章绪论 的研究课题和研究热点。但纵观国内外的研究成果，主要存在以下几点不足： ( 1 ) 目前对水安全的研究主要是从水资源安全的角度进行的，研究内容主 要为水安全基本理论的定性描述以及研究理论与方法的探索，且多为水安全概念 辨析与水安全评价； ( 2 ) 有关水安全的定量研究还处于初步的探索阶段，具体实施应用还有待 于进一步的研究和验证。 因此，在第四届世界水论坛提出了“从展望到行动”的主题，这就意味着水 安全的研究需要从目前的思辩阶段尽快地进入到量化与实施阶段，并对水安全进 行系统、全面的研究，有效确保我国水安全以及社会经济的可持续发展。 水是量与质的统一体。有“量”无“质，或有“质无“量，都将制约 人类社会的可持续发展。随着南水北调的实施，天津等城市的资源型