（环境工程专业论文）城市典型景观水体水质变化及调控研究.pdf

中文摘要 水是地球上分布最广的物质，是地球环境的重要组成部分，是人类社 会赖以生存和发展的物质基础，水环境污染是威胁人类生存发展的重要因 素。 本文以天津市内的津河与相关海河河段的景观水体为研究对象，通过 研究津河的改造方案，及相关资料和相关海河河段的历史和现状，主要研 究水系内景观水体的水质特点和富营养化状况的分布规律，对水质现状进 行了平均分析景观水体所存在的问题，预测景观水体的水质变化趋势，研 究解决水体富营养化问题的途径和方法。从而得出该段尽管水体的水质调 控方法。 本文通过分析2 0 0 6 - 2 0 0 7 年津河与相关海河的水质监测数据，得出了 两条河流各种污染物的时空分布特征。结果表明，海河水质基本属于v 类标准， 津河水质基本属于劣v 类标准。夏季水质状况明显比其他季节差。在认真研究分 析水体水质时空分布规律、水体水质变化主要因素后，预测景观水体将有进一步 恶化的趋势。 通过分析海河与津河水体富营养化的主要影响因素，结合景观水体形态、泵 站、区域规划和水质监测现状，分别提出一些调控措施。其中改造沿河排水管道， 使雨水污水分流尤为重要。改善水体调控措施包括“点源”、“面源”等外源以 及内源的治理和控制以及微生物治理、人工复氧曝气等强化治理措施，以期能恢 复地表水环境质量标准。通过对太阳能、风能、生物质能等可再生能源的利用， 加强水体自净能力，最大限度地体现景观水体的生态化效应。保持良好的景观水 体水质环境要从多方面入手。 关键词：景观水体；水质评价；富营养化；预测方法；调控措施 a b s t r a c t w a t e ri sn o to n l yam a t e r i a l ，w h i c hi s w i d e l yd i s t r i b u t e da n di m p o r t a n t0 nt h e e a r t h ，i t sa l s oab a s i cm a t e r i a lt h a th u m a ns o c i e t yd e p e n d so nf o rs u r v i v a la n d d e v e l o p m e n t w a t e rp o l l u t i o ni sav e r yi m p o r t a n tf a c t o rt ot h r e a tt h es u r v i v a la n d d e v e l o p m e n to fh u m a nb e i n g s t h er e s e a r c ho b j e c to ft h i sp a p e ri so nw a t e r q u a l i t yo f j i nr i v e ra n dh a i h er i v e r i l lt i a n j i l l t h r o u g hr e l a t e dh i s t o r yd a t a ，t h er e f o r ms o l u t i o no f j i l lr i v e ri ss u g g e s t e d t h i sa r t i c l er e s e a r c h e sd i s t r i b u t i o nr e g u l a r i t yo ft h ew a t e rq u a l i t ya n dt h e n u t r i t i o n a l s i t u a t i o n ，a n da n a l y s e st h ee x i s t e dp r o b l e m ，c a l c u l a t e st h ec h a n g e a b l et e n d e n c vo ft h e w a t e rq u a l i t y , a n df i n d so u tas o l u t i o nt os o l v et h en u t r i t i o n a lp r o b l e ma n dt oc o n t r o l t h ew a t e rq u a l i t y t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ew a t e rq u a l i t yd a t ao ft h eh a i h er i v e ra n dm ej i i l r i v e rf r o mt h ey e a r2 0 0 6t o2 0 0 7 ，t h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep o l l u t i o no f t h eb o t hr i v e r sw e r ef o u n do u t 。