（环境工程专业论文）水源型水库富营养化预测与控制技术研究——以青岛产芝水库为例.pdf

水源型水库富营养化预测与控制技术研究 一以青岛产芝水库为例 摘要 产芝水库位于大沽河干流中上游，是典型的水源型水库，也是青岛市最大的 水库，但由于长期受农业、养殖和生活废水的影响，水库氮磷严重超标，富营养 化程度日益加深，大大影响了水体的使用功能。随着工农业的迅速发展及城市扩 张，青岛市水资源供需失衡逐渐凸显，开展产芝水库富营养化预测及控制技术研 究迫在眉睫。 本文在区域自然环境概况调查的基础上，分析了水库水质的时空分布特征， 根据现有水质监测资料，建立了改良的模糊综合评判模型，对水库的富营养化现 状进行了综合评价。针对产芝水库独特的环境背景，对底泥的污染特征进行了深 入地研究，并通过室内柱状试验，建立了不同温度和不同扰动条件下底泥氮磷释 放通量与释放时间之间的方程式。另外，通过建立含底泥释放的平面二维水流 水质模型，对多污染源共同影响下不同水文年水库的水质分布进行预测。最后， 通过室内试验，研究了两级垂直流土地系统处理入库河水的最佳工况和去除效 果：优化了聚硅硫酸铝铁抑制底泥磷释放的内部配比和投加量，且研究了优化条 件下的抑磷效果；深入分析了各因素对生态调度治理底泥氮磷污染的影响。本文 获得的主要结论如下： ( 1 ) 改良了模糊综合评判模型，并利用模型对水库富营养化现状进行了评 价。 应用改良的模糊综合评判模型，对产芝水库富营养化现状进行了综合评价， 评价结果显示产芝水库库区为富营养化水平，入库支流为重富营养化水平。 ( 2 ) 建立了沉积物氮磷释放通量与释放时间的定量表达式。 通过室内柱状模拟试验，研究了沉积物中氮磷的释放规律，建立了不同温度 和不同扰动条件下氮磷释放通量与释放时间的定量表达式，其中，静态释放可用 对数方程y = a + b l n ( x ) y 赫，动态释放可以用幂指数方程y = a x 6 采表示。 ( 3 ) 构建了含平面二维内源释放耦合水流一水质模型。 将内源释放因子耦合于平面二维水流水质模型中，通过对初始条件、边界 条件和参数的确定及模型的验证，建立了含内源释放项的二维水流水质模型， 对多污染源共同影响下不同水文年水库的水质分布进行了预测，预测结果表明， 中营养占7 4 ，中富营养化占1 6 7 ，富营养化占7 5 9 。 ( 4 ) 研发了适宜于入库河水污染治理的两级垂直流土地系统。 通过室内试验，对生物填料、水力停留时间( h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ，h r t ) 和水力负荷进行了优选，得到的优化工况为：填料为生物陶粒，h r t 为1 4 4 h ， 水力负荷为0 1 3 9 m d 。优化工况下对t n 、t p 、c o d m u 和叶绿素a 平均去除率分 别为6 0 2 、6 9 3 、5 6 8 和7 0 6 。 ( 5 ) 首次把聚硅硫酸铝铁( p s a f s ) 应用于抑制底泥磷释放。 试验结果表明，优化条件下空白实验上覆水中t p 的累积浓度是投加p s a f s 的2 倍多，且空白试验t p 累积释放浓度的波动性远大于投加p s a f s 的样品， 抑制效果显著。 ( 6 ) 提出了生态调度治理底泥氮磷污染的新技术。 通过室内模拟试验，研究了不同温度、不同调水周期和不同调水比例对生态 调度技术治理底泥氮磷污染的影响。研究证明，当水体温度为2 5 、换水周期 越短和调水比例越大时，对底泥中氮磷污染的治理效果越好。 度 关键词：富营养化；预测；控制技术；两级垂直流；聚硅硫酸铝铁，生态调 e u t r o p h i c a t i o np r e d i c t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g i e s o ft h e s o u r c ew a t e rr e s e r v o i r ：ac a s es t u d yo ft h ec h a n z h ir e s e r v o i r o fq i n g d a o a b s t r a c t t h ec h a n z h ir e s e r v o i ri sl o c a t e di nt h eu p p e rr e a c ho ft h ed a g ur i v e r ，w h i c hi s at y p i c a lw a t e r - t y p er e s e r v o i ra n dt h eb i g g e s tr e s e r v o i ro fq i n g d a o b u tt h en i t r o g e n a n dp h o s p h o r u si nt h er e s e r v o i rh a v ee x c e e d e dt h ee n v i r o n m e n t a lq u a l i t ys t a n d a r d s f o rs u r f a c ew a t e ru n d e rt h ei n f l u e n c e so fa g f i c u l t u r ec u l t i v a t