（环境工程专业论文）城市景观河道水质变化研究——以天津市景观河道为例.pdf

摘要 摘要 本文以津河、卫津河和陈台子河为研究对象，通过对水质、浮游植物、底 质的检测，研究了城市景观河道水质变化规律及其影响因素。根据水体中叶绿 素a 生长的主要影响因素，建立水质模型，预测水体中藻类的生长变化趋势。根 据调查研究结果，提出了具有针对性的河流管理和水质改善对策。本文得到的 主要结论如下： 夏季大规模降水后污水进入景观河道，导致河道水质剧烈变化，一般会使 氮、磷等营养指标及b o d 5 等污染指标升高。部分河段由于水体流动性差，河段 水体长期处于黑臭状态。津河和卫津河水体营养水平较高，利于藻类大量繁殖， 若干河段出现了“水华 现象。 对河道沉积物的监测表明，沉积物中氮、磷、有机质、石油类和重金属含 量较高，在水质较差时，沉积物成为营养物和重金属的“汇 ；在水质好转后， 沉积物中的污染物将成为河道中营养盐和重金属的“源”。 根据大量的监测数据，可以利用b p 神经网络建立河水叶绿素a 的预测模型， 模型预测值与实测值的相关系数达到o 。8 以上。p h 值、溶解氧、温度和叶绿素a 初始浓度在所有参数中相对重要性指数最大，是影响预测结果的主要因素。 严格排污管理，制定科学的调水规划，实施河道生态修复工程，以及鼓励 公众参与是改善城市景观河道水质的重要途径。 关键词：景观河道水质富营养化b p 神经网络叶绿素a a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，w es t u d i e dt h er e g u l a t i o n so fc h a n g e si nl a n d s c a p er i v e rb y i n v e s t i g a t i n gw a t e rq u a l i t i e s ，p h y t o p l a n k t o n ，a n ds e d i m e n to ft h ej i n h er i v e r , w e i j i n r i v e ra n dc h e n t a i z ir i v e r a c c o r d i n gt ot h em a i nf a c t o r st h a ta f f e c t e dt h eg r o w t ho f t h ec h l o r o p h y l l a ，w ec o n s t r u c t e dam o d e lt op r e d i c tt h et e n d e n c yo ft h ec h l o r o p h y l l - a a tl a s t ，w ep u tf o r w a r ds o m es u g g e s t i o n st om a n a g et h er i v e ra n di m p r o v et h ew a t e r q u a l i t y t h em a i nc o n c l u s i o n sw e r ea sf o l l o w s ： i ns u m m e r , a f t e rt h eh e a v yr a i n ，w i lp o l l u t e dw a t e rm i x e d ，w a t e rq u a l i t y c h a n g e ds e v e r e l yi nl a n d s c a p er i v e r ，a sar e s u l t ，t h em a i ni n d i c e ss u c ha sn i t r o g e nf n ) ， p h o s p h o r u s ( p ) ，p e r m a n g a n a t ei n d e x ( c o d m n ) a n db i o l o g i c a lo x y g e nd e m a n d ( b o d s ) i n c r e a s e dr a p i d l y p a r t so ft h er i v e r sw e r ei nb l a c k o d o r sf o ral o n gt i m eb e c a u s eo ft h e p o o rf l u i d i t y t h ew a t e rb o d yo fj i n h er i v e ra n dw e i j i nr i v e rh a dah i 曲n u t r i t i o n ， w h i c hw a sv e r ys u i t a b l ef o ra l g a l ，s o “a l g a lb l o o m ”w a so b s e r v e d t h ed e t e c t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tal a r g e q u a n t i t