（环境工程专业论文）五里湖湖滨带生态修复效果与水体富营养化评价.pdf

摘要 摘要 随着人类对环境资源开发利用力度的日益增加，大量含氮、磷元素营养物质的污染 物不断排入湖泊、水库和河流，增加了水体的营养物质负荷量，加速了水体富营养化的 速度。虽然目前传统的水处理方法工艺流程已经很成熟，但对于湖泊，河流等开放性水 体的治理确存在着极大的局限性。鉴于这种情况，近年来水体生物修复技术成为研究焦 点，而在整套修复技术的研究之中又以水体微生物的研究最受关注。 ( 1 ) 经过2 0 0 7 年2 月到2 0 0 8 年1 月对蠡湖公园人工湿地系统9 项水质指标的监测， 通过对比修复中心区、修复水质区及湖滨水质区的指标监测结果发现蠡湖公园人工湿地 系统作为人工生态修复系统，对五里湖湖滨带水体c o d m n 、t p 、t n 、n h 4 + n 等污染物 去除有明显促进作用，同时还具有稳定水体d o 的作用。对湖滨带水体有明显的修复效 果。 ( 2 ) 通过分类将五里湖湖滨带分为湖滨修复区、湖滨水质区和湖滨景观区。经过2 0 0 7 年2 月到2 0 0 8 年1 月对其水质进行的采样分析，发现五里湖湖滨修复区t p 、t n 、c o d m n 、 n 吖- n 等主要水质指标较其它两个区域都有明显改善，体现出良好的生态修复效果。 相关性统计分析表明五里湖水质指标中t p 、c o d m n 、t n 、n h 4 + - n 四个指标互呈显著正 相关关系，其中t p 与t n 和c o d m n 的相关性最显著；水体细菌总数与水温存在显著正 相关关系。通过聚类统计分析将水质指标划分为三类：t p 、c o d m n 、t n 、n h 4 + n ；水 体总菌数和水温；d o 和s d ，反映出五里湖水体污染主要来自于非点源污染，其水体富 营养化处于发展阶段。 ( 3 ) 利用s p s s 软件对9 项水质指标进行主成分分析并进行重要度排序，得出t p 、 t n 、c o d m n 、n h 4 + - n 、d o 五项指标能反映水质状况的绝大部分信息，因此选取它们作 为聚类指标，参照中国湖泊富营养化评价标准，将富营养化分为4 个级别作为4 个灰类， 将指标监测数据和灰类值进行无量纲化处理后，通过灰色聚类法对五里湖水体春、夏、 秋、冬四季及年均的富营养化程度进行了评价。结果表明：2 0 0 7 年一年内，五里湖湖滨 带水体都处于富营养( i i i ) 级状态。 关键词：五里湖，水体富营养化，水体生态修复相关性分析，聚类分析，非点源污染， 灰色聚类法 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s ee x p l o i t a t i o no ft h en a t u r a lr e s o u r c e s ，e s p e c i a l l yt h ew a t e rr e s o u r c e s ，m o r e p o l l u t i o nc o n t a i n i n gn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sh a sb e e nd i s c h a r g e di n t ol a k e s ，r e s e r v o i r sa n d r i v e r sc o n t i n u o u s l y i ti n c r e a s e st h eq u a n t i t yo fn u t r i m e n ts u b s t a n c ea n da c c e l e r a t e st h es p e e d o fe u t r o p h i c a t i o ni nw a t e r b o d y t h et r a d i t i o n a lp r o c e s sf l o wo fw a t e rt r e a t m e n ti sa l r e a d y m a t u r e b u tf o rs o m eo p e nw a t e ra r e as u c ha sr i v e r sa n dl a k e s ，t h ep r o c e s sf l o wh a sl a r g e l i m i t a t i o n a st ot h i sc o n d i t i o n ，c c o l o g i c a lr e m e d i a t i o nh a sb e e ni n t e m a t i o n a lr e s e a r c hf o c u s i nr e s e n ty e a r s a n dt h em i c r o o r g a n i s m sr e l a t e dt ot h er e m o v a lo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s f i - o me u t r o p h i c a t e dw a t e rh a v ea t t r a c t e dm o r ea t t e n t i o n ( 1 ) b yc o n t r a s tw i t ht h ew a t e rq u a l i t yi n d i c e si nt h el i h u p a r kf i o mf e b 2 0 0 7t oj a n 2 0 0 8 ， s u c hi n d i c e sa st p ，t n ，c o d m na n dn h 4 1 。