（环境科学专业论文）长荡湖水污染特征及其控制研究.pdf

河海大学硕士论文 a b s t r a t a c c o r d i n g t oap r o j e c t “s t u d yo ns e l e c t i o no fw a t rs o u r c eo fj i n t a n c i t y ( c h a n g j i a n g r i v ea n d c h a n g d a n gl a k e ) ”，t h i sp a p e r s t u d i e dt h e p o l l u t i o n c h a r a c t e r i s t i ca n di t sc o n t r a lo fc h a n g d a n gl a k e w i t ht h ei n v e s t i g a t i o na n dm o n i t o r o fc h a n g d a n gl a k e ，t h ep o l l u t i o nc h a r a c t e r i s t i co f c h a n g d a n gl a k ew a ss y s t e m i c l y s t u d i e db yc o m p o n e n ta n a l y t i c a lm e t h o da n dr e l a t i v i t ya n a l y t i c a lm e t h o d ，t h e t o x i c i t yo fc h a n g d a n gl a k e sw a t e rw a ss t u d i e db yc o m e ta s s a y ，a n dt h ep o l l u t i o n c o n t r a lo f c h a n g d a n g l a k ew a ss t u d i e do nt h eb a s i so fs o m ea d v a n c e d e x p e r i e n c e s o f l a k em a n a g e m e n ti na n da b o r d t h er e s o l u t i o no f t h es t u d yd i s p l a y e d ： n ) t h ec o m p o n e n ta n a l y t i c a lm e t h o d t o l dt h a t “e u t r o p h i c a t i o n ”、“o r g a n i c p o l u t i o n ”a n d np o l l u t i o n w e r e t h em o s t p r i n c i p a lc o m p o n e n t s ，t h e i rs q u a r e d l o a d i n g sw e r e2 5 3 、2 3 9 a n d1 7 3 s oe u t r o p h i c a t i o nw a sa l l - i m p o r t a n tp o l l u t i o n i nc h a n g d a n gl a k ea n d o r g a n i cp o l l u t i o nw a s t h es e c o n d ： ( 2 ) i nc h a n g d a n gl a k e ，t h er e l a t i v i t yo f b o d 5a n dc o d m ”c o d c r a n dc o d m n w a sm a r k e d 血ev a l u eo f 甜w e r e0 4 6 1 5a n d0 3 8 3 8 a n dt h er e l e v a n te q u a t i o n sw e r e b o d s = o 8 7 5 + 0 5 9 6 x c o d m na n dc o d o = 4 4 2 1 + 3 8 3 lx c o d m n ； ( 3 ) n l er e l a t i v i t yo f a l g a ea n dt pw a sm a r k e d t h ev a l h eo f w a s0 6 3 7 4 ，a n dt h e r e l e v a n te q u a t i o n sw e r e a l g a e ；1 2 6 3 9 + 1 7 1 6 3 9 x t p , p h o s p h o r w a st h ec o n t r a lf a c t o r o f t h eg r o w t h o f a l g a e s ； ( 4 ) t h ew a t e r o f c h a n g d a n g l a k ea n dy a n g t sr i v e ra l lc o u i dl j o u s ed n a d a m a g e ， t i l e i rd n a d a m a g ew o