（系统理论专业论文）南四湖水环境质量评价研究.pdfVIP

摘要 摘要 南水北调工程是解决北方地区水资源严重短缺问题的特大基础设施项目，南四 湖作为南水北调东线工程的重要输水通道和调蓄湖泊，面临着严峻而紧迫的输水工 程水质安全保障任务。经过几年来的综合治理，南四湖湖泊水质已经得到了一定的 改善，但距国家地表i i i 类水的调水水质目标要求仍有较大的距离。随着南水北调东 线工程调水日期的日益临近，实现南四湖整体水质在调水前达到地表水环境质量 标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 中的i i i 类标准目标，对南四湖流域污染现状进行治理刻不容 缓。 本文从系统理论的观点出发，对南四湖流域自然和社会经济现状进行了调查， 结合南四湖流域污染源调查，制定了南四湖水质空间监测计划，对南四湖湖区和入 湖河流水质进行了监测，对调水前水质进行了综合评价研究，并对主要污染物的空 间分布规律进行了研究，分析出导致南四湖流域水污染现状的成因，根据国内外湖 泊流域先进的污染治理技术，有针对性地提出了南四湖流域的水污染控制对策建议。 主要研究内容如下： 1 ) 本文针对南四湖流域复杂的水环境系统，对基于非线性理论的b p 神经网络 进行了研究，建立了基于b p 神经网络的南四湖流域水质综合评价模型，运用数学 应用软件m a t l a b ，对南四湖湖区和入湖河口水质进行了综合评价，采用s u r f e r 绘图 软件将综合评价结果进行可视化，研究分析了南四湖水质超标区域和超标原因。 2 ) 遥感水质监测具有实时、高效、数据量大、观测范围广的优点，可以弥补常 规水质监测的不足之处。本文采用遥感技术，利用地面水质监测数据与同步获取的 l a n d s a t 5t m 遥感数据，进行与实测叶绿素a 浓度值和悬浮物浓度值之间的p e a r s o n 相关分析，构建了针对南四湖水体的遥感水质反演模型，对南四湖水体叶绿素a 和 悬浮物进行了分析研究，同时采用卡尔森指数( t r o p i c s t a t e i n d e x ，t s i ) 对南四湖水体 的富营养化程度及分布规律进行了研究。 3 ) 为研究探讨影响南四湖水质的主要因素，采用s u f f e r 绘图软件将南四湖水质 监测中的c o d c ，、n h 3 n 、t p 、t n 四个指标的浓度空间分布可视化，并对其污染分 布状况进行分析研究，寻找导致南四湖不同区域水质超标的主要因子，为南四湖流 域污染控制对策的研究提供依据。 钔本文在总结分析了南四湖流域的自然、社会经济现状、污染源调查结果以及 国内外流域污染控制技术和措施的基础上，结合南四湖水质评价结果和水质污染成 因的研究，针对性地提出了适合该流域污染治理的控制对策建议，为南四湖流域治 理和南水北调东线水质目标的实现提供了依据。 关键词：南四湖；b p 神经网络；水质评价；s u r f e r l 遥感 英文摘要 a b s t r a c t s o u t ht on o r t h 协e l t r a n s f e rp r o j e c ti sae x c e p t i o n a l l yl a r g e 。s c a l ei n f r a s t r u c t u r e p r o j e c tf o rt h ep r o b l e mo fs e r i o u sw a t e rs h o r t a g ei nn o r t h e r nc h i n a a sa l li m p o r t a n t t r a n s m i s s i o nc h a n n e la n ds t o r a g el a k ei ns h a n d o n gp r o v i n c e ，n a n s il a k ei sf a c i n gag r e a t c h a l l e n g et og u a r a n t e et h ew a t e rs a f e t yi nt h i sp r o j e c t a l t h o u g ht h ew a t e rq u a l i t yo ft h e l a k eh a sb e e ni m p r o v e dt h r o u g ht r e a t m e n t so ft h er e c e n ty e a r s ，i ti ss t i l lf a rf r o mt h e e n v i r o n m e n t a lq u a l i t ys t a n d a r df o rt h ei i ic l a s ss u r f a c ew a t e r 、m t l lt h ed a yo fw a t e r t r a n s f e r r i n gf o rt h ee a s tr o u t ep r o j e c to fs o u t ht on o r t hw a t e rt r a n s f e rc o m i n gc l o s e r a n dc l o s e r , i ti so