（环境工程专业论文）辽河水环境质量调查与生物评价研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 辽河具有中国北方河流的明显特征，水资源短缺，季节性受控性特点突出，流域内 城市群集中、人口密集、工农业发达、水体污染严重，水生态系统退化严重。本课题以 辽河为案例区，在辽河支流和干流上分别选取最具代表性的1 2 个断面进行对比分析， 采用主成分分析、关联性分析等系统科学的方法，对所选取的水环境评价指标进行综合 判断和筛选，提出具有代表性的指标。目的是从水环境生态系统保护角度出发，调查河 流的化学、物理、生物及栖息地现状，分析水质污染特征，对辽河水环境现状进行监测 与综合评价。为科学合理地利用水资源，为东北老工业基地的振兴和推动辽河流域区域 经济的可持续发展提供技术支持。 主要研究内容与结论如下： ( 1 ) 河流水环境现状调查与生物评价 分别于丰水期和枯水期进行了辽河1 2 个断面的水物理、化学、水生生物与栖息地 环境调查与综合评价。结果表明辽河水质污染严重，栖息地环境恶化，部分污染严重河 段已无底栖生物生存。 ( 2 ) 辽河水质污染特征分析 从时间和空间、非点源污染、入省支流水质污染及沿途接纳城市废水等多角度对辽 河水质污染特征进行分析，结果表明辽河水质污染十分严重。 ( 3 ) 河岸带消减非点源污染的试验研究 根据辽河非点源污染严重的特点，进行河岸带消减非点源污染的试验和生物修复研 究。结果表明混合植物带能够最大限度地吸收污染物，处理效果好。 关键词：辽河；水生生物：生态环境；水质 辽河水环境质量调查与生物评价研究 r e s e a r c ho nw a t e re n v i r o n m e n t a lq u a l i t ya n db i o l o g i c a l e v a l u a t i o no fl i a or i v e r a b s t r a c t l i a or i v e rh a st h ek e yc h a r a c t e r i s t i c so fr i v e r si nt h en o r t ho fc h i n a ，s u c ha ss h o r t a g eo f w a t e rr e s o u r c e sa n ds e a s o n a ld o m i n a t i o n a l o n gl i a or i v e ra r e a ，t h e r ea r ec l u s t e r so fc i t i e s ， h i g hd e n s i t yo fp o p u l a t i o n ，d e v e l o p e da g r i c u l t u r ea n di n d u s t r y , s e v e r e l yc o n t a m i n a t e dw a t e r a n de c o s y s t e md e g e n e r a t i n gs e r i o u s l y t h i sr e s e a r c ht a k e sl i a or i v e ra sa ne x a m p l e t w e l v er e p r e s e n t a t i v es t r e a ms i t e si nm a i n s t r e a ma n ds u b - s t r e a m so fl i a or i v e rw e r es e l e c t e df o rc o m p a r a t i v ea n a l y s i s an u m b e ro f e c o l o g i c a le v a l u a t i o ni n d e x e sw e r eb e i n gs e l e c t e da n da s s e s s e dt h r o u g hc o n d u c t i n gp r i n c i p a l c o m p o n e n ta n a l y s i s ，r e l e v a n c ea n a l y s i sa n do t h e rs c i e n t i f i cm e t h o d s a f t e rt h ea n a l y s i s ，s o m e r e p r e s e n t i n gi n d e x e sw e r ep r o p o s e d t h eo b j e c t i v eo ft h i sr e s e a r c hi st om o n i t o ra n de v a l u a t et h ec u r r e n te n v i r o n m e n to fl i a o r i v e rt h r o u g hs t u d y i n gi n t e r a c t i v er e l a t i o n s h i pa m o n gc h e m i c a li