u l d g e tm o r e s e r i o u s 谢t l lt h ei n c r e a s eo f t h e w a t e gb o t hi nt h e r a i n l e s ss e a s o na n di nt h er 血l l e s ss e a s o nt 1 1 ed n a d a m a g e o f t h ew a t e r o f c h a n g d a n g l a k ew a sm o r es e r i o t l st h a ny a n g t si h v e r ： ( 5 ) t oc o r t r o lt h ep o l l u t i o no fc h a n g d a n gl a k es o m e m e a s u r e ss h o u l db ed o n e ： t r e a tt h ew a s t ew a t e r , c o n s t r u c t e c o l o g i c a la g r i c u l t u r ea n de c o l o g i c a lf i s h e r y ，c l e a r a w a y t h es e d i m e n t ，r e s t o r et h ee c o s y s t e mo f t h er i v e sa n dc h a n g d a n g l a k e ，c o n s t r u c t t h ee c o s y s t e mo f c h a n g d a n g l a k e sb a n k ，i n a k es o m e m a n a g em e a t u r e s ( s u p e r v i s e t h ew a t e r , f o r mt h em a n a g e o r g a n i z a t i o n o f c h a n g d a n gl a k e ，e n h a n c et h ef u n c t i o no f t h el a w s ) k e y w o r d s ：c o m p o n e n ta n a l y t i c a lm e t h o d ，r e l a t i v i t ya n a l y t i c a lm e t h o d ， c h a n g d a n gl a k e ，p o l l u t i o nc h a r a t e r i s t i e ，p o l u t i o nc o n t r a l 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位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。与我一同工作的同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 丹u 丁埠2 月1 d - e t 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部 分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：墨丝7 佛矿年；月阳 长荡湖水污染特征及其控制研究 第一章综述 1 1 研究的目的和意义 我国大多数地表水体都受到一定程度的污染，而水资源的开发利用、水体污 染的治理等都需要对水体的污染状况有清楚的了解，因此如何正确的评价一个水 体的污染状况是目前比较突出的问题。国内外环境质量评价的模型和方法很多。 虽然有些模型和方法比较优秀而且应用比较广泛，但基本上都存在一定的缺陷。 本研究采用因子分析法和相关性分析法分析研究长荡湖水污染的特征，采用 彗星试验方法分析长荡湖水的遗传毒理学特征，并以此为依据结合长荡湖水文、 地理等特点，进一步研究长荡湖水污染控制措施，为长荡湖水污染的治理和管理 提供科学依据，同时在水污染的评价和控制方面具有指导作用，促进了我国水环 境整治的科研工作的开展，提高了我国的综合研究水平，具有重要的理论和现实 意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 我国湖泊水污染现状 水是地球上一切生物和人类赖以生存所必不可少的基本条件，是构成生物体 和生态环境的基本要素之一。人类要生存，生产要发展，必定带来环境污染这 不可回避的问题，这也是当今世界所面临的重大问题。 从2 0 0 2 年中国环境状况公报中看到，主要湖泊氮、磷污染较重，导致富营 养化问题突出。滇池草海为重度富营养状态，太湖和巢湖为轻度富营养状态。 ( 1 ) 太湖 太湖湖体的2 0 个监测点位中，属类、类、v 类和劣v 类水质的点位比 例分别为5 、3 5 、5 和5 5 ( 按地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 类标准评价，下同) 。主要污染物为总氮和总磷。湖区中五里湖、梅梁湖污染 明显重于湖心、东部和西部沿岸区。