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田庄水库氮素迁移一转化规律的数值分析 摘要 田庄水库是沂源县唯一的一座大型水库。随着工农业生产的不断发展，田庄 水库周边企业排放的污水不断增加，农田氮肥的使用量不断增大，这加剧了田庄 水库的水质污染，严重影响了田庄水库水功能的开发利用。沂源县虽河流众多， 但多数为季节性河流。随着人口的增长，县城用水日益紧张，因此开展田庄水库 的水质污染研究和治理工作，将其作为沂源县的后备饮用水源地，以改变沂源县 水质性缺水的现状是十分必要的。 本论文在田庄水库流域现场调查研究、资料收集的基础上，分别于2 0 0 5 年 7 月和1 1 月、2 0 0 6 年4 月和9 月对田庄水库进行了野外监测和采样，并将所采 集的样品进行了室内监测分析，系统研究了田庄水库的水质污染现状，以及田庄 水库主要污染源的贡献情况。在此基础上，建立了平面二维水质模型，对各主要 污染源进行了灵敏度分析，并对不同特征水文年中水库氨氮和硝氮浓度的时空分 布进行了数值模拟。针对各污染源的特点提出相应的氮污染防治对策并对各污染 源采取措施后水库中氮素的浓度分布规律进行预测。最后，通过模型试算得出了 当前的氨氮环境容量。通过研究得出一些新的认识和结论，主要成果如下： ( 1 ) 库区水质监测结果表明，田庄水库库区内氮浓度较高，氨氮浓度超出地 表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 类标准最高可达1 5 倍。库区水质在水平 方向上的浓度变化比垂向上的浓度变化更为明显。 ( 2 ) 污染源的灵敏度分析表明，底泥释氮和农业面源分别是水库氨氮和硝氮 最主要的来源。丰水期氨氮污染源的敏感次序为底泥释氮、化肥厂排污、农业面 源、粉煤灰淋滤作用；枯水期为底泥释氮、农业面源、化肥厂排污、粉煤灰淋滤 作用。丰、枯水期硝氮污染源的敏感次序均为：农业面源、粉煤灰淋滤作用、化 肥厂排污。 ( 3 ) 不同特征水文年中库区氮浓度时空分布的数值分析表明，枯水年氨氮浓 度最高，平水年次之，丰水年最低。不同水文年的丰水期硝氮浓度以丰水年最高， 平水年次之，+ 枯水年最低。同一水文年中枯水期的氨氮和硝氮浓度比丰水期高。 不同水文年水库东部区域比西部区域的氨氮浓度要高。底泥释放量大的区域氨氮 浓度比释放量小的区域浓度高。 ( 4 ) 农业面源污染在当前污染负荷下分别削减3 0 和6 0 后，硝氮的浓度值比 实际情况减少2 1 和4 9 。受粉煤灰影响较大的水库中东部区域在粉煤灰移除前 后，硝氮浓度相差0 2 0 - 4 ) 5 0 m g l 。粉煤灰渣场应尽快重新选址，从水库岸边清 除。 ( 5 ) 对东风化肥厂采取污水排入管网的措施后，水库中的氨氮浓度会比实际 情况降低0 1 3 - 0 2 7 m g l 。对库区内底泥局部覆盖后，丰水期全库区未出现氨 氮超标情况。中、北放水洞是田庄水库主要的放水口，对该区底泥采取活性物质 覆盖法治理对改善水库出水水质具有重要意义。 ( 6 ) 利用模型试算法根据三个典型特征水文年的水文数据以及底泥释氮量、 河流氨氮浓度，计算得出了丰、平、枯三个水文年丰水期的n h 3 - n 环境容量分 别为5 6 9 3 5k g d 、3 8 3 5 8 k g d 、2 7 8 1 9 k g d ，枯水期的n h a - n 环境容量分别为 2 1 6 0 5 k e d d 、1 5 9 9 4k g d 、1 4 4 7 6 k g d 。计算结果表明，目前不同水文年枯水期氨 氮均已超出n h 3 - n 环境容量，其中枯水年枯水期超出量最多。 关键词：田庄水库；氮；数值模拟；迁移转化 i l n u m e ric aisim uia tio no fnitr b g e n o u si l lig r a tio na n d t r a n s f o r m a tio nin - o i 一 iia n z h u a n gr e s e r v o ir a b s t r a c t t m n z h u a n gr e s e r v o i ri s a l le x c l u s i v el a r g e - s c a l er e s e r v o i ri n y i y u a nc o u n t y w i t ht h ec o m i n u a ld e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n de c o n o m y , l a r g en u m b e r so fc o m p a n i e s w e r ec o n s t r u c t e da r o u n dt h e r e s e r v o i r , w h i c hd i s c h a r g e d m o r ea n dm o r e c o n t a m i n a t i o n si n t oi t i t a g g r a v a t e dt h ew a t e rp o l l u t i o no ft h er e s e r v o i r , a n d r