r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ew a t e rq u a l i t yo f h a i h er i v o ri s s t a n d a r dva n dt h ew a t e rq u a l i t yo fj i nr i v e ri sw o r s et h a ns t a n d a r dv = t h ew a t e r q u a l i t yi l ls u m m e ri so b v i o u s l yw o r s et h a no t h e rs e a s o n s a f t e rt h es t u d yo ft h ew a t e r d i s t r i b u t i o na n dt h ec h a n g e so ft h ew a t e rq u a l i t y , i ts h o w e dt h a tw a t e rq u a l i t yw o u l d t u r nw o r s ei nt h ef u t u r e t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h em a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h ew a t e rn u t r i t i o n a l p r o b l e mo fh e i h er i v e ra n dj i nr i v e r , c o m b i n e dw i t ht h es t a t eo ft h ew a t e r , p u m p i n g s t a t i o n ，r e g i o n a lp l a n n i n ga n dw a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs i t u a t i o n ，s o m em e a s u r e sa r e s u g g e s t e d t oc h a n g et h ep i p ea l o n gt h er i v e ri l lo r d e rt od i v e r s et h er a i nw a t e ri s p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t t oi m p r o v ew a t e rc o n t r o lm e a s u r e si n c l u d e s e x o g e n o u s m a n a g e m e n tm e a s u r e s ，s u c ha s ，”p o i n ts o u r c e ”s u r f a c es o u r c e ”a n de n d o g e n o u s m a n a g e m e n tc o n t r o l l i n ga n dm i c r o b i a lm e a s u r e ，a n do t h e rs t r e n g t h e n e dm a n a g e m e n t m e a s u r e s ，mo r d e rt or e g a i nt h en o r m a lw a t e r q u a l i t ys t a n d a r d s t h r o u g ht h eu s a g eo f t h er e n e w a b l ee n e r g y , s u c ha ss o l a r e n e r g y , w i n de n e r g y ，b i o m a s se n e r g ye t c ， s t r e n g t h e n st h ep o s s i b i l i t yo fw a t e rs e l f - p u r i f i c a t i o n ，u t m o s tg r o u n dr e f l e c t so ft h e e c o l o g i c a ll a n d s c a p ew a t e r k e y w o r d s ：l a n d s c a p ew a t e r ；w a t e rq u a l i t ye v a l u a t i o n ；e u t r o p h i c a t i o n ； f o r e c a s tm e t h e d ；c o n t r o lm e a s u r e s 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洼和致谢之处外，论文中不包含其他人已经绽袭 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁壁叁堂或其他教育机构的学位或i 正书 丽使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 馘篱一每8 罗伊 学位论文版权使用授权移 本学位论文作者完全了解免蓬太鲎有关保留，使用学位论文的规定。