（市政工程专业论文）长江重庆主城区段污染物模型研究.pdf

中文摘要 摘要 水体富营养化是我国嗣前所面临的重大环境问题之一，可能将使我国的可供 利用的水资源r 益减少，将对人民生活和国家经济的可持续发展造成了极大的负 面影响。 长江三峡水利枢纽工程( 三峡工程) 是世界上最大的水电水利枢纽工程，己 于2 0 0 3 年形成一期蓄水，2 0 0 9 年将建成并i ：期蕾水，最终达到3 9 3 亿立方米，其 中防洪库容达到2 2 1 5 亿立方米，将在航运、防洪、水电方面发挥极大的效益。但 水库的形成必然使得境内长江干流及诸多支流的水文特征发生重大变化，如水面 加宽、河流变深、流速减缓，从而造成水体对污染物稀释能力减弱、复氧能力下 降、自净能力下降、水环境容量降低等，水污染将可能在现有的基础。卜加剧。目 前，三峡库区营养物浓度水平已接近富营养化的临界水平，在库湾、近岸库周及 次级河流回水地区具有发生一定规模富营养化现象的潜在危险。而一旦富营养化 发生，将严重制约库区生态环境和社会经济的可持续发展，也同时会影响到长江 中下游和南水北调工程的水质。 重庆市是三峡库区上游的最大城市，主城区高度集中的人口以及快速发展的 工业使每天有数以百万吨计的污染物进入长江干流和三峡库区，流经主城区的河 段污染物浓度以及污染物预测对接下来三峡库区的污染负荷、富营养化指标以及 浮游植物研究都有着不可磨灭的作用。因此，本次研究将着重于建立这一特征区 段的污染物模型，这对于研究整个三峡库区富营养化发生的机理和条件，构建库 区其评价指标体系，确定发生的预兆性指标，并为富营养化的防治提供科学依据 是至关重要的一环。 本研究采用了美国环保局开发的河流综合水质模型q u a l 2 e 对重庆主城区段 水质进行了模拟。该模型具有综合性、多样性和灵活通用的特点，是进行河流水 质定量模拟的有力工具。结果表明，q u a l 2 e 模型可较好地模拟和预测长江干流 和三峡库区水质，具有比较好的应用前景但需迸一步深入研究。 关键词：水体富营养化、三峡库区重庆主城段、河流综合水质模型、q u a l 2 e 英文摘要 a b s t r a c t e u t r o p h i c a t i o no f w a t e rb o d yi so n eo ft h em a j o re n v i r o n m e n t a lp r o b l e m sf a c e db y c h i n a ，w h i c hh a sa l r e a d yr e d u c e dt h el i m i t e dw a t e rr e s o u r c e ，a n db r o u g h ta b o u tg r e a t n e g a t i v ei m p a c t so nt h ep u b l i c sl i v i n ga n dt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f t h es o c i a l e c o n o m y t h et h r e eg o r g e sp r o j e c to nt h ey a n g t z er i v e ri st h eb i g g e s th y d r o p o w e rp r o j e c t i nt h ew o r l d ，w h i c hh a sb e g u nt oh o l dw a t e ri n2 0 0 3 i ti se x p e c t e dt ob ea c c o m p l i s h e d i n2 0 0 9w i t ht h er e s e r v o i rv o l u m eo f 3 9 3b i l l i o nc u b i cm e t r e s i nw h i c h2 2 1 5b i l l i o ni s f o rf l o o dc o n t r 0 1 t h i sp r o j e c tw o u l db e n e f i tt h er i v e rt r a n s p o r t a t i o n ，f l o o dc o n t r o la n d h y d r o p o w e r h o w e v e r , t h ef o r mo f t h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i ro nt h ey a n g t z er i v e r ( t g r y r ) w o u l dc h a n g et h eh y d r o l o g i cc h a r a c t e r i s t i c s o ft h ey a n g t z er i v e ra n di t s t r i b u t a r i e s ，s u c ha sg r e a t e rr i v e rw i d t ha n dd e p t h ，d e c r e a s e dw a t e rf l o wv e l o c i t y , e t c t h e s ew o u l dl o w e rt h ep o t e n t i a lf o rp o l l u t a n ts o l u b i l i t ya n dd i s s o l v e do x y g e nr e c o v e r y o ft h et g r y rw a t e rb o d ya n dt h u sr e d u c ei t s s e l f - p u r m c a t i o nc a p a c i t y n o w , t h e c o n c e n t r a t i o n so fn u t r i e n t p o l l u t a n t i nt g r y rn e a r l yr e a c ht h ec r i t i c a ll e v e lf o r e u t r o p h i c a t i o n t h e r ee x i s t st h eh i g hp o t e n t i a lf o re u t r o p h i c a t i o no u t b u r s ti ne s t u a r y , s h o r ea r e aa n dc o n f l u e n tr e t a r da r e ao ft r i b u t a r i e s o n c ei th a p p e n e d ，i tw o u l dl o w e rt h e w a t e rq u a l i t y , d a m a g et h ee c o s y s t e mi nr e l a t e da r e a s ，a n do b s t r u c tt h es o c i me c o n o m y d e v e l o p m e n t i nt g r y ra n de v e nt h ed o w ns t r e a ma r e a t h ec h a r a c t e r i s t i cs e c t i o no f t h i ss t u d yi st h em a i nu r b a ns e c t i o no f c h o n g q i n gc i t y ( m u s c q ) ，w h i c h i st h ec e n t r a la r e ao fc h o n g q i n gc i t y ，t h eb i g g e s tt h ec i t yo ft g r y r u p s t r e a m ，a n dd i s c h a r g e d m i l l i o n so fp o l l u t a n t si nt h er e s e r v o i rd u et ot h e l a r g e p o p u l a t i o na n dh i g hd e v e l o p i n gi n d u s t r y t h es t u d y o nt h ep o l l u t a n tm o d e lo ft h i s s e c t i o nw o u l db e n e f i tt h ew h o l et g r y ri ne u t r o p h i c a t i o ns t u d i e so um e c h a n i s ma n d o u t b u r s tc o n d i t i o n s ，t h ea s s e s s m e n ti n d e xs y s t e m ，a n dd e t e r m i n a t i o no fp r e d i c t i o n i n d e x e s f u r t h e r m o r e ，i tc o u l dp r o v i d es c i e n t i f i cb a s i sf o rt h ec o n t r o lo fe u t r o p h i c a t i o n r e s e a r c h e si ns i m i l a rc o n d i t i o n s t h ew a t e rq u a l i t yo fm u s c qw a sa d o p t e di nt h i ss t u d yb yq u a l 2 e ，ap o w e r f i a l c o m p r e h e n s i v ew a t e rq u a l i t ys o f t w a r ef o r r i v e r sd e v e l o p e d b y e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a g e n c yo f u n i t e ds t a t e s ，w h i c hi sc h a r a c t e r i z e db yi t sc o m p r e h e n s i o n ，m u l t