e s t r a i n e dt h er e s e r v o i rf r o me x p l o i t u r e a l t h o u g ht h e r ew e r en u m e r o u sr i v e r si n y i y u a nc o u n t y , m a n yo ft h e mw e r es e a s o n a lr i v e r s i n c r e a s ei np o p u l a t i o nm a d e f r e s h w a t e ri nt h ec o u n t ys c a r c i t y t h e r e f o r e ，i t sn e c e s s a r yt om e l i o r a t ew a t e rq u a l i t y o ft i a n z h u a n gr e s e r v o i r , f o rw h i c hc o u l db eu s ea sd r i n k i n gw a t e rr e s o u r c e b a s e do nf i e l d w o r ka n dd a t ac o l l e c t i o n , t h es t u d ym o n i t o r e da n ds a m p l e di nt h e f i e l di nj u l ya n dn o v e m b e r2 0 0 5 ，a p r i la n ds e p t e m b e r2 0 0 6r e s p e c t i v e l y , a n a l y z e da l l t h es a m p l e si nt h el a b ，a n di n v e s t i g a t e dw a t e rp o l l u t i o ns t a t e sb o t hi nt i a n z h u a n g r e s e r v o i ra n dp o l l u t i o ns o u r c e ss y s t e m i c a l l y a n dt h e nt w o d i m e n s i o n a lw a t e rq u a l i t y m o d e lw a sd e v e l o p e dt os i m u l a t et h ei m p o r t a n tl e v e lo ft h ed i f f e r e n tp o l l u t i o ns o u r c e s f o ra m m o n i aa n dn i t r a t e b ya p p l y i n gs e n s i t i v i t ya n a l y s i s a n dm o d e lt h e t e m p o r a l s p a t i a ld i s t r i b u t i o no fa m m o n i aa n dn i t r a t eo ft h er e s e r v o i ri nd i f f e r e n t h y d r o l o g i c a ly e a r s t o w a r d st h em a i np o l l u t i o ns o u r c e st h er e l e v a n tm e a s u r e sw e r e r a i s e da n dp r e d i c t e db yt h em o d e lr e s p e c t i v e l y s o m en e wu n d e r s t a n d i n ga n d c o n c l u s i o n sa r ed r a w n ( 1 ) t h ec o n c e n t r a t i o no fn i t r o g e ni nt i a n z h u a n gr e s e r v o i ri sh i g h ，a n dt h e c o n c e n t r a t i o no fa m m o n i ap r e p o n d e r a t eo v e rt h ei i ig r a d eo f e n v i r o n m e n t a lq u a l i t y s p e c i f i c a t i o no fs u r f a c ew a t e r ( g b3 8 3 8 2 0 0 2 ) 1 5t i m e s t h ed i f f e r e n tf o r m so f n i t r o g e n i nt h er e s e r v o i rt r a n s f o r m e dm o r eo b v i o u s l yi nc r o s ss e c t i o nt h a ni n l o n g i t u d i n a lp r o f i l e ( 2 ) b ys e n s i t i v i t ya n a l y z