（环境工程专业论文）南水北调改善南四湖水流水质特性及湖滨带控污技术研究.pdf

摘要 本文在总结分析前人工作成果的基础上，紧密结合南水北调山东段情况，把山东 境内的重要调蓄湖泊南四湖作为研究对象做深入分析。将南水北调跨流域调水与南四 湖水生态特性紧密联系，运用调水理论、水文水资源理论、水动力学理论和生态学理 论，从水因子的生态作用机理入手，分析研究了调水前后南四湖水流水质特性变化， 研究南四湖人工湿地的作用规律、合理布局及湖滨带水质安全防控技术。形成了针对 南水北调东线山东段污染特点，比较系统、有效、可靠和经济的水质综合保障体系， 对指导整个南水北调东线工程的治污具有重要意义。主要成果如下： 将水生植物对水流影响的阻力项引入到水深平均二维水动力计算模型，对南四湖 在调水后流向改变时各种运行工况下的平面流动分布情况进行了模拟，解决了南四湖 输水工程设计中的一系列亟待解决的问题。其研究成果直接应用于南四湖输水工程的 设计决策，指导了辅助工程的规划设计，也为调水后湖区的运行管理提供了很好的参 考依据。 分析研究了调水前后南四湖污染物浓度场的分布规律和各河流入湖口污染( 带) 混合区范围及分布特征，预测了南四湖区域加大治污力度后环湖各区域污染物的削减 量，模拟了输出南四湖的水质达标情况，对湖内水环境功能进行了分区，为合理制定 南四湖流域与湖区的污染治理实施方案，以及河流入湖口人工湿地水质净化工程和湖 滨带生态修复工程建设提供科学依据。同时，还应用模糊数学理论对影响南四湖生态 环境的光、温度、土壤、水和人为干扰几类主要生态因子，建立了由“因素集u 、评 价集v 、模糊关系r ”构成的三元体( u ，v ，r ) 水质模糊综合评价模型。 为研究进入湖泊的污染物自净规律，根据南水北调东线治污方案，在南四湖周边 河流入湖口处建造了人工湿地进行试验研究。该试验研究利用现场试验的方法探讨了 芦苇、蒲草及湿地生态对按达标排放的水体中c o d 、b o d 。、总氮( t n ) 、总磷( t p ) 等 污染物成份的降解作用。以试验结果为计算参数，结合南四湖的自然地理、环境水文、 水力学、气象、污水排放等条件，并根据南四湖二维流场、浓度场数值模拟成果资料， 进一步研究在南四湖种植芦苇、蒲草湿地布置的原则、位置、宽度、面积及其对污染 物的降解效果等，分析湿地系统的各项主要设计参数和未来调水入湖污染物的降解规 律，从而为整个东线工程水质污染综合治理方案的落实提供理论基础和现实依据。 关键词：南水北调；南四湖；水流水质特性；数值模拟；人工湿地；控污技术 a b s t r a c t b a s e do nt h ea n a l y z i n ga n ds u m m a r i z i n gt h ea c h i e v e m e n t so ft h ep r e v i o u ss t u d i e s ， t h i st h e s i sc o n t i n u e dad e e p e rs t u d yt h a nb e f o r ef o c u s e do nt h en a n s i h ul a k et h a tw o u l d b ea ni m p o r t a n ti m p o u n dl a k ei ns h a n d o n gp r o v i n c e t h es t u d yw a ss u i t a b l ef o rt h e e a s t e r nr o u t ep r o j e c t ( e r p ) i ns h a n d o n gp r o v i n c e t h et h e s i sc o m b i n e dt h es o u t h - t o n o r t hw a t e rd i v e r s i o np r o j e c tw i t ht h ee c o s y s t e n l c h a r a c t e ro fn a n s i h ul a k ec l o s e l y s t a r t e dw i t ht h er e s e a r c ho ne c o l o g i c a le f f e c t m e c h a n i s m ，t h et h e s i ss t u d i e da n da n a l y z e dt h ec h a n g eo ft h ef l o wa n dw a t e rq u a l i t y c h a r a c t e r si nn a n s i h ul a k eb e f o r ea n da f t e rw a t e rd i v e r s i o n , t h er e g u l a re f f e c ta n d o p t i m u md i s t r i b u t i o no ft h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d ，t h et e c h n o l o g i e