i - p u r p o s e s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h i sm o d e lc a l lb ew e l lu s e di nm u s c qf o rw a t e rq t m l i t y m o d e l l i n g a n d p r e d i c t i o n ，a n d h a s g o o dp e r s p e c t i v e i n t g r y r h o w e v e r , d e e p i l l 重庆大学硕士学位论文 r e s e a r c h e so nt h er e v i s i o n sf o rm u c hb e t t e ra d a p t a t i o na r es t i l ln e e d e d k e y w o r d s ：e u t r o f i c a t i o no f w a t e rb o d y c h o n g q i n g u r b a ns e c t i o ni nt h et h r e e g o r g e s r e s e r v i o r c o m p r e h e n s i v e w a t e r q u a l i t ym o d e l i n g f o rr i v e r q u a l 2 e i v 1 前言 1 前言 1 1 富营养化的概念 1 1 1 水质富营养化现象及主要成因 “富营养化”是湖泊分类与演化方面的概念。湖沼学家认为天然富营养化是 水体衰老的一种表现。过量的植物性营养元素氮、磷排入水体会加速水体的富营 养化过程。富营养化水指的是富含磷酸盐和某些形式的氮素的水；在光照和其它 环境条件适宜的情况下，水中所含的这些营养物质足以使水体中的藻类过量生长， 在随后的藻类死亡和随之而来的异养微生物代谢活动中，水体中的溶解氧很可能 被耗尽，造成水体质量恶化和水生态环境结构破坏，这就是水体富营养化现象。 大多数水体富营养化实质上是水体生态系统受污染造成的。生态系统在尚束 受到污染的情况下，系统内的生物群体中存在着多种多样的种群。各个种群之间 关系密切，而又各有自己的特性，例如，有的微生物是致病菌，有的是捕食的， 也有被食的，有共生的，也有自生的，每个种群的个体数量不会太多，但较为稳 定。因此，可以认为在未受污染的系统中，生物群体的特点之一是种类多而每个 种的个体少。生态系统受到污染以后，群体中的种数便逐渐减少，而能存活f 来 的每个种的个体数却在增加。当污染极严重时，往往只能看到少数几种生物，但 它们的个体数目却急剧增加。在富营养化的水体中所看到的正是这种生物种类减 少，个体剧增的现象。生态系统受到污染程度越高，系统中的种群就越少。 藻类所需要的无机营养与植物相同，需求量大的元素包括碳、氮、磷、氢、 氧。c 0 2 是最主要的碳源，氮源是氨氮和硝酸盐，磷源是溶解性磷酸盐类，氢和氧 由水提供。藻类需要的微量元素有锰、硫、氯、铁、铜和其它诲多金属元素，这 类元素一般在水中都是大量存在的。许多藻类不能合成一些称为生长因子的必要 的代谢物。在实验室培养时，需要人工加入这些物质，而在天然水域中，这类生 长囡子则由其它生物有机体的分泌物或降解产物提供，如大部分海生的硅藻需要 b 】2 ，海水中存在的这类维生素是由细菌所产生并分泌出来的。 藻类生长的限制因素是氮和磷。其含量通常决定着藻类的收获量，所以水体 中氮、磷营养盐类的增加，也就成为藻类过度生长的主要原因。藻类在氮、磷利 用上存在一定的相关性。当磷含量处于低浓度时，氮浓度对藻类生长的影响比之 磷处于高浓度时的影响为低。从藻类对氮、磷需要的关系看，磷的需要往往更为 重要，生产力受磷的限制更为明显。这是因为水中氮的缺乏，可以由许多能固氮 的微生物( 如某些固氮细菌和蓝藻) 来补充，尤其是浅水型封闭水体，光照充足， 生物周氮作用活跃。 重庆大学硕士学位论文 人们发现藻类的过度繁殖程度与磷酸盐含量之间存在着某些平行关系，出现 过度繁殖的那些藻类往往能积累大量磷酸盐。藻类对有机氮的摄取比无机氮缓慢， 但有机物可以作为代谢物或维生素的来源促进藻类的生长；有机氮也可以通过促 进细菌的生长，增加水体中的溶解性c o z 含量，为藻类光合作用提供充足的碳源。 总的来讲，富营养化是水体受到磷氮污染，营养物质进入水体并造成藻类和 其它微生物异常增殖的结果。 1 1 2 水体中氮磷的来源 进入水体的氮磷营养来源是多方面的，其中人类活动造成的氮磷来源主要有 以下几个方面： ( 1 ) 工业和生活污水未经处理直接进入河道或水体：这类污水的氮、磷含量 高，如进入江、湖和海洋，造成藻类过度生长的危害最大。例如1 9 7 7 年8 月在我 国天津近海区发生的因富营养化引起的赤潮，历时2 0 天，过度生长的主要生物为 微型腰鞭毛目生物( p r o r o c e n 打u m ) ，分析原因认为与赤潮发生前近两个月内受纳 了大量污水，致使海中氮、磷和c o d 浓度增高有关。大量污染物输入近海水域， 破坏了原有的生物群落结构，再在其它条件的配合下，造成了一一些腰鞭毛目生物 的过度生长。 ( 2 ) 污水处理厂出水：采用常规处理工艺的污水处理厂( 包括生活污水和工 业废水) ，其排放水都含有相当数量的氮、磷和硫。这是因为有机物被微生物氧化 分解产生的氨氮、硝酸盐、硫酸盐和磷酸盐，除构成微生物细胞的组分外，剩余 部分随出水排入河道，成为藻类合适的营养料。这是城市污水经过常规二级处理， 但城市河道依然出现水质富营养化和黑臭的重要原因之一。 ( 3 ) 面源性的农业污染物，包括肥料、农药和动物粪便等：我国太湖水质富 营养化的重要成因就是面源性的农业污染。肥料和农药从农田中流失，包括通过 雨水冲淋、农业排水和地表径流带入河道和水体，成为直接的营养源。人工合成 的化学肥料和农药是水体中氮磷营养元素的主要来源。施入农田的氮肥只有部 分被农作物吸收，未被农作物吸收的氮肥超过5 0 ，有的甚至超过8 0 。为了取 得高额农作物产量，农田用肥量越来越高，加上科学施肥及其推广问题尚未得到 有效解决，进入水体的流失肥料数量也必然越来越大。有机肥料也可能经微生物 分解，成为可溶性无机盐，然后进入地下水或江河湖泊。此外畜禽养殖业废料和 水中野生动物的排泄物，氮磷含量相当高，也会大量进入水体。 ( 4 ) 城市来源：随着城市人口的进步集中，城市来源的营养物排放也越来 越受重视，除了上面已提到的人的粪便、工业污水外，目前仍然在大量使用的高 磷洗涤剂是城市社会进入天然水体磷素的重要来源，故现在已经提出要尽快发展 低磷或无磷洗涤剂。我国太湖地区，最主要的磷污染源之一就是洗涤剂。 2 当然进入河湖中的可溶性磷酸盐， 的条件下，能使磷酸盐以形成钙、铁、 藻类所利用。 随水体中的溶解氧含量而起变化，在还原 锰等盐类的形式沉淀下来，这样就不能为 1 1 3 富营养化水体的生态结构特征 在富营养化水体中出现的生物，主要是微型藻类，这些藻类的光合作用强度 随水中磷氮含量的增加而成比例地增加，温度、光照强度、有机物、毒物和捕食 性生物等许多其它因素也以复杂的方式相互影响，其中一个因素的变化，又会引 起整个群体广泛的链锁反应。这些影响微型藻类生长的因素，也是影响水体富营 养化的因素。在富营养化时，大量发展的微型藻类，在分类学上可分成好几类， 其中最重要的一类是蓝藻( c y a n o p b y c e a e ) ，或称蓝细菌( c y a n o b a c t e r i a ) 。蓝藻是 含有光合色素的原核生物，但其光合作用的方式却不同于光合细菌，而与植物和 真核藻类相同。 虽然蓝藻种类很多，但在水体富营养化时，能大量繁殖的仅2 0 种左右。每种 蓝藻的过度繁殖持续时间不同。当蓝藻过度繁殖时，可能造成水体缺氧，而使繁 殖速度减退，从而释放出磷和氮素，进一步促使其它藻类过度繁殖，表现出不同 藻类过度繁殖的演替现象。虽然蓝藻是引起过度繁殖的最常见而又重要的藻种， 但其它一些藻类也能引起过度繁殖。某些海生的腰鞭毛目生物的过度繁殖，能使 海水染成红或褐色，并造成鱼类和其它生物的大量死亡。 富营养化的危害很大，影响深远，它不仅在经济上造成损失，而且危害人类 健康。富营养化水体在很多用途方面，都被认为是劣质水体。其对水体功能和水 质的影响和危害包括以下几个方面： ( 1 ) 使水味变得腥臭难闻 处于富营养化状态的水体会出现许多藻类( 蓝藻) 的过度繁殖，使饮用水产 生霉昧和臭味。在贮水箱中即使含有少量这类藻类，也会感到有霉味。藓生柬藻 ( s y 印l o c ai l l u s c o r u t b ) 和弱细颤藻( o s c i l l a t o r i at e n u i s ) 能产生有泥土昧的有机物 质。有一些藻类能够散发出腥味异臭，影响水体水质和周围的空气。现在已经知 道，象蓝藻门的束丝藻属( a p h a n i z o m e n o n ) 和鱼腥藻属( a n a b a e n a ) 都散发出类 似猪圈中令人难闻的臭味，腔球藻属( c o e l o s p h a e r i u m ) 则散发出令人讨厌的青草 腐烂时的臭味，绿藻门的空球藻属( e u d o r i n a ) 散发出的气味则象鱼腐烂时的腥臭。 此外，硅藻门中某些藻属如针杆藻属( s y n e d r a ) 也能发出腐质恶臭。在春末和夏 季，秋天温度较高的时期，水藻大量增殖，成团的藻类死亡分解腐烂时，经过放 线菌等微生物的分解作用，使这些水藻散发出更加浓烈的使人恶心的腥臭。 藻类散发出的这种腥臭，向湖泊四周的空气扩散，直接影响、烦扰人们的正 常生活，给人以不舒适感觉，同时，这种腥臭味也使水味难闻，大大降低了水的 3 重庆大学硕士学位论文 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水藻。这些水藻浮 在湖水表面，形成一层“绿色浮渣”。经过风吹，水面这层绿色浮渣被密集、浓缩， 看上去就象一湖绿色的“豌豆汤”。在我国的巢湖，这种情况相当典型。由于表层 水体悬浮着密集的水藻，使水质变得浑浊，透明度明显降低，富营养严重的水质 透明度仅有0 2r n ，湖水感官性状大大下降。 城郊湖泊水体在现代城市生态系统中处于非常重要的地位，在文明、舒适的 缄市生态环境建设中，湖泊日益发挥重要作用。水味腥臭和透明度下降，将会使 得大量的城市和郊区湖泊水体在功能、用途和经济效益方面大大降低。