eo ft h em a i np o l l u t i o ns o u r c e s ，i t si n d i c a t e st h a t n i t r o g e nr e l e a s i n gf r o ms e d i m e n t sa n da g r i c u l t u r a ld i f f u s ea r et h em o s ti m p o r t a n t p o l l u t i o nr e s o u r c eo fa m m o n i aa n dn i t r a t er e s p e c t i v e l y t h es e n s i t i v es e q u e n c eo f i i i a m m o n i ap o l l u t i o ns o u r c e si nh i 曲w a t e rs e a s o ni sn i t r o g e nr e l e a s i n gf r o ms e d i m e n t s ， p o l l u t a n t sd i s c h a r g i n gf r o mf e r t i l i z e rp l a n t ，a g r i c u l t u r a ld i f f u s e ，l e a c h a t ef r o mf l y a s h e s ，a n di nl e a s tw a t e rs e a s o ni sn i t r o g e nr e l e a s i n gf r o ms e d i m e n t s ，a g r i c u l t u r a l d i f f u s e ，p o l l u t a n t sd i s c h a r g i n gf r o mf e r t i l i z e rp l a n t ，l e a c h a t ef r o mf l ya s h e s t h e s e n s i t i v es e q u e n c eo fn i t r a t ep o l l u t i o ns o u r c e si sa g r i c u l t u r a ld i f f u s e ，l e a c h a t ef r o mf l y a s h e s ，p o l l u t a n t sd i s c h a r g i n gf r o mf e r t i l i z e rp l a n t ( 3 ) t h es i m u l a t er e s u l t so ft h en i t r o g e nc o n c e n t r a t i o ni nd i f f e r e n th y d r o l o g i c a l y e a r si n d i c a t et h a tt h ea m m o n i ac o n c e n t r a t i o ni nd r yy e a ri sh i g h e s t ，i nm e a ny e a r t a k e st h es e c o n dp l a c e ，i nw e ty e a ri sl o w e s t t h ec o n c e n t r a t i o no fn i t r a t ei nh i g h w a t e rs e a s o ni nw e ty e a r si sh i g h e s t ，i nm e a ny e a rt a k et h es e c o n dp l a c e ，a n di nd r y y e a ri sl o w e s t t h ec o n c e n t r a t i o no fa m m o n i aa n dn i t r a t ei nl e a s tw a t e rs e a s o ni s h i g h e rt h a n i nh i 曲w a t e rs e a s o ni nt h es a m e h y d r o l o g i c a ly e a r s i n d i f f e r e n t h y d r o l o g i c a ly e a r st h ec o n c e n t r a t i o no fa m m o n i ai nt h ee a s t e r nr e g i o no ft h er e s e r v o i r i sh i g h e rt h a nt h ew e s t e r nr e g i o no ft h er e s e r v o i r t h ec o n c e n t r a t i o no fa m m o n i ai n r e g i o nw i t l ll a r g e rn i t r o g e nf l u x e sr e l e a s i n gf r o ms e d i m e n t si sh i g h e rt h a ni nr e g i