so ft h ew a t e rq u a l i t y p r o t e c t i o ni nl a k e s i d ez o n e t h es t u d ya l s ob a s e do nw a t e rd i v e r s i o nt h e o r y , h y d r o l o g y a n dw a t e rr e s o u r c e st h e o r y , h y d r o d y n a m i ct h e o r ya n de c o l o g yt h e o r y i nt h ep a p e r , w a t e rq u a l i t yp r o t e c t i o ns y s t e mw a sp r o v i d e dp o i n t e dt ot h ep o l l u t i o n c h a r a c t e ro fe r pi n s h a n d o n gp r o v i n c e t h es y s t e mw o u l db es y s t e m i c ，e f f e c t i v e ， d e p e n d a b l ea n de c o n o m i c a l ，a l s ow o u l db ev e r ys i g n i f i c a n tf o rp o l l u t i o nt r e a t m e n to f e r p t h ed r a gt e r ma b o u tt h ee f f e c t so fa q u a t i cv e g e t a t i o no nf l o ww a si n t r o d u c e di n t o t h ed e p t ha v e r a g e d2 一dh y d r o d y n a m i cm o d e l t h et h e s i ss i m u l a t e dt h ef l u i df i e l d d i s t r i b u t i o no fe v e r yw o r k i n gc o n d i t i o nw h e nt h ef l o wd i r e c t i o nr e v e r s e di nt h el a k e t h e r e s u l t ss o l v e das e r i e so fp r o b l e m st h a tn e e dp r o m p ts o l u t i o no ft h ew a t e rd i v e r t i n g p r o j e c td e s i g n t h ea c h i e v e m e n t sw e r ea p p l i e dd i r e c t l yt ot h ed e s i g nd e c i s i o no ft h e w a t e rd i v e r t i n gp r o j e c t ，d i r e c t e dt h el a y o u ta n dd e s i g no fs u b s i d i a r yp r o j e c t s i naw o r d ， t h er e s u l t sw o u l db eg o o dr e f e r e n c e st ot h er u n n i n ga n dm a n a g e m e n to fw a t e rt r a n s f e r t h r o u g ht h el a k e i nt h i sp a p e r , t h ed i s t r i b u t i o no fp o l l u t a n t sc o n c e n t r a t i o nf i e l db e f o r ea n da f t e rw a t e r t r a n s f e ri nt h en a n s i h ul a k ew a sa n a l y z e da n ds t u d i e d m o r e o v e r , i tw a s p r e d i c t e dt h a t t h ep o l l u t a n t sr e d u c t i o nt h r o u g h o u tt h el a k e ，s t r e n g t h e n e dt h ep o l l u t i o nt r e a t m e n t t h e w a t e rq u a l i t yf l o w e do u to ft h el a k ew a ss i m u l a t e da n dt h ef u n c t i o n a ld i s t r i c t so fw a t e r e n v i r o n m e n tw e r ep a r t i t