特授 权又津支学町以将学位论文的垒部或部分内容编夕有关数据庠进行橙索，并累 嗣影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阕和借丽。刚意学校向图荟：确 蓑都i l - 或机构送交论文的复印件和磁盘。 i 保密的学位论义在解燕届适用本授权说明， ， 摊做作豁名：飘扎导燧名：伪2 ；铎 ivu ”l 签字日舰砷年舶伯签字日期：汐户渺g 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 1 1 1 河流水质状态 第一章绪论 水是地球上分布最广的物质，是地球环境的重要组成部分，是人类社会赖以生存和发展 的物质基础。从世界范围来看，我国的水资源总量丰富，居世界第6 位，位于巴西、俄罗斯、 加拿大、美国和印度尼西之后，约占全球河川径流总量的5 8 t 。但是我国人1 2 1 众多，人 均水资源量非常少，是世界人均水量的1 4 ，人均水资源量约为2 2 0 0 多m 3 。而天津的人均水 资源量则更少，不足1 6 0m 3 ，列全国倒数第一位，仅为全国平均水平的1 1 4 ，远低于国际通 行的人均1 7 0 0 m 3 紧张警戒线，甚至远低于1 0 0 0m 3 紧缺标准和5 0 01 1 1 3 极度紧缺标准，是资源 性严重缺水地区，属重度资源性缺水地区。 水环境污染是威胁人类生存发展的重要因素。地表水环境质量定性评价分为：优、良好、 轻度污染、中度污染、中度污染五个等级。评价断面水质时，其水质类别对应评价为：i i i 类水 质、i i i 类水质、类水质、v 类水质、劣v 类水质。因此评价河流( 包括河段、水系) 整体水 质状况时，计算出各水质类别断面数占评价断面总数的百分比以表1 1 所示的方法来分类【2 1 。 表1 - 1河流水质评价 水质类别水质状况 i i 类水质比例t 9 0 7 5 i i i i 类水质比例9 0 i i 类水质比例 7 5 ，且劣v 类比例 2 0 i - i i i 类水质比例 7 5 ，且2 0 劣v 类比例( 4 0 i 一i 类水质比例 7 5 ，且劣v 类比例4 0 优 良好 轻度污染 中度污染 重度污染 按照上述评价标准，2 0 0 3 年度七大水系4 0 7 个重点监断面中，3 8 1 的断面满足i - i 类水质要求，3 2 2 断面属、v 类水质，2 9 7 的断面属劣v 类水质。其中七大水系干流的 1 1 8 个国家控制断面中，i i i i 类水质断面占5 3 4 ，i v 、v 类水质断面占3 7 3 ，劣v 类水 质断面占9 3 。各水质干流水质好于支流水质。在天津海河水系污染严重，劣v 类水质断面 占5 0 以上。海河水系6 5 个国控监测断面中，i i i i 类水质的断面占2 1 5 ，i v 、v 类水质 的断面占2 4 6 ，5 3 9 的断面为劣v 类水质。海河水系污染严重，但与2 0 0 2 年相比水质有 所改善。主要污染指标为氨氮、生化需痒量和石油类。2 0 0 6 年2 月国家统计局公布，我国七大 水系的4 1 1 个水质断面中，只有4 1 的断面满足国家地表水1 1 1 类标准比2 0 0 5 年下降1 个百分 第一绪k 点：3 2 的断面为i v - - v 类水质，上升2 个百分点i 超过v 娄水质的断面比例2 7 ，下降1 个百分点2 0 0 6 年，全国地表水总体水质属中度污染。在围家环境监测网( 简称国控网) 实 际髓测的7 4 5 个地表水监测断面中( 其中河流断面5 9 3 个，湖库点位1 5 2 个) ，i - - i i 娄， 、v 娄。劣v 类水质的断面比例分别为4 0 、3 2 和2 8 。主要污染指标为高锰酸盐指数、 氩氮和石油类等既而到2 0 0 9 年1 月中国环境俯测网公布的对长江、黄河、珠江，橙花扛、 淮河、海河和辽河共七大水系2 1 3 条河流的4 1 8 个国控断面中监测了七太水系( 古国界河流) 1 8 3 条河流的3 7 6 个断面。其中，i 一类水质断面占5 4 ，i v 、v 娄占2 5 ，劣v 娄占2 1 。 总体上呈中度污染主要污染指标为氨氨、高锰酸盐指数和五日生化需氧量。( 河流评价项目 为水温、口h 值、电导率、溶解氧、高锰酸盐指数，五日生化需氧量、氧氨、汞、铅、挥发酚、 石油娄和流量) 。污染比例如下图： 罔1 12 0 0 9 午1 月水质类别比例 其中海河主要河流水体为重度污染主要污染指标为五口生化需氧量、高锰酸盐指数、 氩氲。4 5 个断面的水质类别为：i 一i 类水质占2 2 、v 类占2 7 劣v 类占5 1 。海 河水系的主要河流中，永定河为轻度污染，漳卫新河为中度污染，其它河流均为重度污染。 自上世纪8 0 年代以来，海河一直位于全国七大水系污染之首，海河水系总体为重度污染主 要污染指标为五日生化篙氧量、高锰酸盐指数和氩氨。i 一娄水体仅占髓测断面1 4 4 3 03 ( 位于水源地和上游生态保护区) 的比例，类水体占监测断面的比例在19 8o ， v 类水体r i 监测断面的比例在45 1 23 劣v 类水体占监测断面的比例却高达5 39 7 l2 ( 主要位于流经城市的监测断面) 。 第一牵绪论 圈i 22 0 0 0 2 0 0 6 年海河地表水监测断面水质类别 在2 0 0 9 年的最新监测结果中，海河水体为重度污染，海河太闸断面为劣v 类水质，三岔 口断面水体为v 类水质，主要污染指标为氨氮、高锰酸盐指数和五日生化需氧量。