n d e x ，p h y s i c si n d e x ，a q u a t i c o r g a n i s ma n dh a b i t a ta n da l s ot h r o u g ha n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp o l l u t e dw a t e r t h i s r e s e a r c hp r o v i d e st e c h n i c a ls u p p o r tf o rb e t t e r u t i l i z i n gw a t e rr e s o u r c e s ，r e v i t a l i z i n go l d i n d u s t r i a la r e a sa n dp r o m o t i n gt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m i co fl i a or i v e r a r e a t h em a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n so ft h i sr e s e a r c ha r e ( 1 ) c u r r e n ts t a t u so fw a t e re n v i r o n m e n ta n db i o a s s e s s m e n ti nl i a or i v e r c h e m i c a l ，p h y s i c si n d e x ，a q u a t i co r g a n i s ma n dh a b i t a tw e r ei n v e s t i g a t e da n da s s e s s e d f o rt h et w e l v er e p r e s e n t a t i v es t r e a ms i t e sa tb o t hf l o ws e a s o na n de b bs e a s o ni nl i a or i v e r n er e s u l t si n d i c a t et h a tl i a or i v e rw a ss e v e r e l yp o l l u t e da n di n h a b i te n v i r o n m e n tw a s d e t e r i o r a t e da n dt h e r ew a se v e nn ob e n t h i ca n i m a l se x i s t i n gi np o l l u t e ds t r e a m s ( 2 ) a n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fp o l l u t e dw a t e ri nl i a or i v e r t h ep o l l u t e dw a t e rw a sa n a l y z e df r o mm a n ya s p e c t s ，s u c ha st i m e ，s p a c e ，n o n p o i n t p o l l u t i o n ，b r a n c ht ol i a on i n gp r o v i n c ea n da d m i s s i o no fu r b a ns e w a g e n er e s u l t ss h o wt h a t l i a or i v e rw a sp o l l u t e dv e r yb a d l y ( 3 ) s t u d yo nn o n - p o i n tp o l l u t i o nd e c r e a s i n go ff i v e rb a n k b a s e do nt h es e v e r en o n p o i n tp o l l u t i o nc h a r a c t e ro f l i a o r i v e r , e x p e r i m e n to n n o n p o i n tp o l l u t i o nd e c r e a s i n ga n di n v e s t i g a t i o n so nb i o l o g i c a lr e s e r v ew e r em a d e n e r e s u l t ss h o wt h a tm i x i n gb o t a n i c a lz o n ec a na b s o r bt h ec o n t a m i n a n tt oi t sm a x i m u m c a p a c i t y a n dv e r ye f f e c t i v e 一一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 