一ni nt h er e s t o r a t i o nc e n t e rw e r em u c hb e t t e rt h a n t h o s ei nt h er e s t o r a t i o na r e aa n dt h el a k e s i d ez o n e a r t i f i c i a lw e t l a n ds y s t e mc o u l dp r o m o t e e l i m i n a t i o no fp o l l u t a n ti nt h ew a t e r i ta l s os t a b i l i z e dt h ec o n c e n t r a t i o no fd 0i nt h ew a t e r a n dc o u l do b v i o u s l yr e s t o r et h el a k e s i d ez o n e ( 2 ) t h el a k e s i d ez o n eo fw u l il a k ew a ss e p a r a t e di n t ot h et h r e ep a r t st h er e s t o r a t i o na r e a , t h ew a t e rq u a l i t ya r e aa n dt h et o u r i s ma r e a s a n n u a la n a l y s i so ft h el a k e s i d ez o n es h o w st h a t s u c hi n d i c e sa st p ，t n ，c o d m na n dn h 4 + - ni nt h er e s t o r a t i o na r e aw e r em u c hb e t t e rt h a n t h o s ei nt h eo t h e l t w o i ti n d i c a t e st h a tt h el a k e s i d ez o n eo fw u l i l a k ew a sr e a l e d i a t e e v i d e n t l y t h ep e r s o nc o r r e l a t i o na n a l y s i ss h o w st h a tt h e r ew a st h ep o s i t i v ec o r r e l a t i o n a m o n gt h ef o u rw a t e rq u a l i t yi n d i c e si n c l u d i n gt p 、c o d m n 、t na n dn h 4 + - n o ft h e m ，t p ， t na n dc o d m nw e r et h em o s td i s t i n c tw h i l et h et e m p e r a t u r ea n dt h et o t a ln u m b e ro fb a c t e r i a w a so b v i o u s l yp o s i t i v e b yu s i n gt h ec l u s t e ra n a l y s i s ，t h ew a t e ri n d i c e sw e r es e p a r a t e di n t o t h et h r e es o r t s t h ef i r s tw a st p , c o d m a ，t na n dn h 4 + - n ，t h es e c o n dw a st e m p e r a t u r ea n d t h et o t a ln u m b e ro fb a c t e r i a ；a n dt h et h i r dw a sd oa n ds d i naw o r d ，t h em o s ti m p o r t a n t p o l l u t i o no f r u l il a k ew a st h en o n p o i n ts o u r c e sa n dt h ee u t r o p h i c a t i o ni n 、m j l il a k ew a s d e v e l o p i n g ( 3 ) t h r o u g ht h ep r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i sb ys p s s ，t p ，t n ，c o