i o na n dd o m e s t i cs e w a g e w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fa g r i c u l t u r ea n di n d u s t r ya n du r b a ng r o w t h , t h e c o n t r a d i c t i o nb e t w e e nw a t e rd e m a n da n ds u p p l yi sa g g r a v a t i n g t h e r e f o r e ，i ti su r g e n t t os t u d yt h ee u t r o p h i c a t i o np r e d i c t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g i e so ft h ec h a n z h i r e s e r v o i ro fq i n g d a o b a s e do nt h e n a t u r a le n v i r o n m e n ti n v e s t i g a t i o ni nt h ea r e ao ft h ec h a n z h i r e s e r v o i r , s p a t i a la n dt e m p o r a ld i s t r i b u t i o no fw a t e rq u a l i t yi nt h ec h a n z h ir e s e r v o i r i sa n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n gw a t e rq u a l 时m o n i t o r i n gd a t a s ，am o d i f i e d f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm o d e li s e s t a b l i s h e dt oe v a l u a t et h ee u t r o p h i c a t i o n s t a t u so ft h ec h a n z h ir e s e r v o i r a c c o r d i n gt ou n i q u ee n v i r o n m e n t a lb a c k g r o u n do f t h ec h a n z h ir e s e r v o i r , t h ef e a t u r e so fs e d i m e n tp o l l u t i o na l es t u d i e d t h ee q u a t i o n s o fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sf l u xa n dr e l e a s et i m ea l ee s t a b l i s h e du n d e rc i r c u m s t a n c e s o fd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sa n dd i s t u r b a n c e sb yi n d o o rc o l u m nt e s t i na d d i t i o n ，ap l a n e 2 dw a t e rf l o w w a t e rq u a l i t ym o d e lw i t hs e d i m e n tr e l e a s ei sd e v e l o p e dt os i m u l a t et h e w a t e rq u a l i t yd i s t r i b u t i o no ft h ec h a n z h ir e s e r v o i ri nd i f f e r e n th y d r o l o g i c a ly e a r s w i t ht h ej o i n te f f e c t so fd i f f e r e n tp o l l u t i o ns o u r c e s a tl a s t , t h eo p t i m i z e dc o n d i t i o n a n dr e m o v a le f f e c to ft h et w o s t a g ev e r t i c a l - f l o wl a n ds y s t e mf o ri n p u tr i v e r sw a t e r t r e a t m e n t , t h ee f f e c t i v e n e s so fu s i n gp s a f st oc o n t r o lp h o s p h o r u sr e l e a s ef r o m s e x i i m c n ta n dt h ef e a