o n w i t hl e s sn i t r o g e nf l u x e s ( 4 )w h e nt h e a g r i c u l t u r a l d i f f u s e l o a d i n g r e l e a s e d3 0 o r6 0 ，t h e c o n c e n t r a t i o no fn i t r a t ew o u l dr e d u c e d21 o r4 9 t h em i d e a s t e r nf i e l do ft h e r e s e r v o i ri sa f f e c t e d g r e a t l yb yl e a c h a t ef r o mf l ya s h e s ；t h ed i f f e r e n c ei n n i t r a t e c o n c e n t r a t i o ni s0 2 0 - 4 ) 5 0 m g l ，b e f o r ea n da f t e rt h es t a c k i n ga r e aw a sr e l o c a t e d t h e s t a c k i n ga r e aw h i c ha c c u m u l a t e sf l ya s h e ss h o u l db em i g r a t e df r o mt h eb a n ko ft h e ( 5 ) ? h e nt h ef e r t i l i z e rp l a n ts t o pd i s c h a r g i n gp o l l u t i o n si n t ot h er e s e r v o i r , t h e c o n c e n t r a t i o no fa m m o n i aw o u l dr e d u c e d0 13 0 2 7 m g l w h e ns e d i m e n tc a p p i n gi s t a k e ni np a r t i a lr e g i o n , t h ec o n c e n t r a t i o no fa m m o n i ai nh i g hw a t e rs e a s o ni su pt op a r t h en o r t ha n dm i d d l eo s c u l aa r ei m p o r t a n tf o rd i s c h a r g i n g ，i t s s i g n i f i c a n tf o r i m p r o v i n gt h ew a t e rq u a l i t yt oa d o p ts e d i m e n tc a p p i n gi nt h e s ea r e a s ( 6 ) o nb a s i so fh y d r o l o g i c a ld a t ao ft h r e et y p i c a lh y d r o l o g i c a ly e a r s ，n i t r o g e n f l u x e sr e l e a s i n gf r o ms e d i m e n t sa n dt h ec o n c e n t r a t i o no fa m m o n i ai nr i v e r s ，a m m o n i a e n v i r o n m e n tc a p a c i t i e si nh i g l lw a t e rs e a s o no fw e lm e a na n dd r yy e a r sa r ec a l c u l a t e d i v b ym o d e lt r i a lm e t h o d ，w h i c hr e s p e c t i v e l ya r e5 6 9 3 5k g d 、3 8 3 5 8 k g d 、2 7 8 1 9 k g d ， a m m o n i ae n v i r o n m e n tc a p a c i t i e si n l e a s tw a t e rs e a s o nr e s p e c t i v e l ya r e216 0 5 k g d 、 1 5 9 9 4k g d 、1 4 4 7 6 k g d i t ss h o w e dt h a tt h e r ei sn os u p e r f l u o u sa m m o n i ae n v i r o n m e n t c a p a c i t yi nl e a s tw a t e rs e a s o n ，a n dt h ea m m o n i ap o l l u t i o ni nl e a s tw a t e rs e a s o ni nd r y y e a ri sm o s ts e r i o u s k e y w o r d s ：t i a n z h u a n gr e s e r v o i r ；n i t r o g e n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；t r a n s p o r t a n dt r a n s f o r m a t i o n v 独创声明 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及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含未获得 注! 