d m n ，n h 4 + - n ，d o w e r et h ef i v em o s ti m p o r t a n ti n d i c e sa n dc o u l db ec l u s t e r i n gi n d i c e s e u t r o p h i c a t i o nd e g r e ei s d i v i d e di n t of o u rl e v e l s ( f o u rg r a yc l a s s i f i c a t i o n s ) a c c o r d i n gt ot h ee u t r o p h i c a t i o ns t a n d a r do f l a k e t h em e a s u r e dd a t ao ft h o s ec l u s t e r i n gi n d i c e sa n dt h ev a l u eo fg r a yc l a s s i f i c a t i o n sw e r e d i s p o s e dw i t hn o n d i m e n s i o nd a t at oe v a l u a t ee u t r o p h i c a t i o no fw u l i l a k ei nf o u rs e a s o n sb y u s eo fg r e yc l u s t e r i n gm e t h o d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et r o p h i cl e v e lo fa n n u a lm e a na n df o u r s e a s o n si nt h el a k e s i d ez o n eo fw u l il a k ew a sa te u t r o p h i cl e v e l k e y w o r d s ：w u l il a k e ，e u t r o p h i c a t i o ns t a t u s ，e c o l o g i c a lr e m e d i a t i o no fw a t e r , p e r s o n c o r r e l a t i o na n a l y s i s ，c l u s t e ra n a l y s i s ，n o n p o i n tp o l l u t i o n ，g r e yc l u s t e r i n g m e t h o d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是苯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，也不包含本人为获得江南 大学或其它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谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学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，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， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 导师签名： l 眇无 日 期：洱占丝日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文研究背景： 随着对环境资源开发利用力度的日益增加，大量含有氮、磷元素营养物质的污染物 不断排入湖泊、水库和河流，使水体的营养物质负荷量不断增加。另一方面，为提高农 作物产量，农田施用的化肥和牲畜粪便逐年增加，经雨水冲刷和渗透，进入水体的营养 物质不断增多。由于这些人为因素的影响，近年来，中国许多城市和城郊浅水湖泊富营 养化状况不断加剧，随之造成严重的经济和生态环境问题【l 】。 1 1 1 水体富营养化及成因 水体富营养化是指水体接纳过量的n 、p 等营养物质，使藻类以及其它水生生物异常 繁殖，水体透明度和溶解氧变化，造成水质恶化，加速水体老化，使水生生态系统和水 体功能受到影响和破坏，影响水资源的利用，给饮用、工农业供水、水产养殖、旅游以 及水上运输等带来巨大损失，并对人体健康构成危害的现象【2 】。 水体富营养化分为天然富营养化和人为富营养化。天然富营养化要经过几千年甚至 几万年才能完成，而人类经济活动可导致湖泊在几年内就出现富营养化。由此可见，人 为水体富营养化是目前水体富营养化的主要原因。水体中藻类原生质生长离不开水中的 碳、氮、磷三种关键元素的存在，而这三种元素也是引起水体富营养化的决定因素。在 受氮、磷元素影响的水体中，尤其是封闭水体，藻类会不断大量繁殖，消耗水体中大量 溶解氧( d o ) ，而藻类的死亡和解体又会将从水体中所吸收的氮、磷元素释放回水体，从 而造成水体中藻类的恶性循环繁殖。另外水体中可供藻类利用的碳、氮远远多于可利用 的磷元素。