i o n e d a l lt h e s er e s u l t sw o u l dp r o v i d et h es c i e n t i f i cb a s i sf o r w o r k i n go u tr e a s o n a b l ei m p l e m e n t a r ys c h e m eo fp o l l u t i o nt r e a t m e n to fn a n s i h ul a k e b a s i n ，t h ea r t i f i c i a lw e t l a n dc o n s t r u c t i n ga tt h ee n t r a n c e so ft h er i v e r si n t ot h el a k ea n d t h ec o n s t r u c t i n go ft h er i p a r i a ne c o s y s t e mr e h a b i l i t a t i o ne n g i n e e r i n g f u r t h e r m o r e ，a n e c o l o g i c a lm o d e lo ff u z z ys y n t h e t i c a lj u d g m e n tw a sp r o v i d e d t h ev i b r a t i o n so ft h e m o d e li n c l u d e df a c t o rs e t ( u ) ，e v a l u a t i o ns e t ( v ) a n df u z z yr e l a t i o n ( r ) r e l a t i n gt ot h e e c o l o g i c a lf a c t o r ss u c ha sl i g h t s ，t e m p e r a t u r e , s o i l ，w a t e ra n dh u m a nd i s t u r b a n c eb a s e do n t h ef u z z ym a t h e m a t i c st h e o r i e s i no r d e rt os t u d yt h es e l f - p u r i f i c a t i o np r i n c i p l e so fp o l l u t a n t se n t e r e dt h el a k e ，t h e e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n da tt h ee n t r a n c e so ft h er i v e r si n t ot h e l a k eb a s e do nt h e p o l l u t i o n c o n t r o l p l a n n i n g o fe p rw a si m p l e m e n t e d t h e b i o d e g r a d a t i o nc a p a b i l i t yo ft h ew e t l a n dt or e m o v et h ep o l l u t a n t ss u c ha sc o d ，b o d 5 ， t n ，t pi nt h ew a s t ew a t e rw h i c hm e e tt h en a t i o n a lw a s t e w a t e ri n t e g r a t e dd i s c h a r g e s t a n d a r dw a sd i s c u s s e d i na d d i t i o n ，t h ee x p e r i m e n tr e s u l t st a k e na sp a r a m e t e r s ，f u r t h e r s t u d yw a sd o n eo nt h ep l a c et h a tt h e w e t l a n dw a sc o n s t r u c t e d ，t h ew i d t ha n dt h ea b i l i t yo f t h ew e t l a n dt or e m o v et h ep o l l u t a n t s i tw a sa l s oa n a l y z e dt h em a i nd e s i g np a r a m e t e r so f t h ew e t l a n de c o s y s t e ma n dt h eb i o d e g r a d a t i o np r i n c i p l e so fp o l l u t a n t si nt h ed i v e r t e d w a t e r a c c o r d i n g l y , t h ea c h i e v e m e n