垫遗直墓他盂要挂别吏明的：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使 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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：蠢签字日期：2 镌年月4 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校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，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 。 学位论文作者签名：蕃 导师签字： 签字日期：加譬年6 月4 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签字日期：彬6 月( j 1 ) 日 电话： 邮编： 田庄水库氮素迁移一转化规律的数值分析 0 前言 随着国民经济的发展和水利水电工程的兴建，水库蓄水带来防洪、发电、灌 溉、供水、渔业等综合效益，对社会和经济的发展作出重要贡献。随着工业化程 度的不断提高，人类活动对水库水环境的影响愈加明显，水库接受的污染负荷加 重，水库水体的富营养化过程加剧。水库作为城镇的重要供水水源，其水质的好 坏越来越受到人们的广泛关注。 田庄水库是沂源县唯一的一座集灌溉、发电、供水、防洪等功能的多年调节 型重点大型水库，是沂源县十分宝贵的潜在大型供水水源，在沂源县社会经济发 展中发挥着重要作用。随着工农业生产的迅速展开，田庄水库上游和周边污水排 放量的不断增加，尤其是位于田庄水库北岸的东风化肥厂，大量污染物直接或间 接地排入水库，对水库环境造成不良影响。在水库上游及周边农业活动中农药和 化肥的不合理利用，使大量的氮素淋失，淋失的氮素经过一系列迁移转化过程最 后随地表径流进入水库。进入水库的污染物沉积到库底，使水库沉积物中的污染 物质逐渐富集，在一定条件下底泥沉积物中氮素向水库水体释放，使田庄水库水 质污染问题日益严重，氮含量严重超标。因此，开展田庄水库氮素污染的控制与 治理具有重要的现实意义。 本论文在淄博市专项沂源县田庄水库氮素污染机理与控制对策研究的资 助下，通过对田庄水库流域水质现状的分析，根据田庄水库的水流特性和水文、 水质实测资料，在大量室内分析试验和现场调查的基础上，建立了平面二维水质 模型，对田庄水库氮污染源进行灵敏度分析，确定田庄水库氮污染的主要污染来 源。对不同特征水文年中水库氨氮和硝氮浓度的时空分布进行了数值模拟。针对 各污染源的特点提出相应的氮污染防治对策并对各污染源采取措施后水库中氮 素的浓度分布规律进行预测。最后，采用模型试算法计算得出当前水库的氨氮环 境容量。这将为田庄水库氮污染治理提供有力的理论依据。 本论文在研究过程中得到沂源县水利局、沂源县水资源办公室等单位的大力 支持，在此表示感谢。 田庄水库氮素迁移一转化规律的数值分析 1 绪论 1 1 研究背景及意义 沂源县位于淄博市南部，地处鲁山以南沂河之源，东经1 1 7 0 4 87 - - 1 1 8 0 3 1 ， 北纬3 5 05 5 - 3 6 02 37 之间。沂源县属暖温带半湿润季风区大陆型气候，四季分 明，降水年际年内变化明显，区域分布不均。境内虽河流众多，但大多数为季节 性河流，丰、枯水期河流流量变化十分明显。沂源县地表水资源虽相对丰富，但 可供饮用的水资源相对缺乏，属水质性缺水。沂源县县城是全县的政治、经济、 文化和交通中心，位于田庄水库下游3 k m ，城区面积8 k m 2 ，现有人口1 1 万。城 区内现有各类供水2 5 万m 3 d ，日缺优质水1 8 万m 3 ，水资源短缺已严重影响了 城区人民的正常生活。 田庄水库是沂河上游的一座重点大型水库，担负着防洪、农业灌溉和沂源县 城供水等综合利用任务。由于受到上游工业排入污水、农业面源、内源释放等多 方面的污染，水库水质逐渐变差。根据山东省水环境监测中心淄博中心的水质分 析报告，以地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 为评价标准，1 9 9 4 - - - 2 0 0 0 年田庄水库水质均属于v 类标准，其中氮为主要污染物；根据2 0 0 6 年沂源县 水资源综合评价报告书，田庄水库各水期氨氮均超出v 类水标准限制，现状 不能作为饮用水源。为了解决沂源县人民的用水问题以及田庄水库水环境污染现 状的改善问题，开展田庄水库污染控制与治理具有重要的现实意义。 经过前期的调查研究发现，田庄水库水质污染的主要原因是水库水体氮素含 量高，这也是田庄水库成为地表水饮用水源地的主要制约因素。