（水土保持与荒漠化防治专业论文）汤河水库水体富营养化防治研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，也不包含为获得沈阳农业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 表示了谢意。 研究生签名： j 切戳t t 尹 时间：? 弛7 年月j 1 日 导师签名：夕 时间：叫年6 月，2 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意沈阳农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： b 编弘辛 时间： ，7 年月，蝈 新躲么矽 时间：们：，7 年_ 媚 沈阳农业大学硕士学位论文 摘要 水体富营养化是因氮、磷等营养物质输入过量而引起的一种水体效应，主要表现为 水中藻类和大型永生植物的过度生长，同时还伴随一系列的水质与水体生态的变化。富 营养化对水体的危害巨大，治理工作很难进行。 本论文针对汤河水库，分别运用单因素指数法和模糊综合评价法评价了水库2 0 0 5 年 的水质状况，结果表明汤河水库大部分断面的水质为i i 级，只有少数断面为级，总体 水质状况较好。在营养化状态的评价过程中，运用了营养状态综合指数法，结果表明汤 河水库水体的营养化程度较轻，各断面的死，( z ) 值围绕在3 0 左右小幅度波动，属于中营 养水平在进行评价的6 个断面中，东叉断面和西叉断面的营养化程度稍重。对于影响 水库水体环境的主要污染物，通过对2 0 0 5 年水质状况和富营养化状况的分析，表明影响 汤河水库的主要污染物为总氮( 办r ) 、总磷( t p ) 、高锰酸钾指数( c o d m n ) 、五日 生化需氧量( b o d 5 ) 和石油类污染物，该结论与汤河水库富营养化影响因素的因子分 析结果基本一致。在污染源的分析方面，通过对相关资料的分析研究，假设非点源为影 响水库的主要污染源，然后对水质模型进行逆运算，建立汤河水库总磷入库负荷量与流 域范围降雨量的相关分析，结果表明两者之间有很大的相关性，从而可以确定影响汤河 水库的主要污染源为非点源。在水库允许污染物入库负荷量的分析计算方面，选择了总 氮( z ) 、总磷( t p ) 、高锰酸钾指数( c o d ) 、五日生化需氧量( b o d s ) 该四 项指标。对于目前的水体环境状况而言，计算结果表明该结果表明总氮( t n ) 已没有 剩余容量，而其他三项指标仍有较大空间。 通过对汤河水库的污染物来源及流域范围内环境状况的综合分析，论文最后提出了 污染源控制建议、水土流失防治建议和细河引水工程污染防控建议。对于汤河水库水体 富营养化的防治工作应以预防为主，坚持控源与生态修复相结合，从根本上防止汤河水 库水体的富营养化。 关键词：汤河水库水环境质量水体富营养化 摘要 a b s t r a c t t h ew a t e re u t r o p h i c a t i o ni sc a u s e db yn u t r i e n t s e x c e s s i v ei n p u t s t h e s en u t r i e n t sm a i n l y i n c l u d e sn i t r o g e na n d p h o s p h o r u s w h e n t h ew a t e r e u t r o p h i c a t i o n h a sh a p p o n e d , i t s p e r f o r m a n c ei sa l g a ea n dl a r g e s c a l ea q u a t i cp l a n t so v e rg r o w t h a tt h es a m et i m e ，as e r i e s c h a n g e so fw a t e rq u a l i t i e sa n dw a t e r - b o d ye c o l o g yw i l lb eh a p p e n e da ss o o n t h ew a t e r e u t r o p h i c a t i o nw h i c h 咖b r i n gg r e a th a r m s t ot h ew a t e r q u a l i t i e s ，i t sg o v e r n m e n tw o r ki sv e r y d i f f i c u l tt oe a r l yo n t a n g h er e s e r v o i ri st h eo b j e c to ft h i ss t u d y r e g a r d i n gt h ew a t e rq u a l i t yc o n d i t o n go f t a n g h er e s e r v o i ri n 2 0 0 5 ，f u z z yq u a