k e yw o r d s ：l i a or i v e r ；a q u a t i co r g a n i s m ；e c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ；w a t e rq u a l i t y ： 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：辽通壅巫境厦量调查盏生塑迁俭珏究 作者签名： 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本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和汇编本学位论文。 作者签名： 导师签名： 日期：趁年兰月厶z 日 日期：卜一年十月千日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1绪论 1 1 背景与意义 党的十七大报告把经济增长的资源环境代价过大作为党和国家事业发展前进中面 临的首要问题。我国环境保护特别是河流水环境形势依然非常严峻，严重的水污染问题， 危害群众健康，影响社会稳定，成为制约经济社会又好又快发展的瓶颈。 辽河主要面积位于我国重工业发达的辽宁省，流域内城市群集中、人口密集、工农 业发达、污染严重。另外，辽河是典型的季节性受控河流，由于河道缺少天然径流和环 境用水，加剧了水环境污染程度，水质恶化和水量减少不仅造成水生态系统退化和生物 多样性减少，而且降低了水体的环境容量，加大了水污染事故发生的可能性，致使辽河 水环境安全受到极大威胁。辽河生物研究较国内其它水系历来薄弱。为此，将辽河作为 一个物理、化学、生物和栖息地单元进行水环境现状调查，在流域内选择不同水期、不 同生态特征、不同河段、不同污染特点的点位，对水质理化指标、生物指标及栖息地环 境调查，并结合历史监测资料，对辽河河流水环境现状进行综合评价，分析水生态的演 变趋势、分布规律和影响因素。同时进行了针对北方河流污染的河岸带消减非点源污染 的试验研究，在尊重自然规律的基础上，充分发挥水生态系统自我修复能力，逐步改变 环境恶化状况，最终实现人水和谐的目标。为我国未来的河流水环境管理奠定基础，为 河流的水污染综合治理提供基础和依据。 1 2 国内外水生生物学评价进展 水环境中存在着大量的水生生物群落，各类水生生物之间及水生生物与其赖以生存 的水环境之间存在着互相依存又互相制约的密切关系l l j 。当水体受到污染而使水环境条 件改变时，各种不同的水生生物由于对环境的要求和适应能力不同而产生不同的反应， 据此了解污染对水生生物的直接危害，判断水体污染的类型和程度。 水污染指示生物是在一定的水质条件下生存，对水体环境质量的变化反应敏感而被 用来监测和评价水体污染状况的水生生物。2 0 世纪初德国学者b 科尔克维茨和m 马松 提出指示生物的概念，并把能够表示河流污染特性的生物称为水污染指示生物 2 - 4 。在 北美，生物评价的发展近5 0 年来经历了3 个阶段：6 0 年代以传统的定性评价为主，根 据指示生物的出现与否来判定水体受污染程度；7 0 年代起，大量采用各种多样性指数来 评价水质，强调定量采样和复杂的统计分析，十分好时和费力；8 0 年代初，人们又将兴 趣转向定性评价，并在方法上作了重要改进，提出一个全新的概念“快速生物评价 法”( r a p i db i o a s s e s s m e n tm e t h o d ) 。近年来，水质生物学评级以其独特的优越性己被美国， 辽河水环境质量调查与生物评价研究 英国，加拿大和澳大利亚等国环境部门广泛使用。在亚洲，日本和韩国走在最前列，早 在7 0 年代就开展了这方面的研究，9 0 年代初期，已开始采用生物类群的耐污值和生物 指数来评价水质【5 j 。目前，许多发展中国家也陆续开始应用该技术来监测和评价水环境。 在中国，水质生物监测自7 0 年代末至今已有3 0 多年的历史。8 0 年代，已广泛开 展对河流、湖泊的生物调查，并将其应用于水质评价工作，如严京松等利用水生昆虫中 的摇蚊及其它大型底栖无脊椎动物多样性指数等评价了黄河支流和官厅水库的水质。以 后其他人又陆续发表了有关湘江，洞庭湖，漓江等水质生物评价发面许多有价值的文章。 9 0 年代，任淑智等利用底栖动物对京津及临近地区河流进行了生物评价。1 9 9 2 年，杨 莲芳等首次将快速水质生物评价技术介绍到了国内，并利用水生昆虫系统评价了安徽九 华河、丰溪河的水质状况。其后，潘立勇等对京杭运河徐州段以及蓝宗辉对广东省韩江 下游各支流水质的监测等研究表明，底栖动物评价结果与理化指标基本一致。2 0 0 1 年， 姜建国等评述多个与生物耐污能力有关的生物指数，其中有6 个与底栖动物有关。上述 研究充分肯定了水质生物评价的重要作用和广阔的应用前景。辽河水系的生物监测、生 物评价及水生生物多样性保护报道见于史玉强等( 1 9 7 6 2 0 0 0 ) 对大伙房水库及浑河中、 上游水生生物生态及水环境评价方面的报道；齐红等关于辽河中下游水生生物的空间演 化规律对生态水文影响的报道；赵卫俐对浑河( 抚顺段) 水生生物多样性评价；王雅梅 等对浑河源区的水质进行生物评价；2 0 0 5 年，徐成斌等对辽河流域河流系统底栖动物完 整性( b i b i ) 进行了评价研究等等t 6 - 8 1 。