fu l t i m a t eu r g e n c yt oi m p r o v et h ew a t e rq u a l i t yo fn a n s il a k et om e e t t h ei i ic l a s ss t a n d a r do fe n v i r o n m e n t a lq u a l i t ys t a n d a r df o rs u r f a c ew a t e r b a s i n go ns y s t e m a t i ct h e o r y , ac o m p r e h e n s i v ei n v e s t i g a t i o no nc u r r e n ts i t u a t i o no f e c o n o m y , n a t u r ea n ds o c i e t yi nn a n s il a k eb a s i ni sc o n d u c t e di nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt o w h i c hap l a ni sd r a f t e dt om o n i t o rt h ew a t e rq u a l i t yo ft h el a k ea n dr i v e r s c o m p r e h e n s i v e l y m e a n w h i l e ，t h ec a u s ef o rt h ec o n t a m i n a t i o n si nn a n s il a k eb a s i na r e a n a l y z e di nt h i sp a p e rb ye v a l u a t i n ga n da n a l y z i n gc o m p r e h e n s i v e l yt h ew a t e rq u a l i t yo f n a n s il a k eb e f o r ew a t e rt r a n s f e r r i n ga n ds p a t i a ld i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h em a i n c o n t a m i n a t i o i l s a c c o r d i n gt ot h e s ea n a l y s e s ，r e s p e c t i v ec o u n t e r m e a s u r e sa g a i n s tt h o s e w a t e rp o l l u t i o n sa r eb r o u g h tu po nt h eb a s i so ft h ea d v a n c e dt e c h n o l o g i e sa th o m ea n d a b r o a do fw a t e rp o l l u t i o np r e v e n t i o na n dc o n t r 0 1 t h em a i nc o n t e n t so ft h i sr e s e a r c ha r e a sf o l l o w s ： 1 ) ac 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 s t a b l i s h e di nt h i sp a p e l f o rn a n s il a k e b a s i nb ys t u d y i n gt h eb pn e r v en e t w o r kw h i c hi sb a s e do nn o n l i n e a rt h e o r y b ya p p l y i n g m a t l a b t h ew a t e rq u a l i t yo ft h el a k ea n dr i v e r si sc o m p r e h e n s i v e l ye v a l u a t e d f u r t h e r m o r e ，t h eo v e rc o n t a m i n a t e dz o n ea n dt h ec a u s e sf o rt h ep o l l u t i o n sa r ea n a l y z e d b ya p p l y i n gs u r f e rt ov i s u a l i z ee v a l u a t i o n r e s u l t s 2 ) u s i n gr e m o t es e n s i n gm e t h o d st om o n i t o rt h ew a t e rq u a l i t yh a sm a n ya d v a n t a g e s s u c ha sb e i n gp r o m p t ，h i g h l y - e f f e c t i v e ，i n f o r m a t i o n - a b u n d a n t ，a n db o u n d l e s se t c i nt h i s p a p e r , t h ei n v e r s i o nm o d e l so ft h et y p i c a lw a t e rq u a l i t yw a sp r e s e n t e db ya n a l y z i n g c o r r e l a t i o nb e t w e e nt mi m a g e so fl a n d s a t5a n dl o c a lm e a s u r e dv a l u e so fc h l o r o p h y l l a a n ds u s p e n d e ds o l i d i tw a su s e dt oe v a l u a t et h ew a t e rq u a l i t yo fn a n s il a k e i na d d i t i o n , t h ee u t r o p h i c a t i o nl e v e lo f n a n s il a k ew a se v a l u a t e db yt r o p i cs t a t ei n d e x t s i ) 3 ) i no r d e rt od of u r t h e rs t u d yo nm a i nf a c t o r so fi n f l u e n c i n gt h ew a t e rq u a l i t yo f n a n s il a k e ，s u r f e ri sa d a p t e di nt h i sp a p e rt ov i s u a l i z et h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no f c o n c e n t r a t i o no fc o d e r 、n h 3 - n 、t p 、t na n da n a l y z e 也ed i s t r i b u t i o no ft h ep o l l u t i o n s ， w h i c hw i l lc o n t r i b u t et on a n s il a k eb a s i np o l l u t i o nc o n t r 0 1 4 ) p o l l u t i o nc o n t r o lc o u n t e r m e a s u r e sf o rn a n s il a k eb a s i na r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r b ya n a l y z i n gt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fn a t u r e ，s o c i e t ya n de c o n o m y , p o l l u t i o ns o u r c e sa s 青岛大学博十学位论文 w e l l 勰p r e v e n t i n ga n dc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g i e so v e rw a t e rp o l l u t i o na th o m ea n da b r o a d m o r e o v e r , t h i sp a p e rp r o v i d e st e c h n o l o g i c a ls u p p o r tf o rp o l l u t i o nc o n t r o li ne a s tr o u t e p r o j e c to fs o u t ht on o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c ti nc o m b i n a t i o nw i t ht h ew a t e rq u a l i t y e v a l u a t i o nr e s u l t sa n dp o l l u t i o nf a c t o r s k e yw o r d s ：n a n s il a k e ；w a t e rq u a l i t ye v a l u a t i o n ；b pn e u r a ln e t w o r k ； s u r f e r ；r e m o t es e n s i n g 青岛大学博士学位论文 学位论文独创性声明、学位论文知识产权权属声明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签日期咕啤厶绷 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保备区 ( 请在以上方框内打“) 论文作者签 1 3 4 引言 引言 l 概述 南水北调工程是解决北方地区水资源严重短缺问题的特大基础设施项目，其主 要工程内容是在长江下游、中游、上游建设三个调水区，形成东线、中线和西线三 条调水路线，构成长江、黄河、淮河和海河相互联结的“四横三纵 输水体系。