海河主磊 河流水体为重度污染，主要污染指标为五日生化需氧量、高锰酸盐指数、氨氟。4 5 个断面的 水质类别为：i 一娄水质占2 2 ，i v 、v 类占2 7 劣v 类占5 1 。海河水系的主要河流 l l l ，永定河为轻度污染，漳卫新河为中度污染，其它河流均为重度污染。海河流域省界断面 水体为中度污染，主要污染指标为氨氨、五1 3 生化需氧量、高锰酸盐指数。1 3 个断面的水质 类别为：i 一娄水质占3 9 i v ，v 类占2 3 ，劣v 类占3 8 | 4 j 。 表1 - 22 0 0 9 年1 门海河流域省界断面水质类别 目前，流经我国城市的河段9 0 左右受到污染，城市地下水也普遍受到不同程度的污染。 牟国城市范围4 0 左右的地表水和5 0 左右的地下水因污染而不能饮用有6 4 的人正在使 用不合格的水源。因此河流治理迫在眉睫。 第一章绪论 1 1 2 城市景观水体的现状和治理思路 临水而建是古代城市选枝址的重要原则之一，城市的形成、发展与河道息息相关。河道 治理和城市建设密切相关，两者相互制约、相互促进。城市建设要求对环境恶化的河道进行 治理，通过河道治理可以改善生态环境、提升城市功能，促进城市建设和发展。城市河道的 综合治理还能极大的改善人居环境和城市景观，提升城市总体环境价值和城市品位，带来一 系列经济、社会、环境效益。一些城市的河道治理直接带动了河道两岸商品房价格的整体升 值；如上海的黄浦江沿岸、广州的珠江沿岸以及天津海河沿岸的滨河小区等，这也足通过河 道治理促进城市发展的一个有力证明。城市河道的综合整治能极大的改善人居环境和城市景 观，提升两岸城市土地价值，提升两岸城市总体环境价值和城市品位，带来一系列经济、社 会、环境效益，促进城市的发展。 因此在治理河道中，建设城市景观水体成为各地治理河道的有效方法。城市景观水体是 城市人居环境中重要的组成部分，它主要包括小型的天然湖泊、人造湖泊、与房地产开发相 配套的人造景观湖和各种景观用的河道等。城市景观水体的兴起，与现代化和城市化的过度 发展密不可分，它体现了人们在生活压力下产生的对自然的回归。然而，由于城市城市景观 水体位于“城市”这个与自然相去甚远的特殊环境中，多数设计为静止或流动性差的缓流水 体，水体的自净能力弱，容易成为居民生活污水、雨水和垃圾的受纳体，导致不同程度的污 染，乃至富营养化。据报道从1 9 9 9 年开始，北京连续3 年干旱，2 0 0 1 年7 月，水华大面积 爆发，城区所有景观水系无一幸免【5 】，广州、上海等城市住宅小区内的许多景观湖水也存在 着不同程度的富营养化，严重影响了周围的自然环境和居民的人居环境。 流水不腐、户枢不蠢，河道的治理需要系统规划，统筹考虑。河道水系具有流动性的特 点，城市的河道治理应按照城市的地势特点和河网情况，系统规划出水系循环流动方案，这 样对河道的治理可以进行统筹安排，保证水循环流通和良好的水质条件，不能单纯考虑某一 条河道的治理。另外，系统规划还应结合两岸排水系统考虑河道沿线的排水口门的改造，以 保证治理后的河道水质不被污染。天津中心城区依海河而建，规划为“一轴、八射、十环” 的循环体系，规划考虑水系沟通、水体流动，通过水循环流动，使水中氧的含量提高，提高 河道净化能力。河网密度的增加，也可增加河道的调蓄能力，提高河道的天然排水能力，从 而减小城市排水系统压力。 传统的河道治理，只单纯为满足河道的除涝泻洪、水土保持及航运功能，因此人们采用 裁弯取直、加大河宽、疏挖河床、硬化河岸等工程措施对河道进行改造，改造后的河道走向 笔直、断面形式单一、护坡结构坚硬。随着人们对保护水的自然清洁及维持人与水环境相和 谐的认识的深入，开始对生存环境提出了更高的要求。随即对城市河道的改造采用污水截流、 清淤、底泥处理、两岸绿化等方面进行整治，不仅保证河道的基本功能，还要重视河道景观、 休闲娱乐功能，建设了景观护岸、休闲广场、游船码头等1 6 。 城市的繁荣与城市水系的规划建设、保护利用密切相关。城市河道的整治包括城市河道 4 第一章绪论 环境、水边( 即滨水空间) 环境及水陆生态系统的建设与恢复，是生态城市建设的重要组成 部分。对城市河道进行合理规划和综合整治，不仅能更好的调蓄雨水排放、防治雨洪灾害， 还能恢复城市的自然生态功能、开拓景观旅游功能、挖掘历史文化功能。 而2 0 世纪8 0 _ _ 9 0 年代，西方经济发达国家鉴于水环境遭到破坏而给城市带来的负面影 响日趋严重，提出了修复破坏的河流、建设自然型河川、回归自然等理念，并建设了大量的 示范工程。他们在河道治理中拆掉了浆砌石，采用土料筑堤，草皮护坡，堤角采用防冲材料， 或者采用隐藏试的硬质护岸，建成自然式的景观，河道中摆放鹅卵石或不规则石块，形成弯 弯曲曲的潺潺流水，为鱼、虾、蟹等水生生物建造栖息场所，为儿童建造接触自然、玩耍戏 水的空间。使河道的生态环境大为改善。由此我们提出建设生态河道的新理念：即在满足河 道自身功能的前提下，结合自身功能的前提下，结合自身实际、适应本地区的地理和气候特 点，还河流以空间、还原水面、绿化河道，恢复河道的生物多样性，回归自然。