l i t ys y n t h e t i ce v a l u a t i o nm e t h o di s u s e dt ot h ew a t e r q u a l i t yq p p r a i s e s t h eq p p r a s i a lr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ew a t e rq u a l i t yc o n d i t i o no ft h em a i n c r o s ss e c t i o ni sb e l o n g i n gt h es e c o n gr a n k o n l yaf e wc r o s ss e c t i o n s w a t e rq u a l i t yc o n d i t i o n i s b e l o n g i n gt h et h i r dr a n k ，w h i c hm a yc a u s e db yt h ei n f l u e n c eo fw e i g h t g e n e r a l l y s p e a k i n g , t h ew a t e rq u a l i t yo ft a n g h er e s e r v o i ri sg o o d r e a r d i n gt ot h ew a t e re u t r o p h i c a t i o n c o n d i t i o n a p p r a i s a l ，n u t r i t i o n c o n d i t i o n c o m p r e h e n s i v ee x p o n e n t i a l m e t h o di su s e d s u c c e s s f u l l y w h e nt h er e s u l th a si n d i c a t e dt h a tt h ed e g r e eo fe u t r o p h i c a t i o no ft a n g h e r e s e r v o i ri sn o ts e r i o u s t h ev a l u eo f 死，g ) i su n d u l a t e d a r o u n d3 0 ，w l 蚰i n d i c a t e st h a tt h e n u t r i t i o nd e g r e eb e l o n g sm e d i u mr a n k o v e r a l la n a l y z e s ，t h en u t r i t i o nd e g r e ei nt h ee a s t e r na n dw e s t e r n b r a n c ho ft a n g r l er e s e r v o i ri ss l i g h t l ys e r i o u s , w h i c hn e e dp a ya t t e n t i o nt o r e s e a r c h & t h ew a t e rq u a l i t y d a t ao f2 0 0 5 ，t h em a i n l yp o l l u t a n to ft a n g h er e s e r v o i ri s n i t r o g e n , p h o s p h o r u s ，b o d 5 ，c o d “, a n d p e t r o l e u mp o l l u t a n t ，w h i c hc o n s i s t e n tw i t ht h e r e s u l to f f a c t o ra n a l y s i s w h e nt h ep e r m i s s i o n p o l l u t a n tw a r e h o u s i n gl o a do ft a n g h er e s e r v o i ri sa n a l y s i s e d ，t h en i t r o g e n , f h o s p h o r e s ，b o d s a n dc o d u h a v eb e e nc h o s e n w i t ht h ep r e s e n tw a t e re n v i o r m e n t ，t h er e s e r v i o rc a n th o l d a n yn i t r o g e n , a n dt h eo t h e rp r o j e c th a v es o m es p a t i a l t h r o u g ht h er e v e r s eu s et ot h ew a t e r q u a l i t ym o d e l , w h e nt h es h o u l d