s i b i l i t yo fe c o l o g i c a lo p e r a t i o nt o c o n t r o l n i t r o g e na n d p h o s p h o r u sp o l l u t i o ni ns e d i m e n t a l ed e e p l ys t u d i e db yt h e l a bt e s t t h em a i n c o n c l u s i o n so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ef u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm o d e li sm o d i f i e da n de m p l o y e dt o e v a l u a t et h ee u t r o p h i c a t i o ns 1 ：a t u so ft h ec h a n z h ir e s e r v o i r m o d i f i e df u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm o d e li se m p l o y e dt oe v a l u a t et h e e u t r o p h i c a t i o ns 1 a t l l so ft h ec h a n z h ir e s e r v o i r t h ee v a l u a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e r e s e r v o i ri si ne u t r o p h i c a t i o nl e v e la n dt h ei n p u tr i v e r sa l ei nh e a v ye u t r o p h i c a t i o n l e v e l ( 2 ) t h ee q u a t i o n so fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sf l u xa n dr e l e a s et i m e a r e e s t a b l i s h e d t h er e l e a s er e g u l a r i t yo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si ss t u d i e da n dt h ee q u a t i o n so f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sf l u xa n dr e l e a s et i m ew e r ee s t a b l i s h e du n d e rc i r c u m s t a n c e s o fd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sa n dd i s t u r b a n c e sb yi n d o o rc o l u m nt e s t s t a t i cr e l e a s ec a nb e e x p r e s s e db yl o g a r i t h m i ce q u a t i o n ：y = a + bl n ( x ) ，t h ed y n a m i cr e l e a s ec a n b e e x p r e s s 矗b yp o w e re x p 。n t i a l 。c q u 撕。n ：y 2 a x 6 ( 3 ) ap l a n e2 d w a t e rf l o w q u a l i t ym o d e lw i t hi n t e r n a lr e l e a s ei se s t a b l i s h e d t h ei n t e r n a lr e l e a s ef a c t o r sa r ec o u p l e di nt h ep l a n e2 dw a t e rf l o w - q u a l i t ym o d e l ， a n dt h ep l a n e2 dw a t e rf l o w - w a t e rq u a l i t ym o d e lw i t hi n t e r n a lr e l e a s ei se s t a b l i s h e d t h r o u g hd e t e r m i n i n go f i n i t i a lc o n d i t i o n s ，b o u n d a r yc o n d i t i o n sa n dp a r a m e t e r sa n d t h ev a l i d a t i o no fm o d e l t h ew a t e rq u a l i