yo fo r g a n i cm a t t e r s ， p e t r o l e u m l i k em a t t e r sa n dh e a v ym e t a l sw e r ec o n t a i n e di nt h es e d i m e n t w h e nt h e w a t e rq u a l i t yw a si np o o rs i t u a t i o n ，p e t r o l e u m l i k em a t t e r sa n dh e a v ym e t a l sw e r e c l u s t e r e di nt h es e d i m e n t ，o t h e r w i s e ，t h es e d i m e n tw a st h e i rr e s o u r c e a c c o r d i n gt oal a r g en u m b e ro fd a t a ，b a c k - p r o p a g a t i o nn e t w o r kw a su s e dt o c o n s t r u c tt h ep r e d i c t i n gm o d e lo ft h ec h l o r o p h y l l - 钆a n dt h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t b e t w e e np r e d i c t e dv a l u e sa n do b s e r v e dv a l u e sw a su pt o0 8 t h er e s u l t ss h o w e dt h a t p hv a l u e ，d i s s o l v e do x y g e n ( d o ) ，t e m p e r a t u r e ( t ) a n dc h l o r o p h y l l - av a l u ep l a y e da n i m p o a a n tr o l ei np r e d i c t i n gc h l o r o p h y l l - a a n dt h et o t a lr e l a t i v e l yi m p o r t a n ti n d e xo f t h a tw a su pt o4 5 7 t h ef o u rf a c t o r si n f l u e n c e dt h e p r e d i c t i o na c c u r a c yo fb pn e u r a l n e t w o r kg r e a t l y a tl a s t ，w ep u tf o r w a r ds o m ei m p o r t a n ts u g g e s t i o n st oi m p r o v eu r b a nl a n d s c a p e r i v e ra sf o l l o w s ：m a n a g i n gt h es w a g i n gs t r i c t l y ；m a k i n gt h es c i e n t i f i cw a t e rp l a n n i n g ； i m p l e m e n t i n g r i v e r e c o s y s t e mr e c o v e r yp r o e c t a n de n c o u r a g i n gt h e p u b l i c p a r t i c i p a t i o n i i a b s t r a c t k e y w o r d s ：l a n d s c a p er i v e r ；w a t e rq u a l i t y ；e u t r o p h i c a t i o n ；b pn e u r a ln e t w o r k ； c h l o r o p h y l l a i i i 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：季项 2 譬年箩只- ；o e l 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 李噬 解密时间：年 月 日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 亏臂 2 dd 矿年5 月3o 日 第一章文献综述 第一章文献综述 城市的形成和发展与河流息息相关，世界上最早的城市产生于黄河流域、 尼罗河流域及两河流域，可以说是河流孕育了人类的城市。巴黎的塞纳河、伦 敦的泰晤士河、纽约的哈得逊河、上海的苏州河以及南京的秦淮河、天津的海 河，都对所在城市社会和经济发展起到重大作用。 然而河流作为重要的自然资源和环境载体，在为城市发展提供优越条件的 同时，受人类活动的干扰也最强烈，更易出现水体恶化、水质变坏现象。