自然生态河 型道基本特征是河岸线自然，富于变化；河道的横断面宽窄不一：河道有冲有淤、有起有伏、 有隐有显、有坑有洼、有坡有急；在不同河段，均有与之相适应的植物、动物的生存。水质 得到净化；植物天然净化系统；生物动物天然净化系统。另外要充分考虑河道的水文情况和 河岸的强坡要求，合理布置各类植被，建立多生物共生的生态系统，滞洪补枯，增强水体自 净作用、增强城市自然景观。 1 2 城市景观水富营养化现状 富营养化是指湖泊、水库、缓慢流动的河流以及某些近海水体中富营养物质过量从而引 起水体植物的大量生长。富营养化引起水质恶化、味觉变坏、溶解氧耗竭、透明度降低、渔 业减产、死渔、阻塞航道，对人和动物产生毒性，这些问题严重制约着社会和经济的可持续 发展。准确评价水体富营养化状态可以为开展综合治理、环境规划及管理提供科学依据【7 】。 随着社会经济的发展和生活水平的提高，城市居民对居住质量和居住环境的要求也越来 越高，清澈美丽的景观水体己成为美化人们生活环境不可忽视的重要部分。近年来，在城市 绿地、公园建设和居住小区的建设中，人工湖泊、景观池塘及景观水池不断涌现。城市景观 水体多为静止或流动性差的封闭缓流水体，一般具有水域面积小、易污染、水环境容量小、 水体白净能力低等特点，加上居民生活和水系中鱼类的影响，极易造成水中悬浮物增多、浊 度增人，有机物、细菌和人肠杆菌的含量都增高。在温度较高时，富含n 、p 等营养元素的 水体中还会滋长藻类，藻类的异常繁殖会破坏环境的生态平衡，湖水呈现明显的绿色，水体 色度较高，一般可达几十度甚至上百度，并伴有明显的鱼腥味，有时甚至造成水体发黑发臭， 丧失了景观水体的功能，因此景观水体的处理有其必要性和迫切性。 第一章绪论 1 2 1 国外城市景观水体富营养化现状 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河流已经被污染，生态系 统遭遇到严重的破坏。正如报告所述，现在世界各地每天都有数以百万吨、千万吨计的城市 污水和工业废水流入江河湖沼，使得许多同家的内陆水域特别是城市水体都受到严重污染， 导致很多作为城市景观水体的河道产生了严重的富营养化现象。本世纪以来，世界各地曾出 现过多起“水华”及“赤潮”事件，如北美洲的伊利湖富营养化严重，面临“死亡”的危机， 在美国，五十二条主要河流都遭受到不同程度的污染。前苏联被称为“母亲河”的伏尔加河， 因含油污水的排入，曾引起火灾事件；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；此外巴黎的塞纳河、伦敦的泰晤士河都曾不同程度上存在着水体富营养化现象。 在发展中国家，由于疏于防治水体富营养化现象更加严重：如农汉湖位于泰国的沙功那 空( 色军) 府内，在泰国东北的伊桑【8 】，该湖建于1 9 4 6 年，为人工湖泊，平均深度2 m ，最大深度3 m 。 该湖泊为农田提供灌溉用水，是当地的渔业养殖基地。农汉湖的富营养化主要是由于色军府的 生活污水排放所致，排放的总污染负荷估计为每年8 7 4 t 氮和2 4 6 t 磷，其中约7 0 的污染负荷未 经处理就排入湖泊。此外，流域内家畜污水中氮为6 1 3 t a ，磷为4 5 6 t a 。其中1 0 的污水没有 经过处理直接排入湖中。因此入湖的污染总负荷大约为氮1 2 9 t a ，磷6 4 8 t a 。总体来说，农汉 湖是二个浅湖，尤其是其北部。因此，大量沉水和挺水植物在湖泊北部的水底生长茂盛。该湖也 有大量的漂浮植物，主要为水葫芦。这些水生植物的年产量大约是：沉水植物7 8 5 6 0 0 1 ，漂浮植物 7 1 4 9 5 0 1 。农汉湖富营养化，导致了湖面藻类水华的发生；再如k w a np h a y a o 湖位于泰国帕尧府， 该湖是1 9 3 8 年在一个2 k m 的池沼上修建而成的人工湖，表面积2 3 4 6k m ，平均深度2 0 3 m ， 最大深度4 5 m ，主要污染源是流域的家畜污水排放和帕尧的生活污水。城市带来的污染负荷总 量中，氮约为8 2 6 t a , 磷约为2 3 2 t a 。由于流域内( 包括帕尧) 缺乏污水处理设施，导致总负荷的 1 0 未经处理就直接排入湖中。此外家畜污水的污染负荷为氮1 7 1 t a ，磷1 2 9 t a 。其中有1 0 未经处理就直接排入湖泊。湖泊的总污染负荷为：氮7 7 4 t a ，磷2 9 9 t a 。k w a np h a y a o 湖很浅， 底部为圆锥形。这种形状使大量的沉水和挺水植物在湖底生长茂盛，并且从湖岸向湖心发展。 该湖大部分面积用来种植莲藕。莲藕种植需要大量喷洒杀虫剂，但是这会对水质产生不利影响 并破坏鱼类资源；又如内湖位于菲律宾吕宋岛中部的黎刹省和内湖省之间的马尼拉湾东部，该 湖现在是一个混合了海水的咸水湖，有2 1 条大小不同的河流( 如帕西河经由首都马尼拉) 流入 内湖。由于有大量的火山泥沙沉积于湖底，湖泊的最大深度有7 3 m ，而平均深度只有2 8 m ，最大 蓄水量3 2 亿m 3 ，海拔1 8 m ，湖泊主要提供农田灌溉用水，是当地鱼类的产卵场。内湖的污染负 荷4 0 来自农业，3 0 来源于工厂和其他商业活动，3 0 来自生活污水。包括马尼拉经由帕西河 排放的生活污水，其他湖周城市( 如北部的帕西和东南部的圣克鲁斯) 排放的生活污水逐年增 加。