富营养化评价表明，太湖湖体处于轻度富营 养状态。 ( 2 ) 滇池 一 滇池草海污染重于外海，外海为v 类水质，草海为劣v 类水质。与上年相比， 滇池外海水质有所改善，高锰酸盐指数已达到类标准要求。但氮和磷的污染仍 很严重，草海和外海的营养状态指数分别为7 9 0 和6 0 8 ，全湖平均达7 2 8 ，滇 池属重度富营养状态。 ( 3 ) 巢湖 河海大学硕士论文 湖体高锰酸盐指数达到i i i 类水质标准，但由于总氮和总磷污染严重，湖体 1 2 个监测点位中，v 类、劣v 类水质各占一半。与上年相比，湖体水质略有好 转。巢湖西半湖污染重于东半湖，西半湖属中度富营养状态，东半湖属中营养状 态。全湖平均营养状态指数为5 2 7 ，属轻度富营养状态。 图1 1 为太湖、滇池、巢湖富营养化状态的比较。 图1 1 “三湖”富营养化程度比较 ( 4 ) 其它大型湖泊 洞庭湖、达赉湖、洪泽湖、兴凯湖、南四湖、博斯腾湖、洱海和镜泊湖8 个 淡水湖泊中，兴凯湖水质良好，湖体水质达到i i 类水质标准；洞庭湖和镜泊湖水 质达到类水质标准；达赉湖、博斯腾湖、洱海和浃泽湖湖体水质为v 类；南四 湖湖体污染较重，水质为劣v 类。 1 2 2 环境质量评价方法研究与进展i 卜9 1 目前，国内外环境质量评价方法多种多样，基本上可以分成两类：第一类是 指数评价法，包括单指数评价法、多指数评价法、n e m e r o w 指数法等：第二类 是模型评价法，包括加权综合评价、加乘综合评价、灰色关联度、模糊综合评价、 人工神经网络等方法。使用频率比较高的方法有灰色关联度、模糊综合评价、人 工神经网络等方法。 ( 1 ) 指数法 指数法主要是应用经典的集合论来划分水质，确定水体的污染程度与级别。 其特点是方法简单，计算方便，但评价结果非此即彼，不能完整的反映水体污染 程度与级别。当进行多指标综合评价时，特别是当各水质指标的所属水质级别同 步性较差时难以得出合乎实际的结果，往往会出现评价结果失真、失效、均化、 跳跃等现象。因此这种方法有时很难客观地反映水质的污染状况。 ( 2 ) 模型评价法 2 长荡湖水污染特征及其控制研究 1 ) 灰色关联度分析法 灰色关联度分析是根据灰色系统中离散数据之间的相似程度来判断关联性 大小，并进行排序，从而确定水体的污染程度与级别。其特点是：从水质标准的 灰色关联序列关系上评价水环境质量，不仅可以反映监测序列和水质标准各级数 据列间的关联性和模糊隶属关系，而且具有数学推理严谨、概念清晰、评价结果 可靠等特点。该模型具有通用性，可用于不同类型的水环境质量评价。 2 ) 模糊综合评价法 单项水质指标分级标准划分上的相对性和类别分布的不同步性，导致了水质 分级评价上存在的模糊性。用模糊数学的的观点来看，对于一个水质样本，它究 竟应该被评价为哪一级水只存在程度的不同，而并没有绝对的界限区别。而这里 的程度可以用模糊数学当中的隶属度来刻画。通过选择合适的隶属函数形式，用 隶属度来表示水质的特征。 3 ) 人工神经网络 人工神经网络是对人脑或自然的神经网络若干基本特性的抽象和模拟，是一 种非线性的动力学系统。它具有大规模的并行处理及很强的学习、联想、容错及 抗干扰能力。运用人工神经网络方法，就是将水质评价指标作为因变量，用网络 的输入节点表达，水质污染级别则由网络输出节点表达。根据待判点的输出结果 与标准值的贴近程度来判断其隶属等级。目前人工神经网络有数十种模型，比较 典型的有b p 网络模型、h o p f i e l d 网络模型、c p n 网络模型等。 4 ) 因子分析模型 本世纪初由k a r lp e a r s o n 及c h a l e ss p e a r m a n 关于智力的定义和测量工作而 开始了因子分析的今年发展【8 】。因子分析运用统计方法对已知的数据资料进行计 算，分析和识别对高维度变量有公共影响的因子，并对其加以评析得出科学合理 的评价，又能通过分析所得到的信息为决策提供科学的依据。其目的是用有限个 不可观测的潜在变量来解释原变量问的相关性或协方差关系。 因子模型具有以下特点：因子变量的数量远少于原有的指标变量的数量， 对因子变量的分析能够减少分析中的计算工作量；因子变量不是对原有变量的 取舍，而是根据原始变量的信息重新进行组构，因此能翻印出原有变量大部分的 信息：因子变量之间不存在线性相关关系，对变量的分析比较方便；因子变 量具有命名解释性，即该变量是对原始变量信息的综合和反映1 9 】。 灰色聚类法、模糊综合评价法和人工网络模型三种模型在评价中均涉及到确 定权重的问题，而权重的确定是否客观、合理，对评价结果将产生很大的影响。 灰色聚类法和模糊综合评价法这两种方法权重的确定方法通常采用a m p 法、 k l e e 法、逐对比较法、p a t t e r n 关联树法) 以及变异系数法，虽然这些都是 河海大学硕士论文 比较优秀的赋权方法，但仍不可避免地具有一定的主观性。人工网络模型是通过 计算求出权重，而不同的计算方法将会得到不同的权重值。加之水质综合评价中， 各污染因子之间存在着内部联系和相关性，在实际评价中如果不能客观地反映各 指标的重要程度，可能使评价结果与实际情况有所偏差。