根据库区污染源 调查分析，水库的氮素主要来源有流域内农业面源污染、水库北岸的东风化肥厂 排污和粉煤灰淋滤引起的面源污染、底泥中氮素的内源污染。作为全国水果“百 强县”之一的沂源县，盛产果品，农业发达，全县总面积的2 0 4 为耕地，主要 种植小麦、玉米等粮食作物和花生、芝麻等经济作物。全县化肥施用量较大，2 0 0 0 年施用化肥折纯量为1 6 5 8 1 t ，其中氮肥8 5 5 7 t ，农药总施用量1 1 2 1 t ，平均每亩 2 5 8 k g 。化肥的不合理使用造成大量氮素随地表径流进入田庄水库。位于水库北 岸的东风化肥厂以氮肥加工为主，其排放的氨氮含量很高的污水，直接进入田庄 2 田庄水库氮素迁移一转化规律的数值分析 水库。在东风化肥厂生产过程中形成的粉煤灰受高浓度含氮冲灰水的冲刷，导致 粉煤灰中氮素含量很高，在降雨淋滤条件下会形成氮含量很高的淋滤水进入田庄 水库。田庄水库常年接受高含氮量的工农业污废水的排入，使底泥中氮负荷很高， 底泥中的氮素在适当条件下又重新向水体释放。 近年来，随着水资源尤其是饮用水源的不断短缺，作为沂源县的唯一一座大 型水库，田庄水库在沂源县的社会经济发展中发挥着越来越重要的作用，当地政 府和人民也越来越重视田庄水库的水质现状。因此，研究田庄水库氮素污染机理， 探讨水库水体中氮素的迁移转化规律，提出氮污染防治的有效对策，预测采取污 染防治对策后水库水质的改善情况，可以为田庄水库氮污染治理提供有力的理论 依据，对改善田庄水库水质具有指导意义。 1 2 国内外研究现状 氮及各种氮化物是湖库营养状态主要表征指标之一，氮污染是湖库富营养化 的主要研究内容【。水体中氮素过量会使藻类大量繁殖、富集，水中的溶解氧被 藻类大量消耗，出现富营养化现象【2 】。为了防止富营养化现象的出现，国内外学 者对湖库水体中不同形态氮素之间的迁移转化规律、不同来源的氮素负荷控制以 及对不同形态氮素时空分布的数值模拟等问题进行了广泛研究。 1 2 1 氮素迁移转化规律 在湖库生态系统中氮素有多种存在形态，包括有机态氮和无机态氮两大类， 其中，无机氮态又包括n 0 3 - - n 、n 0 2 - n 、n h 4 + - n 、n 2 0 和n 2 等多种形态。n 0 3 - n 、 n 0 2 - - n 和n h 4 + - n 是水生态系统氮元素的主要溶解态形式【3 】，在湖库氮循环中对 自养浮游植物、水生植物和异养微生物都有着重要作用 4 1 。在水生态系统多种因 素的作用下，水体中的氮在这些不同形态之间相互转化，主要转化过程见图1 1 。 有机质在微生物的矿化作用下生成n h 4 + - n ，n h 4 + _ n 一方面被藻类和水生植物作 为氮源吸收同化【5 1 ，一方面被悬浮物颗粒吸附6 1 ，另一方面在微生物硝化作用下 经n 0 2 - - n 形态最终生成n 0 3 - n ；n 0 3 - n 一方面被藻类和一些水生植物吸收【6 】 利用，另一方面在微生物反硝化作用下生成n 2 0 和n 2 。 3 田庄水库氮素迁移一转化规律的数值分析 图1 - 1 湖泊水库中的氮循环过程【7 】 沉积物中的氮可分为全氮、可交换态氮、固定态铵等，交换性氮主要包括硝 态氮和铵态氮，铵态氮以可交换态形式存在，而硝态氮以可溶形式存在，二者均 能直接被初级生产者吸收用于光合作用【8 】。沉积物中可交换性氮各形态之间的转 化主要受到环境氧化还原条件和微生物作用控制【引。在沉积物中溶解氧的渗透深 度往往仅限于表层几厘米，随着沉积深度的增加，沉积物环境变得相对还原。在 有氧条件下，沉积物中的有机氮通过氨化作用转化为铵态氮，铵态氮又可以通过 硝化作用继续转化为硝态氮；在缺氧条件下，兼性厌氧细菌和厌氧细菌分解有机 质的过程中硝态氮充当替代电子受体而被还原【8 】，在微生物的反硝化作用下硝态 氮转化为n 2 0 和n 2 。 氮在沉积物一水界面的迁移和交换是一个复杂的生物化学过程，硝化和反硝 化作用是沉积物水界面氮迁移和交换的主要形式【9 】。沉积物一水界面处的硝化和 反硝化作用只在沉积物顶部厚度仅几厘米的薄层内发生【。沉积物中的有机氮 化物在矿化作用下生成n h + 4 进入孔隙水中，由于孔隙水的n h + 4 浓度远高于上 覆水体，这种浓度梯度引起n h + 4 向上覆水体扩散转移【l 。当上覆水体中的n o 3 浓度高于孔隙水时，上覆水体中的n o 3 反向扩散进入沉积物中的厌氧层中，经 反硝化还原成n 2 0 、n 2 等敖逸进入大气。这种脱氮过程是清除水体氮负荷的最 彻底的唯一的有效机n t s , 1 2 】。 4 田庄水库氮素迁移一转化规律的数值分析 1 2 2 氮污染及控制 水库的氮素营养源主要包括由地表径流输入的营养源、由降水淋滤输入的营 养源、由工业废水、生活污水输入的营养源以及由沉积物氮素释放引起的营养源， 按供给源的分布特征可以划分为外源和内源，其中，外源又包括点源和非点源( 面 源) 。 ( 1 ) 点源 点源主要来自于工业和生活污水的集中排放。随着世界经济的高速增长，人 民生活水平的不断提高，工业废水及生活污水的排放量达到空前的水平。由于点 源的位置容易确定，所以点源相对容易治理。对点源采取的控制措施是“末端处 理技术和执行严格的排放标准【1 3 1 。