工业污染主要是食品加工企业、养猪厂、屠宰场、染纺厂和纸浆厂造成的。鱼类( 如罗非 鱼) 喂养过程所带来的污染正在受到关注。2 0 0 0 年的污染负荷据估计为：6 1 2 0 0 1 来自生活污 水，9 2 2 0 0 t 来自工业污染。流域内有1 4 8 1 个企业，其中只有6 9 5 个配备了污水处理设施，其余的 6 第一章绪论 都是直接排放。每年排入湖泊的氮和磷总量分别为3 9 4 2 t 和9 4 2 t ；还有伊帕卡拉伊湖位于巴 拉圭首都亚松森中部以东3 0 k m 处，最大深度3 m ，平均深度2 m 。在湖泊周边，农田( 包括牧场) 占 了6 5 ，天然植被( 如草地和沼泽) 占了大约1 9 。流域内有圣洛伦索、卢克、卡比亚大和圣贝 纳迪诺等城市，其生活污水通过2 0 条河流排入湖泊。该湖主要为旅游、休憩地，提供灌溉用水， 也是当地鱼类的栖息地。伊帕卡拉伊湖流域内几乎没有实施污染物控制，所以近几年出现了富 营养化问题。1 9 9 9 年降水量大减，旱情严重，水位下降了近l m ，致使湖泊蓝藻大量繁殖。另外， 流域内的几座城市没有污水处理系统，生活污水未经处理就排入作为水源的伊帕卡拉伊湖，这 也加剧了湖泊水质的恶化。城市和生活污水占了入湖污染物负荷的4 8 ，8 0 多个工厂排放的废 水占了大约2 4 ，主要是肉食包装和皮革加工业。在巴拉圭，森林砍伐使得原始森林处于灾难性 的境地。伊帕卡拉伊湖也不例外，原来的森林被牧场和沼泽所取代，致使水土流失，使得流域的 非点源负荷达到c o d c r 9 8 0 0 t a , 总氮3 7 0 t a ，总磷9 4 t a 。入湖的土壤颗粒使湖水悬浮固体达到 2 0 0 0 0 t a 。上述情况表明控制非点源已经迫在眉睫了。 1 2 2 国内城市景观水体富营养化现状 太湖位于长江三角洲附近，在中国江苏省内，海拔3 1m ，是中国第三大淡水湖。湖泊面积 2 4 2 7 8 k m ，是典型的浅水湖，平均深度2 m ，最大深度4m 。太湖流域总人口约为3 0 0 0 万，其中 农田占了流域面积的3 9 6 。该湖有7 0 条入湖河流和2 2 4 条流出河流。每年的鱼产量为 1 3 7 0 0 t 。入湖流量为1 9 5m 。s ，湖水滞留时间为0 9 7 a 。太湖的主要污染源是未处理的生活污 水和工业废水。湖泊的富营养化状况程度不一：湖泊的西边称为西太湖，无锡市东南部的最北边 称为梅梁湖，这2 处属过度肥沃。太湖的中营养区域包括洞庭西山岛北面的湖区，是刀鱼的产 卵场，受到网箱的保护。太湖平均水质数据为：透明度0 1 5 1 m ( 7 8 月) ，p h8 0 ( 表层) ，悬浮固体 5 0 m g l ，溶解氧为9 5 6 m g l ，c o d c r l 0 4 - - 5 2 1 m g l ，氨氮o 1 0 8 m g l 。整个湖泊内蓝藻水华 严重，浓度能达到每升4 5 2 万个生物群。检测和报道的太湖藻毒素主要是藻毒素r r ，藻毒素 y r 和藻毒素l r 。最北边的梅梁湖的藻毒素总生物量达到0 5 7ug l 。另一个报告推算的藻 类富集区的藻毒素数量为：藻毒素r r2 1 9ug l ，藻毒素y r l 2 0ug l ，藻毒素l r l 0 5ug l 而 世界卫生组织规定的饮用水中藻毒素l r 应低于1pg l 。研究表明，太湖每年都出现蓝藻的 异常繁殖，曾在9 0 年夏天及9 4 年夏天发生过大面积的爆发，导致藻类产生高浓度溶解藻毒素。 因此，必需采取措施控制毒素。 滇池位于云贵高原，在中国云南省内，海拔1 8 8 7 m ，流域面积2 9 2 0 k m ，是中国第六大湖。 滇池呈南北向狭长形，长1 1 4 k m ，平均宽度2 5 6k m ，最大蓄水量1 5 9 3 1 亿l f 。平均水深 5 1m ，最大水深1 1 3 m 。流域人口密度为6 9 0 人k m 。有1 4 条主要大河流入滇池，年入湖 总水量达到6 9 6 亿m 。通常将滇池分为北部狭长的草海( 内湖) 和南部宽形的外湖。昆明市 区排放的污水是滇池主要的污染负荷源，污水首先经大关河流入内湖，然后进入外湖。因此， 内湖的富营养化程度比外湖要严重得多。实际上，草海是一个营养过度的湖泊。整个滇池都 有藻类水华现象，尤其是内湖表面都覆盖了一层厚厚的蓝藻垫。内湖和外湖的水质数据分别 7 第一章绪论 为：c o d c r l 5 7 m g l 和6 5 m g l ；b o d 5 1 2 m g l 和3 4 r a g l ；总有机碳1 2 4 m g l 和8 3 m g l ；总氮 8 7 r a g t , 和1 2 m g l ；总磷0 9 7 m g l 和o 0 9 m g l 。内湖中篮藻( 铜绿微囊藻) 大量繁殖，浓度可 以达3 9 5 万l 。在内湖和外湖中，共确认有3 9 个科的8 7 种浮游植物，其中绝大多数为蓝藻， 其生物量在内湖为6 4 6 7 万l ，外湖1 3 6 4 9 万l ，内湖是外湖的4 7 倍。 这些湖泊具有蓄水、灌溉、航运、供水、水产养殖、旅游等多项功能，因此也可列入城 市景观水体的考察对象。而纯粹的景观河道由于其非自然的特性，无法保证稳定的水体自净 能力，所以富营养化现象要比湖泊更为严重。