而且这三种方法都是根 据最大隶属度原则来评判的，计算出的结果常有彼此很接近，这样会使评判结果 产生多解性，容易造成评价结果的失真，从而不能很好的反映出污染的实际情况。 而园子模型不需要确定权重，只是对原有信息重新进行组构，因此不会丢失原有 信息，准确性高，能完整的表示水体的污染状况。 1 2 3 水环境指标相关性研究与进展【1 0 q 9 j ( 1 ) 指标研究 水体环境是一个复杂的系统，水中含有的物质很多。因此，用来评价水体污 染状况的指标也很多。根据水质指标所反映的污染状况，可以认为影响湖泊水质 的重要因素包括以下几类：缺氧( 有机污染) 、富营养化、致病微生物、酸化作 用、盐碱化、有毒污染、浑浊度与沉淀作用等。 1 ) 有机污染 化学需氧量( c o d ) 和生化需氧量( b o d ) 是用来评价水体有机物污染的 的重要指标。除了c o d 、b o d ，还有总有机碳( t o c ) 、总耗氧量( t o d ) 及元 素需氧量( e o d ) 等，都是衡量水质好坏的重要指标。 化学需氧量( c o d ) 在酸性条件下，用某一强氧化剂使水样中能被氧化的物质氧化为简单稳定的 无机物所需耗用氧化剂的量，以每升水消耗的毫克数来表示。c o d 是表示水体 中还原性物质的量，它包括有机的和无机的还原性物质，如亚硝酸盐、亚铁盐以 及硫化物等。其值可以粗略地表示水中有机物的含量，用以表示水体受有机污染 的程度。化学需氧量测定历时短，不受毒物限制，测定设备简单易于普及。 生物化学需氧量( b o d ) 大多数河流、湖泊等地表水中均含有微生物群落，当向这种水体中排入有机 废水时，有机物被异养微生物的生长所利用，从而消耗水体中的氧，而使水体产 生不同程度的污染。在有氧条件下，微生物分解水中有机物质的生物化学过程中 所需要溶解氧的量，是微生物氧化有机物质所需氧量多少的标志，是反映水体中 有机污染程度的综合指标之一。由于微生物分解有机物是一个非常缓慢的过程， 将所能分解的有机物全部分解往往需要2 0 天以上，并与环境温度有关。目前国 内外普遍采用( 2 0 z e l ) 培养5 天的生物化学过程需要的氧量作为指标，即b o d ；。 在测定b o d 5 的同时，还要需用葡萄糖和谷氨酸标淮溶液完成验证试验。 总有机碳( t o c ) 长荡湖水污染特征及其控制研究 总有机碳( t o c ) 指水中溶解态和悬浮态有机物中存在全部碳量，是表征水 体有机污染程度的综合指标。虽然目前我国尚未正式制定标准，但因它是反映水 体中有机物总量，较全面地表征水体污染程度，估计在近年中可能作为水质控制 指标而制定相应的排放、水质标准。t o c 值越大，水体中有机物含量越高，水体 污染越严重。目前美国、日本等发达国家已将t o c 作为衡量水体污染的综合指标。 总需氧量( t o d ) 用t o d 来表示总需氧量是近十几年提出来的。水中有机物除了含有有机碳 外，还有氢、硫、氮等元素。当有机物全部被氧化时，碳被氧化成二氧化碳，而 氢、硫、氮被氧化成水、二氧化硫、一氧化氮等。此时氧化所需的氧量称为总需 氧量。t o d 值越大，表示水体污染越严重。关于t o d 综合指标，目前只有少数先 进国家将它定为水质控制指标。在环境监测中，由于t o d 反映污染物总量，因此 许多国家把t o d 、t o c 放在重要地位上。 元素需氧量( e o d ) e o d 是又一个新近提出的综合指标。顾名思义，元素需氧量就是指每一元素 在水体中被氧化时所需要的氧量。它与t o d 的关系是，将所有元素的需氧量累加 起来就是t o d 值。所以e o d 可反映水体中污染物的每一种元素对水质的贡献大 小。通过测定e o d 可以有选择地控制主要因素。 2 ) 富营养化 水体富营养化主要表现为藻类( 或者水生植物) 的疯狂生长。藻类是一种低 等植物，种类很多，有单细胞，也有多细胞的，主要有：蓝藻、绿藻、硅藻、褐 藻和金藻等。一个水体中可以有上百种藻类生存，只是由于环境条件不同出现的 优势种属不同。如在水体受污染富营养化时，水体中出现的藻类就以蓝藻和绿藻 为主。藻类能生活在各种环境之中，适应性极强，因而它们的分布非常广泛，各 种水体均可成藻类的主要生活区域。 影响水体富营养化的因子很多，包括理化因子、营养元素、重金属等： 光 光是藻类进行光合作用的能源，而光的主要来源是太阳，太阳光有着明显的 时、空变化，因而夏季水体中藻类含量较多。“水华”基本都是发生在夏季。 温度 不同藻类对温度的反应是不同的。在每一个温度范围内，都能找到优势种属， 即某些特定的藻。藻类对温度范围有特异性。当温度起变化时，原占优势的种类 将逐渐衰败，代之以新的种属群类成为优势种类。 p h 值 水体的p h 与溶解的c o z 有着紧密的联系，而藻类的生长吸收或者产生c o ， 河海大学硕士论文 从而间接地影响水体的p h 。在藻类的一个生长周期内，p h 的变化表现为增长、 稳定、衰减、稳定。 营养物质 根据藻类生理学的研究得出结论认为：c 、p 、n 、h 、0 、s 、c 1 、m g 、m n 、 c u 、f e 等元素是藻类增殖所必需的营养物质，其中以c 、p 、n 最为重要。氮是 浮游植物合成蛋白质、叶绿素的元素。