所以，磷元素通常被认为是水体富营养化的限制因子。对于水体富营养化状 况，英国国家环境署规定，在静止水体中，总磷浓度0 0 8 6 m g l 1 为富营养化的临界值【3 】。 国际上一般认为湖水中总磷浓度o 0 2m g ( p ) l 1 、总氮浓度0 2m g c n ) l 。是水体富营养化 的发生浓度【4 】。我国考虑到湖泊t n 、t p 等营养盐浓度普遍高的实际情况，对t n 、t p 标 准进行适当调整后通过界定叶绿素含量、t n 、t p 、c o d m n 、透明度等水质指标值，对 我国湖泊富营养化程度进行了分类，如表1 1 【5 】。 1 1 2 水体生态修复 传统的水处理方法是要将受污染的水集中到污水处理厂进行治理，主要采用的相关 处理工艺有人工曝气、a 2 o 脱氮除磷工艺、s b r 等。人工曝气修复污染湖泊、河流虽然 具有占地少、投资省、运行费用低、见效快等特点。但停止人工曝气后，经过一个月的 时间，水质又恶化至原来水平。所以，人工曝气只能作为湖泊、河流修复的一种缓解措 施和辅助手段【6 j 。对于a 2 o 脱氮除磷工艺与s b r 法，其建造、运行、管理费用过高，且 在治理污染水体时需要进行换水，仅适用于较小型水体。可见这些传统处理方法虽然工 艺成熟、处理效果理想，但对于湖泊、河流等开放型水体系统的修复，传统处理方法具 有很大的局限性。鉴于此，近年来水体生态修复技术发展迅速。水体生态修复主要通过 江南大学硕士学位论文 水生植物、微生物对水体中的有机物、氮、磷元素等进行有效吸附、转化和降解，以达 到减轻水体富营养化程度，修复水体自净功能的目的。 表1 1 我国湖泊富营养化分级标准 t a b 1 1e v a l u a t i o ns t a n d a r do fe u t r o p h i cl e v e l so nl a k e si nc h i n ap r o t e i n 生态修复是在生态学原理指导下，以生物修复为基础，结合各种物理修复、化学修 复以及工程技术措施，通过优化组合，使之达到最佳效果和最低耗费的一种综合的污染 环境修复方法【_ 7 1 。污染环境的牛态修复是根据生态学原理对多种修复方式进行优化综合。 其首要特点是严格遵循了循环再生、和谐共存、整体优化、区域分异等生态学原理【8 】； 其次；生态修复主要是通过微生物和植物等的牛命活动来完成的，影响生物生活的各种 因素也将成为影响生态修复的重要因素，因此，生态修复还具有影响因素多而复杂的特 剧9 】；再次，生态修复的顺利施行，需要物理学、化学、植物学、微生物学、栽培学和 环境工程等多学科的参与 1 0 , l l 】，多学科交叉也是生态修复的特点。 生物修复( b i o r e m e d i a t i o n ) 指牛物尤其是微生物催化降解环境污染物，减少或最终消 除环境污染的受控或自发过程【l2 1 。从广义上说，生物修复包括微生物修复、植物修复和 细胞游离酶牛物修复三大主要类型；从修复的污染环境角度讲，生物修复可分为土壤生 物修复、水体生物修复；从生物修复所利用的生物类群角度讲，又可以将生物修复分为 微生物修复、植物修复和动物修复；从生物修复中的人工干预程度角度讲，还可以将其 分为自然生物修复和人工生物修复，而后者又可分为原位生物修复和异位生物修复两 种。水体生物修复是指利用专门培育的植物或培养、接种的微生物的正常生命代谢活动， 对水体中污染物进行转移、转化及降解作用，从而使整个水体生态环境得到净化的生物 修复技术。目前，水体牛物修复的研究已成为学术界广泛关注的热点问题，正处于相当 活跃的发展时期。利用牛物技术对水体生态环境进行修复已成为2 1 世纪初环境牛物技术 的主攻方向之一。另外，对于复合污染的生物修复，单一修复技术往往难以奏效。而将 不同修复技术有效结合，形成联合生物修复技术可更有效地达到降解、去除污染物的目 的【1 3 】。鉴于此，近年来人工湿地以及植物塘处理系统发展迅速并获得了一定的收效，其 中又以表面流人工湿地系统发展较为迅速。 从已经尝试进行的水体牛态修复技术的实践经验来看，与传统的物理、化学修复技 2 第一章绪论 术相比，水体生物修复技术具有以下优点：( 1 ) 费用省，仅为传统环境工程技术的3 0 5 0 ；( 2 ) 环境影响小，遗留问题少，无二次污染和污染物转移；( 3 ) 可有效降低污染物浓 度；( 4 ) 污染物可原地降解，修复时间短：( 6 ) 控制操作简单，对周围环境干扰少【1 4 ，1 5 】。 水体生态修复的目的主要表现在利用水体自身及人工添加的外来有益微生物和植 物对水体环境中的碳循环、氮循环、磷循环和硫循环进行人为调控，加强水生藻类和植 物对水体污染物尤其是碳、氮、磷、硫元素的耐受性；促进其对主要污染物的去除、降 解和转化；以达到改善水体污染状况，治理水体富营养化，逐步使水体恢复其自净功能。 水体生态修复的最终目标是使水体达到地表水和湖泊水水质国家标准。为达到此目的， 环境管理部门要求控制3 项水体基本指标：氨氮、t p 、透明度。根据我国水体环境污染 总体状况，修复目标如果定得过高是不现实的。因此，目前通常把氨氮含量定在地表水 i i 类标准，0 5m g l 1 ；总磷含量定在湖泊水i i i 类标准，0 0 2 5 m g l - 1 ( 地表水i i 类标准 可放宽n o 1 i n g l 。