2 1 世 纪世界水资源委员会发表报告指出，全世界有一半以上的大河己被污染，生态 系统遭到严重破坏。在美国，五十多条主要河流都遭到受到的污染，有的污染 面积甚至高达百分之九十；苏联的“母亲河”伏尔加河，因含油污水的排入， 曾引发火灾事件；流经德国和荷兰的莱茵河，曾一度被称为“欧洲最大的下水 道”；日本各大河流的也曾受到严重污染。在全球范围内，诸如此类的污染现象 和由于污染引起的许多灾害还有很多，严重阻碍了社会和经济的发展，威胁着 人民的健康。 第一节城市景观河道概况及存在问题 1 1 1 河流的现状 根据2 0 0 4 年中国环境质量状况调查报告，在流经全国4 2 个大中城市的4 4 条河流中9 3 被污染，6 4 的城市河段为v 类水质。水体污染严重时水浑 浊，水体变黑变臭，或藻类大量繁殖，形成水华，这已成为城市生态环境建设 中的难题。 2 0 0 2 年，国家环保总局根据七大水系7 4 1 个重点监测断面数据得出结论： 2 9 1 的断面满足i i 类水质要求，3 0 o 的断面属、v 类水质，4 0 9 的断 面属劣v 类水质。其中七大水系干流及主要一级支流的1 9 9 个国控断面中，i i i i 类水质占4 6 3 ，i v 、v 类水质断面占2 6 1 ，劣v 类水质断面占2 7 6 。主 要污染指标是石油类、生化需氧量、氨氮、高锰酸盐指数、挥发酚和汞等。相 对于2 0 0 1 年，水质属于恶化趋势，水质状况不容乐观。 】 第一章文献综述 国家环保总局1 9 9 9 年公布的环境状况公报显示：我国流经城市的河段普遍 受到污染，1 4 1 个国家重点监控城市河段中有6 3 8 的城市河段为至劣v 类 水质。城市河道的污染情况和城市的经济发展水平具有相关性，工业化、城市 化发展越快，城市规模、人口增加压力越大，环境负荷越大，城市河道的水质 也就越差。以上海市为例，上海原为水资源丰富的城市之一，然而由于水体遭 受严重污染，已被列为全国3 0 0 个典型水质型缺水城市之一。河道水体水质除 了长江口三岛( 崇明岛、长兴岛、横沙岛) 河流水质较好，基本达n n i 级外， 黄浦江水质为级，其余基本为v 级乃至劣v 级。河流的水危机已经严重制约 了经济的发展，影响了人民群众的身体健康，对河道存在问题进行研究、治理 已是刻不容缓的工作。 1 1 2 城市景观河道特点 随着城市化进程的加快与可持续发展战略的实施，城市综合治理与城市水 环境保护已逐渐提到日程。许多城市为了美化市容，建立城市水环境，将一些 原来污染的或者轻度污染的河流或者流经城市的河流段进行整治，再配以风景， 从而形成景观河道。作为引用水源及航运通道，满足城市物资的供应和需求， 同时吸纳污染物，调节气候，排洪排涝，给我们提供了安全保障，还起到绿化 城市，提供河滨娱乐场所，满足精神上需求的作用。 城市景观河道界于天然河道和人工渠之间，具有其独特的水力特性。城市 河道普遍较浅，河道顺直，水量小，流速慢，枯水季节甚至断流，河道两岸甚 至河底多采用混凝土衬砌，两岸植物少，水中生物少，受人为活动影响大，接 纳污染物多且成分复杂，这些特性决定了城市河流环境容量小，生态系统脆弱 的特点。 1 1 3 城市景观河道现阶段存在问题 随着社会经济的飞速发展，城市对水资源的需求和依赖不断增大，而随之 带来的水质恶化也日益严重。人类活动对城市河道的影响突出表现在两个方面： ( 1 ) 城市工业废水和生活污水未达标排入河中，从而改变河道水质；( 2 ) 工程 建设活动改变了河道的地貌和水文特征。为了追求经济利益，国内外许多城市 不注重水环境保护，经济的快速发展往往以牺牲环境为代价，从而使天然水系 2 第一章文献综述 不断萎缩、水质严重恶化。同时，城市河道日益成为天然排污场所，大量的污 水和垃圾排入使河道生态功能逐渐丧失，在世界范围内普遍形成城市河道严重 污染的现象。城市河道污染问题成为影响现代城市可持续发展的限制性因素之 一，甚至危及人类自身的生存。欧美国家在经济高速发展之后，又花费巨资治 理受污染河道，经过几十年的治理后，许多城市河道水质已恢复正常。而在我 国由于经济实力有限，治污行动开展缓慢、或疏于管理，城市河道中仍存在以 下问题。 ( 1 ) 河道系统面积减少。河道空间被道路、市街、商业区、住宅区挤占， 自然河道，溪沟被填埋、暗渠化，河道系统面积减少，河道规划面积难以确保； ( 2 ) 自然地貌改变，水文特征恶化。河岸自然地形被平整化，河道岸线直 线化，河底硬化，景观多样性消失，地下水交换受阻，洪水威胁增大； ( 3 ) 功能简单化，甚至完全消失。河道系统演化为单调的泄洪道和排污沟， 河道功能简单化，原有经济、生态、社会、文化功能丧失； ( 4 ) 环境污染严重。城市垃圾管理不善，沿河堆积、下水道建设滞后、污 水直排、河道中悬浮物和沉淀物明显增加、河道侵蚀加剧、氮磷等营养物质和 有毒物质输入增多，水质恶化，黑臭和水华现象时有发生，水域功能退化甚至 丧失； ( 5 ) 生态系统退化，自净能力丧失。河道人工化、物理化，水域栖息生物 减少或消失，河滨生物栖息地网络被分割、孤立，河岸自然生物群落消失、绿 地人工化，生物多样性受损【l 】。 