磷是核糖核酸( r n a ) 和脱氧核糖核酸 ( d n a ) 以及三磷酸腺苷( a t p ) 的重要元素，同时还是许多酶促反应的辅酶因 子( 例如n a d p ) 的组成元素，是细胞内光合磷酸化和氧化磷酸化等能量转化的 关键元素。c 来源于c 0 2 ，容易获得。一般认为n 、p 是制约水域营养程度的营 养因子。 根据r e d f i e l d 的假设【l ”，一个典型藻类的分子式应为 ( c h 2 0 ) 1 0 6 ( n h 3 ) 1 6 ( h 3 p 0 4 ) ，这就是说，临界的氮磷比按元素计应为1 6 ：1 ，按重量 计应为7 2 ：1 。从理论上讲，如果氮磷比小于该比值，氮将限制藻类的增长；如 果氮磷比大于该比值，则可认为磷是藻类增长的限制因素。在实际应用中，藻类 增长所需的氮磷均为可溶性的n 0 3 、n m + 或p 0 4 3 ，按照r e d f i d d 分子式计算出 来的比值并不实际【l 。一般认为，当氮磷重量比大于1 0 时，磷可以考虑为藻类 增长的限制因素。一些研究也显示了我国湖泊大多是磷限制型的，但张巍等 ( 2 0 0 2 ) 对太湖的研究结果显示太湖的富营养化与营养元素及透明度没有相关 性，而与悬浮物相关【l ”。 蓝藻还含有三磷酸腺苷( h e t e r o c y s t s ) ，三磷酸腺苷的主要作用是固氮。蓝 藻在有足够碳源的条件下，在有光和无光时均能固氮。目前在蓝藻中已经知道念 珠藻属( n o s t o o ) 、筒孢藻属( c y l i n d r o s p e r m u m ) 、单歧藻属( t o i y p o t h f i x ) 、眉 藻属( c a l o t h r i x ) 、鱼腥藻属( a n a b a e n a ) 、鞭枝藻属( m a s t i g o c l a d u s ) 等2 1 种蓝 藻能够固氮f “。 3 ) 富营养化的分类 富营养化在我国湖泊中存在两种类型，即响应型湖泊和非响应型湖泊i l ，详 见图1 2 。我国大多数湖泊水库属于响应型富营养化。但是，也有一些属于非响 应型，如玄武湖、东山湖、墨水湖、荔湾潮和滇池。 6 长荡湖水污染特征及其控制研究 图1 2 湖泊营养类型 ( 2 ) 相关性分析 1 ) 有机污染相关性分析 化学需氧量( c o d ) 和生化需氧量( b o d ) 是用来评价水体有机物污染的 的重要指标。化学需氧量测定历时短，不受毒物限制，测定设备简单易于普及。 而b o d 的测定则相对比较复杂，程序繁琐、条件苛刻、干扰因素多，且测定周 期长，给即时、快速掌握水体污染的状况，带来一定程度的难度。目前国内外普 遍采用( 2 0 士1 ) 培养5 天的生物化学过程需要的氧量作为指标，即b o d 5 。在测 定b o d 5 的同时，还要需用葡萄糖和谷氨酸标淮溶液完成验证试验。 近年来，诸多环境学工作者在快速测定b o d 方面做了许多工作，如以 3 0 。c b o d 代替b o d 5 、用固定化微生物传感器测定b o d s 等：另一方面试图寻求 b o d 5 与c o d 之间的相互关系，以期能根据测得的c o d 值和其相关方程预报出 b o d 5 的值。 工业废水和生活废水在这方面的研究比较多。大量的实验研究表明 博q ”， 城市生活废水、餐饮废水、化纺废水、印染废水、石油工业废水等等的b o d ，与 7 河海大学硕士论文 c o d m 。或c o d c ，与c o d m 。之间存在着相当显著的相关关系，并且建立了一系列相 应的关系方程。地表水污染的影响因素比较多，因此地表水有机污染特征不如生 活或者工业废水稳定。但在污染源相对稳定的情况下，地表水的污染特征也有一 定的规律。贾利等( 1 9 9 8 ) 对淮河流域污废水中的有机污染特征进行了研究，其 c o d c ，与c o d m 。之间的相关性比较显著，相关性方程为 c o d c r = 3 1 2 6 c o d m 。+ 2 8 6 ，相关系数为0 8 6 3r 2 2 ：梅如波( 1 9 9 7 ) 研究了汶河水 系废水中的c o d c ，与c o d m , , 、b o d 5 的关系，相关性方程分别为 c o d c r = 3 2 4 c o d m 。+ 2 7 8 和c o d c ，_ 2 1 2b o d 5 + 6 6 6 ，相关系数分别为0 9 3 5 8 和 o 9 8 0 2 t 2 3 】；刘振彬等( 1 9 9 6 ) 研究了珠江广州河段的b o d 5 与c o d c ，的关系【2 4 】，张 莘民等( 1 9 9 6 ) 研究了泰州地区地表水b o d 5 与c o d m 。的关系【2 5 j ，结果均说明地 表水有机污染特征的特征。 2 ) 富营养化指标相关性分析 许多研究表明，水污染和藻类生长繁殖有一定的相关性，即在受不同浓度、 不同种类的水污染的水体中藻类的数量和种群组成及优势种都发生相应的变化。 对于一个确定的水体环境，藻类数量的某一个值，同时对应了水体环境的某一个 状态，这些状态值与藻类的生长需求密切相关，包括营养因子、环境因子或是生 态因子，例如t n 、t p 、光照强度、p h 、溶解氧、高锰酸盐指数等。因此，藻类 量的变化可以在这些状态值的变化中表现出来。