相比国内其它水系，对辽河水系进行生物监测、 水生生物生态及水环境评价的研究较为薄弱。 利用水生生物来监测水体污染状况的方法较多，如生物群落法、生产力测定法、残 毒测定法、急性毒性试验、细菌学检验等。 1 2 。1 水质生物学监测评价的优势和局限性 水生生物作为水生态系统的重要组成部分，它与水环境关系密切。利用水生生物群 落结构变化及指示生物情况反映水质状况是监测水污染的基本原理。水质生物监测是反 映水环境质量状况的标准和依据，而绝不是对化学监测的一种补充和验证；水生物监测 直接反映了环境质量变化对生物的影响和危害程度，是实现水环境监测目的的一种直接 而有效的手段；在目前许多污染物的环境标准尚未健全，而新的污染物又在不出现的时 期，环境标准的健全势在必行，而水生生物监测评价是制订环境标准的基础，只有具备 大量水生物监测的基础资料，环境标准的制订才能更具有科学性1 9 。生物评价水环境的 目的是描述水资源状况和监测受人类干扰后生物群落结构的变化趋势。 目前我国虽然已经可以通过在线连续监测仪器对水体的理化指标进行长期监测，但 在实际环境中，由于许多种化合物同时存在的各种复杂作用( 如协同、拮抗作用等) ， 大连理工大学专业学位硕士学位论文 它们所产生的有害生物效应浓度往往是现有分析手段无法测出的，它们常以混合状态存 在于水体中，且相互作用产生综合污染，给理化监测带来无法克服的困难，而生物监测 却能在这方面显示优势。化学监测对于检查受控污染物的浓度是非常有用的，但对于理 解由于污染物产生的破坏帮助不大。生物监测有着理化监测所不可替代的优越性： ( 1 ) 、直观性( 2 ) 、综合性( 3 ) 、长期性 ( 4 ) 、敏感性( 5 ) 、放大性( 6 ) 、简单易行性 生物监测的局限性 与理化监测相比，生物监测有它独特的优点，但在理论及方法上仍有许多问题等待 解决，并存在因自身因素造成的一些局限性，主要表现为： 不能像仪器那样精确地监测出环境中污染物的种类、数量及浓度，它通常反映的 是各监测点的相对污染或变化水平。 受生物生长规律影响，同一生物指数在一年中会出现季节性变化。 理化监测侧重于分析污染物种类、浓度及污染物总量的控制。生物监测主要研究生 物对污染物的反应，以及人为干扰与生态环境变化的关系，分析引起生态环境变化的干 扰因素的作用，为受损生态系统的恢复和重建、人与自然关系的协调、生态系统保护以 及可持续发展提供科学依据【1 0 1 。虽然生物监测和理化监测各有优越性和局限性，但它们 在环境监测中的地位和作用都非常重要。生物指数和理化指标之间不应该是相互对立 的，而是相辅相成的。在实际使用中，应该将生物指数和理化指标有机结合，这样才能 全面反映污染或人为干扰对水质、水生生物和水生态系统的影响。 1 2 2 指示生物的选择 生物群落中生活着各种水生生物，如水生细菌、浮游生物、着生生物、底栖动物、 鱼类等。由于它们的群落结构、种类和数量的变化能反映水质污染状况，故称之为指示 生物。 选择何种指示生物是生物评价的关键问题，用得较多的水生生物主要是水生细菌、 着生生物、底栖动物和鱼类。河流着生生物因其生境相对固定，处于河流生态系统食物 链始端，生活周期短，对污染物反应灵敏，可为水质变化提供早期预警信息等优点而成 为河流健康监测的主要指示种之一。河流底栖动物具有相对较长的生活周期、较高的 生物多样性( 在不同生境中都有分布) 、形体易于辨别等优势。此外，很多动物在其生活 史中至少有一部分时间对生境有特定的要求，所以该类生物群落结构的变化也能很好地 反映河段生境条件的变化，是河流水质状况惯用的另外一项重要监测指标。 ( 1 ) 水生细菌 细菌能在各种不同的自然环境中生长。地表水、地下水，甚至雨水和雪水都含有多 辽河水环境质量调查与生物评价研究 种细菌。当水体受到人畜粪便、生活污水或某些工农业废水污染时，细菌大量增加。因 此，水的细菌学检验，特别是肠道细菌的检验，在卫生学上具有重要的意义。但是，直 接检验水中各种病源菌，方法较复杂，有的难度大，且结果也不能保证绝对安全。所以， 在实际工作中，经常以检验细菌总数，特别是检验粪大肠菌群数，来间接判断水体卫生 学质量。 ( 2 ) 浮游生物 浮游生物是指悬浮在水体中的生物，它们多数个体小，游泳能力弱或完全没有游泳 能力。浮游生物可分为浮游动物和浮游植物两大类。在淡水中，浮游动物主要由原生动 物、轮虫、枝角类和桡足类组成。浮游植物主要是藻类，它们以单细胞、群体或丝状体 的形式出现。浮游生物是水生食物链的基础，在水生生态系统中占有重要地位，其中多 种对环境变化反应很敏感，可作为水质的指示生物”1 2 1 。在水污染调查中，常被列为主 要研究对象之一。 ( 3 ) 着生生物 着生生物是指附着于长期浸没水中的各种基质( 植物、动物、石头、人工) 表面上 的有机体群落。它包括许多生物类别，如藻类、原生动物、轮虫、线虫等。近年来，着 生生物的研究日益受到重视，其中主要因素是由于其可以指示水体的污染程度，对河流 水质评价效果尤佳。 ( 4 ) 底栖动物 底栖动物是栖息在水体底部淤泥内、石块或砾石表面及其间隙中，以及附着在水生 植物之间的肉眼可见的水生无脊椎动物。一般认为其体长超过2 m m ，不能通过4 0 目分 样筛，所以又称为大型底栖无脊椎动物。它们广泛分布在江、河、湖、水库、海洋和其 他各种小水体中，包括水生昆虫、大型甲壳类、软体动物、环节动物、圆形动物、扁形 动物等许多动物门类。底栖动物的移动能力差，所以正常环境下在比较稳定的水体中， 种类比较多，每个种类的个体数量适当，群落结构稳定。当水体受到污染后，其群落结 构便发生变化。严重的有机污染和毒物的存在，会使多数较为敏感的种类和不适应缺氧 的种类逐渐消失，而仅保留耐污染种类，成为优势种类。应用底栖动物对污染水体进行 监测和评价，已被各国广泛应用【l 引。 ( 5 ) 鱼类 在水生食物链中，鱼类代表着最高营养水平。凡能改变浮游和大型无脊椎动物生态 平衡的水质因素，也能改变鱼类种群。同时，由于鱼类和无脊椎动物的生理特点不同， 某些污染物对低等生物可能不引起明显变化，但鱼类却可能受到影响。因此，鱼类的状 况能够全面反映水体的总体质量，鱼类生物调查对评价水质具有重要意义。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 2 3 国内外水生生物监测与评价的研究 长期以来，水生态系统中生物的结构组成以及它们在种类、数量、丰度上随水污染 程度而变化这一现象受到人们的极大关注，水生态学家一直致力于使这种变化数量化并 与水体质量建立联系，从而有效地评价和监测水污染状况。由此产生了3 种生物学指数： 多样性指数、相似性指数和生物指数。 ( 1 ) 污水生物系统( s a p r o b i e ns y s t e m ) 法 该方法将受有机物污染的河流按其污染程度和自净过程划分为几个互相连续的污 染带，每一带生存着各自独特的生物( 指示生物) ，据此评价水质状况。1 9 6 0 年，h y n e s s 绘制了污水排入河流后有机污染物浓度变化情况和生态模式图。在此基础上，经过许多 专家增补和修改，使该方法得到较广泛地应用【1 4 1 。 根据河流的污染程度，通常将其划分为四个污染带，即多污带，a 中污带，d 中污 带和寡污带。各污染带水体内存在特有的生物种群，其生物学、化学特征列于表1 1 【1 5 】。 污水生物系统法注重用某些生物种群评价水体污染状况，需要熟练的生物学分类知 识，工作量大，耗时多，并且有指示生物出现异常情况的现象，故给准确判断带来一定 困难。环境生物学者根据生物种群结构变化与水体污染关系的研究成果，提出了生物指 数法。 ( 2 ) 生物指数( b i o t i ci n d e x ) 法 生物指数是指运用数学公式反映生物种群或群落结构的变化，以评价环境质量的数 值。 贝克( b e e k ) 1 9 5 5 年首先提出一个简易地计算生物指数的方法。他将调查发现的 底栖动物分成a 和b 两大类，a 为敏感种类，在污染状况下从未发现；b 为耐污种类， 是在污染状况下才出现的动物。在此基础上，按下式计算生物指数： 生物指数( b i ) = 2 n a + n b 式中：n 底栖大型无脊椎动物的种类。当b i 值为0 时，属严重污染区域；b i 值为1 一时为中等有机物污染区域；b i 值为l o _ _ 4 0 时为清洁水区。 ( 3 ) 多样性指数 m a r g a l e f 多样性指数 m 2 可s - 1 ( 1 1 ) l o g 、 式中m 表示m a r g a l e f 多样性指数，s 表示样品中种类数，n 表示样品中个体总数。 辽河水环境质量调查与生物评价研究 表1 1 污水系统生物学、化学特征 t a b 1 1 c h a r a c t e d s t i c so fs e w a g es y s t e mb i o l o g ya n dc h e m i c a l 臻目多污带a 一中污带1 3 一中 亏带寡污带 因逐凝相分麓蒸蓍两产水稻蕊泥墓出现氯化因氧化馊无撬化 纯学过程氯化过疆更强烈 生鹰数观象 致捏 达到矿化阶蔽 ；割酵氧援有或摄徽最少量鞍多缀多 d 银罱蠢玻低慷 璇纯嚣的 生成 具有强熬的璇化氢爽绦缦誉强魏凝化氢囊睬 无竞 ；米中罴自震、多款蟹齑分子菊势乎化台物努勰产大部分有撬物巴 宥祝钧垒分麓 奢税物物质大量稃在生氰蒸敬。氢等冤或无视化过猩 篙甫熏芭磷化镟襻程-赁化捩氧化成氨氢化 忘泥军l f e 2 0 3 麓大秘分蛾仡 星琢色镟，扇泥不墨照恕 大量存在，每毫升珂迭纲蕊鞍多，辱毫升在 数量潲少，每毫 数纛少每毫羚 水中黼 1 0 0 万个以上l o 万个以上 i 程l o 万个旺下在1 0 0 个以下 臻食绸麓动物舀怃 糖蠢生物 动物鄂是绷麓摄食看且 努礴食缝动物增加射涛魉和蝉变化 对磷稻游氯炭 豹生态学 耐受硝强烈囊化萄掰对i 窍氟和硝变化袭掰镶较爰并且 化耐镶锟弱，特 瓣气性生物，怼惦化氯、娩出商麓遴应馊，黼不辘长嗍融瘸 别是对膊敬缝鼙 特征物如璇化氢笱褂 蕉麓蕊强热髓魄缝氮犬停上誊抗性，麓翟嫩馨物 硫化氦耐缝辕弱 缝报差 出瑷多f 争英的硅 硅藻缘藻、攫台旗及出堍盟轻点 绿瀛、接藏，缘蘸、接台水中藏樊少德 植物 裔鳞植物浚膏出魂舍藏、睡藏镰藏是数溅的主箸生藏焚较参 要分布区 以徽壁动物为主，撩生仍以微型动物占大多 动物多种多徉多种多徉 动物港优势数 有变形虫、鲆亳虫，儋 仍然没有双鞭琵虫， 太阳虫、唆管虫 照生动物无太船农、教赣毛虫，倡逐灏出瑗太阳虫、 中墩污性麓的种黛毛囊拜黾虫 癸出现礤鞭毛中有爹麓出魂 吸管虫等出堍暖管虫蟹 虫也出现 有轮虫，燎形动物、琵 浚农海镰茁莓、 虫幼虫出魂一承螺援 i ! 