第二节国内外主要应对措施及研究进展 鉴于城市河道自身特点，其治理、修复方法，要充分考虑技术上的可行性、 与生态相容性、经济合理性和可持续发展性，本文从污染控制技术、水质模型 研究、治河理念上介绍国内外研究成果。 1 2 1 污染控制技术 1 2 1 1 物理方法 ( 1 ) 引水冲污法 3 第一章文献综述 通过引入清洁的江河水对城市河道进行冲刷，变静态水为动态水，增强河 水流动性，稀释污染物浓度，提高城市河道水的自净能力，缓解水质污染状况 2 1 。 例如“引江济太”工程，2 0 0 0 - 2 0 0 3 年超过3 0 亿m 3 的长江水被引入太湖，对 改善太湖水质起到一定作用，并带来了治水理念的重大转变。至2 0 0 4 年底，通 过望虞河引调长江水入太湖流域6 5 亿r n 3 ，太湖水体的置换周期由原来的3 0 0 天 缩短至2 5 0 天，使太湖水质有所改掣蛐】。 ( 2 ) 截污治污法 将原本直接排入城市河道水体的污水收集到污水厂处理后再排放，削减河 道受纳水体的污染物总量，主要包括点源污染控制和非点源污染控制技术。点 源污染的控制技术主要将合流制污水管道改建成分流制，实现雨污分离、清浊 分流。非点源控制技术主要是针对雨水径流，可通过设置净化湖实现【- 9 】。 ( 3 ) 底泥疏浚法 疏浚底泥是一种被认为整治河流最常用的方法，快速有效，可削减水体内 源性污染物的释放量，同时还可达到增大库容的目的。例如瑞典的t r u m m e n 湖， 清除表层l m 厚的底泥后，水深增加1 1 1 7 m ，t p 浓度迅速下降1 0 1 。我国滇池 草海一期工程疏浚底泥4 0 0 万m 3 ，工程实施后，疏浚区水体不再黑臭，水质明 显好转，水体透明度由原来小于0 3 7 m 提高到o 8 m 1 1 】。 ( 4 ) 增氧曝气 对黑臭河流进行人工曝气( a r t i f i c i a la e r a t i o n ) ，可加速水体的复氧过程，迅 速氧化有机物厌氧降解时产生的h 2 s 及f e s 等致黑臭物质，有效地改善或缓解 黑臭现象 1 2 - 1 4 1 。 1 2 1 2 化学方法 常见的化学法是投加杀菌灭藻剂。城市河道水中的大量繁殖藻类，不仅影 响了水体的美观，而且挡住了阳光，致使许多水下的植物无法进行光合作用， 释放氧气，使水中的污染物质发生化学变化，导致水质恶化，发出难闻的恶臭， 水也变成了黑色。投加化学灭藻剂，可以杀死藻类。但是，任何化学除藻剂都 会对水生生态系统造成负面影响，而且，由于藻类对杀藻剂的抗性增加，以及 水体的稀释作用，其效果往往不能持久。尽管如此，除藻剂仍然不失为一种控 制藻类特别是防止夏季水华的重要手段。化学治理要少用和谨慎，防止产生二 次污染【1 5 】。 4 第一章文献综述 1 2 1 3 生物、生态法 ( 1 ) 投加菌种法 微生物在自然界大量而广泛的存在，是生态系统的重要组成之一，它们能 将自然界中的动、植物尸体及残骸分解，将一些有害的污染物质加以吸收和转 化，成为无毒害或毒害较小的物质。在城市河道水质恶化的时候，采取适当的 微生物技术，能加速水中污染物的分解，起到水质净化的作用【l 昏1 7 1 。常见的技 术有，微生物调控技术、微生物修复技术和投加生物促生剂。微生物调控技术 是当今污染水体控制途径的热点之一。人为的创造出一个底泥表层微生物可良 好生存的水环境，使河水最大程度恢复其固有的“自然净化能力 ，具有净化费 用省、环境影响小、能使污染物最大限度降低等特点。与之相应的是微生物修 复技术，可通过直接向水体投加生物菌种，依靠这些专性菌的代谢作用来降解 水中特种污染物质；也可以向水体投加生物促生剂，通过促使水体“土著 微 生物的生长繁殖，达到净化水体的作用1 8 锄】。 ( 2 ) 水生植物净化法 在受污染的城市河道水体中种植具有水体净化作用的水生植物，利用植物 的根系吸污纳垢，吸收溶解在水中的氮、磷，通过光合作用释放氧气，构成一 个模拟自然水体自净的生态环境 2 l - 2 4 1 。但应慎重采用水生物净化水体，这是因 为有些水生植物( 如水葫芦) 繁殖速度太快，当打捞速度跟不上其生长速度时，易 使大面积水面受其覆盖，降低水体的自净能力，并且未打捞的水生植物腐烂物 还会对水体形成二次污染2 5 也6 1 。 ( 3 ) 生态浮床技术法 生态浮床技术结合生态修复技术，运用无土栽培技术原理，以高分子材料 为载体和基质，把现代农艺和生态工程措施有机结合，能有效抑制河道水体黑 臭，改善河道水质，美化和净化水环境。其原理是利用植物发达的根系及其根 系表面所附着的生物膜( 含有大量的细菌和原生动物等) ，分泌了大量的酶，可以 削减污染负荷，并使硝酸盐和磷酸盐矿化，有利于植物的吸收。近年来，有研 究者尝试了人工植物浮床浮岛( a r t i f i c i a lf l o a t i n gi s l a n d ) 和生物栅( b i o l o g i c a l b a r r i e r ) 技术在水质净化中的作用 2 7 训】。 ( 4 ) 生物操纵法 生物操纵( b i o m a n i p u l a t i o n ) 是人为调节生态环境中各种生物的数量和密度， 通过食物链中不同生物的相互竞争的关系，来抑制藻类的生长【3 2 。3 3 1 。目前常用 5 第一章文献综述 的主要有放养食藻( 草) 鱼、藻类的回收与利用、水生植物的养殖与收割等方法。 有研究表呀3 4 】等在3 0 9 m 3 水体的放养生物量下，对微型生态系统中鲢、鳙鱼的 生物操纵作用进行了实验研究。结果表明：鲢、鳙鱼的放养，尤其是混养可有 效抑制水体中水蚤类浮游动物的孳生，而且水体中氮、磷等营养物质得到了一 定程度的去除，浮游藻类尤其是蓝、绿藻的生物量也被控制在较低的水平，从 而有效控制和缓解了水体富营养化的进程。 1 2 2 水质模型 水质模型是对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。近 几十年来，许多国内外的专家学者对水质模型有了广泛深入的研究。一般把它 分为三个发展阶段，即简单的氧平衡模型阶段、形态模型阶段和多介质环境综 合生态模型阶段。 最早的氧平衡模型起源于1 9 2 5 年，由两位美国工程师s t r e e t e r 和p h e l p s 建 立的用于研究河流有机污染的水质模型，称为s p 模型 3 5 1 。5 0 年代考虑生化需 氧量( b o d 5 ) 及溶解氧( d o ) 耦合因素，建立双线性系统模型，改进了s p 模 型。6 0 年代末，随着人们认识的不断深化和计算机技术的应用，考虑的因素也 愈来愈多，出现了有名的o c o n n e r 模型( 1 9 6 7 ) 等。在此期间，出现了许多类 似的氧平衡模型，主要的理论依据都是有机物降解耗氧和大气复氧的动态平衡 关系，其中d o b b i n s 模型比较具有代表性，他们在模型中增加了氮化物和底泥的 作用，无论是模型参数形式还是求解技术方面都较以往有了很大的改进【3 6 - 3 7 ； g r e n n e y ( 19 7 8 ) 在他们的工作基础上研制出了q u a l i i 河流有机污染综合水质 模型，这是一种较为复杂的非线性氧平衡生态模型，它可以按照使用者所希望 的任意组合方式模拟水温，溶解氧d o ，生化需氧量b o d 5 ，藻类( 以叶绿素a 计) ，氨氮，亚硝酸氮，可溶性磷，大肠杆菌等1 3 种水质成分中，任选的一种 可降解物质和三种任选的非降解物质【3 7 】。在q u a l i i 模型的基础上，美国环保 局又开发了q u a l 2 e 模型，它模拟的成分在q u a l i i 模型的基础上又增加了有 机氮和有机磷，总共可以模拟1 5 种水质成分。该模型目前己被广泛应用于河流 水质预测和水质规划管理工作中。 形态模型是表征污染物在不同状态和不同形态下水环境行为的模型。随着 6 第一章文献综述 污染物水环境行为和水质标准制定工作研究的不断深入，传统的氧平衡数学模 型已不能满足实际工作的需要，同一个污染物由于它在水环境中存在的状态和 化学形态的不同而表现出完全不同的环境行为和生态效应。因此水环境模型中 需要一种能表征污染物在不同状态和形态下水环境行为的模型，这就是形态模 型。 随着污染物水环境行为和水质标准制定工作的不断深入，以及科学的不断 发展和各学科的相互渗透、相互激励，水质模型的研究进入到了多介质环境综 合生态系统模型。所谓多介质环境是指大气、水体、土壤、生物等组成的庞大 系统，其中水是核心【3 8 1 。模型内部结构为多种相互作用的非线性系统，空间维 数已经发展到三维。1 9 8 5 年c o h e n 提出该模型以来，主要集中在理论模型的探 讨【3 9 1 。 近来，随着计算机的发展，很多人开始研究将神经网络和遗传算法应用于 水质的研究与预测，针对湖泊、水库甚至海域建立了叶绿素a 的预测模型 4 6 1 。 1 2 3 治河理念 从目前情况来看，发达国家对城市河流的整治，己经摒弃经济高速发展时 期所形成的“唯效率主义 的河流整治观念，而是进行河流回归自然的改造， 注重河流自然生态和自然环境的恢复和保护，进入到“低干预”或是“自然恢 复”的高层次阶段。 近年来，河流生态修复技术得以迅速发展。瑞士、德国等国家于2 0 世纪8 0 年代末提出了全新的“近自然河流 概念和“自然型护岸”技术【4 7 书】。所谓“自 然型护岸”技术，就是放弃单纯的钢筋混凝土结构，改用无混凝土护岸或钢筋 混凝土外覆土、植被的非可视护岸。在9 0 年代初又提出了“多自然河流治理法， 即多种生物可以生存、繁殖的治理法，它以“保护、创造生物良好的生存环境 与自然景观 为建设前提，在再生生物群落的同时，建设具有抗洪强度的河流 水利工程 5 0 】。德国在河流治理中普遍采用近自然河流法，如除去河道硬化层， 允许水流自然侵蚀；保持优美的流态；采用鱼类能上溯的落差；设置鱼虾产卵 场；甚至还专门为老人和儿童修改河滩，以保证他们能安全地接近河水。 在美国，也采用了这种方法。并提出了基于流域尺度的“流域方法 ，认为 高地和下游区域之间，地表水和地下水之间存在联系。