同时，藻类量的变化也是这些状 态值综合作用的结果。 据报道，太湖梅梁湾的浮游藻类与水温的关系密切，尤其是蓝藻水华的优势 种类微囊藻生物量在一定水温范围内与之有线性相关关系。梅梁湾的水温与藻类 叶绿素有较显著的先行相关关系( r = 0 4 9 ，n = 1 1 6 ，p 0 0 1 ) 2 “。王志红等( 2 0 0 4 ) 研究大沙头水库水的藻类生长与p h 值的相关性：水体p h 与藻类生物量之间 有相关性，水体p h 随着藻类种群密度的增加而升高；藻类的生命旺盛程度( 藻 类活性) 与水体p h 的早晚变化差值p h 之间具有相关性【2 7 】。刘俊( 1 9 9 5 ) 研 究了玉溪地区三个湖泊藻类现存量与营养物质浓度的关系，c o d r c m 对藻类现存 量的影响最大，其次为总磷，认为磷是该水体富营养化的限制因子渊。谢允田等 ( 1 9 9 8 ) 研究了长春市南湖叶绿素a 含量与湖水理化性质的关系，叶绿素a 含量 与湖水中总磷含量存在正相关关系，湖水中决定叶绿素e 1 变动的主导因子为总 磷，其它因子虽对叶绿素a 变化有影响，但都是从属地位【2 9 1 。 1 2 4 遗传毒理学检测技术研究与进展3 0 4 7 i 近十几年，随着遗传毒理学相关领域特别是分子生物学的研究进展，遗传毒 性测试评价方法也在不断改进。据报道，目前已建立的遗传毒性短期检测法已超 过2 0 0 种”。根据其检测的遗传学终点可分为4 种类型：检测基因突变；检测 睦荡湖水污染特征及其控制研究 染色体畸变；检测染色体组畸变；检测d n a 原始损伤【 “。 ( 1 ) 检验基因突变 a m e s 试验作为毒理学实验中以原生生物为材料检测基因突变的实验，已经 积累了大量详实的资料，是一个已经被确立的并广泛应用的致癌物初筛选实验 【33 1 。经a m e s 等人研究至今，其方法已经标准化，不仅能够对单独的化学物质进 行致突变评价，对许多化学混合物的联合作用也能进行较为灵敏和准确的检测。 其特点：与动物试验相比，a m e s 试验的周期短得多，仅需数天便可有结果； 灵敏度高，些致突变的检出剂量仅需几毫克、几微克：简便、经济；不 仅可以对单一的化学物进行检测，对多种化学物的混合作用同样有效；接种量 大，受试生物的个体数以千万、亿计；检出率高，与致癌物的相关性可达9 0 【3 4 l 。 另外还有一些检验基因突变的方法，例如t k 基因突变试验、转基因小鼠基 因突变试验、反向限制性酶切位点突变分析法等。 ( 2 ) 检验染色体和染色体组畸变 传统的体内微核试验仍然是检测化学物质染色体损伤的基本方法。目前微核 试验方法主要有以下改进：体外微核试验；周围血微核试验；胞质分裂阻 滞法微核试验( c b m n t ) 3 6 1 。 其它的相关试验方法有：染色体畸变试验、荧光原位杂交( f i s h ) 技术等。 ( 3 ) 检验d n a 损伤 单细胞凝胶电泳分析( s i n g l e c e l lg e le l e t r o p h o r e s i s ，s c g e ) 是o s t l i n g 等( 1 9 8 4 ) 首创的，以后经s i l l 曲等( 1 9 8 8 ) 进一步完善而逐渐发展起来的一种快速检测单 细胞d n a 原始损伤的实验方法，因其细胞电泳形状颇似慧星，又称慧星试验 ( c o m e t a s s a y ) 。k i z i l i a n ( 1 9 9 9 ) 改迸了一些试验条件，能明显将细胞调亡和细 胞坏死的形象与“彗星”区分。m a r ks r u n d e l l 等( 2 0 0 3 ) 报道彗星试验测定的 损伤主要是由致突变剂引起的m 。r i c h a r dd b o w d e n 等( 2 0 0 3 ) 研究出了一种新 的分析试验结果的彗星尾图谱，可以更加准确的分析彗星的长度及密度【4 5 1 。 单细胞凝胶电泳分析是在核沉淀( n u c l e o i ds e d i m e n t a t i o n ) 和光环测试( h a l o a s s a y ) 等检测技术的基础上演化而来，它不仅突破了传统短期测试方法的局限， 而且由于碱性条件的引入使得该方法可快速灵敏检测单个细胞d n a 单链和双链 断裂以及碱性不稳定损伤【4 6 】，故在检测化学物质致突变方面有其独特之处，并成 为快速预测混合物遗传毒性的工具，具有速度快，敏感性较高的特点。这项技术 现已广泛用于d n a 损伤、生物监测、遗传毒理、肿瘤治疗评价等领域的研究。 另外还有检测d n a 损伤修复或者检测d n a 合成抑制的方法，如人外周血 淋巴细胞的非程序d n a 合成试验( u d s ) 和小鼠d n a 合成抑制试验( d s i ) 等 【4 7 1 河海大学硕士论文 1 2 5 湖泊水污染控制技术研究与进展【4 ”6 7 i ( 1 ) 污染物浓度控制 控制水体污染物浓度是传统的水污染控制方法。对于外源性污染采取截污、 污水改道、污水处理、建设生态农业，对于内源性污染采取清淤、营养盐钝化、 底层曝气、稀释冲刷、覆盖底部沉积物及絮凝沉降等一系列措施【l “。 