t yd i s t r i b u t i o no ft h ec h a n z h ir e s e r v o i ri s p r e d i c t e di nd i f f e r e n th y d r o l o g i c a ly e a r sw i t ht h ej o i n te f f e c t so fd i f f e r e n tp o l l u t i o n s o u l c o s a n dt h ep r e d i c t i n gr e s u l t ss h o wt h a t ，t h em o d e r a t en u t r i t i o na c c o u n t sf o r 7 4 ，m o d e r a t ec u t r o p h i c a t i o na c c o u n t sf o r1 6 7 ，a n de u t r o p h i c a t i o na c c o u n t sf o r 7 5 9 ， ( 4 ) t h et w o - s t a g ev e r t i c a l - f l o wl a n ds y s t e mw h i c hi ss u i t a b l ef o ri n p u tr i v e r s t h eb i o l o g i c a lf i l t e rm e d i a ，h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m ea n dh y d r a u l i cl o a d i n ga r e o p t i m i z e db yi n d o o rt e s t t h eo p t i m i z e dc o n d i t i o n so f t h es y s t e ma r ea sf o l l o w s ：t h e f i l l e ri sb i o - c e r a m i c ，h r ti s14 4 h ，h y d r a u l i cl o a d i n gi s0 13 9 m d t h er e m o v a lr a t e so f t n ，t p , c o d m aa n d c h lau n d e rt h eo p t i m i z e dc o n d i t i o na r e6 0 2 ，6 9 3 ，5 6 8 a n d7 0 6 r e s p e c t i v e l y ( 5 ) p s a f si su s e dt or e s t r a i np h o s p h o r u sr e l e a s eo f t h es e d i m e n ta tt h ef i r s tt i m e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h er e s t r a i n i n gr e s u l ti ss i g n i f i c a n ta st h ec u m u l a t i v e r e l e a s ec o n c e n t r a t i o no ft pi nb l a n kt e s ti sm o r et h a nt w i c ec o m p a r e dt o t h et e s t w h i c hi sa d d e dp s a f s ，a n dt h ev o l a t i l i t yo ft h ec u m u l a t i v er e l e a s ec o n c e n t r a t i o no f t pi nb l a n kt e s te x c e e d st h es a m p l ew h i c hi sa d d e dp s a f s ( 6 ) t h en e wt e c h n o l o g yo fe c o l o g i c a l o p e r a t i o nt o c o n t r o ln i t r o g e na n d p h o s p h o r u sp o l l u t i o ni ns e d i m e n ti sp r o p o s e d t h er e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h ew a t e rt e m p e r a t u r ei s2 5 c ，t h et r e a t m e n te f f e c t o fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sp o l l u t i o ni ns e d i m e n ti s b e t t e rw i t hs h o r t e rw a t e r - c h a n g i n gp e r i o da n dl a r g e rw a t e r - t r