e r so fp h o s p h o r u si so b t a i n e d ，i tu s e dt ot h er e g r e s s i o na n a l y s i s w i t ht h er a i n f a l lm o u n t w i t ht h er e s u l to ft h er e g r e s s i o na n a l y s i s ，i th a si n d i c a t e dt h a tt h e n o n p o i n tp o l l u t i o ni st h em a i n l yp o l l u t i o no ft a n g h er e s e r v o i r t h r o u g ht h ea n a l y s i sw i t ht h ep o l l u t a n to r i g i n a t e so ft a n g h er e s e r v o i ra n dt h ee n v i r m e n t 2 沈阳农业大学硕士学位论文 c o n d i t i o no ft a n g h er e s e r v i o r sb a s i n , t h e p r e v e n t i n g a n d c o n t r o l l i n g o ft h ew a t e r e u t r o p h l c a t i o ns h o u l dp r e v e n tp r i m a r i l y t h ep o l l u t i o nc o n t r o la n dt h er e p a i ro fe c l o g ys h o u l d s t a r ts i m u l t a n e o u s l y , p r e n tt h ee r t r o p h i c a f i o nf u n d a m e n t a l l y k e yw o r d s ：t a n g h er e s e r v o i r w a t e re n v i o r m e n tq u a l i t yw a t e r e u t r o p h i c a t i o n 3 第一章绪论 1 1 水体富营养化 第一章绪论 1 1 1 水体富营养化概念 水体富营养化是因氮、磷等营养物质输入过量而引起的一种水体效应，主要表现为 水中藻类和大型水生植物的过度生长，同时还伴随一系列的水质与水体生态的变化。水 体里富营养化状态时，水面藻类繁殖，成片成团地覆盖水体表面发生在湖面上称为 “水华”，而发生在海湾或者河口区域则称做“赤潮”( 金相灿，1 9 9 0 ) 。富营养化水 体的透明度明显下降，溶解氧降低。水体富营养化是营养物质在水体内富集，从而使水 质发生一系列生物、物理和化学的复杂变化的连续过程。 水体富营养化是水环境中普遍存在的水质污染现象。不仅在湖泊、水库和海湾这样 一些封闭性或半封闭性水体中发生富营养化，而且，也可能在河流、河口水域发生富营 养化。很多河流在它们的发源地河段，处于贫营养状态，水体清澈洁净，水温较低。但 是，随着河段变化，在中下游和河口水域，河流接纳了来自天然源和人为排放源的大量 氮、磷等营养物质。这些营养物质逐渐在河口沉降、积累，河水逐渐变得浑浊，水温也 有所升高。底泥沉积物表面开始生长一些水革，水草丛中生长的鱼类不再是蛙鱼代之以 鲤鱼，这是河流富营养化常见的现象。 尽管河流可能象湖泊，水库等水体那样发生水质富营养化，但其影响却不一样。河 流富营养化比湖库富营养化容易逆转或恢复。因为输入的营养物质一旦截断后，河流将 冲刷含有丰富营养物质的底泥而流入海洋。 1 1 2 水体富营养化的特征 ( 1 ) 水体中氮、磷等营养物质富集 进入水体的氮、磷等营养物质主要来源于农田施肥、农业废弃物、城市生活污水及 一些工业废水。施入农田的化肥，只有- - + 部分被植物吸收，如氮肥，通常未被植物利 用的氮肥超过6 0 ，少数情况下超过8 0 ，这些未被植物利用的化肥就又回到地表水和 地下水中( 金相灿，1 9 9 0 ) 。其次是大量的城市污水，特别是含磷洗涤剂的污水、屠宰 畜产品加工、食品工业和工业废水，这些废水未经处理或经一、二级处理即行排放，这 4 沈阳农业大学硕士学位论文 就导致了相当多的营养物质进入水体，为形成水体富营养化提供了物质来源。 另外，水体中b o d 、c o d 、d o 等指标也会反映了富营养化的程度。 ( 2 ) 在水体的生物群落中，生产者( 指绿色植物，尤指藻类) 远远超过消费者( 如鱼类) 和分解者( 如细菌) ，这就造成生态系统明显的不平衡。所以在富营养化水体中，植物群 落占优势地位，而使消费者处于极不重要的地位，水体富营养化进入恶劣的循环过程中。 ( 3 ) 在水底富集的营养物质形成一个沉积层。 以径流形式进入水体的固体营养物质可以机械的沉积在水底，并进行分解，使原本 沉积的营养物质慢慢的又一次释放出来，以溶质形式再一次进入水体。