t sm e n t i o n e da b o v ew o u l dp r o v i d et h et h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a lb a s i sf o rt h ew a t e r p o l l u t i o nc o n t r o lp l a n n i n gp u t t i n gi n t oe f f e c to fe r p k e yw o r d s ：s o u t h - t o - n o r t hw a t e rd i v e r s i o n ，n a n s i h ul a k e ，c h a r a c t e r so f f l o w a n dw a t e rq u a h t y ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，c o n s t r u c t e dw e t l a n d ，p o h u f i o nc o n t r o l t e c h n o l o g y 1 v 河海火学博士学位论文( 前訇 上- - k 刖吾 山东省属于资源性缺水地区，当地淡水资源总量3 0 5 8 亿m 3 ，人均占有量3 4 4 m 3 ， 仅为全国平均的1 6 ，世界平均的1 2 5 ，远低于国际公认的维持一个地区经济社会发 展所必需的1 0 0 0 m 3 的临界值。八十年代初期青岛市即出现水荒，1 9 8 8 、1 9 8 9 年潍坊、 烟台、威海、淄博等城市也相继出现用水危机，特别是1 9 9 8 - 2 0 0 0 年大旱，全省3 0 多个城市发生严重供水危机，4 0 0 万人用水困难；工业用水不得不实行保重点和采取 强制性措施，以水定产，关停高耗水工矿企业：农业生产只能靠天吃饭。严重的缺水 导致了生态环境的进一步恶化，以致出现“有河皆干，有水皆污”的局面。 水资源短缺与经济社会发展及生态环境保护之间的矛盾越来越突出，仅靠节水与 挖掘当地水资源潜力难以为继。日益恶化的生态环境和连续发生的严重干旱，使南水 北调东线工程( 以下简称东线工程) 的建设显得尤为紧迫。由于东线9 0 以上是利用 沿线河湖输水，因此，调水成功与否取决于水质能否得到保证，关键因素在治污，而 治污的关键在山东，山东的关键在“两湖 ( 南四湖、东平湖) ，“两湖”的重点在南 四湖。 本文把南四湖作为研究对象，在总结分析前人工作的基础上，研究调水对南四湖 水流和水质特性的变化规律；研究湿地的合理布局以及湿地对入湖污染物的降解规 律：研究南四湖湖滨带水质安全防控措施等。主要创新点归纳为： 把南水北调跨流域调水与改善南四湖水流水质特性结合研究，提出了考虑水生 植物阻力项的水深平均二维水动力模型，以及调水水流流场、污染物( c o d ) 浓度场 分布。 将调水水质污染物( c o d ) 浓度场分布与湿地布局结合研究，进行了实地人工 湿地试验研究，探讨了芦苇、蒲草及湿地生态对典型水体( 类似南水北调的入湖水体) 中c o d 、b o d ；、总氮( t n ) 、总磷( t p ) 等污染物成份的降解规律。 集合人工湿地作用、调水水流流场、水质浓度场分布与调控措施研究，提出了 南四湖湖滨带生态湿地工程布置原则和建设面积。 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 2 谚年占月二e t 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： ? 石以年月二e 1 第一章 绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 我国幅员辽阔，气候复杂，地形多样，自然条件有很大差异。由于降水量的 差异，水资源地区分布极不均匀；水资源与耕地、矿产资源和人e 1 的分布不相适 应，即8 0 以上的水在南方，而6 5 的耕地在北方，水土资源失衡，人均和耕 地亩均占有水资源量南北相差悬殊，南方水多，而北方水资源严重短缺，生态环 境不断恶化晗1 。 黄河、淮河、海河三大流域，耕地面积和农业产出占全国总量的4 0 ，人 口占全国的3 4 ，国民生产总值占全国的3 2 。在国家经济发展中具有不可替 代的地位，是我国粮食安全及社会可持续发展的重要保障。该地区还集中了全国 大部分煤炭、石油以及其他丰富的矿产资源，而水资源总量仅占全国的8 。山 东属于严重的缺水地区，当地淡水资源总量3 0 5 8 亿m 3 ，人均占有量3 4 4 m 3 ，仅 为全国平均的1 6 ，世界平均的1 2 5 ，远低于国际公认的维持一个地区经济社会 发展所必需的1 0 0 0 m 3 的临界值，属于人均占有量小于5 0 0 m 3 的严重缺水地区。 随着山东国民经济的快速发展，缺水问题日益严重，己达到难以为继的程度。 突出表现城市工业和居民生活供水困难，乡村用水和农业灌溉无法保证旧。为 维持国民经济发展和城乡居民生活需要，被迫超常规开发利用地表水和大量超采 地下水，造成黄河频繁断流、河湖干涸、海水入侵、地表和地下水严重污染、环 境恶化加剧临钔。