1 ) 点源控制 生活污水处理以生物处理为主，a 2 o 技术、s b r 技术、氧化沟技术和生物 塘技术是目前研究比较多的污水处理技术。a 2 o 处理系统是厌氧好氧除磷系统 和缺氧好氧脱氮系统的组合。原污水经简单预处理( 格栅、沉砂池等) 后，通 过厌氧、缺氧、好氧三个生物处理过程，可将污水中b o d 、c o d 、悬浮物、氮、 磷等污染物同时去除；s b r 是一种按间歇曝气方式运行的一种改良的活性污泥 法，其主要特点是在运行上的有序和间歇操作。在反应阶段通过改变反应条件， 不仅可以达到有机物降解的目的，而且可以取得脱氮、除磷的效果；氧化沟可以 多级使用，达到脱氮除磷及污水深度处理的目的，具有构造简单、管理方便、基 建费低、出水水质优良、污泥量少质优等优点；生物塘主要是通过微生物( 细菌、 真菌、藻类、原生动物等) 的代谢活动与分解作用对污水中的有机污染物进行生 物降解，同时对n 、p 等营养物质也有一定的去除作用。 工业污水可以采用以上几种生物处理技术。有些工业污水具有污水量小、污 染物单一等特点，对这些污水可采用一些独特的处理方法。例如含磷工业废水处 理可采用生物与化学并用法或者p h o s t r i p 法。 2 ) 农业面源控制 农业面源的治理技术主要是建立生态农业系统。生态农业是运用生态学原 理，在环境与经济协调发展的思想指导下，应用现代科学技术建立起来的多层次、 多功能的综合农业生产体系。生态学原理包括生态位原理、食物链原理、生物种 群相生相克关系、生态时空错位理论、生物多样化促进生态平衡原理、生态平衡 原理、生态系统能量流动原理等一系列基础理论 4 9 】。专家学者们从这些生态学的 基本理论出发，结合各地特有的自然生态条件和区域经济特征，研究出了不同类 型的生态农业技术( 立体种养技术、有机物多层次利用技术、物种互惠共生技术、 生态优化植保技术、生态环境治理技术、再生能源技术等) 。 中国农业部科技司从3 7 0 种生态农业模式或技术体系，遴选出经过一定实践 运行检验，具有代表性的十大类型生态农业模式，并正式将此十大模式作为今后 一段时间农业部的重点任务加以推广。此十大典型模式和配套技术为：北方“四 位一体”生态模式及配套技术；南方“猪一沼一果”生态模式及配套技术；平原 农林牧复合生态模式及配套技术；草地生态恢复与持续利用生态模式及配套技 1 0 长荡1 湖水污染特征及其控制研究 术：生态种植模式及配套技术；生态畜牧业生产模式及配套技术；生态渔业模式 及配套技术；丘陵山区小流域综合冶理模式及配套技术；设施生态农业模式及配 套技术；观光生态农业模式及配套技术【5 0 】。 3 ) 内源控制 底泥的污染归根结蒂是对水体的污染和底栖生物的危害。如果能消除其对水 体和底栖生物的作用，则能有效降低污染底泥的环境影响。底泥污染的控制既可 采用固定的方法阻止污染物在生态系统中的迁移，也可采用各种处理方法降低或 消除污染物的毒性，以见效其危害。据此，底泥的修复有以下几种方法：原位 固定：原位处理；异位固定：异位处理【5 l 】。原位固定或处理是底泥不疏浚 而直接采用固化或者生物降解等手段来消除底泥的污染行为。异位固化或处理是 将底泥疏浚后再进行处理。 原位固定主要有原位掩蔽技术；原位处理则尚不成熟，有原位生物降解技术。 目前底泥的处理多是进行异位处理，即疏浚，疏浚后再进行固化填埋或物理、化 学、生物处理。 掩蔽 掩蔽是在污染的底泥上放置一层或多层覆盖物，使污染底泥与水体隔离，防 止底泥中的污染物向水体迁移。采用的覆盖物主要有未污染的底泥、沙、砾石或 些复杂的人造地基材料等。相比其它修复技术，掩蔽技术花费低，适合有机、 无机处理，对环境的潜在危害小，现在已得到广泛的应用。大量的试验结果表明， 掩蔽能有效的防止底泥中的p c b s 、p a i l 及重金属进入水体而造成二次污染，对 水质有明显的改善作用1 5 ”。 但是，覆盖底泥对生态系统有一定的破坏作用，而且不能解决湖底表层新污 染层释放源的迅速形成。在太湖2 0 0 m 2 的围隔区内的试验证明：用塑料薄膜完全 覆盖围隔内底泥，隔绝沉积物水闻的交换，但不能控制浮游植物的生长繁殖， 不能降低浮游植物生物量【5 3 】。 生物修复 生物修复是利用生物体，主要是微生物来降解环境污染物，消除或降低其毒 性的过程。它是传统生物处理方法的延伸，其新颖之处在于它能治理的对象是较 大面积的污染。原位生物处理需要外加电子受体或者供氧刹。虽然经过纯培养发 现有些微生物能较大程度分解p a h 、p c b s 等有机物，但要制成在原位能活跃分 解有机物的产品，目前的效果还不理想。 大型水生植物可以通过自身的生长代谢吸收底泥中的营养物质( 氮、磷) ， 而其中一些种类还能富集不同类型的重金属或吸收降解某些有机污染物。此外， 还有研究表明运用植物和细菌共同组成的生态系统能有效的去除多环芳烃，高等 河海大学硕士论文 植物可提供微生物生长的碳源和能源，根系周围好氧菌数量多，水溶性差的芳香 烃如菲、蒽以及三氯乙烯在根系旁就能被迅速降解。 疏浚 从理论上讲，底泥疏浚是最彻底的去除内源营养物质的方法。运用海洋测绘 学方法、科学成像技术和离散数学模型，利用计算机能方便快捷地监测底泥污染 物的时空分布和粒径特征，从而快速准确地制定最佳疏浚方案以及疏浚后进行监 测评价。