这种由营养物质 吸附作用与水体中的悬浮物一同沉积在水底的过程，加速了水体进一步恶化并向沼泽化 趋势迈进的过程。 1 1 3 水体富营养化成因 水体富营养化形成的本质是氮、磷等营养物质的过量输入，既有自然因素的作用也 有人为因素的作用，其中后者的作用更为重要。 ( 1 ) 自然因素 在一些情况下，富营养化是水体自然发展的结果。水体自身的特征、循环周期、所 处地质环境与气候环境都可能是导致富营养化问题产生的因素，这些因素往往交互作 用，共同促进富营养化的形成。 水体自身的特征对富营养化的形成有重要作用。浅水湖泊相对于深水湖泊，更容易 产生富营养化问题。浅水湖泊，阳光穿透性好，水体含氧丰富，温度适宜，可以满足藻 类的生长和繁殖所需的阳光、氧气和温度。例如，太湖平均深度1 8 9 米，最大深度也仅 2 6 米，是典型的浅水湖泊；巢湖深度也较浅，二者是典型的易富营养化湖泊。 水体的循环周期在很大程度上决定水体的营养物浓度。水体更新速度慢，流入的污 染物易沉淀，并使进入水体的营养物质在未输出之前就沉积于湖底，大量营养物质的沉 积会导致水体富营养化的发生，而这一状况一旦出现就很难恢复。 水体周围的地质环境也可能增加水体富营养化的趋向。如我国的巢湖，北岸是磷矿 主要分布区，蕴藏着丰富的磷灰石资源，由于地质构造、地貌的影响，源于磷矿区并以 含磷岩层出露区地表径流补给的水系大部分汇入巢湖中，使得巢湖的自然本底磷浓度非 常高，具备了易富营养化背景基础。 适宜的气候也使水体具有易富营养化的性质。在适宜的温度、充足的关照条件下， 5 第一章绪论 藻类的繁殖速度会大大增加。如我国的巢湖，地处北亚热带季风气候区，光热资源丰 富，水深较浅，透明度好，平均气温2 0 摄氏度左右，非常适宜藻类的生长，因此巢湖这 种类型的湖泊，属易富营养化湖泊。 ( 2 ) 人为因素 尽管某些水体具有易富营养化特征，但如果没有人为因素的干扰，也不见得一定会 产生富营养化问题。人为因素的干扰表现在两个方面： 一方面，对地理特征的人为改变，可能为富营养化的产生创造了条件。以滇池为例， 湖泊和陆地之间的湖滨带湿地可以作为沉积物的沉淀床，对过滤陆源污染、帮助水生物 繁衍生长，抑制富营养化有重要作用，但由于历史原因，滇池沿湖砌了一道防浪堤，切 断了滇池与陆地天然的联系，破坏了湖泊的自净能力和生态系统的完整性。 另一方面，氮、磷等营养物质的过量输入是导致水体富营养化的直接原因，而这些 营养物质的直接来源就是人类的生活和生产活动，其中最主要的三个污染源是：工业废 水、生活污水和农业面源。 工业废水中的氮磷物质是富营养化的重要外源。如滇池流域内的工矿企业涉及化 工、制药、造纸、纺织，冶金，印染等各类污染型行业，其中，制肥企业排放的污染比 重最大。大量未经处理的废水流入滇池，是滇池富营养化形成的重要原因。 生活污水以洗涤用水和厕所用水为主，前者多含磷洗涤剂，后者主要是粪尿，这些 营养物能使水生物过量生长，然后死亡和腐烂，最终消耗溶解氧而导致鱼类死亡。据测 算，每人每天排除的粪便中约含氮1 8 6 9 ，含磷1 7 4 9 ，不加处理的话，可以污染1 0 t 水体。 随着人口的增长，城市化的加速，生活污水的负荷日益加重，所造成的危害比工业污染 源还大( 郭培章，2 0 0 3 ) 。 农业污染对富营养化形成的影响日益受到关注。沿水体周围的农业径流、融雪和降 雨冲刷的化学肥料、畜牧粪便、农药、除草剂等汇入水体内，也会造成水体营养物质的 增高。在西欧，科学技术的进步已大幅度减少了城市生活污水和工业废水的排放量，而 由耕地淋失和侵蚀所造成的水污染，成为水体难以达到环境目标的主要原因。农业肥料 的泄露扩散也是荷兰地表水富营养化的重要原因之一。 i i 4 水体富营养化的影响及危害 ( 1 ) 水味变得腥臭难闻 在富营养化状态的水体中生长着很多藻类，其中有一些藻类能够散发出腥味异臭。 6 沈阳农业大学硕士学位论文 藻类散发出这种腥臭，向湖泊四周的空气扩散，直接影响、干扰人们的正常生活，给入 以不舒适感觉。同时，这种腥臭味也使水味难闻，大大降低了水质质量。 ( 2 ) 降低水体的透明度 在富营养水体中，生长着以蓝藻、绿藻为优势种类的大量藻类。这些藻类浮在湖水 表面，形成一层“绿色浮渣”，透明度明显降低，甚至为零，使水体感官性状大大下降。 ( 3 ) 影响水体的溶解氧 富营养水体的表层，藻类可以获得充足的阳光，从空气中获得足够的二氧化碳进行 光合作用而放出氧气，因此表层水体有充足的溶解氧。但是，在富营养水体的深层。情 况就不同。首先是表层密集的藻类使阳光难以透射入湖泊深层，而且阳光在穿射过程中 被藻类吸收而衰减，所以深层水体的光合作用明显受到限制而减弱，使溶解氧来源减少； 其次，藻类死亡后不断向水体底层沉积，不断地腐烂分解，也会消耗深层水体大量的溶 解氧，严重时可能使深层水体的溶解氧消耗殆尽而呈厌氧状态，使得需氧生物因窒息而 大量死亡。这种厌氧状态，可以触发或者加速底泥积累的营养物质的释放，造成水体营 养物质的高负荷，形成向富营养水体的恶性循环。 ( 4 ) 向水体释放有毒物质 富营养化对水质的另一个影响是某些藻类( 如水华微囊藻) 能够分泌、释放有毒性的 物质，有毒物质进入水体后，若被牲畜饮入体内，可引起牲畜肠胃道炎症，人若饮用也 会发生消化道炎症，有害人体健康。 ( 5 ) 影响供水水质并增加制水成本 当富营养化水体在作为供给水源时，会给自来水厂带来一系列问题。首先是在夏日 高温藻类增殖旺盛的季节，过量的藻类会给制水厂在过滤过程中带来障碍，需要改善或 增加过滤装置；其次，富营养化水体由于缺氧而产生硫化氢、甲烷和氨等有毒有害气体， 而且水藻产生的某些有毒的物质，在制水过程中，更增加了水处理的技术难度，既影响 制水厂的出水率，同时也加大了制水成本费用。 ( 6 ) 对水生生态系统的影响 在正常情况下，水体中各种生物都处于相对平衡的状态。但是一旦水体受到污染而 呈现富营养化状态时，某些种类的生物明显减少，而另外一些生物种类则显著增加。这 种生物种类演替会导致水生生物的稳定性和多样性降低，破坏了水体的生态平衡。 7 第一章绪论 1 2 国内外研究概况 本世纪初，水体富营养化问题引起了生态学家、湖沼学家以及从事水质研究的工程 技术人员的重视。从5 0 年代以来，由于农业迅速发展，人口急剧增长，工业化和城市 化因素等作用，大大增加了氮、磷等营养物质向水体的排放，加快了水体富营养化进程。 因而，富营养化问题受到了越来越多的国家政府、有关部门及研究机构和社会各界的重 视。 对富营养化进行国际性的合作研究，最早始于6 0 年代中后期。经济合作与开发组 织( o r g a n i z a t i o nf o re c o n o m i cc o o p e r a t i o na n dd e v e l o p m e n t , o e c d ) 在6 0 年代着手对美 国北部和加拿大南部的一些湖泊的富营养化过程进行了一系列的基础性研究。经过研 究、确定氮、磷营养物质的输入和富集，是水体发生富营养化的最主要原因。沃伦威德 博士指出：根据0 e ( m 研究的结果，8 0 的湖泊富营养化是受磷元素的制约的，大体约 1 0 的湖泊富营养化与氮元素和磷元素直接相关，余下的1 0 的湖泊水体富营养化与氮 和其他因素有关( 李炜，1 9 9 9 ) 。进入8 0 年代后，水体富营养化问题在国际上受到更为 普遍的重视。 ， 从污染物进入水体的途径来看非点源污染一般站6 0 以上，而氮、磷等污染物，特 别是对于那些上游基本无工业区的湖泊、水库的主要污染源是来自农业生产的非点源污 染。对于非点源污染的研究，日本早在3 0 年代通过对水体富营养化影响因子的探讨， 就开始了初步研究。在美国，1 9 7 2 年美国国会通过水污染法案，规定1 9 8 5 年达到零排 放，以为从此就能达到完全控制污染。经过花费大量资金建设许多污水处理厂后，实际 上并未达到目标。据统计美国出现超标水体，7 5 是由面源污染造成的：2 5 是由点源 污染和面源污染组合所引起的。美国环保局1 9 7 7 1 9 8 1 年的科研计划中，正式提出了 面源污染控制研究的课题。从此对非点源污染的研究十分活跃( 陆渝荣，1 9 9 9 ) 。此外 一些发达国家，如加拿大、荷兰、瑞典、丹麦等国家也相继开展了非点源污染的研究， 并取得了一些研究成果。 在研究的方法手段方面，最著名的有以单一营养物质磷来评价、预测水体营养状况 的沃伦威德模型，迪隆( d i l l o n ) 模型，拉尔森一米歇尔( l a r s e n - - m e r c i e r ) 模型等( 谢 永明，1 9 9 6 ) 。对于非点源污染，美国开发了农业化学品运输模型( a c t m o ) 和城市暴 雨地表径流数学模型( s 1 o r m ) 。对非点源污染的特征、影响因素、单场暴雨和长期平 8 沈阳农业大学硕士学位论文 均污染负荷输出等方面也都具有初步认识。8 0 年代以来，以陆地卫星数据库、航空摄影、 o i s 和陆地资源信息系统为代表的3 s 技术与非点源污染物迁移机理研究地域范围更加 广泛、类型更加多样、污染物迁移机理更加深入。 我国对于非点源污染的研究，从时间上来看，基本上于国际同步，使从7 0 年代末 开展的，现已取得初步成果。根据鲍全盛等人的统计，典型的非点源污染研究始于北京 城市径流污染研究。之后相继在上海、杭州、苏州、长沙、南京和成都等城市开展城市 非点源污染研究，为这一项研究的深入开展奠定了基础：农村非点源污染研究始于8 0 年代初的湖泊富营养化调查和河流水质规划的研究。先后在于桥水库、滇池、太湖、鄢 阳湖、巢湖、三峡水库进行了探索性的研究。这些研究较好地把握了非点源污染负荷发 生状况，为湖泊、河流的水质规划与流域规划提供了可靠依据，也为非点源污染研究积 累了有益的经验。目前来看，我国水环境非点源污染已开展了十余年，并取得了一定进 展，但毕竟研究时间较短，许多理论与方法问题尚未能很好解决，非点源污染研究仍处 于发展阶段。当前非点源污染研究中存在的最大问题就是对该问题重视不够，长期以来， 我国以城市环境和工业污染的防治作为环境保护工作的重点，以点源作为污染控制的重 点。虽然近些年我国在水环境研究中已开始注意到非点源污染问题，但是其严重性和研 究的重要性仍认识不足，水环境非点源污染研究未得到应有的重视。