国家为改善黄淮海地区水资源配置状况，支撑经济和社会可持 续发展，迫切需要从外流域调水，即实施南水北调工程，从水量较丰沛的长江调 一部分水到北方地区。 根据南水北调总体布局，规划西、中、东三条输水线路。东线工程主要利 用现有河道湖泊输水，为避免出现“大调水大污染”的局面，朱镕基总理指示东 线工程要贯彻执行“先节水后调水，先治污后通水，先环保后用水”的“三先三 后”原则，保证东线调水水质。因此，东线工程调水成功与否关键在治污，而治 污的关键在山东，山东的关键在“两湖”( 南四湖、东平湖) ，“两湖 的重点在 南四湖。南四湖地处苏鲁两省边界地区，该地区工业化和城市化发展迅猛、人口 增长快速，同时也是国家重要的粮棉基地。为确保该地区经济社会可持续发展， 又能保障南水北调东线山东段水质安全，迫切需要研究有效措施方能奏效。借助 南水北调调水，增加水资源承载能力，稳定水环境要素，使生态环境恶化得到遏 制，并逐步修复河流、湖泊等水域生态环境及水域生态体系侣叭。 本文结合南水北调东线工程山东段的实施，在总结分析前人工作的基础上， 河海大学博士学位论文南水北调改善水菇讨乞质特性及湖滨带控污技术研究 把调水与环境生态有机结合，重点针对南四湖流域的水流、水质等生态特征，研 究南四湖调水前后水流流场、污染物浓度场扩散规律、人工湿地降污规律和效果、 南四湖水质模型评价及入湖口湖滨带水质安全防控措施等。通过展开相关研究， 以期探索跨流域调水改善工程沿线生态环境变化的一般规律，也为南水北调东线 工程建设和建成后运行的生态环境维护起指导作用。 1 1 1 山东社会经济发展需求 1 1 1 1 山东水资源紧缺矛盾迫切要求实施南水北调工程 山东省位子我国东部沿海，地处黄河下游，分属于黄、淮、海三大流域，地 理上分为半岛和内陆两部分。半岛突出于黄海、渤海之中，北靠渤海，隔渤海海 峡与辽东半岛相对，东与日本、朝鲜半岛隔海相望；内陆部分北以卫运河、漳卫 新河与河北省为界，西与河南省相邻，南与江苏、安徽两省接壤。属于北温带半 湿润季风气候区，气候具有明显的过度特征，四季界限分明，温差变化大，雨热 同期，降雨季节性强。 由于受地理纬度、距海远近、天气形势、地形地貌等因素的影响，水文现象 在时空分布上变化较大，其水资源基本特点表现为“们： ( 1 ) 当地水资源总量不足 全省多年平均当地淡水资源总量仅占全国水资源总量的1 0 9 ，却养育着占 全国7 的人口，生产出占全国1 0 的粮食，完成占全国9 3 的国内生产总值。 全省人均水资源占有量3 4 4 m 3 ，仅为全国人均占有量的1 4 7 ( 小于1 6 ) ，为世 界人均占有量的4 0 9 6 ( 为1 2 5 ) 。按国际公认的m 富肯玛克的水紧缺指标标准， 山东省人均水资源量远远小于维持一个地区经济社会发展所必需的1 0 0 0 m 3 的临 界值，属于人均占有量小于5 0 0 m 3 的严重缺水地区。按耕地面积计算，全省亩均 水资源占有量为3 0 7 m 3 ，也仅为全国平均亩均占有量的1 6 7 ( 为1 6 ) 。 ( 2 ) 水资源地区分布不均匀 山东省各地降水量、径流量和水资源量差别较大，分布不均匀。山东省的降 水特点是泰山山脉的南麓大于北麓，山丘区大于平原区。总的分布趋势是从鲁东 南沿海向鲁西北内陆递减，从胶东半岛东南部向半岛西北部递减。多年平均降水 量从鲁东南沿海的8 5 0 m m 向鲁西北递减到5 5 0 m ；胶东半岛南部年降水量达8 0 0 m m 以上，高值中心区超过9 0 0 m m ，而半岛西北部的莱州湾一带，降水量只有6 0 0 - 、, 6 5 0 m m ，部分地区低于6 0 0 r a m 。降水的高值区比低值区大6 0 以上。 年径流的地区变化更为突出。径流的高值区位于峄城、苍山山区、东南沿海 及泰沂山南麓，多年平均径流深为2 6 0 - - 3 0 0 m 之间，高值区达3 5 0 r a m 以上；径 流的低值区位于鲁西北平原和湖西平原，多年平均径流深只有3 0 - - 一6 0 m m 。地下 水资源，山丘区与平原区差别较大。地下水资源模数岩溶山丘区高达1 5 - , 2 0 万 2 第一章绪 论 m 3 k m 2 ，一般山丘区仅8 6 万m 3 k m 2 ；平原区地下水资源模数全省平均为1 6 1 万 m 3 k m 2 。 ( 3 ) 水资源年际年内变化剧烈 山东省各地降水量、水资源量的年际变化幅度很大，存在着明显的丰、枯水 年交替现象，连续丰水年和连续枯水年的出现也十分明显。1 9 6 4 年是山东省的 丰水年，年降水量11 6 9 3 m m ，年径流量6 9 0 0 亿m 3 ；1 9 8 1 年是枯水年，年降水 量4 4 5 5 m m ，年径流量5 3 9 亿m 3 ；降水量与径流量的最大值、最小值之比分别 为2 6 2 、1 2 8 ，径流量的最大、最小值分别为多年平均径流量3 0 3 3 、2 3 7 。 