蹙_ 裔浚水海旃、营誓簟、水媳、耍粪、夺昆虫幼虫很多 瘩生动物动物，祷贝类、甲尧筮荦壳甄两撼嚣饱各种动物邂 水海缛、苗豢勘物小 拳昆虫出现葵、鱼尧均有出渐出现 激甲甍，鱼焚i 蹙商出现 现 根据这一指数的计算公式，指数值高，表示污染轻；指数值低，表示污染严重。评 价标准分为5 个等级：0 1 为严重污染，l 2 为重污染，2 3 为中污染，3 - - 4 为轻污染， 4 为清洁水体。 s i m p s o n 多样性指数 大连理工大学专业学位硕士学位论文 s = 1 一( 佛) 2 或s 2 芝三丽1 ( 1 2 ) 式中s 表示s i m p s o n 多样性指数，n i 表示样品中第i 种生物的个体数，n 表示样品 中生物总个体数。评价等级：o 1 为严重污染，l 2 为重污染，2 3 为中度污染，3 “为 轻度污染， 6 为清洁。 ( 委) s h a n n o n w e a v e r 多样性指数 日= 一窆i = l ( 专) l o g z ( 斋) ( 1 3 ) s 为生物的种类数，n 为群落的个体总数，n i 为i 种的个体数。 ( 4 ) 相似性指数 相似性指数是测定两个群落组成相似程度的指数。一般认为在环境条件相近的情况 下，群落种类的组成也趋于一致。通过比较一些特殊种的丰度( 共同拥有种的面积相似 性) 或所有种的丰度( 种的数量、面积相似性) ，可得出污染地区的污染程度及其对生物 的影响程度。传统的相似性分析多应用于陆地生态系统，尤其是植物群落的相似性分析， 后来推广应用在水生生态系统中【1 5 】。因为对水体中的生物群落采样时，经常出现种类数 目不一致的情况，出现的种类类别更不尽相同，某一种类所占该点群落总个体数的比例 也有千差万别，所以分析不同采样点之间群落相似性，利于不同类型群落的比较，进而 反映出它们的环境差别。在水生生态系统中常用的相似性指数有：百分率相似性指数。 相似性系数按下式计算： s ：兰 ( 1 6 ) 口+ d 式中s 为相似性系数，a 为两个比较点位第1 点位都出现的种类数，b 为两个比较 点位第2 点位出现的种类数，c 为两个点位样品中共同出现的种类数。 ( 5 ) 水生生物毒性试验 进行水生生物毒性试验可用鱼类、潘类、藻类等，其中以鱼类毒性试验应用较广泛。 鱼类对水环境的变化反应十分灵敏，当水体中的污染物达到一定浓度或强度时，就 会引起一系列中毒反应。例如，行为异常、生理功能紊乱、组织细胞病变，直至死亡。 鱼类毒性试验的主要目的是寻找某种毒物或工业废水对鱼类的半致死浓度与安全浓度， 为制订水质标准和废水排放标准提供科学依据；测试水体的污染程度；检查废水处理效 辽河水环境质量调查与生物评价研究 果和水质标准的执行情况。有时鱼类毒性试验也用于一些特殊目的，如比较不同化学物 质毒性的高低，测试不同种类鱼对毒物的相对敏感性，测试环境因素对废水毒性的影响 等。这种试验可以在实验室内进行，也可以在现场进行。 根据试验水所含毒物浓度的高低和暴露时间的长短，毒性试验可分为急性试验和慢 性试验i l b 博j 。急性试验是一种使受试鱼种在短时间内显示中毒反应或死亡的毒性试验。 所用毒物浓度高，持续时间短，一般是4 天或卜l o 天。其目的是在短时间内获得毒物 或废水对鱼类的致死浓度范围，为进一步进行试验研究提供必要的资料。慢性试验是指 在实验室中进行的低毒物浓度、长时间的毒性试验，以观察毒物与生物反应之间的关系， 验证急性毒性试验结果，估算安全浓度或最大容许浓度。慢性试验更接近于自然环境的 真实情况【1 9 1 。 毒性试验方法可分为静水式试验和流水式试验两大类。前者适用于测定和评价由相 对稳定、挥发性小，且不过量耗氧的物质所造成的毒性，所需设备简单，毒物及稀释水 消耗量少，但鱼类的代谢产物积累在试验水内，毒物浓度会因被代谢产物、器壁吸附等 而降低。实际工作中，常采取每隔一定时间换一次试验水的方法。流水式试验方法是连 续不断地更新试验用水，适用于b o d 负荷高、毒物挥发性大或不稳定的水样。试验过 程中溶解氧含量充足，毒物浓度稳定，可将代谢产物连续排出，实验条件更接近于鱼类 所习惯的自然生活条件。但是，这种方法需要较复杂的设备，试验水消耗量大。中、长 期的慢性试验一般都采用流水式试验法。 ( 6 ) 其它方法 用生物监测水体污染程度和毒性的方法还有水生植物生产力的测定、生物体内残毒 的测定、致突变试验等。 生产力的测定是通过测定水生植物中叶绿素含量、光合作用能力、固氮能力等指标 的变化来反映水体的污染状况。例如，浮游植物、附表植物、大型植物等含叶绿素的植 物，通过光合作用将c o ：转变成多种有机化合物并释放出氧气，是水生食物链上的初级 生产者。当水体被污染后，水生植物的这种生产能力则会发生变化。 