1 ) ；透明度定在湖泊水类标准，1 5 m ( 地表水透明度无标准；富营 养化湖泊水体透明度一般仅0 2 - 0 3 m ) 【4 】。 1 1 3 水体富营养化评价 就湖泊水体而言，湖泊富营养化指其水体中氮、磷逐渐富集，使浮游藻类异常增殖， 水牛生物多样性和稳定性降低，透明度下降，水质恶化这样一个总的概念【1 6 】。目前水体 富营养化的主要评价方法有：灰色聚类分析法、单一参数法、综合指数法、概率统计法、 热力学分析法、模糊评价法、灰色评价法和物元分析法等【r 7 1 。 环境是一个多因素多层次的复杂系统，是一个具有模糊性的灰色系统，由于环境系 统质量评价是存在着一些不明确的灰色信息，仅从评价因素的监测数据难以建立确定的 数学模型【l6 1 。灰色聚类法考虑了系统的灰色性和白化程度以及各个污染因子的综合影响 而进行聚类加权，其权重的确定方法也比其他方法更合理、客观，同时，方法本身也考 虑了水体污染程度的一个重要特性，即系统的灰色性，因此它比较符合实际情况【l8 1 。而 水环境监测中得到的数据都是在有限的时间和空间内获得的，水环境系统是部分信息已 知，部分信息未知的小样本、贫信息的不确定系统。灰色系统理论正是以类似的不确定 系统为研究对象，通过对其已知信息的生成、开发，提取有价值的信息，实现对系统运 行行为、演化规律的正确描述和有效监控。灰色系统模型对实验观测数据没有什么特殊 的要求和限制，因此应用领域十分宽广【1 9 2 2 1 。 1 1 4 湖滨带简介 ( 1 ) 湖滨带概念 湖滨带是水陆交错带( a q u a t i c t e r r e s t r i a le c o z o n e ) 的简称，是湖泊水生生态系统与湖 泊流域陆地生态系统间一种非常重要的生态过渡带【2 3 1 。根据联合国教科文组织的人与生 物圈计划( m a b ) 委员会对于生态交错带定义，湖滨带可以定义为：湖泊流域中水域与 陆地相邻生态系统间的过渡带，其特征由相邻生态系统之间相互作用的空间、时间及强 度所决定 2 4 】。按其地形条件可划分为：河e l 型、堤防型、滩地型( 如湖滨湿地) 和陡岸 型( 包括岩岸和砾石岸) 等类型。 3 江南大学硕士学位论文 湖滨带在涵养水源、蓄洪防旱、促淤造地、维持生物多样性和生态平衡以及生态旅 游等方面均有十分重要的作用【2 5 】，是湖泊天然的保护屏障，是健康的湖泊生态系统的重 要组成部分和评价标志【2 6 1 。湖滨湿地是湖滨带的一种重要组成形式。除具有上述功能外， 人们还通过建造人工环湖湿地来解决一些目前存在的污染问题i z7 。 我国是一个多湖泊国家，由于长期以来人们对湖泊的脆弱性认识不足，缺乏环境意 识，一些人为活动( 如围湖造田、破坏流域植被、网箱养鱼等) 给湖泊及其周边环境造 成极其恶劣的影响，不仪河湖内的水质及水生生态系统遭到严重的污染和损害，其周边 的生态系统也受到了极大的破坏。鉴于湖滨带生态系统目前的破坏较为严重，且其生态 构成更为复杂，因此将湖滨带生态系统作为一个单独的、特殊的研究领域进行研究是非 常有必要的。 ( 2 ) 湖滨带的功能 与陆地或海洋生态系统相比较，湖泊生态系统的脆弱性表现在易受岸上周边地区各 种生命活动和自然过程的影响。因此湖滨带是湖泊生态系统受人类活动影响最敏感的部 分。从生态系统的观点来看，湖滨带是陆地牛态系统和水域生态系统之间的一个重要的 生态交错带。在非生物牛态因子的环境梯度以及地形和水文学过程的作用下，矿物质、 营养物质、有机物质和有毒物质必须通过各种物理、化学和生物过程穿过湖滨带才能从 流域进入湖泊水体。因此湖滨带在一定程度上是湖泊的一道保护屏障，是健康的湖泊生 态系统的重要组成部分。由于不同生态系统之间的相互作用，湖滨带有特别丰富的植物 区系和动物区系，其功能主要表现为湖滨水陆生态交错带内牛物或非生物因素的相互作 用、对交错带内能量流动和物质循环的调节以及在景观板块的变化或稳定性中所起的作 用。流经湖滨带的营养流、以有机物形式表现的能量流以及水流与湖滨带内生物群落及 相邻生态系统的相互作用决定着湖滨带的功能及对相邻生态系统的影响。 环境功能：主要包括湖滨带的截污和过滤功能，改善水质功能，控制沉积和侵 蚀的功能。 生态功能：包括湖滨带的保持生物多样性功能，鱼类繁殖和鸟类栖息的场所，调 蓄洪水和稳定相邻的两个生态系统。 经济和美学价值：包括湖滨带为人类牛产再生资源，改善环境；种类丰富的资源 给人们带来的独特的娱乐、美学、教育和科研价值；湖滨带管理给人们带来的经济效益。 从水源地保护的角度来看，湖滨带的建设还可以有效地将人类活动隔离在湖滨带之 外，防止人类活动对湖滨带的干扰和破坏，减少人类活动对水库岸边水体的直接影响。 1 1 5 五里湖基本情况 太湖是我国第三大淡水湖泊，地处人口密集、工农业发达、经济发展迅速的长江三 角洲地区，近年来不断加剧的太湖水体的富营养化问题已成为各界关注和亟待解决的环 境问题。在最近的2 0 年中，太湖水环境质量基本上每1 0 年下降一个等级。按国家地面水 环境质量标准( g b 3 8 3 8 8 8 ) ，太湖2 0 世纪6 0 年代属i i i 类水体；7 0 年代为i i 类水体； 8 0 年代初发展为i i - - - i i i 类水体；8 0 年代末平均为i 类，局部类和v 类水体；9 0 年代中 4 第一章绪论 期平均已达类，三分之一为v 类水体 2 8 】。