例如，我国目前实 施中的水污染总量控制基本上是建立在对点源的控制，对非点源污染的控制考虑较少。 之所以造成这种状况，一方面是非点源污染的复杂性和不确定性，更重要的是由于当前 我国水环境点源污染问题严重且远未得到解决，人们的注意力主要集中于点源污染的控 制、管理，因此与点源污染研究相比，非点源污染研究方面的科研工作显得十分薄弱。 然而事实上非点源污染负荷已占去相当比例的水环境容量，特别是氮、磷等植物营养类 的污染物质对水体的污染主要是非点源引起的。 1 3 课题研究目标 在总结国内外已有的大量研究资料和研究方法的基础上，结合辽宁省的实际情况， 通过调查研究和分析整理多年来水库水质监测数据，确立以下几方面为本文的研究目 标。 ( 1 ) 分析、评价汤河水库的水质现状与水体营养化状态。对汤河水库的水质现状， 本文分别选择单因素指数法和模糊综合评价法进行评价，从而得到汤河水库各项污染指 9 第一章绪论 标的污染程度和水库的总体水质状况；对汤河水库水体营养化状态，应用营养状态综合 指数法对其进行评价。评价结果可为汤河水库水环境保护和富营养化预防提供科学依 据。 ” ( 2 ) 计算汤河水库主要污染物的允许入库负荷量。本研究选取对水体富营养化影 响较大的四项指标( 总氮、总磷、五日生化需氧量和高锰酸钾指数) 对其进行允许入库 负荷量计算，明确水库对该几项污染物的纳污能力。 ( 3 ) 职确对汤河水库水体环境影响较大的主要污染物和主要污染源。 ( 4 ) 为汤河水库水体环境的保护和富营养化的预防提出一定建议。通过对汤河水 库水质现状和营养化状态的评价，结合影响汤河水库水体环境的主要污染物和主要污染 源及主要污染物允许入库负荷量的研究成果，提出汤河水库水体环境保护和富营养化预 防的一些建议。 1 0 沈阳农业大学硕士学位论文 第二章汤河水库流域基本情况 2 1 汤河水库基本情况 汤河水库位于辽河流域太子河支流汤河干流上，坐落在辽阳市弓长岭区汤河乡境 内。汤河是太子河中游左岸的一条较大支流，全长9 0 。9 k m ，流域面积1 4 ( 3 0 k a n 2 ，汤河水 库控制流域面积1 2 2 8k m 2 ，占汤河流域面积的8 4 ，占太子河流域面积的9 。汤河流域 有东西两大支流，西支发源于辽阳县吉洞乡韩家岭，东支分东西两股，东股发源于辽阳 县河栏镇样子岭，西股发源于辽阳县塔子岭乡熊洞沟。汤河上游东西两支于坝址前龙山 脚下相汇。水库流域内有汤河、二道河、郝家店三个水文站及隆昌、塔子岭、吉洞、上 麻屯、花红沟五个雨量站。其中二道河和郝家店为入库站，汤河站为出库站，两入库站 控制的流域面积分别为：二道河子5 2 3k m 2 ，郝家店4 3 1k m 2 ，两入库站至坝址区间流域 面积2 7 4 k m 2 ( 见附图1 ) 。 汤河水库是一座以防洪、工业及城市生活供水为主，兼顾灌溉、发电、养鱼等综合 利用的大型水利枢纽工程。工程按百年一遇洪水设计，可能最大洪水校核，其死库容 为0 2 a 8 x1 0 s m 3 ，调洪库容量3 6 8 x1 0 8 m ，兴利库容为3 5 9 x1 0 s m 3 ，总库容为7 0 7 x l o 3 。 汤河水库流域属于辽阳市东南山区，有长白山余脉、千山山脉穿过，山地面积占 9 0 ，平均山岭高度在4 0 0 - - - 4 5 0 m ，属中低山区。流域内山地林木丛生，植被良好，水 资源丰富。汤河流域属寒温带季风气候，早晚温差较大，四季冷暖、干湿分明。多年平 均降雨量为7 7 4 m m ，多年平均径流量为2 8 9 x1 0 s i n 3 。 2 2 汤河水库流域基本概况 2 2 1 汤河水库上游土地使用及农牧业发展情况 ( 1 ) 汤河水库土地利用情况 汤河水库上游共有6 个乡镇：下达河乡、河栏镇、八会镇、吉洞峪乡、隆昌镇、甜 水乡，1 0 9 个自然村，总面积1 4 3 1 k i n 2 。 六个乡镇土地总面积1 3 7 5 0 1k m 2 。耕地面积1 0 7 6 8k m 2 ；林地面积1 1 8 9 3 9k a n 2 ，其 1 1 第二章汤河水库流域基本情况 中成熟林6 5 9 2 9k m 2 ，未成熟：诈5 3 0 1 0k i n 2 ；封山育林面积5 4 7 0 3k m 2 ( 不完全统计) ； 水土涵养林面积3 2 0 1 6l u n 2 ( 不完全统计) ；果树面积3 8 2 1k m 2 ，主要品种有苹果、梨、 葡萄、山楂、李子、红枣、杏、板栗、樱桃、桃等。 矿业用地面积1 。5 6k m 2 ，矿业用地破坏面积1 1 5 5k 1 a 2 ，矿业用地恢复面积0 1 7 3k m 2 ， 有0 9 8 2k l l l 2 没有恢复。主要矿藏种类有金、铁、镁砂、长石，滑石、重晶石、磷矿、皂 石、大理石、硫化铁、石墨和钠长石等。 ( 笱农牧业发展概况 禽畜和渔业养殖：马3 2 9 5 匹，牛5 3 8 4 6 头，羊4 8 8 9 0 只，猪8 9 2 0 1 头，蛋鸡4 8 2 2 0 0 只， 肉食鸡2 1 5 0 0 0 只，鸭3 9 0 0 0 只，鹅2 4 1 0 0 只。 