源头污水的处理是控制点源污染的关键， 处理方式包括排水系统的建设、在下水道不能使用的地区普及小型污水处理设 施、发展各种工业废水净化设施等。目前，点源控制技术迅速发展，西方发达国 家基本可以有效控制湖库点源污染。我国点源控制工作起步较晚，随着近几年大 量污水处理厂和其它配套措施的建立、运行，重点湖泊的点源负荷逐渐得到控制 【1 3 】 o ( 2 ) 非点源 非点源污染是指溶解的或固体污染物从非特定的地域，在降水和径流冲刷作 用下，通过径流过程汇入受纳水体( 如河流、湖泊、水库、海湾等) 引起的水体污 染1 4 】。非点源污染主要起源于土壤侵蚀、农药与化肥的施用、农村家畜粪便与 垃圾、农田污水灌溉、城镇地表径流、林区地表径流和大气干湿沉降，在形成过 程中受区域地理条件、气候条件、土壤结构、土地利用方式、植被覆盖和降水过 程等多种因素影响，非点源污染具有随机性大、分布范围广、形成机理模糊、潜 伏性强、滞后发生和管理控制难度大的特点【15 1 。随着点源污染得到逐步控制， 非点源污染对水环境污染的贡献正逐渐凸显出来。从世界范围看，非点源污染已 成为水环境污染的主要方式，也是危害全球环境的一个重要因素【2 1 。全球有 3 0 5 0 的地表水体受到非点源污染的影响【1 6 1 。相关研究表明，非点源污染是 导致地表水污染的主要原因，其中又以农业非点源污染贡献率最大。美国的非点 源污染约占污染总量的2 3 ，其中农业非点源污染占非点源污染总量的6 8 - - 8 3 ，已经成为全美河流污染的第一污染源【1 7 1 。在奥地利北部地区，丹麦2 7 0 条 5 田庄水库氮素迁移一转化规律的数值分析 河流9 4 的氮负荷、5 2 的磷负荷是由农业非点源污染引起【l 引。荷兰农业非点源 提供的总氮占水环境污染总量的6 0 【1 9 1 。欧洲、加拿大、日本等地区和国家湖 泊污染负荷的5 0 来自流域内农业非点源，城郊湖泊和远离城市湖泊负荷的5 0 或以上来自农村非点源【2 0 】。在我国，随着农业非点源排入江、河、湖、库的氮、 磷等营养物质的不断增加，近年来水体富营养化程度加快。据统计，国内的1 3 1 个主要湖泊中，已达富营养化程度的湖泊有6 7 个，占5 1 2 【2 1 。从以上非点源 污染的案例中可以看出，氮素流失已成为非点源污染的重要形式口1 2 2 2 3 1 。 纵观国内外对非点源污染的研究，可以看出当今有关氮素的非点源污染研究 主要集中在以下几个方面：氮素的污染特征及其影响因素；氮素流失的影响因素 及其相关性分析；氮素的迁移转化规律；氮素的时空分异规律以及非点源污染的 管理和控制等 2 1 。对非点源污染的控制与管理包括两个方面：其一是对污染源的 控制，将非点源污染物的排放控制在最低限度；其二是对污染物扩散途径的控 制，通过研究非点源污染的扩散机理，采取适当的措施，减少污染物排入地下或 地表水体的数量【1 5 1 。经过多年的实践与研究，关于氮素非点源污染的管理和控 制已取得较大进展，其中以美国的“最佳管理措施( b e s tm a n a g e m e n tp r a c t i c e s b m p s ) 最具代表性 2 4 1 。美国环保局将b m p s 定义为“任何能够减少或预防水 资源污染的方法、措施或操作程序，包括工程、非工程措施的操作与维护程序 【2 5 】。b m p s 包括工程措施、耕种措施、管理措施等类型，通过有机结合这三种措 施作用于农业非点源污染的控, i j l 2 6 1 。现在已提出的最佳管理措施主要有少耕法、 免耕法、限量施肥、综合病虫害防治、防护林、草地过滤带、人工水塘和湿地等 方法【2 7 1 。最佳管理措施自2 0 世纪7 0 年代末提出以来，在欧美等发达国家得到 广泛应用，采用该措施后农业非点源污染明显减轻，水环境得到明显改善。在我 国该措施应用较晚，目前尚存在管理政策的研究、制定和实施等方面的不足【2 刀。 由点源、非点源造成的湖、河富营养化一直是国内7 0 年代以来水环境研究的重 点。为此，水体富营养化的主要营养物来源、过程、影响因素及水体的生态修复 技术在国内研究较多。非点源污染治理的生态技术主要通过控制农村生态系统的 物质平衡和物质流动途径控制污染物的流失，由于生态技术具有费用较低，可以 多方受益，适合多种条件等优点，是目前实用有效的非点源污染控制方法【2 引。 6 田庄水库氮素迁移一转化规律的数值分析 ( 3 ) 内源 在外源污染得到有效控制后，内源污染便成为研究湖库污染的重要内容，也 是世界范围的一个突出环境问题。作为湖库生态系统的重要组成部分，沉积物不 仅是湖库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【2 9 】。沉积 物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，是影响湖泊水质的重要二次污染源【3 0 】。目前对沉积物氮释放主要是研 究沉积物中不同形态氮素之间的迁移转化规律以及不同条件影响下沉积物一水 界面间氮素的迁移转化规律。王圣瑞【3 l 】等研究了长江中下游浅水湖泊沉积物总 氮、可交换态氮与固定态铵的赋存特征，利用p e a r s o n 积矩相关系数对可交换态 氮、铵氮、硝态氮和亚硝态氮之间的相关性进行分析。