2 1 世纪，美国开始把城 7 第一章文献综述 市河流的整治及其成效纳入到公众舒适性的一部分，更加强调人与河流的自然 和谐，在开展河流整治时注重公众参与。此外，美国已经把河流的“流域管理 理念作为今后整治及其的重要方向，该理念强调了“经济、生态、文化可持续 性相融合新管理模式，代表了美国未来城市河流整治的新思路。 日本在1 9 6 5 年以后，针对因城市化急剧发展，围绕河流引起的问题开展了 新的河流治理，推行了“城市综合治水对策”，并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“环境”。日本河流研究者将河流水域、河滨空间及河畔居民社区当作一个 有机的整体，认为河流管理对象应该包括河流水量、水质、河流生态系统、河 流水循环、河流水洪空间、河流与河畔居民社区的关系。2 0 世纪年代，日本实 施了、创造多自然型河川计划，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，形成良好的河流景观与滨水环境，建设城市水 网并加强绿化，水边空地要具有舒适开阔的空间，为各种娱乐活动提供适宜的 场所，并重视生物多样性。 英国泰晤士河的建设也经历了先污染后治理的开发过程。泰晤士河一直以 来为伦敦人提供了宝贵的公共休闲空间和历史性场所，同时也是城市交通动脉、 排水系统的核心组成部分。然而长期以来，这条河作为一份被忽略的财产，也 曾经被大家视为废弃、割裂、障碍性的城市地段。1 9 世纪开始，泰晤士河变成 河水浑浊、污染严重的臭河。到1 9 世纪年代末，泰晤士河的污染更加严重，含 氧量等于零，除少数鳝鱼，其它鱼类几乎绝迹。1 9 6 4 年，英国开始对泰晤士河 进行治理，通过制定相应的治污法律、法规，实行区域性水污染防治体制，建 设了多座污水处理厂，形成了完整的城市污水处理系统。经过将近2 0 多年的艰 苦整治，耗资2 0 亿英镑，如今流经伦敦的泰晤士河已由一条死河、臭河变成了 世界上最洁净的城市水道之一，泰晤士河终于又焕发了生机，达到饮用水标准， 1 0 0 多种鱼类重返泰晤士河，泰晤士河重又成为伦敦的一道风景线。为了进一步 改变泰晤士河的形象，2 0 0 2 年实施了“泰晤士战略从柯尤到切尔西”的区 域性城市更新计划。柯尤到切尔西这段泰晤士河跨越了伦敦市的多个行政区， 从上游的柯尤桃源理想城到中游的朗伯斯大主教区，再到下游的威斯敏斯特议 会区，整个地区变化丰富又独具个性，整个计划涉及到河道整治、历史遗产保 护、视觉及地标、景观和开敞空间、生物多样性、休闲旅游、滨河运动、开发 策略等多方面问题。 8 第一章文献综述 1 3 1 研究背景 第三节本研究的背景、内容及具体方法 随着我国城市居民生活环境不断的改善，城市中景观水体的建设受到了普 遍重视。不少大城市对原有的河道进行了疏通改造，使得无数“臭水沟 摇身 一变成为一道道亮丽的风景线。天津作为中国一个大城市，在城市发展的同时， 对城市水环境也进行了综合治理。2 0 0 0 年，市政府投入巨资改造了市区两条重 要的河道津河和卫津河。改造后投入运行之初，河道水质比较好，但是随 着时间的推移，水质呈现恶化的趋势。其中，津河呈现明显的富营养化现象， 在不少河段夏季有水华( a l g a lb l o o m ) 形成；而卫津河更是出现令人头痛的黑臭 问题，天津市陈台子河是一条重要的二级河道，水源来自于咸阳路污水处理厂 的二级出水，也出现类似情况。城市景观河道水质恶化问题是许多城市必须面 临的问题，如得不到妥善解决，城市的形象将受到极大损害，因此景观河道水 质研究是一个很有价值的课题。 本文以建设部科技项目“天津市生态系统的水环境研究为依托，着重研 究了合流制排水系统对二级河道水质的影响、城市污水处理厂二级出水进入城 市二级河道的白净规律以及河道的水质变化预测模型，为水质管理和水质规划 提供可靠的科学依据，而且可以为各种治理措施提供可行性论证，起到事半功 倍的作用。 1 3 2 主要内容、方法 本文的主要内容是： ( 1 ) 对雨后的津河、卫津河水质进行一系列的调查研究，进行水质监测、 底泥检测，研究其污染状况和营养水平，探讨雨水径流对河道水质的影响； ( 2 ) 以陈台子河为对象，研究污水处理厂二级出水在城市二级景观河道中 的自净规律； ( 3 ) 以所监测水质为基础，建立水质模型，预测水体中藻类的生长变化趋 势，为水体富营养化控制提供新工具； ( 4 ) 最后根据研究结果，提出水质改善措施，希望能够对城市景观河道的 改造和维护提供有益的帮助。 9 第一章文献综述 主要方法包括： ( 1 ) 调研景观河道现状及存在问题，了解各国对此所采取的方案和措施； ( 2 ) 对津河、卫津河和陈台子河水质调研，确定研究方案，进行水质、底 泥的监测； ( 3 ) 分析数据，研究水质变化规律； ( 4 ) 利用检测数据建立b p 神经网络模型，实现河流中叶绿素的预测； ( 5 ) 利用水质模型进行模拟，并与现有的监测数据进行对比，然后对模型 进行修改，直至达到较好效果； ( 6 ) 提出景观河道的运行管理意见及污染防治措施。 1 0 第二章津河水质变化及影响因素 第二章津河水质变化及影响因素 津河是天津市区重要的景观河道，其主要河道功能是排泄城市雨水和污水。 