据不完全统计水域面积共有2 1 0 h m 2 ，每年产鲜鱼6 3 0 0 0 k g 。主要鱼的种类；鲢鱼、 鲇鱼、鲤鱼、鲫鱼、草鱼等。每年投放饵料约有4 8 0 0 0 k g 。 ( 3 ) 化肥使用情况 六个乡镇每年农药用t 3 9 0 0 0 k g ，其中高毒约占1 0 ，中毒约占4 0 ，低毒约占5 0 。 化肥年用量约3 3 6 x 1 0 4 k g ，其中有氮肥、磷肥、钾肥等。 2 2 2 存在的主要问题 ( 1 ) 环境保护方面 汤河水库上游6 4 乡镇的监督管理审批权，均有辽阳县环保局负责，没有专门的 监督管理机构。县环保局设一个监督所，远不能承担这项工作。对违法违规建设没有专 门执法队伍巡查管理，有的乡镇企业、矿产开发、第三产业没有履行环境影响评价手续 和未经环保主管部门批准任意发展。这些企业对汤河水库水质有一定的影响。 汤河水库周边的旅游渡假村虽经环保局关停取缔，但有的至今没有拆除，有随 时反弹的可能。水库的船只已达1 4 条之多，虽已安装油水分离器，但对水体仍有一定的 影响；游客有任意丢弃废弃物的现象：有违规钓鱼等现象。 ( 2 ) 林业方面 群众的生态意识不强，造林积极性还须进一步提高。少数人还存在“重造轻管” 的思想。6 个乡镇都不同程度的存在毁林开荒的现象。据反映6 个乡镇开荒1 3 3 1 u n 2 。部分 农民有蚕食林地、滚边挪界、乱占林地，破坏了植被造成了水土流失。 6 个乡镇每年砍伐近一万立方米林材。形成大约6 6 0 h m 2 采伐迹地。由于各村提前 转让林木，把卖林木的款全部用完，重新造林缺乏资金，另外暂时又无外资投入，因此 沈阳农业大学硕士学位论文 部分采伐迹地不能及时造林，甚至延缓三、五年也不能恢复，造成水土流失。 由于养羊放牧和养蚕，造成部分蚕场砂化，影响了封山育林，造成了水土流失， 减少了水份的涵养。 ( 3 ) 矿产资源方面 近十几年来，为防止对水库的污染，被迫停产矿山企业二十多家。主要有以下矿点： 甜水乡西沟磷矿的遴选厂、兰花岭铅矿、水泉的金选矿厂、河栏贾家金选矿厂、吉洞峪 乡的粉城硫化铁、八会上华硫化铁和下达河庙尔沟硫化铁矿。 ( 4 ) 小流域治理方面 6 个乡镇共有小流域镐个，总面积达到1 1 3 1 0 4 h u l 2 ，其中水土流失面积4 5 3 x 0 4 h m 2 ，如果按每年治理o 3 3 1 0 4 h m 2 ，需1 4 年才能初步完成。况且还有边治理边流失， 是一个不容忽视的问题。 1 3 第三章汤河水库水质现状评价 第三章汤河水库水质现状评价 在水环境调查的基础上，进行水环境质量评价，可以定量地对某个水体的污染程度 做出判断，为水环境的防治工作，水资源的合理开发利用提供科学的依据。 水环境质量评价具有如下特征： ( 1 ) 系统中污染物之间存在复杂关系，各种污染物对环境质量的影响不一； ( 2 ) 水质分级标准难以统一； ( 3 ) 对水体质量的综合评价存在模糊性 本课题的研究采取单因素指数评价法和模糊综合评价法对汤河水库的水质现状进 行综合的评价。 3 1 评价指标的选择 本研究对于汤河水库的所有实测项目，将采用单因素指数法进行评价；对于模糊综 合评价法，对于给水体富营养化造成较大影响的总氮( t n ) 、总磷( t p ) 、溶解氧( d o ) 、 生化需氧量( b o d 5 ) 和高锰酸钾指数( c o d u ) 这些指标，将采用模糊综合评价法进 行评价。 3 2 评价标准 汤河水库是一座以防洪、工业及城市生活供水为主，兼顾灌溉、发电、养鱼等综合 利用的大i i 型水利枢纽工程。工程按百年一遇洪水设计，可能最大洪水校核，其调洪库 容量3 6 8 xl o s m 3 ，兴利库容为3 5 9 x1 0 8 m 3 ，总库容为7 0 7 xi o s m 3 。目前汤河水库的工 业及城市生活用水户有辽阳化纤总公司、鞍山自来水公司、辽阳自来水公司、弓长蛉矿 山公司四户。 依据地表水水域功能和保护目标，地表水按功能高低依次分为五类，对于以集中式 生活饮用水供应为主要目的的水域，一般采用地表水环境质量标准( 见附表1 ) 9 b 的二类标 准评价。对于汤河水库，本研究选取国家地面水环境质量标准( g b 3 8 3 8 - - 2 0 0 2 ) 中的 1 4 沈阳农业大学硕士学位论文 级水标准为依据进行分析评价。 3 3 评价模型 对汤河水库水环境质量的评价，单因素指数评价法直观的反映了各项指标的污染程 度，而水质级别界限又具有一定的模糊性，仅以一个确定性的指标来评价水质，往往不 能反映真实情况。所以本研究分别采用单因素指数法和模糊综合评价法对汤河水库的水 质进行评价，既直观的反映了各项指标的污染程度，又克服了污染指数硬性分级的不足。 3 3 1 单因素污染指数评价 单因素污染指数计算公式如下 矗：生(3-1) c o 式中矗单因素污染指数： a 冰中某组分的实测浓度； c 。某组分的背景值或对照值( 标准值) 。 公式( 3 1 ) 适用于有上限的污染物。