包先呀3 2 1 等通过室内培 养试验研究了沉水植物生长过程对间隙水中铵态氮浓度的动态影响，分析得出在 生长过程中沉水植物的光合作用，可使上覆水体和沉积物富含氧，沉积物中氧化 还原电位升高，一方面促进氮的硝化作用，另一方面抑制了沉积物下层氨化作用 进行，使间隙水中氨氮浓度逐渐降低。s e i t z i n g e r 3 3 】等认为通过底泥厌氧层内的 反硝化作用，以，0 、n o 和，等无机气体形态去除的内源性氮负荷，可达到 硝库外源性氮输入总量的一半以上。湖库水体中氮的迁移研究中很重要的一项就 是量化底泥与水体界面的氮交换过程。氮在底泥中的转化受较多关注的是氮在底 泥中的硝化、反硝化过程，如v a n d e r b o r g h t 3 4 】以硝化、矿化、扩散三个过程为基 础，建立了底泥硝态氮迁移模型，解决了上覆水中n 0 3 - - n 向底泥扩散量的计算 问题。戴树桂掣3 5 】对v a n d e r b o r g h t 模型进行了修正，提出了n 0 3 - - n 在间隙水中 的迁移转化模型，所得结果与实测值较为符合。 近年来国内外关于内源控制主要采用物理、化学和生物方法修复污染底泥 3 6 , 3 7 】，各方法还可相互结合应用到工程技术修复中。物理修复主要包括底泥疏浚 工程和沉积物表面覆盖。底泥疏浚能将污染底泥永久性去除，因而被较多的应用 于湖泊治理中【3 8 - 4 0 l 。然而，底泥疏浚耗资巨大并且疏浚后环境后效存在不确定性， 所以底泥疏浚技术能否从根本上使水环境得到改善，国内外尚存在很大争议【4 l 】。 沉积物表面覆盖是在污染底泥上覆盖一层3 0 c m 的清洁物，使其与水体隔离，防 止底泥污染物向水体迁移的修复方法 4 1 , 4 2 。目前常用的覆盖材料有未污染的底 泥、清洁砂子、砾石、钙质膨润土、灰渣、人工沸石、水泥和其它人工合成材料 7 田庄水库氮素迁移一转化规律的数值分析 等。沉积物表面覆盖是一种原位修复技术，工程造价低，能有效防止底泥中的污 染物进入水体而造成的二次污染【3 7 1 。林建伟【4 3 】等通过实验室模拟研究了天然沸 石活性覆盖层控制底泥氮磷释放的影响因素，包括天然沸石粒径、温度、覆盖层 厚度以及人工曝气等，结果表明厌氧状态下富营养化水体的底泥会释放大量的氨 氮，而天然沸石覆盖层可以有效地控制氨氮的释放。化学修复就是通过在已污染 的沉积物表层加入化学试剂，使沉积物中的污染物得到转化或固化，从而减少污 染沉积物的环境影响的治理措施。常用的药剂有氯化铁、铝盐和石灰等。生 物修复方法是利用生物的生命代谢活动减少存在于环境中有毒有害物质的浓度 或使其完全无害化，从而使污染环境能够部分或者完全恢复到原始状态的过程 3 7 1 。与物理和化学修复方法相比，生物修复方法具有节省费用、不破坏原有生 态、去污效率高等优点【4 5 1 。生物修复方法可分为原位生物修复和异位生物修复 两种，其中原位生物修复不需疏浚而直接对底泥进行处理，这样既可节省大量的 疏浚费用，又能减少疏浚带来的环境干扰，是理想的污染沉积物治理方法1 ； 异位生物修复主要应用于疏浚后底泥的处理，其修复效果好但成本高昂，适合于 小面积、高负荷污染底泥的修复。童昌华【4 6 】等通过人工模拟的方法，进行了用 狐尾藻、风眼莲两种水生植物来控制湖泊底泥营养盐释放的研究。结果表明，水 生植物能有效抑制底泥中，t n 、t p 、硝态氮和氨态氮的释放。俞海桥h 7 】等以太 湖西五里湖为研究对象，研究了生态修复工程实施两年后，疏浚区、疏浚并水生 植被重建示范区、退渔还湖区及对照区沉积物中氮、磷形态的季节变化及垂直分 布特征，同时分析了各区上覆水的氮确含结果表明生态修复措施的实施对沉积物 中氮磷形态分布及上覆水的氮磷含量影响显著，在减少外来污染的前提下，对湖 区底泥进行疏浚并开展水生植被恢复工程应该是控制湖泊富营养化的有效途径。 1 2 3 水质模型发展及应用 水质模型是污染物在水环境中变化规律及其影响因素之间相互关系的数学 描述，它既是水环境科学研究的内容之一，又是水环境研究的重要工具【4 引。自 19 2 5 年国的两位工程师s t r e e t e r 和p h e l p s 在对o h i o 河流污染源及其对生活污 水造成的可度量影响的研究中，提出了s t r e e t e r - p h e l p s 水质模型( s p 模型) 以来 【4 9 】，水质模型已经有8 0 多年的发展史。叶常明酬认为水质模型经历了简单的氧 8 田庄水库氮素迁移一转化规律的数值分析 平衡模型、形态模型和多介质环境综合生态模型的3 个发展阶段。 ， 从空间层次的角度上，水环境系统模型又可划分为一维、二维、三维水环境 系统模型。一维模型是最常见的水质模型，主要有q u a l i i 、b l t m 、o t i s o t e q 、 w a s p 、m i k e l1 、c e q u a l r l 、c e q u a l 一刚【v l 、s n t e m p 、德国的 s i m u c i v 模型等【5 ，其中适用于湖库的一维模型有s e l e c t 和c e q u a l r 1 。 二维水质模型可分为水平二维和竖向二维两种。水平二维模型用于模拟水体 流速和污染物浓度仅在水平面的纵向、横向变化，在垂向( 水深方向) 混合均匀 的湖泊水