a n s f e r r i n gp r o p o r t i o n k e y w o r d s ：e u t r o p h i c a t i o n ；p r e d i c t i o n ；c o n t r o lt e c h n o l o g y , t w o - s t a g ev e r t i c a l - f l o w ； p o l y s i l i c a t ea l u m i n u mf e r r i cs u l f a t e ；e c o l o g i c a lo p e r a t i o n 水源型水库富营养化预测与控制技术研究以青岛产芝水库为例 u 刖置 随着工业化和城镇化进程的加快，水体富营养化日趋严重，如太湖、巢湖、杭州 西湖、云南滇池、于桥水库等，水体富营养化已经危及到当地的供水安全和经济社会 的可持续发展。 随着我国对城市地下水开采的限制，特别是北方缺水的城市，如北京、西安、石 家庄、济南、青岛等，水库已替代地下水作为城市的主要供水水源，而水源型水库因 为对水质有着更高的要求而有别于一般意义上的湖泊水库。产芝水库位于大沽河干流 中上游，是典型的水源型水库，也是胶东半岛最大的水库。但是由于长期受氮磷肥使 用、养殖和生活废水的影响，水库氮磷元素严重超标，大大影响了水体的使用功能。 随着经济的迅速发展及人口的快速增加，青岛市水资源的供需矛盾日益凸显，水资源 成为制约青岛经济社会可持续发展的瓶颈之一。因此，开展产芝水库富营养化预测及 控制技术研究，对于保障经济社会的和谐发展和供水安全，探求水库富营养化控制技 术等方面都有着重要的理论和现实意义。 本项研究是在青岛市水利专项“产芝水库环境容量与生态安全预警系统研究”( 编 号：q d 2 0 0 8 0 5 ) 的基础上进行的。在资料收集基础上进行了大量的试验，探讨了产芝 水库底泥氮磷的释放规律、两级垂直流土地系统治理入库河流污染、聚硅硫酸铝铁抑 制底泥磷释放及生态调度治理底泥氮磷污染的可行性和有效性，并通过建立模糊评判 法模型对水体富营养化就行了综合评价，通过构建水流水质模型对多污染源共同影响 下不同水文年水库水质进行预测分析。在上述工作的基础上，作者撰写了5 篇论文， 分别在水利学报( e i 核心) 、( ( a d v a n c e dm a t e r i a l sr e s e a r c h ) ) ( e i 源) 和环境工程 学报( 核心) 等刊物发表。 水源型水库富营养化预测与控制技术研究以青岛产芝水库为例 1 绪论 1 1 水体富营养化及其危害 1 1 1 水体富营养化 “富营养化 一词来自于希腊文，意即“富裕”。只从字面上来看，“富营养化” 的意思是“喂养状态变好的过程 。本文中“富营养化”是衍用于湖泊水库分类与演化 的概念，基本含义是湖泊、水库等相对封闭、水流缓慢的水体中氮、磷等植物性营养 元素的严重超标( 氮的含量超过0 2 0 3 m g l ，磷的含量大于0 0 1 0 0 2 r a g l ) 【l 】，从而 就引起水体植物，如藻类及大型植物的大量生长，使得大面积的水域被藻类覆盖，严 重阻碍了水体与大气的正常接触，导致水中溶解氧含量大大降低，而藻类的代谢死亡、 微生物分解藻体及其它有机物也要耗去水中大量的溶解氧。 我国是一个多水库湖泊国家，天然水库湖泊遍布全国，面积为7 0 9 8 8 k m 2 。水库湖 泊在防洪、供水、航运、旅游及维系区域生态平衡方面发挥着巨大作用。近2 0 年来， 我国的水库湖泊富营养化日益严重。从全国范围来看，城市的湖泊水库目前已处于中 富营养或异常营养状态，绝大部分的大中型水库湖泊已具备发生富营养化的条件或处 于富营养化状态。随着湖泊水库富营养化的加剧，水华爆发频繁发生，将成为制约我 国社会和国民经济持续发展的重大环境问题【4 】。 ? 1 1 2 水体富营养化的危害 水体富营养化的危害主要表现在以下几个方面：( 1 ) 破坏水体生态平衡，( 2 ) 水 体透明度降低，( 3 ) 影响水体的溶解氧，( 4 ) 向水体释放有毒物质，( 5 ) 散发腥臭异 味，( 6 ) 增加供水成本，( 7 ) 影响水产养殖，( 8 ) 影响旅游和航运。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 水库富营养化评价 ( 1 ) 评价指标 选择正确的评价指标是对富营养化现象进行确切、快速评价的必要条件。与水质 富营养化有密切关系的指标很多，主要分为物理、化学和生物学指标。 透明度是物理指标中最为常用的一种，它能够体现水体中光的辐射强度。化学指 标中最常用的是c o d 、t n 和t p 。藻类的生物量与c o d 的相关性较为显著，因此， c o d 是比较方便有效地评价指标。不过，在水体中真正限制藻类生长的是氮磷，只有 2 水源型水库富营养化预测与控制技术研究以青岛产芝水库为例 准测定水体中的氮磷含量才能正确反映处水体重的生物的生产力水平，才能对水体的 富营养化状态做出正确的判断，进而为富营养化的防治起到很好的预警作用。 生物学指标主要是指由于富营养化而出现的优势生物的种类和数量，根据浮游藻 类优势种群的变化可以评价富营养化的状态，常采用叶绿素一a ( c h l a ) 作为表征藻类 生长的指标。 ( 2 ) 评价标准 富营养化评价的标准很多，国外，比较成熟的有捷尔吉森判别标准、沃伦威德负 荷量标准等，表1 - 1 为1 9 9 6 年n u r n b c r g 研制的湖泊水库富营养化标准和1 9 9 4 年 h a k a n s o n 研制的海洋富营养化标准【1 5 , 1 6 】。国内有滇池的评价标准、太湖的评价标准、 巢湖的评价标准、武汉的东湖评价标准和杭州西湖的评价标准等，各个标准相差不大， 表1 2 为我国滇池的富营养化评价标准。 表1 - 1 湖泊富营养化标准( n u m b e r g ) 和海洋富营养化标准( h a k a n s o n ) 表1 2 中国滇池的富营养化评价标准 t a b l e l 2s t a n d a r d so f e u t r o p h i c a t i o no f d i a n c h ii nc h i n a 营养状态 s d ( m ) t p ( r a g l ) t n ( m g l ) c h i a ( m g m 3 ) b o d 5 ( m p j l ) c o d m n ( m l ) 贫营养 中营养 中富营养 富营养 2 0 1 5 1 o 0 7 o 0 1 0 0 0 2 5 0 0 5 0 o 1 0 0 0 1 2 0 3 0 o 6 0 1 2 0 3 5 o 1 0 o 1 5 o 2 5 o 1 5 2 0 3 o 5 0 2 o 3 0 4 0 7 o 水源型水库富营养化预测与控制技术研究以青岛产芝水库为例 本文根据产芝水库的水质特征，对富营养化的评价指标进行了深入分析，最后， 决定以中国滇池的富营养化评价标准为基础而建立了一个适合产芝水库的富营化评价 标准。表1 3 为本文提出的产芝水库富营养化状态评价标准。 表1 3 产芝水库富营养化评价标准 t a b l e1 3e v a l u a t i o ns t a n d a r do f e u t r o p h i c a t i o ni nt h ec h a n z h ir e s e r v o i r ( 3 ) 评价方法 自从2 0 世纪起，国内外学者对水体富营养化评价方法进行了深层次的研究，并且 提出了很多切实可行、形式多样的方法。根据其理论不同，主要分为以下几种：特征 法【1 7 1 、参数法【1 8 】、营养状态指数澍19 1 、生物指标评价法【2 0 】、数学分析法以及基于3 s 技术的评价方法【2 2 之4 1 等。最常用的方法有参数法、模糊数学评价、法【1 4 8 。1 5 1 2 4 之8 1 、灰色理 论评价法【2 9 。2 1 、人工神经网络法 3 3 - 3 5 1 等。 根据产芝水库具体情况的不同，在对其他同类型水库的评价方法进行了比较分析 的基础上，经研究决定本文采用改良模糊综合评判法对产芝水库富营养化进行了综合 评价，具体见3 2 。 1 2 2 水库富营养化预测 随着对水体富营养化形成机理认识的不断深入，富营养化模型无论在理论上和实 践上都取得了较大的发展，截止到目前，建立了大量不同复杂程度的水库富营养化模 型【3 6 1 ，主要包括营养盐模型【3 7 。5 1 】、浮游植物生态模型【5 2 - 5 钔、生态一动力学模型5 2 侧等。 4 水源型水库富营养化预测与控制技术研究以青岛产芝水库为例 随着科学技术的发展，国外自2 0 世纪6 0 年代起，一些大型的综合模型已经开发 成软件【3 7 1 ，现将部分列于表1 4 中。 表1 - 4 国外常用的富营养化模型及其特征 t a b l e l - 4f o r e i g ne u t r o p h i c a t i o nm o d e l sa n dt h e i rc h a r a c t e r s 注：“”相关，“”不相关。 结合产芝水库的自身特点，本研究采用a q u a s e a 模型对产芝水库的水质进行预 测。q u a s e a 是用于解决水流和污染物运移问题的软件包，采用g a l e r k i n 有限元方法 求解。开发始于1 9 8 3 ，用于求解两维的水流水质问题。从1 9 9 2 起，软件不断地升级， 并用世界范围最难问题来进行测试。模型包含下列二模型：水动力水流动模型和运移 扩散模型。水流模型能模拟湖泊、水库、河口、海湾和滨海地区，不同动力场作用下 的水位变化和水流流动。软件用数值有限元法近似法，依据测深、基底阻力系数( c h e z y 系数或曼宁数) 和风力场的基础信息，计算水位和水流。模型单元可以随潮汐的变化， 多次饱和或疏干。 a q u a s e a 运移扩散模型用于模拟在流体流动影响和存在的扩散过程作用情况 下，物质的散布过程。模拟的物质可以是任何种类的污染物质，守恒的或非守恒的、 无机或有机盐、热、悬浮沉积物、溶解氧以及其他水质参数。可以依据实测记录，输 入实时变化数据，软件自动接受不同时间步长，并计算中间值。模型考虑了随时间变 化的风和潮汐边界条件，以及随时间变化的源等。 水源型水库富营养化预测与控制技术研究以青岛产芝水库为例 1 2 3 水库富营养化控制技术 水库富营养化已成为全球面临的主要环境难题之一。