对于有下限的污染物，如d o ： l j = 0d o 8 m g l 时 = 1 一! d o = 4 - - s m g l b 寸( 3 2 ) c 0 i i = 1 + ( c o c 1 ) d o 4 m g l 时 当背景值为一含量区间时： 五：丘丑或，：= 鱼 c o 。一巳厶一c o 曲 式中c 。背景( 或) 对照含量区问中值； c o c o 血背景( 或对照) 含量区间最大和最小值； 其他符号意义同上。 利用这种方法可以对各种污染组分进行分别评价，是多要素污染指数评价的基础。 当矗 1 时，为污染。其优点是直观、简便，缺点是不能反映水体 整体污染情况。 第三章汤河水库水质现状评价 3 3 2 模糊综合评价 模糊评价，即在评价过程中引入模糊性概念，运用模糊数学来处理水质评价的一些 问题，以反映水质质量状况或水体污染程度的不确定性。其具体步骤如下( 李柞泳，2 0 0 4 ) ： ( 1 ) 确定评价因素集 u = 讧l ，x 2 ，而k ( 2 ) 建立评价集 v = 札2 ，玎 根据地面水环境质量标准g b 3 8 3 8 - - 2 0 0 2 ，地面水环境质量划分为5 个级别，l l pn = 5 ( 3 ) 建立模糊关系矩阵 应用模糊数学的基本概念，确定评价因素集中每一个指标隶属于评价集中不同评价 分级的程度，称为隶属度。通过隶属函数公式求出m 个单项指标对n 级水质的隶属度， 组成m 万模糊矩阵r 。 r = 1 瓴) 1 1 1 瓴) u l ) “2 瓴) h 2 0 2 ) u 2 ( k ) 隶属度h g ) 的计算公式如下： 对于d o ，评价指标以数值大为优，采用偏大型分布，其5 级标准的隶属函数设计 如下： 1 x 8 “。 ) = 一6 ) 2 6善8(34) 0 x 8 , x 5 h 2 0 ) = ( s - x ) 2 6 工 8( 3 - 5 ) i x - 5 5 x 茎6 f 0 x 6 ，工3 比3 0 ) = 6 - x 5 工 6 ( 3 。6 ) 【( x 一3 ) 2 3 石s 5 n1oi“ 魄；阮 沈阳农业大学硕士学位论文 f o x 2 5 。工2 球4 = ( 5 - x ) 2 3 x 5 ( 3 - 7 ) b ；一22 x 3 f 0 x 3 砧，= 3 - x 2 x 3 ( 3 - 8 ) 1 1x s 2 对于其他指标，使用以下隶属函数( 在式中，魄为等级标准，i = 骗n ) ： 甜。c z ，= 岳一z 少。一吨 蚝c x ，= c - - v i - 工1 ，唯v i 。一一v i 匕- 1 。 ) = x v 。一1 h 一h 。一l 工s 吃 h 工 y 2 ( 3 - 9 ) 工y 2 x = k x q ( 3 1 0 ) u z v f “ 茹 v r - l z 环境质量评价中因子的权值是指某个因子在所有的评价因子中占有的比重。评价因 子权重的分配，直接影响到评价的结果。传统的权重确定方法分为三类：以因子标准值 为判定依据的赋权方法；以因子实测值为判定依据的赋权方法：以因子实测值与标准值 双重判定依据的赋权方法。 对于本课题的研究，根据污染物对水质的污染大权重应大和污染小权重应小的原 则，决定各指标权重的大小，其计算公式为，对d d 等越大越优型；a 。= b , c ，；对同d 以 等越小越优型：4 f = c is i 。 式中，a j 、q 、魏、毛分别为第i 种评价指标的权重、实测浓度值、多级浓度标准值的最大 值和最小值。为了进行模糊复合运算，各单因素权重必须归一化处理，即： q 。轰 p 1 2 ) 1 7 一一 笙三兰望塑查壁查垦翌鲨堑笪 _ _ _ - _ _ - i _ _ _ _ - _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ 。_ _ - _ 。 ( 5 ) 矩阵复合运算，确定综合隶属度。 复合运算，即取权重集形与模糊矩阵r 的乘积，矩阵乘积的计算方法与普通矩阵有 所不同：两数相乘取小者为“积”，诸数相加取大者为“和”。 复合矩阵的运算可表达为： f “。瓴) “：瓴) o ，) l s ：矽r ：慨，耽，既 ? ：) ? ：? ： ( 3 - 1 3 ) 恤。 。) u 2 ( k ) “。( k ) j ， = p ls 2 s 4 ( 6 ) 按最大隶属度原则确定水质级数 从矩阵s = 岱。s ：s 中选取最大值，其序号即代表评价水体的水质级数 如果矩阵中有两个相等的最大值，则根据相邻数按“靠大不靠小”的原则确定水质级数。 3 4 计算评价 3 4 1 单因素污染指数法 表3 - 1 单因素指教计算结果 分析表3 - 1 中各污染指标的，。值，可以得出汤河水库在2 0 0 4 年和2 0 0 5 年只有总氮 ( t a r ) 的，。值大于1 ，而其他指标的值均小于1 。除此而外，x 寸- 于。值小于1 的污染 指标，高锰酸钾指数、石油类和砷的污染程度相对来说较高。 1 8 沈阳农业大学硕士学位论文 3 4 2 水质模糊综合评价法 ( 1 ) 确定评价因素集 本研究对汤河水库2 0 0 5 年各断面、全水库的水质状况进行评价。评价指标选取对 水库水体富营养化影响较大的溶解氧( d o ) 、生化