自2 0 世纪6 0 年代开始，我国科学家就开展了 对太湖的研究，并取得了在流域经济发展及与水环境演变相互作用、浅水湖泊富营养化 形成机理、湖泊资源开发利用、浅水湖泊地球化学过程与物质内循环、污染湖泊的生态 修复与治理技术等方面的研究成果【2 9 。3 1 】。由于湖泊污染水体治理和生态修复是一项长 期、艰巨、复杂的系统工程，需要多学科、多方面的协同配合，共同研究和寻找适合太 湖水环境治理和生态修复的最佳技术路线。其中五里湖是太湖北部的一个内湖，位于无 锡市西南，东西长6 k m ，南北宽0 3 1 5 k i n 不等，面积约8 k m 2 ，是杭州西湖的2 倍。五里 湖常年水位3 0 7 m ，平均水深1 6 0 m ，容积约8 0 0 x 1 0 4 m 3 。相传越国大夫范蠡助越灭吴后， 携西施择灵山秀水而隐居与此。因这两人常泛舟湖上，故五里湖又称蠡湖【3 2 1 。 五里湖与国家太湖风景区鼋头渚景区相连。从2 0 0 2 年起，无锡市开始向生态城市 迈进，把以五里湖水环境整治作为突破口，坚持高起点规划，将五里湖地区周围2 0 平 方公里范围作为环境综合整治、景观建设重点，着力建设由沿湖开放公园、湖滨居住区、 城市公共服务设施和旅游设施组成的国内外观光旅游胜地。 1 1 6 五里湖污染现状 五里湖是太湖连接无锡市区的一条水道，水质主要受梁溪河逆流的影响。梁溪河属 于生活污水、农业面源等有机型污染的河流，河水每年大约有l 3 的时间通过犊山闸流 入五里湖，致使五里湖水质逐渐趋向富营养化【3 3 】。 近2 0 多年来，随着太湖流域经济的迅猛发展，人口剧增，环境污染防治措施没有同 步跟上，入河、入湖污染物增加，太湖水环境明显恶化，特别是北部湖区水污染尤为严 重，五里湖深处腹地，相对封闭，水体流动慢，换水周期长，自净能力差，已成为太湖 中污染最严重的水域。 自2 0 世纪8 0 年代开始，五里湖水体中的c o d m n 、总磷( t p ) 、总氮( t n ) 浓度呈上升趋 势，富营养化程度不断加剧，水生动植物数量和种类减少，生态环境不断恶化。监测资 料( 根据g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 表明，2 0 0 1 年五里湖水质为劣v 类水质，处于重富营养状态， c o d m n ，b o d 5 ，t n ，t p 和叶绿素a 年平均值分别7 8 m g l ，9 2m g l ，6 3 8m g l ，0 2 0 3 m g l 和0 0 8 1m g l ，相当于全太湖的1 3 9 倍、2 6 3 倍、1 9 3 倍、2 4 4 倍和2 6 1 僻m j 。 为治理五里湖的污染，无锡市曾投入大量资金，用综合性措施进行过多次治理。2 0 0 2 年投入5 0 0 0 万元采用先进的环保清淤设备进行了生态清淤( 又称环保清淤) ，清淤2 4 8 万 m 3 ，减少了底泥二次污染，增加水深4 0 5 0 c m ；2 0 0 3 年是五里湖水污染治理成效显著的 一年，首先是投入2 5 亿元实施退渔还湖，把湖周围2 1 9 l 蚰2 鱼池彻底清除池底淤泥后还 给五里湖，为此同时搬迁4 8 家工业企业，大大减少了鱼池污染和工业污染，使五里湖面 积扩大2 1 9 k m 2 ，并投入4 5 0 0 万元实施“8 6 3 计划中的治理太湖水污染五里湖生态 修复和生态清淤研究，已修复1 0 0 h m 2 的水生植物区，在利用水生植物吸氮除磷作用净化 水体的同时，又增添了湖区的观赏性。在此基础上，又投资1 2 亿元，建成了抽水能力为 5 0 m 3 s 的梅梁湖泵站，对五里湖、梅梁湖和无锡城区实施调水换水。还投资数百万元在 西五里湖北部的退渔还湖处建设喷水高度超百米的喷泉，称为“蠡湖之光 ，既是景观 5 江南大学硕士学位论文 又可增加溶解氧。在2 0 0 0 年“零”点行动的阶段性成果( 封闭了宾馆、饭店、招待所、 疗养院等生活污水入湖排污口) 的基础上，实施五里湖周围污水截流工程，拆除湖中鱼 网和鱼簖，放养2 0 0 万尾鲢、鳙鱼苗。 经过治理，五里湖水质有较明显改善，2 0 0 3 年4 1 2 月每月一次的检测结果显示， 五里湖的高锰酸盐指数为7 6 m g l ( 1 v 类) ，较2 0 0 2 年下降1 0 6 ，总磷为0 1 2 7 m g l ( i v 类) ， 下降3 6 2 ，总氮为6 4 l i n g l ( 略有下降) ，透明度( s d ) 由原来的2 0 - 3 0 c m 增加至u 4 0 - 6 0 c m 。水质改善效果湖心好于河道入湖口，西五里湖好于东五里湖。其中，水质改善效 果最好的是西五里湖北部大面积退渔还湖区域，原因是该区域清淤彻底，并封堵了河道 入湖口，种植了水草，建设了高喷泉。根据2 0 0 4 年l 4 月每月一次的检测结果，该区域 平均值高锰酸盐指数为5 6 9 m g l ( h i 类) ，总磷为0 0 3 m w l ( i i i 类) ，总氮基本持平，透明度 有时可达到l m 以上。