目前，治理水库富营养化， 主要从两个方面来进行：一是控制外源性营养物质的输入，如截污分流和污水集中处 理，主要用于控制点源污染；二是减少内源性营养物质的负荷，如微生物修复、底泥 疏浚、化学法、人工湿地、水生植被恢复等，其目的是控制面源污染和加快湖泊水库 的恢复速度6 5 。6 羽。依据目前的技术条件，点源污染通过截污和污水的集中处理已经能 够得到很好的治理；内源污染和面源污染成为水库富营养化控制的两大难题，这也是 近年来水领域的研究热点。 ( 1 ) 面源污染治理技术 面源污染已成为水环境的最大污染源【6 9 1 ，而来自农田的氮、磷在面源污染中占有 最大份额删，研究表明，水体中的t p 与流域内农业用地的比例呈正相关关系【7 1 1 。在众 多入库污染途径中，入库河流是水库的“咽喉”，很多污染物从入库河道流入水库。经 地表径流汇集后，入库河流可以携带水库流域内的各种工业废水、居民生活污水、养 殖废水和库区周围土壤中残留的化肥、农药、垃圾杂物等污染物形成了入库污染【7 2 1 。 截止到目前为止，国内外针对入库河流污染治理进行多方面研究，主要有化学氧 化法，采用的氧化剂有高锰酸钾 7 3 1 、氯气7 4 1 、臭氧7 5 。7 7 】、过氧化氢【7 8 】、过碳酸钠【7 9 】、 氧化耦合絮凝剂【8 0 】等，该方法对去除水中的污染物有很好的效果，但运行费用昂贵； 生物氧化法，是一种借助微生物群体的新陈代谢作用，有效去除或者减少污染物的处 理技术，主要有生物接触氧化法【8 、生物陶粒滤池、法【8 2 1 、生物流化床吲和粗滤慢滤去 除氨氮工型刚等，虽然生物氧化法能够有效去除污染物，运行费用低，但是在工艺运 行过程中影响因素较多，操作管理难以规范；吸附法，是采用活性炭【8 5 1 、沸石【8 6 1 、活 化硅藻土【8 7 】等吸附水中的污染物质，进而净化水质，此技术对水中有机物有良好的吸 附效果，但尚处于研发阶段；另外生物活性炭法【8 8 1 、混凝法【8 9 】等研究取得了良好的效 果，但是在实际应用中还存在一些问题需要进一步研究。湿地系统，美国科学家很早 利用湿地生态系统作为水库周边流域和库区之间化学和水文缓冲器，提出了保护库区 水质的湿地生态工程凹】。但由于天然湿地净化容量的效率差，现在不鼓励采用天然湿 地处理入库河水。我国学者金相灿等惭】提出了非点源前置库和非点源污染河流控制工 程模式，戴全裕【9 l 】等对太湖入湖河道污染物的控制作了生态工程动态模拟实验研究。 刘文祥等【9 2 】用滇池边低洼弃耕地改建了1 2 5 7 m 2 的人工湿地，该湿地正常运行时对t n 、 t p 去除率为6 0 、5 0 。 6 水源型水库富营养化预测与控制技术研究以青岛产芝水库为例 目前，人工湿地成为治理入库河流污染的主流技术，人工湿地类型主要有表面流 人工湿地、潜流人工湿地及组合人工湿地系统三类。其中潜流人工湿地根据水流形态 又分为平流和垂直流两类。d o n g q i n gz h a n g 等人比较了国内表面流、水平潜流、垂直 流和组合系统的人工湿地运行数据，指出垂直流对于人工湿地的t s s 、b o d 5 、c o d 和 t p 的去除率最高【17 0 1 。 垂直流土地系统根据水流方向分为下行垂直流和上行垂直流。如下行垂直流系统， 水流在填料床中基本呈由上向下的垂直流动，水流经床体后被铺设在出水端底部集水 管收集而排出。这种土地系统节约建设面积，利于脱氮除磷，而且处理效果稳定蚓。 但考虑到除污效率，在以往的研究中，很少单独采用上行或下行垂直流土地系统，多 数采用复合垂直流的方式。近几年对于复合垂直流的研究目益兴起，且应用于处理污 水的研究很多，本文将采用改进的复合垂直流土地系统( 两级垂直流系统) 对入库河 水进行治理【1 7 1 1 。两级垂直流土地系统是由上行池和下行池组成，中间设有隔板，上行 池和下行池中间填有生物填料，与普通复合垂直流的不同之处在于，上行和下行池之 间通过集水管联通，具体装置见第六章。 ( 2 ) 内源污染治理技术 当水库的点源性污染和面源性污染得到有效地控制后，内源污染就成为水库污染 治理的重点，也是治理的难点。在生物、化学和物理的相互作用下，沉积物在泥水界 j 面之间互相转化迁移，污染物质对上层水体继而构成严重威胁，在富营养化程度越轻 的水库这种现象越不明显，在富营养化程度越重的水库，这种现象越是显著9 3 - 9 6 。据 南湖和滇池的相关报道可知，当外源污染得到有效控制后，沉积物中释放的总磷可以 使得库体或者湖体中磷的水平保持现状达几十年之久【9 7 1 。 截止到目前为止，沉积物污染的治理技术已有了明显的分化，主要有原位处理和 异位处理两种技术，实践表明，这两种技术均得到很好的发展。沉积物异位处理技术 主要包括疏浚和疏浚后的处理，主要通过对水库沉积物进行机械挖除来转移或者减少 沉积物中污染物的释放9 8 1 。国内采用疏浚技术的湖泊水库有滇池、巢湖、西湖等【蚓。 疏浚技术具有很多优点，也有很多的缺点，其最显著的缺点是转移以后的次生污染 【1 0 0 0 4 。 原位治理技术指运用物理、化学或者生物方法减少沉积物的迁移、释放，降低其 对上覆水体的污染【1 0 2 。按照治理技术的方法不同可以分为物理法、化学法、生物法和 生态法。物理法一般都是采用曝气的方法来破坏水体的分层，加强水体上下层中温度 7 水源型水库富营养化预测与控制技术研究以青岛产芝水库为例 和溶解氧的对流，使得水体中的污染物得到充分的降解，进而去除底泥污染【9 引。