根据1 9 1 6 ，- - - 1 9 9 9 年长系列资料分析，连续丰水段有三个：分别是1 9 4 6 - - 1 9 4 8 年，1 9 6 1 、- 1 9 6 4 年，1 9 7 0 - - 一1 9 7 5 年；枯水段有五个：分别是1 9 1 7 1 9 2 0 年，1 9 2 7 - 1 9 2 9 年，1 9 3 8 - - - 1 9 4 4 年，1 9 8 1 1 9 8 3 年，1 9 8 6 - - 1 9 8 9 年。从长系列资料分析， 山东省具有6 0 年左右的丰枯变化周期。 水资源的年内分配具有明显的季节性。全年的降水量约有3 4 集中在汛期； 全年的天然径流量约有4 5 集中在汛期，特别是7 、8 月份，甚至是集中在一、 两次特大暴雨洪水之中。致使开发利用难度加大。 ( 4 ) 地表水与地下水相互转化和补给强 地表水通过下渗而补给地下水，地下水又可以排入河道形成河川基流。在开 发利用中能否运用好地表水与地下水相互转化的规律，则可能出现完全不同的效 果。运用得当，可以通过区域地表水与地下水的联合调度，把一部分未能得到利 用的洪水补充地下水，增加水资源的可利用量；反之，在平原地区大量超采地下 水，造成地下水埋深过大、包气带土层增厚，使降水入渗的部分水量因补充土壤 水而减少了对地下水的补给；在滨海地区大量超采地下水，将会造成海水大面积 入侵，不仅会恶化自然环境，而且还会使地下水可开采面积减小。同时，由于地 下水埋深过大，河川基流量也减少，从而减少了地表水资源的可利用量。 ( 5 ) 黄河入境水可利用量呈减少趋势 根据黄河山东高村水文站多年实测资料分析，年均径流量为3 8 5 8 亿m 3 。由 于受流域降雨丰枯变化和流域内引黄用水量逐年增加的影响，高村站各年代来水 量基本呈逐年减少的趋势，五、六十年代来水分别比多年平均来水偏多2 3 1 、 2 8 9 ；七、八十年代分别比多年平均来水偏少6 6 、3 1 ；进入九十年代年径 流量骤减至2 2 2 1 亿m 3 ，比多年平均减少4 2 4 。 自八十年代以来，由于流域内降水减少和中上游工农业用水量的增加，黄河 山东段自1 9 8 1 年首次出现断流，至1 9 9 9 年几乎年年断流，其中1 9 8 1 、1 9 9 5 、 1 9 9 7 年山东段全河断流，1 9 9 7 年利津水文站断流共计1 3 次，断流时间累计达 2 2 6 天。自2 0 0 0 年以来，由于水利部黄委会对黄河水量实行了统一调配，加上 河海夫擎博士学位论文南水北调改善水演水质特性及湖滨带控污技术研究 小浪底枢纽工程初步发挥了调蓄功能，同时黄委会对黄河下游段采取了限引措 施，使黄河山东段至今尚未发生断流现象。但黄河来水总体呈逐年减少趋势，尤 其是随着国家西部大开发战略逐步实施，黄河上中游的引黄水量将大幅度增加， 山东黄河来水量还将继续减少。 1 1 1 2 山东社会经济发展和“生态省”建设要求提升水环境承载能力 山东省总体经济实力和社会发展水平居全国前列。山东省具有优越的地理位 置、良好的开发条件，丰富的生物、矿产和得天独厚的海岸资源，悠久的文化历 史、秀丽的自然风光，这些都为山东省的社会经济发展创造了十分有利的条件。 但是，由于受地理位置、气候条件和水资源特点的影响，经常遭受旱灾危害。 据统计，自1 2 6 4 1 9 4 8 年的6 8 5 年中，共发生不同程度的旱灾4 6 5 次，平 均每1 4 7 年发生一次。自1 9 4 9 - 、一 1 9 9 9 年的5 1 年中，除1 9 6 4 年外，每年都有旱 灾发生，全省干旱成灾面积大于5 0 0 千公顷的年份有2 0 年。尤其是二十世纪八 十年代以来旱灾更加严重，干旱年、连续枯水期接连发生，即使丰水年季节性干 旱也普遍存在，春旱、秋旱几乎年年有，伏旱也常常出现。1 9 8 1 、1 9 8 9 、1 9 9 2 、 1 9 9 7 、1 9 9 9 年都出现了春、夏、秋连旱，1 9 8 1 - 1 9 8 3 年、1 9 8 5 - 1 9 8 9 年连续出 现干旱，干旱缺水致使工农业生产遭受巨大损失，农村人畜、城市居民面临严重 吃水困难1 。 旱灾除对农业生产的严重威胁外，对城市、工矿企业用水也带来了重大影响。 八十年代初期青岛即出现水荒；1 9 8 8 、1 9 8 9 年连续大旱以后，潍坊、烟台、威 海、淄博等城市也相继发生用水危机。特别是1 9 9 8 - 1 9 9 9 年的干旱缺水，全省 3 0 多个城市( 含县城) 出现了严重的供水危机，4 0 0 万人用水困难；居民生活用 水被迫实行定时限量供水，威海、烟台每人每月限量l m 3 ，用水超过限量实行惩 罚性水价4 0 元m 3 ；工业用水不得不实行保重点和强制性措施，以水定产，关 停部分高耗水工矿企业，估算每年因供水不足造成的直接经济损失超过5 0 亿元。 现状山东省境内主要大中型河道基本处于干涸状态，即便有水也多是污水， 用一句比较形象的比喻是“有河皆干，有水皆污”。为逐步改变这一面貌，2 0 0 0 年山东省委、省政府提出建设“生态省 构想，并要实现建设“大而强、富而美 新山东目标。要落实这些目标，必须从根本上改变山东的生态环境，提高水环境承 载能力。 1 1 2 调水对水生态影响的科学问题 环境生态学是生态学与环境科学的交叉学科，其主要是研究污染物在以人 类为中心的各个生态系统中的扩散、分配和富集过程等消长规律，以便对环境质 量做出科学评价他1 。