近年来，由于雨水地表径流及合流制排水管道带来的大量污染物，导致津河水 质也不断下降，春夏之交富营养化现象严重，给当地居民的身心健康，市容市 貌带来许多负面影响。因此，以津河为研究对象，探讨雨水径流及合流制排污 体制对景观河道带来的影响，从而制定相应的措施以管理河道，改善水质，显 得十分必要。 第一节津河概况 津河原名墙子河，是天津市中心城区废墙子河、复康河、红旗河、西墙子 河、南运河等五条废旧河道疏浚之后形成的新河道，全长1 8 5 k m ，上下游均与 海河相通。 津河原为市区降大雨或暴雨时排入海河的通道，沿河两岸多为商贸、住宅 区。2 0 0 0 年前，每当雨季，由于河道常年淤积占压严重，使得水流不畅，过水 断面远远小于河道排洪功能的要求。如果遇到大雨或暴雨，水位高涨，顶托管 道自流口及泵站出口的排入，致使两岸低洼地区大面积被积水淹泡，群众生活 受到严重危害。该地区由于疏于治理，两岸居民存在乱泼乱倒现象，占压河道 现象时有发生。雨季过后，下游出口闸门关闭，形成死水，水质恶化，自然环 境受到污染。无论是旱季的恶劣环境，还是汛期的淹泡之苦，均长期困扰着两 岸居民。为彻底解决这一问题，天津市政府于2 0 0 0 年对墙子河进行了综合治理 改造工程，并将其命名为津河。为了保持河道水的水质，在津河改造时，在其 源头修建了泵站，将海河水从上游注入，通过津河下游返回到海河。由于津河 属于典型的城市闸控河流，其水质的优劣在很大程度上取决于海河来水状况。 研究表明，海河输入津河的污染物负荷分别达到：总氮5 9 6 ，总磷1 9 6 ，高 锰酸盐指数4 6 6 。再加上津河本身水体流动性较差，在外部和内在环境的交互 作用下，有较强的富营养化趋势。 第二章津河水质变化及影响因素 第二节研究方法 本研究沿津河设定5 个采样点，从起点至终点依次为三元村桥、日环里桥、 一中心、八里台桥、津海桥。从2 0 0 6 年7 月至2 0 0 6 年1 1 月进行连续监测，测 定指标包括氨氮( n h 3 - n ) 、总氮( t n ) 、总磷( t p ) 、正磷酸盐( d i 冲) 、高锰 酸盐指数、温度( t ) 、溶解氧( d o ) 、p h 、化学需氧量、c o d c ，、悬浮物( s s ) 、 五日生化需氧量( b o d 5 ) 及叶绿素a ( c h l a ) 共1 2 个水质指标，测定方法参见 国家环保总局编制的水和废水监测分析方法( 第四版) 。 外 黼孩熊潮兹黼 一 津河 一卫津河 彩e 圃 图2 1 津河、卫津河采样点位置图 在发达国家，点源污染基本得到有效控制，雨水径流带来的非点源污染己 成为水体污染的主要因素 5 1 - 5 2 】，如美国约有6 0 的河流与湖泊的污染与非点源 污染有关。己实现污水二级处理的城市，水体年负荷约4 0 - - 8 0 来自雨水径流。 美国环保局最近资料还表明，在一些州约2 2 0 0 0 个被污染水体中，城市径流和 其它非点源污染被列为主导污染源的占1 8 以上【5 3 1 。我国雨水径流引起的污染 问题也很严重，在太湖、滇池等重要湖泊，非点源污染已成为水质恶化的主要 1 2 第二章津河水质变化及影响因素 原因之一【5 4 1 。雨水径流携带大量污染物排入城市水系也造成严重污染黔5 8 1 。 表2 1 监测期间降水量统计 注：部分降雨发生在夜间，因而跨度为2 天；降水等级划分依据国家气象局颁布的降 水强度等级划分标准( 内陆部分) ，数据来自北辰气象局网站。 表2 2 采样时间表 2 3 1 氮 第三节津河水体营养状态变化 由图2 2 可知，津河5 个采样点氨氮在7 月8 月波动较大，其中，津海桥 ( 津河下游) 最高达1 8 5 1 m g l ，三元村桥( 津河上游) 波动最小，最高值出现 在8 月1 0 日，为6 5 3 m g l 。进入9 月后，各点氨氮浓度一直处于较低水平，最 高的一次津海桥仅为5 1 0 m g l 。由图2 3 可知，三元村桥氨氮平均浓度最低，为 2 6 4 m g l ，津海桥浓度最高，为6 8 3 m g l ，二者相差2 6 倍。可以看出，津河水 体氨氮受降水影响较大；上游受降水影响较小，下游受降水影响大。 一八里台枥 弧氐蘸二一 jason 时间 图2 2 津河各采样点氨氮变化曲线 1 3 加 ：2 m 5 o 鲁v聪豚 第二章津河水质变化及影响因素 采样点 津 海 图2 3 津河各采样点氨氮平均值 由于氨氮在总氮中的比重较大，因而总氮变化与氨氮变化趋势相似( 图2 2 、 图2 4 ) 。前4 个采样点总氮平均值接近，最高的津海桥也只是最低的三元村桥 的1 4 倍( 图2 5 ) 。由此可知，降水对总氮的影响小于氨氮，津河上游与下游总 氮的差别较小。 2 5 2 0 总1 5 g 腻l o 蹈 5 0 + 三元村桥 jason 时间 图2 4 津河各采样点总氮变化曲线 1 4 8 7 6 5 4 3 2 l o (_1暑置v酶晡 第二章津河水质变化及影响因素 2 3 2 磷 会 g v 腻 蘧 采样点 图2 5 津河各采样点总氮平均值 由图2 6 可知，日环里桥、一中心、八里台桥7 、8 月总磷浓度较高，此后 明显降低；三元村桥和津海桥总磷至9 、1 0 月仍然较高。