水生生物对污染物质具有积累和放大作用，用理化检验方法测定它们体内的有害物 质( 残毒) 的含量和分布情况，可研究水体中污染物的积累、分布和转移规律瞳0 1 。 致突变试验是利用生物对环境中致癌、致畸、致突变物质等诱变剂进行检测的一种 方法口。例如，a m e s 试验是利用鼠伤寒沙门氏菌的组氨酸营养缺陷型菌株发生回复突 变的性能来检测被检物质是否具有突变性。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 3 研究内容与技术路线 1 3 1 主要研究内容及技术路线 在辽河水质理化指标、生物指标以及栖息地现状调查的基础上，对各指标分别进行 评价。根据历史资料和现状调查，分析辽河水生态的演变趋势及其空间分布规律，分析 水生态结构与种类的变化，总结辽河的水生态时空变化特征，分析水环境与人类活动( 水 资源利用、土地利用、污染物排放、水利工程等) 、区域自然特征之间的相关关系，判 别影响辽河河流水生态状况的主要因素。在对辽河水环境进行调研的基础上，进行河岸 带消减非点源污染试验研究，为辽河的河岸带生物修复提供参考。研究技术路线见图 1 1 。 辽河水环境调查与生物评价研究 水环境现状调查 辽河水生态综合评价 理化指 地评价 1 6 项指标单水生细菌学评价，着生 生物栖息地 因子评价、生物和底栖动物的定现场调查， 综合指数评 量、定性分析、定量打分。 价s h a n n o n w e a v e r 指数、 优势种及其百分比、生 物量 河岸带消减非点源污染的试 验研究 污染河流的生物修复研究 图1 1辽河水环境质量调查与生物评价研究技术路线图 f i g 1 1t e c h n i c a l1 i n eo f r e s e a r c ho nw a t e re n v i r o n m e n t a lq u a l i t ya n db i o l o g i c a l e v a l u a t i o no fl i a or i v e r 1 3 2 技术难点及创新点 本研究的技术难点是：以辽河为例，建立以物理、化学、栖息地和生物多指标为基 础的河流水生态综合评价指标体系。我国以往的河流评价都是采用物理、化学指标进行 评价，关注水体的污染问题。随着水环境管理的发展，生物评价指标已经在国际上成为 河流管理的重要手段，它能够反映河流对于人类影响的表征，具有综合性的特点。世界 辽河水环境质量调查与生物评价研究 各国的河流特点和生态系统类型各异，如何建立适宜于我国的河流生态评价指标体系已 成为我国亟待解决的问题，但由于我国的河流生态调查开展较少，这限制了我国指标和 标准的建立。尤其辽河及辽河流域在这方法的研究更为薄弱，为此，以辽河为例开展河 流水环境现状调查和生物评价方法的研究，以期完善我国的河流评价方法。 创新点有以下四方面： 1 、首次对辽河1 2 个省控和国控断面进行水环境现状调查与水质生物评价； 2 、首次对辽河进行水生态综合评价； 3 、辽河水质污染特征分析； 4 、河岸带消减非点源污染的试验和生物修复研究； 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 辽河概况 2 1 自然概况 2 1 1 河流水系 辽河位于我国东北地区西南部，包括吉林、辽宁、河北省和内蒙古自治区的部分地 域。 辽河由西辽河和东辽河汇合而成，西辽河发源于河北七老图山脉的光头山，其上源 为老哈河及西拉木伦河，汇流后称西辽河。西辽河流经河北、内蒙古、吉林3 省( 区) ， 在康平县山东屯张三眼井村北进入辽宁省境内，并在辽宁省铁岭市昌图县福德店附近， 与发源于吉林省辽源市萨哈岭山在昌图县三江口镇大力村南进入辽宁境内的东辽河相 汇合，其汇合处至入海口河段称辽河干流。辽河干流水系在辽宁省境内，由东北向西南， 蜿蜒曲折，流经铁岭、沈阳、鞍山、盘锦4 个市的1 4 个县( 市，区) ，最后在盘锦市 盘山县孙家洼子注入渤海。流域总面积约2 1 9 6 万平方公里，全长1 3 9 0 公里，其中辽 宁省境内流域面积约6 9 2 平方公里，河长5 2 3 公里。辽河多年平均流量约每秒4 0 0 立 方米，多年平均径流量4 4 3 7 亿立方米。辽河的平均河床比降为o 3 0 7 。 辽河共有大小支流2 0 余条。左侧汇入的主要支流有招苏台河、清河、柴河、况河 等，是辽河干流洪水的主要来源；右侧汇入的主要支流有秀水河、养息牧河、柳河、绕 阳河等。辽河是多沙河流，泥沙主要来自上游的西辽河和支流柳河，因此，有“东水西 沙之说。河水悬浮物浓度可达几千毫克升，是造成辽河化学需氧量据高不下的原因 之一。 2 1 2 气候、气象条件 辽宁省境内辽河流域处于中纬度地带，属于温带季风气候，其特点是冬季以西北季 风为主，夏季以东南季风为主。温度变化较大，四季寒暖、干湿分明，多年平均气温自 下游平原向上游山区逐渐降低。气温年际变化也较大，7 月份平均气温为2 4 ，极端最 高气温可达3 5 卅1 ；月最低气温为1 月，西部山区平均为- - 2 1 - - 2 3 ，极端最 低气温- 2 7 - 4 1 ；多年平均气温中部为4 9 。c ，西部山区为一1 一2 。 辽宁省辽河流域多年平均降水量在3 5 0 , - , 1 2 0 0 毫米之间。