五里湖水又恢复n - 十世纪五六十年代的清澈，五里湖周边地价因 此开始升值。 五里湖水污染治理虽取得较为明显的成效，但水质尚未得到根本改善，总氮仍居高 不下，距离2 0 1 0 年水功能区的类水目标还甚远。治理五里湖水污染任务还十分艰巨， 根据其自然地理特点，应进一步完善落实综合性水污染防治措施。 1 2 国内外研究概况： 1 2 1 湖泊污染情况 浅水湖泊是一个较为脆弱的生态系统，湖水与湖泊底质间物质交换强烈，物质沉积 缓慢，抵御污染物负荷冲击能力弱【3 5 1 。浅水湖泊的富营养化问题早在二十世纪初就已经 出现，西方发达国家在治理湖泊富营养化方面已经历近半个世纪的研究和探索，治理过 程一般少则十几年，多则几十年时间，如日本政府在琵琶湖水环境治理上，历经2 5 年， 耗资1 0 0 0 多亿元，才基本遏制了琵琶湖水质恶化的趋势，但其水质改善过程也很缓慢： 欧洲的康斯坦茨湖为控制磷的输入，用了1 5 年时间和6 5 亿德国马克，才显示了水质改善 的迹象。 我国是一个多湖泊国家，面积大于l k m 2 的湖泊就有2 7 5 9 个，总面积达9 1 0 2 0 k m 2 约占 国土面积的1 t 3 6 】。湖泊是重要的可多功能利用的地表水资源，与人类的生存和社会经 济发展息息相关，合理利用、开发和保护湖泊牛态环境是人类面临的重大课题。 f 1 2 0 世纪7 0 年代以来，我国湖泊的富营养化问题日趋严重，在一定程度上阻碍和限 制了湖泊所在流域的经济和社会发展，湖泊富营养化引起的蓝藻水华问题给沿湖城市的 供水造成了困难。我国自“六五起就全面开展了富营养化湖泊的研究和治理工作，特 别是“九五期间，国家耗资上百亿元重点对太湖、滇池和巢湖开展了重点整治。有关 地方政府也对城市湖泊进行了整治，但迄今为止，无一湖泊治理达到较为理想的效果， 其中有治理强度不够的原因，也有对湖泊生态系统认识不全面，没有采取综合治理措施 的原因【3 4 】。 6 第一章绪论 1 2 2 湖泊水体微生物研究现状 崔理华 3 7 】等的研究显示，微生物同化作用对总磷的去除率为5 0 6 5 ，植物摄取 为1 - - 3 ，微生物同化作用起了主要的作用。张鸿、吴振斌等【3 引的研究显示，微生物 对含磷化合物的转化在磷的净化过程中是个限制性因子，湿地中植物的存在强化了微 生物对磷的积累。吴振斌等【3 9 】研究发现，污水中n h 4 + n 的去除率与根区的硝化细菌和 反硝化细菌数量的正相关性极显著；磷的去除率也与根际中的磷细菌数目呈正相关。付 融冰等【柏】的研究显示基质微生物数量与t p 去除率的相关性并不明显。国内外学者对湖 泊、湿地等水体中微生物去氮、磷能力的大量研究表明水体微生物对氮、磷污染的净化 能力受水体类型、水质状况和季节的影响，而不同季节、不同程度富营养水体中微生物 净化水体的效率也是不同的。然而目前国内外对微生物净化水体的作用及其机理的研究 主要集中在湿地系统上，且着重研究脱氮除磷细菌的净化作用，尚缺乏对湖泊水体环境 中，微牛物数量的周年变化及其于水质变化之间联系的研究。本课题在这一点上进行了 一定的研究。 1 , 2 3 人工湿地系统 人工湿地的生态营建可有效改善城内过分单一化的生态系统，有利于促进城市良性 生态环境的建设，产生显著的社会、环境和经济效益。人工湿地是经过科学的设计和改 造、工程化的湿地系统，综合利用不同湿地单元的净化功能，形成的一类具有高效净化 功能和适应性的人造湿地，处于水陆交接的复杂生态系统。其生态处理技术的特点为： 出水水质稳定、氨氮去除率高、基建和运行成本低、技术含量低、维护管理方便、抗冲 击力强和美学价值等。人工湿地生态系统水质净化的基本过程是：在一定的填料上种植 特定的湿地植物，当污水流过人工湿地时，经沙石、土壤的过滤作用，通过植物根际的 多种微生物牛命活动；将水中的污染物进行分解、吸收、转化和利用，使水质得到净化。 绝大多数人工湿地由五部分组成；( 1 ) 具有各种透水性的基质，如土壤、砂、砾石；( 2 ) 适于在饱和水和厌氧基质中生长的植物，如芦苇；( 3 ) 水体在基质表面上或下流动的水) ； ( 4 ) 无脊椎或脊椎动物；( 5 ) 好氧或厌氧微牛物种群。 上世纪8 0 年代人工湿地系统由试验阶段进入应用阶段，目前该技术在欧美等发达 国家己被成功地用来处理各类水体。人工湿地处理污水在我国至上世纪9 0 年代也开始 发展，应用的潜力非常可观 4 1 1 。 1 2 4 城市湿地公园 在中国公园定义为公众浏览、观赏、休憩，开展户外科普、文体及健身等活动，向 社会开放，有较完善的设施及良好生态环境的城市绿地【4 2 】。按照建设部的规定，凡是有 一大片绿地，有一定的休闲服务设施的就是公园。公园是在城市化过程中幸存下来的或 者是恢复了的破碎的城市生态环境【4 3 舢】。公园中往往具有高度多样化的生境( 如森林、灌 从、树篱、草地、牧场、草坪、花园、池塘、建筑物、道路和小经等) ，保存着某些自 然植被片断和多种动物。 城市公园具有五个主要功能，即生态功能，美化功能，休闲娱乐和旅游功能、生物 7 江南大学硕士学位论文 多样性保护功能、防灾避险功能等 4 5 , 4 6 】。其中生态功能、美化功能、生物多样性功能、 防灾避险功能和休闲娱乐是公园的基本功能。不同城市公园功能上的差异就在于公园功 能的定位。根据特征性原则，可以把城市公园分为城市基础公园和城市旅游公园两大类。 