比如说， 随着人民群众生活水平提高和生活状况的改善，旅游己成为人们越来越广泛的要 求。而水质优良的清洁湖泊水体公园，则是人们生活娱乐、游泳、观赏，使 人们得以休息的最佳环境北京市昆明湖，南京市玄武湖，杭州市西湖，武汉市 东湖，长春市南湖，昆明市的演池，以及国外众多的都市湖泊公园，莫不如此! 但 是，如果这些湖泊水体呈现富营养状态，水昧、水色和透明度等感官性状的恶化； 则丧失了它应有的美学价值，使得游人索然无味，湖泊水体的旅游、观赏的美学 价值受到严重影响。 ( 3 ) 消耗水体的溶解氧 富营养湖泊的表层，藻类可以获得充足的阳光，并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。但在富营养湖泊 的深层，情况就不同了。首先，由于表层有密集的藻类，使得阳光难以透射进入 湖泊深层，而且阳光在穿射水层的过程中，被藻类吸收而衰减，所以深层水体的 光合作用明显地受到限制而减弱，因而溶解氧的来源也就随之减少。其次，湖泊 藻类死亡后不断地向湖底沉积，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，使得需氧生物难以 生存。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许多藻类能够分泌、释放有毒有害物质，不 仅危害动物，而且对人类健康产生严重影响。在好几个国家中已发现蓝藻使人和 家畜得病的情况。蓝藻中的丝状藻类如微囊藻属( m f i c r o c y s t i s ) 、鱼腥藻属 ( a n a b a e n a ) 和束丝藻属( a p h a n i z o m e n o n ) 等过度繁殖后，产生内毒素进入供水 中，使人体出现胃肠炎和严重的交态反应。己查明铜绿微囊藻( ma e r u g i n o s a ) 产 生的毒素是一种环式多肽，分子量约为2 6 0 0 0 ，这种有毒的物质进入水体后，若被 4 前言 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。水花束丝藻( af l o s a q u a e ) 产生的毒素为一种生物碱，分子量约3 0 0 0 。 除了蓝藻能产生对人有危害的毒素外，其他一些藻类，如海生腰鞭毛目生物 ( d i n o f l a g e l l a t a ) 的过度繁殖，能使海水旱红色或褐色，即俗称“赤潮”。这类生 物的大量繁殖，能使鱼类和其他生物死亡。值得注意的是，它们所产生的毒素在 为贝壳类动物食后，往往看不出明显影响，但当人们食用这种贝壳类动物后，就 会引起严重的胃病，甚而死亡。沟藻属( g o n y a u l a x ) 的一些种是形成赤潮的常见 种类，沟藻属之一种小丽腰鞭虫( g c a t e n e l l a ) 所产生的毒素名为s a x o t o x i n ，分 子量约为3 7 0 ，致死剂量为9 p g k g 体重，这是一种极毒的腐肉毒素( 1 3 0 t a l i s mt o x i n ) 。 由于这种毒素存在于贝壳类中，人们因食用贝壳类动物而中毒，甚至死亡，故这 类毒素又称麻痹贝壳毒素( p a r a l y t i e s h e l l f i s h p o 扛o m n g ) 。gt a m o l c n s j s 的过度繁殖， 曾引起了一些海岸附近的海鸟大量死亡和附近居民的中毒致病。此外，p r y m n e s i u m p a r v u m 也能产生毒素，会造成大量鱼的死亡，许多地方人工池塘中的渔业因此而 受到很大损害，这是一种内毒素，只有当藻类细胞死亡时才释放出来。 ( 5 ) 影响供水水质并增加制水成本 湖泊和水库是重要的城市供水水源，约占我国城市日供水量的四分之一。随 着生产发展和人民生活水平的提高，城市和工矿区对饮用和工业供水的水质水量 需求与日俱增。然而，由于水体富营养化问题日趋严重，富营养水作为水源时， 会给净水厂带来一系列问题，不少水厂发生制水困难，水质不佳，令人厌恶。我 国的太湖、巢湖和滇池等地尤为严重。在夏日高温季节，藻类增殖旺盛，过量的 藻类会给净水厂的过滤过程带来障碍，水藻经常堵塞滤池。为了消除堵塞现象， 需要改善或者增加过滤措施。其次，富营养水体在一定条件下由于厌氧作用而产 生硫化氢、甲烷和氨气等有毒有害气体， 某些有毒物质增加了水处理的技术难度。 费用，有的甚至导致水厂关闭。 而且在制水过程中水藻本身及其产生的 既影响净水厂的产水率，又加大了制水 武汉市东湖自来水厂在过去东湖污染较轻的时候，藻类浓度不高，很少发生 过藻类堵塞滤池的现象。在正常情况下，每天只需反冲洗一次左右。但是自2 0 世 纪7 0 年代以来，东湖水质日趋富营养化，藻类浓度愈来愈高。因此，制水过程中， 每隔2 3h 就需要反冲洗一次滤池不但使制水周期延长，而且反冲洗过程消耗大 量的水，这就直接降低了制水效率。为了清除藻类，提高净水效果，需要采取预 加氯等措施，结果又加大了加氯量。而研究表明，加氯消毒过程中将生成c h c i ， 等有机物质和致突变物质。加氯量愈多，生成的致突变物质愈多。另一方面，水 藻本身能够产生某些有机物，这些有机物分解后能产生一种属于致突变前体物质 的腐殖酸，对人群健康带来严重威胁。