此技 术治理效果较好，但其成本较高、对水体生态系统破坏严重，进而带来新的次生污染m 】。 生物法是通过沉积物中生物的降解功能，使得沉积物中的污染物质改变其自身的结构 和功能，进而降低其毒性、活性，阻止污染物在水泥界面的迁移和转化，从而使沉积 物污染得到治理。通常在实际工程中，会根据需求不同选择不同的生物，如：植物、 动物、微生物和综合组合。由于生物的生长需要较长的周期和较适宜的环境才能够存 活，培养起来比较困难，现阶段，对植物和动物的研究还相对较少，只有少量关于芦 苇、蚯蚓等对沉积物中重金属的处理的研究【1 0 5 , 1 0 6 】。生物法中处于主导地位还是微生物， 微生物的生长周期较短、对于水体来说也相对比较安全、而且比动物或者植物的成本 都要低，这些优点使得其成为生物治理的一个热点。但是由于水库中泥水界面物质转 换迁移相当复杂，在实际操作中具有很大的难度，实例很少，在发达国家中也是仅处 于中试的阶段1 0 7 】。化学法是通过投加抑制剂、覆盖剂或者其他化学药剂等方式，进 而使得沉积物中的污染物质得到固定或者抑制，阻止其向水体中释放。截止到目前为 止应用较多的是硝酸盐( c a ( n 0 3 ) 2 、n a n 0 3 ) 1 5 2 q 6 4 、铝盐( a 1 2 ( s 0 4 ) 3 和n a a l 0 2 ) 1 6 5 - 1 6 8 ， 硝酸盐能够把硫化氢迅速氧化，并且能被有机物利用，铝盐与磷的结合物比较稳定， 即使在厌氧环境下磷也不会重新释放出来，另外磷铝絮凝剂还可以吸附胶体物质和水 中的有机物质。美国学者w e l c h 和c o o k e 研究y 2 1 个用铝盐治理沉积物污染的湖泊水库， 研究表明，当水体中没有较大型的植物时，用铝盐治理水库底泥污染有效期达1 0 年之 久【9 3 , 9 4 , 9 6 。运用化学方法治理沉积物污染，具有的优点是投资较少，能耗相对较低。但 是其显著的缺点是化学物质的投加会对沉积物种的生物带来一定的影响，另外，化学 药剂或多活杀都会释放毒性，使水体的使用功能大大降低。因此，开发无毒、絮凝性 好、凝聚力强、成本低、处理效果好的新型处理剂成为当今原位处理的热点问题。 p s a f s 是以硅酸钠、硫酸铁和硫酸铝为原料制备得一种无机高分子絮凝剂。赵会 明等1 0 8 1 进行p s a f s 除磷研究表明，p s a f s 是一种理想的除磷絮凝剂，其性能优于聚合 硫酸铝铁等絮凝剂。同时p s a f s 本身无毒、不含氯、低铝、高铁，由于硅的引入使其 具有较强的吸附力、凝聚力、沉降性好和在水介质中稳定性好等特点，近年来其在环 保领域中的应用日渐受到关注。目前却少有关于p s a f s 在控制底泥磷释放的应用报道， 本文通过优化p s a f s 的内部配比和投加剂量抑制底泥磷释放，为有效控制水体内源磷 释放提供新思路。 ( 3 ) 生态调度技术 -8： 水源型水库富营养化预测与控制技术研究以青岛产芝水库为例 投加化学药剂抑制底泥污染，虽然可以快速解决底泥污染的问题，但是对于水源 型水库的污染治理，人们多少带有抵触心理。因此，寻求一种能从根本上治理内源污 染、易于操作、且又能被人们接受的技术成为本研究的令一个创新点。 最初水库调度方式以防洪调度和兴利调度为主，从保护生态系统的观点来看，没 有涉及生态因素。生态调度是伴随水利工程对河流生态系统健康如何补偿而提出的一 个新概念。从生态安全的角度来讲，生态调度概念的提出具有现实意义。董哲仁提出 了水库多目标生态调度方法【1 0 9 1 ，其定义为：在实现防洪、发电、供水、灌溉、航运等 社会经济多种目标的前提下，兼顾河流生态系统需求的水库调度方法。蔡其华【1 1 0 1 提出， 在满足坝下游生态保护和库区水环境保护要求的基础上，充分发挥水库防洪、发电、 灌溉、供水、航运、旅游等各项功能，使水库对坝下游生态和库区水环境造成的负面 影响控制在可承受范围内，并逐步修复生态和环境系统。由此可见生态调度核心内容 指将生态因素纳入水利调度中去，并将其提高到一定的高度，其自始自终贯穿着生态 和环境问题。王远坤【1 1 1 】提出了生态调度的专项调度，他根据调度目的不同分为：生态 需水量调度、生态洪水调度、泥沙调度、水质调度、生态因子调度和综合调度。自2 0 世纪4 0 年代以来，美国、俄罗斯、日本、澳大利亚等国家均开始了生态需水量、生态 洪水和泥沙调度的研究和应用，并取得了良好的效果【1 1 2 刖9 1 。但是针对于水质和生态因 子调度的研究和应用却极少。 水质调度是为防止或者减轻突发污染事故、水体富营养化与水华而进行的生态调 度。为防止水库的富营养化，可以通过改变水库的调度运行方式 1 2 0 m 1 1 ，在一定的时段 降低水位，增大水体流速，从而破坏水体富营养化的条件。也可以考虑在一定时段内 加大水库的下泄量和补给量，增强库区内水体流动和扰动强度，增大沉积物水界面的 浓度梯度，进而增大内源污染物的释放量，有利于水库内源污染治理，缓解水库的富 营养化现象。 生态因子调度是指对水温、流速、流量等生态因子调度。以水温为例，可根据水 库水温的分布结构，结合水库的环境问题，通过在合适温度下加大水库的下泄量和补 给量，从而能够更好的满足生态调度的要求。 本文创