城市基础公园以城市居民为服务对象，以大众化的休闲、娱乐、锻炼、交往功能为主。 城市旅游公园以外来旅游者为主要服务对象，以满足旅游者的观赏、娱乐功能为主。根 据城市公园的综合性和专业性，又可以把其分为专业性公园和综合性公园。专业性公园 是指有明确主题的动物园、植物园、体育公园、游乐园等；综合性城市公园的功能则较 为完善。再根据城市公园的面积、服务半径及休闲娱乐设施的多寡，可以将城市公园分 为城市社区公园和城市广域公园。 城市湿地公园是利用自然湿地或人工湿地，运用湿地生态学原理和湿地恢复技术， 借鉴自然湿地生态系统的结构、特征、景观和生态过程进行规划设计、建设和管理的绿 色空剐4 7 1 。它是城市生态系统的重要组成部分，具有城市其他生态系统不可替代的多种 生态服务功能： ( 1 ) 对城市景观和建设的影响 水是生命之源，人工湿地公园通过艺术地再现自然湿地景观，以其丰富的水体空间， 多样的浮水和挺水植物，以及丰富的鸟类和鱼类，为民众提供了亲近自然的良好场所。 目前在城区建设时，为了防洪抗灾、地质保护、视觉美观或施工便利等因素，如滨江路 修建时，基本上是以堡坎的形式将水域与城市进行阻隔，这样尽管两江四岸长廊的绿化 的确使城市美观了不少，但却使城市水域丧失了自我修复的场所。在城区建设时，一些 自然的水塘被放干填平，要不被改建成封闭水塘，但往往由于管理不善或资金短缺，造 成逐步富营养化而变成臭水塘，影响周边环境，甚至使周围房地产贬值。另外，很多小 区在内部景观建造过程中，开发商为了图后期的管理方便，将一些人工池塘全建成水泥 或瓷砖铺底，隔绝了水与周围环境的交换，加之水几乎处于禁止状态，扼杀了水体周围 动植物的生存环境，使得水质很快变坏，而经常换水又使得成本升高，同时对小区的景 观也是一种破坏。因此，在设计时如不考虑水质如何保持，就容易造成设计失败、浪费 设备 4 引。而人工湿地公园的建设很好的填补了这一生态过度区，为城市湖滨规划提供了 新的思路。 ( 2 ) 对城市气候的影响 夏季，尤其如无锡这种临湖的城市，空气湿度较高，大大地增高了城市气温。人工 湿地的建设增加了植被覆盖，起到夏季防暑降温的作用，改善小气候。而且，人工湿地 的牛物和化学过程可使有害物质得到降解和转化。 ( 3 ) 休闲和科普宣传功能 人工湿地公园的引入，不仅给城市增添了亮丽的色彩，又给市民提供了接近自然， 放松心情的休闲场所。同时，人工湿地丰富的生态要素和景观要素，它的引入能够改善 人们的生态观念，提倡节约资源、重复利用资源，尊重自然的新的生活观念，为环保宣 传和对公众进行相关教育提供了良好的机会和场所。 第一章绪论 1 3 立题意义及研究内容 1 3 1 立题意义 在水体生态修复受到广泛重视的大背景下，代表此项修复技术的人工湿地修复系统 在实际水体修复过程中对水质的改善作用如何，是否能使湖滨带这类水陆交错带的水体 环境得到有效改善。对其修复效果进行分析是了解修复系统功能效果及水体污染状况不 可或缺的研究工作。对于城市公园，是为城市居民提供休闲、娱乐、锻炼、交往功能等 功能，城市公园在功能和景观上的扩展，对本身脆弱的城市环境具有重要意义。蠡湖公 园人工湿地系统作为五里湖湖滨带沿线上一个具有代表性的点，本身就是城市公园功能 上的一项突破性进展，对其水体修复效果进行深入研究有利于城市公园的建设发展、有 利于公共设施与环境保护设施功能一体化发展。 五里湖作为太湖地区污染较严重的内湖，对其湖滨带沿线水体状况进行详细监测是 非常重要的，尤其是在近几年无锡市相关部门对五里湖湖滨带进行大面积治理，大面积 改造的形式下，其湖滨带水质状况是否有所好转，修复效果如何，需要通过可靠的监测 数据对其进行深入研究、分析。在研究和分析中找出湖滨带沿线水体污染物来源，这能 够为有效控制湖滨带沿线水环境状况提供理论性依据。 对于整个五里湖湖滨带而言，其水体富营养化造成的蓝藻爆发，生活饮用水遭受污 染，水体环境极度恶化等不利于人们生产生活的环境污染事件所造成的损失是不可估量 的。要避免水体富营养化程度的不断加深，根据对整个五里湖湖滨带水体定期监测所得 数据评价其富营养化程度是一项极其重要的工作。水体富营养化程度的评价能够清晰反 映出水体富营养化发展的阶段，是对前期修复治理工作的总结，可以为进一步水体修复 提供理论性指导。 本文从蠡湖公园人工湿地系统这个关键点出发，进一步对五里湖湖滨带沿线水体污 染状况进行监测、分析，最后通过对整个五里湖湖滨带水体富营养化程度的评价，力求 从理论上对五里湖湖滨带水环境状况进行研究，为整个五里湖湖滨带水体修复提供重要 的研究依据。 1 3 2 本论文主要研究内容 本课题主要研究目标是为了研究不同季节蠡湖公园人工湿地系统及五里湖湖滨带 水体水质变化规律，分析总结五里湖湖滨带水体水质指标间的相互关系及水体污染物来 源，对湖滨带水体富营养化程度进行科学评价。同时为五里湖水质长年监测提供积累性 数据。本课题的主要研究内容包括： ( 1 ) 对蠡湖公园人工湿地水体水质及水体微牛物总数进行定期监测，通过与湖滨 带水质状况进行对比，对各项水质指标及微生物总数变化规律进行系统分析，深入研究 人工湿地系统对水体的修复效果。 ( 2 ) 对五里湖湖滨带水体水质、水体微生物总数进行定期监测，对各项水质指标 及水体细菌总数进行统计分析，对其指标间