为了使出厂水质达到标准，水j 必须增加 5 重庆大学硕士学位论文 曝气装置进行生物预氧化，改变滤池和滤料的结构和形式以及采用臭氧氧化、活 性碳吸附等等。通过“八五”国家科技攻关，富营养化水的制水技术问题已基本 卜- 得到解决，可以避免一些水厂的关闭，但净水厂的投资和运行费用明显增大。 ( 6 ) 对水生生态的影响 在正常情况下，湖泊水体中各种生物都处于相对平衡时状态。但是，一臣水 体受到污染而呈现官营养状态时，水体的这种正常的生态平衡就会被扰乱，生物 种群量就会最示出剧烈的波动；某些生物种类明显减少，而另外一些生物种类则 显著增加。这种生物种类的演替就会导致水生生物的稳定性和多样性降低，破坏 了湖泊生态平衡。 以武汉东湖为例，在东湖水体没有遭到严重污染，水体尚未呈富营养状态时， 全湖的浮游生物、漂浮生物、挺水植物、沉水植物与底栖动物等，构成良好的水 生生态系统。据中国科学院水生生物研究所、武汉大学生物系等单位调查，在2 0 世纪6 0 年代初期，东湖水生维管束植物多达8 3 种5 3 属2 9 科。一些习见的水生 植物如黄丝草( p o t a m o g et o m m a c t a a r t u s ) 、聚草( m y r i o p h y l l u ms p i c a m m ) 、菹草 ( p o t a m o g ct o n c r i s p u s ) 等生长非常茂盛，具有一定的群落规律，沉水植物群落构 成湖水中最主要的群落带，全湖植被覆盖率达到8 3 。而现在，由于长期以来生 活污水和工业废水未经有效处理，大量排放入湖，以及放养草食性鱼类等因素的 影响，东湖湖泊生态环境发生了急剧的变化，全湖植被覆盖率降到不足3 。水生 高等植物受到严重影响，水生植物种类己减少到5 8 种，其群落结构发生明显变化， 过去在全湖中占绝对优势的种类黄丝草已几乎绝迹，而大茨藻则生长得很茂盛， 沉水植物的比例下降；在浮游植物中，表征水质富营养状态的蓝藻、绿藻则逐渐 上升成为优势种类。 ( 7 ) 对渔业的影响 从渔业角度来看，在贫营养和富营养水体之间的选择的界限是很小的。在富 营养水体，水质较肥，浮游生物丰富，以吞食浮游生物和碎屑为主的鲢鱼、鳙鱼、 鲤鱼、鲫鱼可以获得充足的食料，从而有利于这些鱼类的生长。因此一定程度的 富营养对渔业来说，并不意味着弊。 但不少种类的蓝藻含有胶质膜或有毒，不适于作鱼的饵料。藻类的大量过度 繁殖使水体中溶解氧急剧变化，到8 月中旬以后，因大量藻类衰败，沉入水底， 而在水底被异养微生物分解，使氧气耗尽，这就使鱼卵的孵化和鱼类的生存受到 严重影响。从而严重影响鱼的生存和渔业生产。 在贫营养水体中，因为浮游生物稀少，这对以吞食浮游生物为主的喜肥鱼类 的生长，显然是不利的。但是，贫营养水体对某些需氧量高的冷水鱼，例如鳟鱼、 鲑鱼等鱼类的生长是有利的。如果贫营养水体演变成为富营养，则这样一些冷水 6 1 前言 鱼的生长就会受到明显的抑制。而其它一些相应鱼种甚至一些杂鱼可能相机而繁 殖起来，于是鱼的种群结构发生变化，影响鱼的质量。原来非常有价值的那些鱼 类种群可能被价值小得多的种群所替代，从而导致经济效益的明显下降。 1 2 水体富营养化的研究及进展 1 2 1 理论研究及进展 目前水质富营养化已成为我国的重大环境问题之一。河口、湖泊生态破坏以 及水质恶化等环境问题不断发生，致使我国许多水域水环境质量下降，给人民生 活和社会经济发展造成了极大影响，已引起了国家高度重视，并投入巨资治理。 近年来，水体的富营养化及其防治技术是水环境保护领域的研究热点，主要 集中在湖泊的富营养化类型分类、评价、影响因素及控制措旖的研究上：注重 营养性污染物对湖泊富营养化的贡献的研究，如湖泊中营养性盐类的负荷或浓度 闽值，根据研究，富营养化与营养物浓度较密切的关系，水体中的p o 0 2 m g l ， n 0 3 m g l 时是最适合藻类增长的营养盐浓度，就容易出现富营养化现象；对 湖泊富营养化程度的评价或决策，如采用卡森指数t s i 或修币的卡森指数t s i m 评 价描述湖泊富营养状态；采用多准则神经网络法、人工神经网络决策模型评价湖 泊水质富营养化；对湖泊富营养化的模型模拟等；对湖泊富营养化的影响因素 的研究，负荷冈素如外源负荷、内源负荷的影响；理化、生物因素，如温度、p h 、 底栖生物在底泥释放营养物质过程中的重要作用以及含砂量、风力扰动等对富营 养化的影响等；对富营养化湖泊的人工调控措施，如清淤、冲水、围隔、除藻 等等。 过去人们关注的重点是湖泊的富营养化的问题，而对河流的富营养化研究不 够。值得注意的是随着河流的污染加剧，人们己开始注意河流及库区的富营养化 的问题，如南水北调库区的富营养化、珠江河段水体富营养化研究等。但是，这 些研究基本上是沿用湖泊富营养化的研究方法、研究内容。河流的各种边界条件 与湖泊有很大的差别，湖泊富营养化的形成条件、机理也不完全适用于河流及库 区的富营养化的情况，因而，河流及库区的富营养化的研究应予特别的关注。 1 2 2 模型工具的研究及发展 ( 1 ) 水质数学模型的作用 自从s t r e e t e r - - p h e l p s 水质模型建立以来，水质数学模型在环境问题研究中的 应用越来越广泛。