由图2 7 可知，总体上 津海桥总磷浓度最高，平均值为0 9 9 m g l ，其次为三元村桥，其余3 个采样点 总磷平均浓度接近。 1 4 1 2 粥 蓉0 6 珀0 4 o 2 o 0 jas on 时间 图2 6 津河各采样点总磷变化曲线 1 5 o 8 6 4 2 o 第二章津河水质变化及影响因素 2 3 3 藻类 1 2 1 o 毫m 8 30 6 薹0 4 o 2 o 0 津 采样点 图2 7 津河各采样点总磷平均值 由图2 8 可知，各点叶绿素a ( 以下简称叶绿素) 一直处于波动之中，其中 最高值出现在津海桥( 7 月2 7 日) ，叶绿素浓度高达3 9 9 2 9 9 l ，另一个高峰值 出现在三元村桥( 9 月2 8 日) ，最高一次为2 7 1 6 9 l 。叶绿素变化有两个特点： 一个是受降水影响大，一般情况下降水后叶绿素浓度迅速降低；另一个是波动 范围大，这与藻类在水体中增殖速度快和垂直分布变化大有关。尽管波动较大， 各点叶绿素平均浓度却比较接近，只有日环里桥明显低于其他采样点。在水温 较高的条件下，水温对叶绿素不是决定因素，而在温度较低时，温度对叶绿素 影响较大，如图2 1 0 、2 1 1 所示，津海桥水温一直明显高于其他采样点( 平均高 6 2 5 6 ) ，1 1 月中旬( 1 4 日) ，其他采样点叶绿素已经接近或等于0 ，而津海 桥仍为2 5 1 “l 。 1 6 第二章津河水质变化及影响因素 4 5 0 4 0 0 ，、3 5 0 总3 0 0 号2 5 0 辗2 0 0 骤1 5 0 古1 0 0 5 0 0 ason 时间 图2 8 津河各采样点叶绿素变化曲线 1 2 0 l o o 雷8 0 i 6 0 懈 骤4 0 亡 2 0 0 p v 瑙 赠 采样点 图2 9 津河各采样点叶绿素平均值 ason 时间 图2 1 0 津河各采样点水温变化曲线 1 7 拍如巧加坫m 5 o 第二章津河水质变化及影响因素 4 5 4 0 ，、3 5 患3 0 号2 5 橇2 0 臻1 5 古l o 5 u 1 0 月2 6 日1 1 月1 4 日 采样时间 图2 1 1 津河各采样点1 0 月和1 1 月叶绿素浓度 表2 3 津河各采样点浮游植物优势种变化 时间7 月9 月1 1 月 华美平裂藻( 蓝)直角十字藻( 绿)斜生栅藻( 绿) 三元村桥库氏小环藻( 硅)库氏小环藻( 硅)四尾栅藻( 绿) 长刺根管藻( 硅)球状空星藻( 绿)绿脆杆藻( 硅) 细小平裂藻( 蓝)四足十字藻( 绿)四尾栅藻( 绿) 日环里桥铜绿微囊藻( 蓝)铜绿微囊藻( 蓝)池生胶球藻( 绿) 库氏小环藻( 硅)直角十字藻( 绿)库氏小环藻( 硅) 细小平裂藻( 蓝)库氏小环藻( 硅)斜生栅藻( 绿) 一中心库氏小环藻( 硅)球状空星藻( 绿)四尾栅藻( 绿) 长刺根管藻( 硅)库氏小环藻( 硅) 细小平裂藻( 蓝)四足十字藻( 绿)点状平裂藻( 蓝) 八里台桥波形直链藻( 硅)库氏小环藻( 硅)模糊直链藻( 硅) 库氏小环藻( 硅) 球状空星藻( 绿) 库氏小环藻( 硅) 细小平裂藻( 蓝)点状平裂藻( 蓝)点状平裂藻( 蓝) 津海桥斜生栅列藻( 绿) 螺旋藻( 蓝) 模糊直链藻( 硅) 螺旋藻( 蓝)颤藻( 蓝)月状蹄形藻( 绿) 注：括号中表示的是该藻所属门类，分别为蓝藻门、绿藻门和硅藻门。 由表2 3 可知，7 月份各采样点藻类生物量明显高于9 月和1 1 月，各种藻类 同时增殖，物种丰富度较9 月、1 1 月较高，与水温等水文气象条件有关。9 月份 1 8 第二章津河水质变化及影响因素 硅藻比例明显低于7 月份和1 1 月份，而绿藻优势度却相对增高。几个采样点优 势种间具有一定相似之处，但也存在差别。从9 月份数据看来，日环里桥出现 的铜绿微囊藻和水花束丝藻( 固氮蓝藻) 是富营养水体的指示藻种，也是常见 的水华种类，且镜检发现优势铜绿微囊藻有聚结成团的情况，处于水华发生期。 津海桥出现的小颤藻和螺旋藻也是营养物质丰富的水体中常见的水华种类。与 其它各采样点相比，这两个采样点的营养水平可能高一些。 2 4 1 高锰酸盐指数 第四节津河污染状况 由图2 1 2 可知，除津海桥外，其他采样点7 、8 月高锰酸盐指数较高，9 、 1 0 月逐渐下降，1 1 月降至较低水平，其中最低的三元村桥仅为2 2 m g l 。而津 海桥高锰酸盐指数一直较高，最低一次出现在8 月1 7 日，为7 5 m g l 。在1 0 月 1 2 日甚至出现2 7 o m g m 的最高值。尽管各采样点高锰酸盐指数平均值差异不大 ( 最低为9 9 m g l ，最高为1 1 8 m g l ) ，但还是可以看出从上游至下游逐渐升高 的趋势( 图2 1 3 ) 。综上所述，高锰酸盐指数受降水影响较大，下游污染程度高 于上游。 + 三元村桥 jason 时间 图2 1 2 津河各采样点高锰酸盐指数变化 1 9 如 巧 加 坫 m 5 o 毫暑v籁霉钼链耀恒 第二章津河水质变化及影响冈