从最早的人工挖泥到现在的精确水下吸泥，疏浚过程对环境的影响正在 越来越小。s h e p s i sv 1 a d i m i r 等人采用轻质疏浚材料，将底泥吸到轻质软管中， 能有效地防止疏浚过程对底泥的扰动而造成二次污染【5 4 1 。 但是底泥疏浚不仅费用高、技术难度大，而且影响疏浚结果的因素比较多， 有时不能达到预期的效果。此外，大规模的底泥疏浚将会破坏湖泊生态系统原有 的生物种群结构及其生境，削弱湖泊的自净功能。1 9 9 8 年南京玄武湖完成全湖 疏浚，并灌入相对清洁的长江水恢复原有水位，在疏浚结束后的短时间内，湖水 c h l a 有明显下降，但疏浚两个月后，藻类恢复很快。 4 ) 钝化营养物 为了控制水体营养盐，在湖泊入水口直接添加化学药品或向湖水中直接投撒 化学药品以钝化、沉淀湖水中的营养盐( 主要是磷) 。1 9 9 1 年g r e e n 湖投放了 1 8 i t 明矾和7 6 5 t 铝酸钠控制湖水营养盐，湖水总铝剂量达8 6 m g g l ，碱度( c a c 0 3 ) 达2 8 m g l ，随后湖水透明度由1 9 m 上升到6 1 m ，总磷亦有明显下降。对于深 水湖泊，用铁盐、铝盐、石灰等使磷沉积到湖底或减少磷的释放，有时能削减湖 水的磷负荷，然而对于浅水湖泊，效果往往难以预测。从生态毒理学角度看，长 期使用化学药品对生态系统总是不安全的掉卯。 ( 2 ) 生物调控 1 ) 以浮游动物、鱼类控制浮游植物的生物调控 湖泊作为一个生态系统，浮游植物的生长不仅受到营养盐等环境因子的影 响，而且受到生物因素扮控制。生物调控( b i o m a n i p u l a t i o n ) 是通过重建生物群 落以得到个有利的响应，常用于减少藻类的生物量，保持水质多样性并提高生 物多样性。主要是采用鱼类种群的下行调控，如增加食鱼性鱼类或减少食浮游动 物或食底栖动物鱼类，以保证有充分的浮游动物等来控制藻类；也有直接利用“食 藻鱼”控制蓝藻水华。 生物调控最早是由s h a p i r o 等于1 9 7 5 年提出的，s h a p i r o 与他的同事在分析 了湖泊水体食物网( 链) 结构对生态系统初级生产力的影响之后，认识到食物网 ( 链) 对湖泊富营养化管理的重要性，提出了生物调控技术，试图通过增加浮游 动物种群，以提高对藻类的捕食强度，控制藻类及其“水华” 5 7 】。 2 长荡湖水污染特征及其控制研究 生物调控较典型的是用于小而浅的、相对封闭的湖泊系统，在浅水湖泊由于 生物分布垂直空间差异较小，因而生物调控在一定时间内对某些富有植物控制效 果较好。对应于传统的营养盐控制技术，生物调控是管理生物相组成，通过管理 湖泊内较高层次的消费者生物而控制藻类，实现水质管理目标。一般采用捕获、 毒杀鱼类以增加浮游动物以及直接放牧湖泊浮游动物提高浮游动物现存量两种 方法增加浮游动物种群以控制藻类爆发：也有研究根据“下行效应”原理，提出 了直接用滤食性鱼类摄食浮游植物，并取得了理想的试验效果。武汉东湖的蓝藻 “水华”肆虐多年，自1 9 8 5 年起突然消失后，至尽未见复发，有人认为鲢鳙鱼 的大量放养是“水华”消失的主要因素【5 引。陆开宏等1 9 9 8 年9 月利用该性明矾 浆处理桥墩水库大面积水华，于同年年底和次年年初放养了鲢、鳙鱼后，夏季再 次发现蓝藻水华，但面积和密度己远远不及19 9 8 年。2 0 0 0 年夏季蓝藻个体数量 比例从1 9 9 8 年的9 9 2 下降到3 1 5 ，此后连续两年未出现水华【5 9 j 。 2 ) 以高等水生植物控制水体营养盐及浮游植物的生物调控 水生高等植物不仅能够快速吸收水体和沉积物中的营养盐，而且对湖泊生态 系统的物理、化学以及生物学特性亦有重要影响。葛滢等( 1 9 9 9 年) 研究了不 同程度富营养化水体中植物净化的能力，空心菜和风眼莲对于重富营养水和轻富 营养水均有较好的净化效果，而石菖蒲、灯心草等效果略差，但可以四季使用 6 0 j 。 吴振斌等( 2 0 0 1 年) 在武汉东湖种植了苦草、狐尾藻和菹藻，研究了水生植物 对水质净化作用，结果证明：沉水植物能有效降低总固体悬浮颗粒物( t s s ) 含 量，提高水体的透明度，显著改善了水体的理化性质；而且使得水体的c o d 和 b o d 明显降低j 。 水生植物还能分泌产生他感物质抑制浮游植物的生长。他感作用是指植物生 长在一起存在着相互之间的作用，分为两方面：一方面是对环境因子如光、营养 物质、生长空间的竞争：另一方面是植物能够向环境中释放化学物质并对另一种 植物产生影响。k o g a n 等对五刺金鱼藻进行了分析，特别指出它们对蓝藻有非常 好的抑制作用，但对绿藻却无任何影响，说明其克藻作用有一定的专一性。国内 研究能够：风眼莲对多种藻类有不同程度的抑制作用；水葫芦、水花生、水浮萍、 满江红、紫菜对雷衣藻有克制作用；沉水植物金鱼藻、马来眼子菜和苦草对栅藻、 月牙藻等藻类具有抑制作用。通过比较发现不同的大型水生植物对藻有不同的效 应，同一大型水生植物对不同的藻类也有不同的作用，并且大型水生植物的根的 分泌物有浓度效应，即在不同的分泌物浓度下对藻有不同的他感作用。 ( 3 ) 生态工程及生态修复 1 ) 湿地生态工程和水陆交错带 针对湖周非点源污染，有人提出了利