水质模型作为水质规划和环境质量管理的有效工具有了较大的 发展，特别是近几十年，在环境污染控制和水质规划研究中，水质模型显得尤为 重要。利用水质模型进行河流、湖泊、水库以及河口等的水质规划已经取得了成 功，一些在2 0 世纪五六十年代曾经严重污染的河流，如芝加哥河、泰晤士河及特 7 重庆大学硕+ 学位论文 拉华河口等利用所建立的水质模型进行水质规划和管理，近年来有明显的好转， 水质得到大幅度地提高。 水，作为自然资源已经被人类所关注。然而，只有在近几十年，才认识到这 种自然资源是有限的。随着工农业生产的发展和科学技术的进步，人类越来越注 意对水资源的保护，保护人类赖以生存的环境是非常重要的。与此同时，水已被 认为是人类发展和进步的不可缺少部分。许多河流流域较早地发展了文明文化， 如埃及的尼罗河、中国的黄河等等。河流为人类的消费、农业生产、工业需求、 航海以及水力动力提供了不可缺少的资源。 自从人类对河流行为的研究开始，逐渐地形成了一套较完整的研究体系，这 些研究大概有以下的内容：现场观测和数据的收集；现场结果的分析；野 外实验；在流体、化学和物理基础上进行理论分析；室内模拟( 包括化学、 物理和水力学的模拟等) ；借助计算机数学模拟；将上述各项进行综合分析 研究。 水质模型是一个用于描述物质在水环境中的混合、迁移过程的数学方程，即 描述水体中污染物与时间、空间的定量关系，它通常涉及解基本方程的技术，而 其结果的可靠性不会超过所使用的方程的可靠性。在一个较综合的河流水质模型 中，有许多影响河流水质的因素，如物理、化学、水力学、生物学以及气象学的 因素。 目前已有许多类型的河流水质模型用于水质预报和管理，较合适的模型和所 要求的数据很大程度上取决于其研究水质的目的。长期水质规划不要求详细而只 要求适当的资料，如估计一个单的工业废水流出和排放位置。从河流规划和所 有其他水质规划看，目前还没有一个单一的水质模型能适合于各种河流的水质规 划，必须在规划过程的早期作出较重要决策是模拟方法或适合于规划和发展的方 法选择。其中还包括模型的校正、验证以及在有限的人力、物力和有限时间内实 旋。 今天使用的大部分河流水质预测模型应用于点源排放的纳污河流。随着科学 研究和水处理技术的应用和发展，点源的废水水量相对地减少了，而非点源或来 自农业、城市的径流越来越重要。水质模型有助于预测进入表面水的非点源污染 规律。凶此，水质数学模型在河流水质规划、管理以及水质研究中是一个非常重 要的工具。 ( 2 ) 水质数学模型的发展过程 水质模型的形成和发展已经历了半个多世纪，大致可分为以下几个发展阶段： 1 9 2 5 1 9 6 0 年为水质模型发展的第一阶段( 基础阶段) 。在这一阶段中，水质 模型的研究处于最初时期，s t r e e t e r 和p h e l p s 共同研究并提出了第一个水质模型， 8 后来科学家在其基础上成功地运用b o d - - d o 模型于水质预测等方面。 从1 9 6 0 1 9 6 5 年，在s t r e e t e r - - p h e l p s 模型的基础上有了新的发展。将其用j ： 比较复杂的系统。引进了空间变量、物理的、动力学系数。温度作为状态变量也 引入到一维河流和水库模型，水库( 湖泊) 模型同时考虑了空气和水表面的热交 换。水力学方程、平流扩散方程作为水质迁移过程的基本描述而被用于水质模型。 第一个简单的模型( 一维的稳态模型) 开始在水质管理中应用。 不连续的一维模型扩展到包括其他来源和丢失源是在第三阶段即1 9 6 5 1 9 7 0 年期间进行研究。其他来源和丢失源包括氮化物耗氧( n b o d ) 、光合作用、藻类 的呼吸以及沉降、再悬浮等等。一维的网络系统被用于描述二维的垂直混合体系。 计算机的成功应用使水质数学模型的研究有了突破性的发展。 在1 9 7 0 1 9 7 5 年期间，水质数学模型己发展到变成相互作用的线性化体系。 生态水质模型的研究处于初级阶段，特别是初级生产率的动力学研究被发展了， 其他较高水平的模型亦相继地被应用了，有限元模型用于二维体系，有限差分技 术亦应用于水质模型的计算，更高维数的模型不断地被发展，关键问题是在进行 水质模型研究中需要足够的数据。 在最近2 0 年中，科学家的注意力逐渐地移到改善模型的可靠性和评价能力的 研究。随着改进的二维、三维河流、河口和湖泊( 水库) 模型的发展，水力学和 水质间的偶合越来越引起科学研究工作者的重视。水生生态系统的复杂性是许多 生物问题的一个重要课题。水质模型的研究由单一组分的模型向较综合的模型发 展，在该阶段中，水库、湖泊的富营养化模型研究已取得了可喜的进步。目前， 包括各种变量的更综合的水质模型正在研究中，二维和三维的水质模型仍处于发 展阶段。因此，这个课题仍是今后几十年科学家所关心的重要问题。 9 重庆大学硕士学位论文 如 果 结 果 不 满 意 图1 1 建立水质模型的一般过程 f i 9 1 1g e n e r a l p r o c e s s o f s e t t i n g u p w a t e r q u a l i t y m o d e l 1 _ 2 3 水质模拟技术 模拟水质变化的数学模型，一般包括系统分析和系统中数学方程合成两部分。 系统分析可以是理论的、观测的或试验的。所建立的数学模型应当尽可能地简单 而不失其要求的精度。