实际上，人为干扰下所出现的环境问题不只是个污染问题。 环境质量的科学评价也不能仅限于污染与否。 4 第一章绪 论 传统环境生态学偏重于研究生物与自然因素之间的关系。随着科学技术的 进步和大规模的生产活动，人类干扰生物与环境的过程，无论从规模还是速度上 都远远超过自然过程。现代生态学重视研究人类活动影响下的生物与环境的关 系，以求避免环境对人类生产和生活造成不利影响，并使其向着有利于人类的方 向发展变化1 2 h n 。 因此，从广义上看，环境生态学是研究在人类活动的影响下，生物与环境 之间的相互关系的科学。具体说，环境生态学注重从整体和系统的角度，研究在 人为干扰下，生态系统结构和功能的变化规律，以及对人类的影响，寻求因人类 活动影响而受损的生态系统恢复、重建和保护的生态学对策。其重点在于运用生 态学的原理，阐明人类活动对环境的影响，以及解决环境问题的生态学途径，保 护、恢复和重建各类生态系统，以满足人类生存与发展需求。 环境生态学的研究内容主要包括：人为干扰下生态系统结构和功能变化 规律；生态系统因人类活动而受损的生态学指标；生态系统保护的理论与方 法；解决环境问题的生态学途径。 随着科学的发展和人们环境意识的提高，特别是二十世纪八十年代后，与 人类生存密切相关的环境问题都成为生态学学科发展中的热点问题，这极大地促 进了生态学的发展。环境生态学的研究内容和任务体现当今和未来人类社会发展 对生态学的需要。1 9 9 1 年美国生态学会率先提出了“创立可持续生物圈的倡议： 一份生态学研究议程”( s b i ) 。国际生态学会也提出了“持续的生物圈：全球的 号令。”生态学迎接环境变化挑战中的进展将为环境科学和技术的发展提供理论 基础。美国国家环保局( e p a ) 提出了环境保护生态学研究战略，确定了6 个新 的方向：环境监测与评价( 危险鉴别) 、生态暴露评价、生态效应、生态风险特 征、生态系统的恢复与管理和风险资料报道n 钔n 引。 在环境生态学的研究中，水环境的研究工作始终是一个热点问题。水是一种 特殊的资源，也是万物之源。“水多、水少、水脏、水浑”是困扰水环境的主要 问题，其中“水少、水脏”问题带有普遍性，也是制约水生态环境良性循环的关 键因素。 水资源短缺的直接后果是河道断流，大面积河床荒芜、沙化，许多河道成 为风沙的源头，河道断流，使得入海水量减少，改变了水沙平衡关系，造成河道 及河口淤积。同时，随之而来的是湖泊干涸、湿地萎缩，生物多样性受到严重威 胁“ 引。水资源的严重短缺与人口激增、植被破坏、水资源分布的不平衡、 气候暖干化、人为浪费严重、重复利用率低和污染严重等有着复杂和密切的关系。 对水污染的认识应追溯到十八世纪初，最初人们认为水污染是指进入水体 的外来物质，其量超过了该物质在水体中的本底含量。它只强调了外来物质的量， 河海久擎博士学离仑文南水北调晚善水流水质特性及湖滨带控污技术研究 而忽视了对水生生物的影响。随着科学的发展，美国藻类学家p a t r i c k ( 1 9 5 3 ) 认 为水污染是指任何带进水体的物质能使水生生物多样性指数下降，以致破坏接受 系统中生命的平衡状态。现在对水污染的理解比较强调人类经济活动的因素，强 调损害水生生物资源和危害人类的健康。水污染可概括为三种类型：一是由污水 排放和土壤侵蚀造成水体过度营养化，发生藻类水华并最终耗尽水中的溶解氧， 引起水生生物死亡和水质浑浊或异味；二是随污水排放将病原体引入水体，发生 生物性污染；三是由工业、采矿和农业活动造成水体重金属和合成有机物污染， 而且引入的有毒有害污染物可能在生物体内聚集，甚至沿食物链传递或富集n 引。 严重的水环境污染，破坏了水域生态系统的生态平衡，使生态环境恶化， 对社会经济发展和人民生活产生不利影响。例如，耗氧污染物使水体溶解氧降低， 使有机物在厌氧条件下分解，放出甲烷、硫化氢和氨等，使生物窒息，甚至中毒， 水体发出臭气，破坏水产养殖；营养物质能刺激藻类和水草急剧繁殖，形成水面 隔光层，导致水体中下层光线减弱，生物群落发生变化，影响水生生态系统的结 图1 1 水域污染对人类及社会的影响分析 6 第一章 绪论 构和功能；无机化合物及矿物质、放射性污染物可通过食物链，最终危害人类自 身；海洋的污染不仅造成了渔场外移、滩涂养殖场荒废，而且还使许多珍贵的海 洋生物资源丧失，海产品食用价值降低。生物资源数量的减少、种类组成的变化 和一些种类的绝迹是水污染对生态系统造成严重破坏的直接后果。水域污染对人 类及社会的影响分析如图1 1 。 1 2 国内外调水研究进展 广义地说，为了补偿缺水( 或引出多余的水) 而更加有效地利用水资源， 从任何一个水源( 河流、水库、湖泊、海湾、河口) 取水并沿着河槽、渠道、隧 洞或管道，送给用户就叫做水资源区域再分配，为此所兴建的工程称为“调水工 程”。而把一个流域的水输送到另一个流域或若干个流域，或者把若干个流域的 水输送到一个流域，称为“跨流域调水”，兴建的工程为“跨流域调水工程 。调 水是解决水资源时空分布不均的最重要、最有效的方式。数千年来，人类就开始 实现了径流的再分配。随着社会经济的发展，调水工程越来越复杂，调水量越来 越大，输送的距离越来越长。人们对其的认识也随之提高，调水工程对环境的影 响作用也得到了空前重视。 