很多城市的景观河道也面临着富营养化，甚至 是严重的富营养化的危机，例如天津的津河，上海的苏州河以及深圳的大沙河等。 1 3 国内外研究概况及研究内容、方法 1 3 1 国内外景观水体富营养化预测及防治途径的研究 当水体富营养化已经成为全球环境问题关注的焦点时，世界各国对富营养化的研究力度 和广度也逐渐加大，人们开始更多的关注水体富营养化的评价和预测上。富营养化预测能够 较准确的判定水体的营养水平，便于人们科学的认识水体的实际状况，一制定更合理的防止 水体富营养化的措施。 自上个世纪六十年代，水质预测工作有了很大发展，一些水环境学者如v o l l e n w e i d e r 、 d i l l o n 、日本池田、a b 卡拉乌舍夫等都深入的研究了富营养化与水体中营养物质负荷之间的 关系，并提出了一些评价方法，如特征法、参数法、图解法等【9 0 1 。七八十年代以来，美国 在水体水质预测方面有了长足的进步，并开发出一系列水质预测模型，如q u a l 2 e 系列模型、 w q r r s r 模型以及w a s p 系列模型等【l 们。这些预测模型都有比早期的模型有更好的预测准 确度。同时这些评价方法也开始在我国的部分水体中尝试应用，取得了一定的经验。但是由 于我国水体富营养化点差工作起步较晚，对水体详细的营养水平的调查和深度和广度还不够， 还难以建立成熟的适合我国水体富营养化情况的预测体系和方法。七五期间，在国家环保总 局的组织下，我国水体富营养化调查研究课题组成立了。该组对全国2 0 多个代表性的湖泊的 富营养化问题进行了深入的探讨、和调查研究，取得了大量可靠的基础资料，提出将营养度 指数法、营养状态指数法和评分法作为我国水体富营养化的评价的基本方法，并在我国很多 水体有着成功的应用，这为我国水体富营养化的评价、预测和治理提供了初步的研究依据【l 。 在此期间，我国的水体富营养化预测方法有了一定的发展。陈毓龄等【1 2 】研究了浅水水体的水 动力生态水质模拟模型，模拟精度良好，最终对滇池1 9 8 8 年度的富营养化程度进行了判别。 本世纪以来，随着计算机和数学的发展，我国的一些学者又提出了一些评价方法，比如模糊 数学法、神经网络法、集元评价法等。李光源【l3 】在基于最小一乘法的多元线性回归预测模型 中预测了2 0 1 0 年洞庭湖富营养化评价指标值李祚泳掣1 4 】建立了投影寻踪回归( p p r ) 的富营 养状态的综合指数预测模型，并在优化后得到了适用于太湖的富营养化综合指数的p p r 预测 8 第一章绪论 模型。侯君【l5 】等选用含三层网络结构的b p 神经网络来模拟景观水体的富营养化状况，通过 软件m a t l a b 编写了b p 神经网络训练和测试程序，成功的预测了水体中叶绿素a 的含量。 景观水体富营养化发生的因素很多，水域不同，其影响因子就不同。笔者认为未来的研 究趋势是通过对富营养化发生机理的深入研究，结合水域具体的水文状况，采取最有的评价、 预测模型，来预测和防治景观水体富营养化趋势。 1 3 2 主要研究意义 景观河道是随着社会的发展和城市环保意识的提高而相应出现的。随着城市化进程的加 快与可持续发展的实施，城市综合治理与城市水环境保护已经逐渐提高到日程上来。大部分 的景观河道都是投入了巨额资金实施了污水截流、河道清淤、河底硬化、堤岸砌石等治理工 程，它有利于城市的美观，对气候调节、城市规划、水资源环境也都起着良好的改善作用。 但在治理之后，由于一些城市周遍可利用的地表水资源较为匮乏，往往臭水河变成了无水河。 或者为了保持城市景观河道的游览水面，在河道中设置了多道橡皮坝截流或引流蓄制1 6 1 ，甚 至打深井汲水或引水自来水来维持治理后的河道，然而截流水体经过一段时间后，由于景观 河流自身的一些特点，如： ( 一) 河道窄，河床浅，河流短，环境容量小，自净能力比较差； ( 二) 许多景观河流因为流经城市的地面高羞小，流水速度缓慢； ( 三) 有的景观河道经过河底硬化、堤岸砌石等治理工程之后，其底部和堤岸由于经过 人工处理，与自然的交换能力变弱，水质更容易变差； ( 四) 景观河流一般是城市河流或流经城市的河流段，由于流经区域人为活动比较多， 受到的人工污染比较多，接收的污水成分也比较复杂； ( 五) 许多城市为了维持景观河流的景观效果，通过加药、曝气、换水等人为的作用控 制河流的水体水质，比一般的河流具有更多的人工痕迹。 所以景观河流比一般的河流水体更容易恶化而变得黑臭，常常需要放水重新蓄水。这在 社会、经济与环境效益等方面都是极其不合理的。 天津市的景观河道自1 9 9 9 年开始动工兴建，陆续建成了津河、卫津河、复兴河、月牙河 等景观河道，它们按照地理位置相连接，并与天津的母亲河一海河相连，仿佛给这座城市戴 上了条条靓丽的丝带。天津的景观河道除可供人们泛舟其上欣赏两岸高楼掩映、绿地环绕的 美丽风景，还担当着备用水源和防汛排沥的重要责任，是这座城市水环境安全的重要保证。 由于上述用途天津景观河道的水质安全尤为重要；而在大雨时节各沿河闸门会打开，排净城 市排水管网内的雨水保证防汛安全。在排雨水的过程中由于老城区雨污管网混流，不可避免 的会有污水流入景观河道，造成河道的污染，所以一定要正确的分析景观河道水质状况，防 治水体的富营养化。 