模拟技术包括下列内容( 图1 2 ) 。 l o 图1 2 模拟技术的内容 f i 9 1 2c o n t e n to f s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ( 1 ) 目标的设置使所建立的数学模型应当尽可能地简化而不失其要求的精 度。当所使用的模型用于新的目的时，应当及时调整与模型结构相一致的目标函 数。 ( 2 ) 理论背景调查包括影响水质过程的因素、描述的方法和模型参数的适当 范围的分析。 ( 3 ) 模型的形成包括应当建立什么类型的模型( 如稳态模型、动态模型) 以 及必需考虑的过程，以避免模型的复杂化。 ( 4 ) 模型结构是建立模型过程中比较困难的一一个阶段，特别是建立一个较复 杂的模型。在建立总体模型时应当首先考虑符合实际情况的子模型，这将有助于 总体模型的精度和灵敏度，也能使模型更符合实际。 ( 5 ) 数学方程是表示某些数学或统计方法中各种关系的陈述。在一般过程中， 如弥散过程，主要的问题可能是从若干方程中选择最好的数学表达式。在这种情 况下，原始数据是非常必要的，一旦数学方程建立，便可描述子模型中的信息。 ( 6 ) 数学模型的解在特殊情况下可以用分析解来得到，但大部分数学模型使 用数值方法来解偏微分方程。 ( 7 ) 计算机程序的设计对于较复杂的数学模型是非常有必要的，即使对于简 单的模型，计算机技术也是很重要的一环。 ( 8 ) 模型修正在水质模型的实际应用中是非常重要的，凼为没有任何模型能 在未作修正前正确地描述一个系统，模型修正的第一步是校正模型，也就是调整 模型中的各个参数值以便使模型计算的值与观测值一致，用独立的数据来进行模 型的修正和校正是必要的。 ( 9 ) 灵敏度分析是测定在改变模型巾参数值时模型输出和灵敏性。 1 3 研究课题的提出 三峡工程将于2 0 0 3 年形成一期蓄水，2 0 0 9 年建成菇二期蓄水。届时，三峡至 江津将形成巨大的库区，蓄水达到3 9 3 亿立方米，防洪库容2 2 1 5 亿立方米，将极 重庆大学硕士学位论文 大地发挥航运、防洪和电力效益。三峡成库后，库区内干、支流的水文特性将发 生重大变化，水面加宽、河床变深、流速减缓、污染物的扩散减弱、水体复氧能 力下降，水体稀释自净能力下降，水环境容量降低，水污染将可能继续加剧。 根据长江三峡水利枢纽环境影响报告书预测，在三峡成库后的正常莆水 位1 7 5 米时，重庆主城区江段控制点的污染物浓度比建库前升高3 4 5 以上，氏寿 江段升高1 1 7 ，涪陵和万州江段将升高5 7 3 ，以c o d 和总磷形成的污染带较为 突出。这将对库区水污染控制及水环境保护提出了新的更高的要求。 1 9 9 9 年重庆三峡库区点源废水排放总量为1 0 0 9 亿吨，其中工业废水7 0 9 亿 吨，生活污水3 0 亿吨；c o d 排放量2 2 2 4 万吨，t p 排放量2 3 6 5n 屯。大量的污水 未经有效处理直接排放江河，加之上游来水，流动污染源和大量面源污染物进入 水体，致使库区水污染犹为严重。据重庆市1 9 9 9 年环境公报，对长江重庆段2 1 个监测断面水质评价，水质类别i i i 、i v 类分别占1 7 6 和7 0 6 ，有9 项污染物 超标；嘉陵江重庆段i i i 类水域占2 5 ，i v 类水域占5 0 ，有8 项指标超标。其 中非离子氨、总磷、石油类和化学需氧量等4 项水质监测项目严重超标。三峡库 区营养物浓度水平已达到或超过传统理论的水体富营养化的营养物浓度条件( p o 0 2 m g l ，n o 3 m g l ) ，如1 9 9 5 1 9 9 8 年，重庆主城江段t n 浓度为1 2 2 0 5 m g l ， t p 浓度为o 0 4 3 o 2 8 7 m g l ，却并没有发生大面积的富营养化。这是传统理论无 法解释的。但库湾、近岸库周、次级河流入口以及回水地区仍然存在发生富营养 化的危险。 据预测，2 0 1 0 年重庆库区点源污水排放总量将达到1 4 0 4 亿吨，增长约4 0 ， 年均约3 4 。其中生活污水排放量为5 - 2 2 亿吨，增长约7 4 ，年均增长约5 6 ： 工业废水排放量为8 8 2 亿吨，增长约2 4 4 ，年均增长约2 2 ；c o d 的排放量为 2 7 6 万吨；t p 排放量为3 7 7 6 吨。由此可见，其治理任务是十分艰巨的，特别是 t p 的控制十分困难。库区污染负荷( 工业废水、生活污水、上游来水、面源、流 动污染) 的大量增长，使富营养化的危险性和控制的难度也大大增加了。水环境 污染如不能得到有效控制，而一旦形成富营养化，其后果将是严重的，同时也会 影响长江中下游和南水北调工程的水质。因此，必须采取科学的理论指导、先进 的控制技术，控制库区的水污染与富营养化，保护好库区水资源，促进库区社会 经济环境的可持续发展，保证三峡工程长期安全运行。 三峡水库属周期性调节河道水库，既不同于普通湖泊，又不同于一般河流。 三峡成库后，每年4 1 0 月为泄水期( 这段时间内三峡库区基本上保持天然河流 的状态) ，1 1 月至次年4 月蓄水，形成周期性河道型水库。水库长约6 6 0 k m ，水面 面积约1 0 8 4 k m 2 ，平均水面宽1 1