大型调水工程对自然生态环境( 河流、湖泊和海洋的水文情势、地表水和地 下水的水质、气候、自然景观、水生和陆生生物) 的影响研究是最近3 0 年才发 展起来的一个跨学科的新课题。国际应用系统分析研究所的戈罗彪夫g h 教 授把水资源区域再分配这个总课题分成技术工艺、社会经济和自然生态环境保护 三大主课题。在调水工程的三大主课题中，每一主课题又可分为若干个子课题， 而每个子课题还可分成若干更小的课题。如图1 2 所示的一级、二级子课题，然 后再把主课题与子课题之间的关系表示出来。 1 2 1 国外流域调水工程 1 2 1 1 调水工程分类 世界上已建和在建的许多调水工程，就其规模、容量、用途、技术方案、控 制区域的自然地理条件都是千差万别。目前，世界上尚没有调水工程分类的专门 方法，而且已有的观点也分歧很大。评价调水工程规模标准，一般采用流量法， 有些专家还考虑了调水距离。 希克洛曼诺夫等人在其世界用水保障与调水问题专著中指出，为便于与 调水工程有关的水文研究，应将调水工程按不同的标准进行分类。 河海久学博士学位论文南水北调a 嬉水演讨颂特性及湖滨带控污技术研究 图1 2 调水工程各课题的结构示意图 ( 1 ) 按照水文地理标准( 河系之间的水流再分配性质) 可以把调水工程分成三大类，局域的、流域内的和跨流域的： 局域( 地区) 调水工程。指在同一条河流流域内进行的工程。通常这样的 工程调水量不大，从河流中取水送到所灌溉的农田或城市供水系统。局域调水工 程的线路长度一般不超过1 0 0 - 2 0 0 k m 。例如，土库曼斯坦从锡尔河取水供给费 尔干斯克河谷的总灌渠；印度、巴基斯坦和其他国家的土壤改良灌渠；向洛杉矶、 旧金山、开普顿、柏林、巴黎、新加坡、雅典、伦敦、科威特等城市供应清洁水 的水道( 输水管) 都属于局域调水工程。 流域内调水工程。指在具有独立出入湖泊、海湾或海洋的河流流域范围内， 或在它们的水文地理网的任何区段之间越过当地局域分水岭进行径流再分配的 工程。该调水工程的特点：取水、用水和排水属同一个水文地理网范围。如：澳 大利亚“雪山工程”，加拿大比斯河和哥伦比亚河流域的调水发电工程等。流域 内调水的线路长度一般不超过5 0 0 k m 。 跨流域调水工程。指在具有独立出入海洋和湖泊的河流流域之间进行水量 的再分配。现在世界上运行的大量大型调水工程多属此类。这类工程的线路长度 第一章 绪 论 变化范围很大，从几十公里到上千公里。 ( 2 ) 按照自然地理条件 在取水区、输水区和用水区，调水可能是在同一个自然气候区域范围内进行 地区内的水量再分配，也可能是在两个或几个自然气候区域之间进行水量交换的 跨地区调水。当然这种调水的规模应当是很大的。 ( 3 ) 按照行政区划标准 上述所有形式的河川径流调配可以是在不超过一个行政区域内进行，也可能 是在两个或以上甚至跨国进行水量交换的工程。如，二十世纪六十年代美国设计 的将加拿大的河水调往美国乃至墨西哥的“北美水电联盟工程”。 ( 4 ) 按照目标用途 可以把调水工程分为用于供水、航运、水力发电、灌溉、湿地保护及解决所 有或几个地区水问题的综合系统。 输水量( 聊和输水距离( 三) 是径流调配工程最重要的特性。从调水系统 的工程技术复杂性、造价和对自然环境影响的可能性来看，上述两个特性均有意 义。因此调水工程最好是按综合指标进行分类，即：年调水量( m 3 a ) 与调水线 路长度( 1 ) 的乘积w l = ( m 3 a ) k m 。按照这个指标，可以对调水工程进行 近似分类( 见表1 1 ) 。 表1 1按照规模调水工程的分类 调水量调水线路长度三调水规模的综合指标 调水类别 ( 亿m 3 a )( m ) w l = ( m 3 a ) k m 小型( 小规模) 1 0 2 5 0 0 2 5 0 0 0 0 原苏联的b b 瓦尔瓦洛夫和m a 希克洛曼诺夫等人认为，对于调水 工程的分类，比较客观的评价应当是同时考虑调水长度和流量。作为评价标准， 可以用流量和长度的乘积。按照这一综合指标分类法，目前世界上已有的大多数 调水工程属于中小型工程，且主要是用于灌溉。这类调水工程对环境的影响一般 是在灌溉对流域水量平衡和水资源作用等问题范围内进行研究。 除土壤改良工程外，多数由通航运河实现的流域内和跨流域调水工程也属于 小型工程。在一般情况下，在缺水地区和多水地区间将几个河系连在一起，且具 有很长的距离。由通航运河实现的调水量一般很小，取决于船舶过闸的用水量， 9 河海大争博士学位论文南水北调改善水菇冰质特性及湖滨带控污技术研究 对环境的影响局限在作用的载体水质上。 根据有关资料的统计，截止到2 0 0 2 年，对国外3 4 5 项调水工程分析，有 8 5 项为中型工程，综合指标为1 0 0 0 1 0 0 0 0 ( m 3 a ) k m ：2 1 项为大型工程，综 合指标为1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 ( m 3 a ) k i n ；7 项为特大型工程，综合指标为5 0 0 0 0 - 2 5 0 0 0 0 ( m 3 a ) k m ；其余均为小型工程。从