降水量年际变化较大，丰、 枯水年降水量比值一般可达2 1 3 5 倍。而且年内分配的差异也很明显，降水量主要集 中在6 - - , 9 月，约占全年降水量的8 0 。其中7 9 月占7 0 。辽宁省辽河流域多年平均 辽河水环境质量调查与生物评价研究 蒸发量为11 0 0 2 5 0 0 毫米。其中，最大月蒸发量发生在5 月，为2 4 0 - 3 9 0 毫米左右；最 小月蒸发量在1 月，为1 5 - 4 5 毫米左右。 2 1 3 水资源现状 辽宁省辽河水系多年平均地表水资源量为3 7 5 5 亿立方米，地下水资源量为3 8 4 6 亿立方米，水资源总量为6 0 5 9 亿立方米，重复水量1 5 4 2 亿立方米。辽河水系水资源 情况见表2 1 。 表2 1 辽河水系水资源情况统计表单位：亿立方米 亿山2 1s t a t i s t i c sw a t e rr e s o u r c es i t u a t i o no fl i a or i v e r 2 1 4 人口概况。 辽宁省辽河流域内辖沈阳、鞍山、抚顺、本溪、辽阳、铁岭、营口、盘锦等8 个省 辖市和锦州市的黑山县、北宁市，阜新市的彰武县，朝阳市的建平县。2 0 0 6 年，该区 域总人口2 4 3 7 1 万人，占全省的5 9 4 ，其中主要城镇城区人口1 0 8 4 5 万，占流域总 人口的4 4 5 。该区域平均人口密度3 5 2 人平方公里，城区1 2 4 0 平方公里，城市化 水平位于全国前列。 2 2 污染排放概况 辽河主要接纳吉林省和内蒙古通过4 条入省支流排放的废水，以及辽宁省境内铁 岭、盘锦、鞍山市废水和沈阳新民市的少量废水，2 0 0 6 年铁岭和盘锦工业废水和生活 污水排放总量为1 0 3 7 5 1 2 万吨年，其中工业废水排放量为4 0 0 4 1 2 万吨年，生活污 水排放量为6 3 7 1 万吨年，c o d 排放总量为4 6 3 7 2 8 3 吨年，其中工业为9 0 5 0 3 3 吨 年，生活为3 7 3 2 2 5 吨年。 辽河历年水质监测结果表明，常年为劣v 类水质，主要污染指标为化学需氧量和氨 氮等。辽河各主要支流上游多处于植被覆盖较好的山区，没有大的工业污染源和生活源 集中排入河流，水质尚可。污染排放主要集中在河流城市段，辽河辽宁省境内部分沿途 大连理工大学专业学位硕士学位论文 接纳了铁岭、沈阳、鞍山、盘锦4 个城市的农业、工业废水和生活污水后，河流水质污 染严重，水环境受到破坏。 2 0 0 4 年辽河流域辽宁省境内部分工业和生活污水排放总量为1 0 5 4 4 7 亿吨年，其 中工业污水3 7 0 2 3 亿吨，生活污水为6 8 4 2 4 亿吨，分别占3 5 1 和6 4 9 。化学需氧 量排放量2 7 8 5 l 万吨，其中工业5 6 9 4 3 万吨，生活2 2 1 5 6 7 万吨，分别占2 0 4 和7 9 6 。氨氮排放量3 2 1 5 8 万吨，其中工业为0 3 8 7 3 万吨，生活2 8 2 8 4 万吨，分别占1 2 o 和8 8 o 。自2 0 0 2 年开始辽河流域废水排放量整体上呈下降趋势，随着工业污染源 的治理以及城市污水处理厂的建设和运行，辽河流域化学需氧量和氨氮排放量呈逐年下 降趋势，见图2 1 。2 0 0 2 2 0 0 4 年辽河流域废水和污染物排放量情况比较见表2 2 。 表2 22 0 0 2 - 2 0 0 4 年辽河流域废水和污染物排放量比较 t a b 2 2 c o m p a r i o no fs e w a g ea n dp o l l u t a t i o nd i s c h a r g el i a o r i v e r2 0 0 2 2 0 0 4 单位：废水( 亿吨年) 污染物( 万吨年) 工业生活合计 年度 废水排c o d 排氨氮排废水排 c o d 氨氮废水排放 c o d氨氮 放量放量放量放量排放量排放量量排放量排放量 2 0 0 24 3 8 9 28 2 1 7 20 4 9 8 76 6 5 0 92 2 5 9 4 l2 9 5 7 3 1 1 0 4 0 1 3 0 8 “33 4 5 5 9 2 0 0 34 0 9 3 26 8 9 8 6 0 3 8 9 27 2 0 3 4 2 3 2 5 4 8 2 9 2 2 61 1 2 9 6 73 0 1 5 3 43 3 1 1 9 2 0 0 43 7 0 2 3 5 6 9 4 30 3 8 7 4 6 8 4 2 4 2 2 1 5 6 72 8 2 8 5 1 0 5 4 4 72 7 8 5 l o3 2 1 5 8 图2 12 0 0 1 - - 2 0 0 4 年辽河流域废水、化学需氧量和氨氮排放量变化趋势 f i g 2 1 c h a n g e 佃e n do fl i a or i v e rs e w a g ec o d , n h 3 - nd i s c h a r g e 2 3 辽河水生态环境问题 辽河流域主要地处辽宁省中部城市群地区，工业发达，人口密集，水资源开发程度 高，在长时期内，由于传统的经济增长模式的影响，对环境和水资源保护和管理不力， 水生态环境日