随着城市品位的逐渐提高，美化环境、恢复城市水环境生态成为许多城市今后发展的趋 势，城市河流景观水的治理和维护也将成为许多城市必须面临的问题。天津市也需要一套合 9 第一章绪论 理的治理方案来改善和维持津河的水质。近年来国内外逐渐开始研究影响景观水水质变化的 因素，并通过各种方法来减轻水体的污染。但因景观河流有其独有的特点，再加上有人为的 控制因素存在，所以到目前为止还没有一套有效的方法，尤其在水质处理方面，其技术措施 还处于经验摸索阶段。因此，景观水体富营养化的预报和防治是一个很有价值的课题，它不 但可以用来进行富营养化水平评价，为治理技术的方案优化决策、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 3 主要内容与方法 本文选择天津市津河及其与之相连接的海河相关河段为富营养化的研究对象。根据津河 与海河相关监测点的水质监测结果，结合整个水系的具体情况，借助概率统计软件推导出津 河与海河富营养化水平的预测模型，以便在水质管理工作中对此水系富营养化水平进行预报， 并制定富营养化治理方案，主要内容包括： ( 一) 通过调研及文献查阅，掌握津河与海河的基本概况( 包括津河与海河的地理概况， 水利概况) ，水质状况和污染物来源，了解国内若干景观河的富营养化现状； ( 二) 在收集近年监测数据的基础上，重新设置津河与海河的监测断面和监测项目，进 行了为期两年的水质监测； ( 三) 根据监测数据，依照国家地面水环境标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) ，对津河与海河相关河 段进行富营养化水平的基本判断，形成对津河与海河富营养化水平的初步认识； ( 四) 以叶绿素a 含量为因变量，利用已有数据，应用改进的主成分分析法和内梅罗污 染指数法对海河和津河水质进行评价； ( 五) 利用多元线性回归的方法建立数学模型，对津河与相关海河河段的水质污染趋势 作出合理预测： ( 六) 针对模型中的重要因子，结合具体水质情况，提出合理的富营养化防治方法。 1 3 4 课题研究技术路线图 本课题的研究将按照以下路线图( 图1 3 ) 进行 1 0 第一章绪论 图1 q课题研究路线图 第二章海河、津河水质监测方法及分析 2 1 水体相关资料 第二章海河、津河水质监测方法及分析 2 1 1 海河、津河水体的相关历史资料 海河流域为水旱灾难多发地区。1 9 6 3 年大水后，毛主席提出了“一定要根治海河”的伟大 号召，按照防洪规划确定的“上蓄、中疏、下排、适当地滞”的治理方针，各省市构筑了由水 库、堤防和蓄滞洪区组成的防洪工程体系，形成了“分区防守、分流入海”的工程格局，流域 防洪形势发生了根本变化。1 9 6 3 年大水后，随之而来的是1 9 6 5 年大旱，1 9 7 2 年大旱，8 0 年 代初、9 0 年代末并一直延续到现在的连续干旱，致使河道断流，湖淀干涸，湿地消失，地下 水超采，生态环境严重恶化，水资源频频告急。天津市自1 9 7 2 年第一次临时引黄解救危机至 今，已8 次临时从黄河临时引水。北京市水资源也早已亮出黄牌，水资源问题已成为制约流 域社会经济发展的主要矛盾，可持续发展受到严重考验。随着人口增加，社会进步，经济发 展，水资源紧缺和生态环境恶化成为海河流域水利建设中的主要矛盾。面对新的形势，防洪 建设应如何进行? 应采取什么建设方针? 引起了许多人的思考。 津河原名“墙子河”具有悠久的历史。1 8 6 0 年( 清咸丰十年) 初，驻防天津的清军统帅僧 格林沁为抵御英法联军的入侵，挖土为濠，垒土为墙，修筑了一条东起沈庄子，东北至锦衣 卫桥，向西至窑洼、玉皇庙；西北起南运河三元村，经湾兜折向东南，再经海光寺东南行， 直到梁家园的墙子与墙子河，全长1 8 k m ，设营门1 2 座。“于各垛口排列抬枪、炮车，凡守御 之具，无不精备”。后经重修，营门增为1 4 座，今日的大营门、小营门、南营门、北营门、 西营门等等都是那时留下的地名。自2 0 世纪初，墙子被铲平，墙子河或废弃，或成为市区的 排水明沟。1 9 7 0 年海光寺至大营门段改建为地铁，剩余部分陆续改建为暗渠，保留在地面上 的只有三元村至红旗河部分，是为西墙子河。随着时代的变迁，逐渐成为排泄城市雨水和污 水的河道，两岸脏乱不堪。 2 1 2 地理位置、水体特点 为改善城市环境，天津市政府于2 0 0 0 年3 月1 0 日9 月1 0 日对墙子河进行了全面改造。 改造工程包括五条河道，即墙子河、复康河、红旗河、西墙子河和南运河( 三元村至三岔口) 段，总长1 8 5 k m 。改造后的墙子河花团锦簇，绿地3 0 万m 2 ，新建景点1 7 个，一泓碧波如玉 带环绕津城，两岸风清人爽，景随步移，如诗如画。经历了由挖掘初期的航运和灌溉到后来 演变为排泄城市雨水和污水的河道( 如今又成为天津城内一道景观水体及饮用水源之一) 。为 1 2 第一章海河、津河水质监测方法及分析 铭记墙子河改造工程，经天津市政府批准，原墙子河沿线4 条河，全长1 4 2 k m ( 不包括南运 河段) 同时更名为“津河”寓意着津城美好的未来。改造之后，津河两岸坡面都砌上了石块， 岸边还有草坪防护带，大大减少了坡面径流。部分河段还在河底铺上了砂石混凝土，以防底 泥的污染物释放。该河改造后水源来自海河，由三岔口泵站提升后