南 水北调东线工程主要为黄淮海平原东部和山东半岛供水，解决苏北、山东东部和河 北东南部以及津浦铁路沿线的城市缺水问题，并作为天津市的补充水源。 南水北调东线工程采取了“三先三后”原则，即在工程输水中要确保“先节水 后调水，先治污后通水，先环保后用水。按照上述原则，东线工程的实施，节水是 前提，治污是关键。东线工程沿线调蓄湖泊的水环境污染治理对调水水质目标的实 现是十分重要的。东线工程区的输水调蓄湖泊有洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖、 大屯水库、北大港水库、团泊洼、千顷洼、大浪淀和浪洼等。按照国务院批准的南 水北调东线工程治污规划实施意见，确保南水北调东线输水干线水质达到地表水 环境质量标准( g b 3 8 3 8 - 2 0 0 2 ) 中i i i 类标准的要求，东线工程沿线水质保障的重点 是南四湖。 南水北调东线工程输水主干线长1 1 5 0 k i n ，从长江下游扬州附近抽引长江水，利 用京杭大运河及其平行的河道为输水主干线和分干线逐级提水北送。南四湖作为南 水北调东线工程的重要输水通道和调蓄湖泊，由南阳湖、独山湖、昭阳湖和微山湖 组成，湖泊面积1 2 6 6 k m 2 ，流域面积约3 1 7 0 0 k i n 2 ，入湖河流5 3 条，流域内人d 约 2 0 0 0 余万人。南水北调东线工程南四湖段主要包括：( 1 ) 骆马湖至南四湖的三条输 水线；即中运河韩庄运河、中运河不牢河和中运河房亭河。( 2 ) 南四湖内利 用湖区输水，部分湖段进行深槽的开挖，并在二级坝建泵站抽水入上级湖；( 3 ) 南 四湖以北至东平湖段利用梁济运河输水至邓楼，建泵站抽水入东平湖新湖区，沿柳 长河输水送至八罩湾，再由泵站抽水入东平湖老湖区。 南水北调一期工程入南四湖下级湖水量为3 1 1 7 亿立方米，入南四湖上级湖水 量为1 9 6 4 亿立方米；二期工程入下级湖水量为4 7 1 8 亿立方米，入上级湖水量为 3 5 1 0 亿立方米；三期工程入下级湖水量为7 8 5 5 亿立方米；入上级湖水量为6 6 1 2 亿立方米。在调水期，上、下级湖水流流向由原来的自北向南，变为通过泵站提水 由南向北的流向【l 】。 从南水北调的东线南四湖段工程可以看出，南四湖是东线工程的必经之路，也 是重要的输水通道和调蓄湖泊。南水北调东线干线山东境内规划的调蓄水库虽然还 有东平湖及新建大屯、东湖、双王城3 座平原水库，鉴于南四湖的特有地理位置和 水文特点紧邻调水上游地区江苏省徐州市，该湖泊的调蓄能力和水资源状况直 青岛大学博士学位论文 接影响整个山东供水的保证率，对未来向河北、天津送水也将起到至关重要的配置 作用【2 】o 2 0 0 2 年，南水北调东线工程开工建设时，南四湖9 0 以上的湖区水质为劣v 类。经过几年的努力，目前南四湖流域各入湖河流的水质已经取得了一定的改善，但 与地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 - 2 0 0 2 ) 中i i i 类标准要求相差很大。由于南四湖 流域是一个社会经济基础相对薄弱，同时又处于经济高速发展的地区，因此其流域 内水质污染治理与经济发展相协调是迫切需要解决的问题。从系统理论的观点出发， 针对南四湖污染现状以及南四湖水质污染成因，采用污染治理、污水资源化与生态 保护的有机结合，流域内经济结构调整，城市环境基础设施建设，清洁生产、污水 资源化和生态保护建设等各项措施，是改善和治理南四湖水质的科学有效的方法， 而以上措施的实现基础，是合理科学和客观的对南四湖调水前水质做出评价，寻找 出南四湖水质污染的成因。 2 南四湖流域研究进展 自2 0 0 1 年南水北调东线工程治污规划被纳入工程总体规划以来，研究学者们对 调水前南四湖流域做了大量的研究，主要包括南四湖的形成及水环境演变、水污染 状况及变化趋势、水资源管理和治理、地质问题、湿地生态、水生生态、自然保护 区、生态保护、表层沉积物、水环境修复等许多方面。 南四湖水环境的变化对南水北调东线工程的水环境将产生重大影响。因此，研 究南四湖的形成与水环境演变具有重要意义。关于南四湖的形成与水环境演变，研 究者们作了大量的研究工作，他们分别利用历史文献对南四湖的形成和演变、从地 质构造角度对南四湖的成因进行了研究。张祖陆、沈吉b 1 等从湖泊沉积学角度对南 四湖的形成和水环境演变进行了研究。 随着南四湖流域经济的发展，大量废水直接排入水体、围湖造田、网箱养鱼及 该区域的地质问题等使南四湖水质急剧恶化，且生态系统遭到严重破坏。人们开始 对南四湖的水质变化趋势进行研究，并逐步重视对南四湖水资源的保护和管理。李 俊莉卜5 】等人从分析流域降水量与南四湖湖区水质的相关关系入手，根据枯水的2 0 0 2 年湖区7 个监测断面的水质监测结果，采用综合污染指数法( p 值法) 对各监测断面及 南四湖湖区的总体水环境质量进行了综合评价。结果表明，由于2 0 0 2 年济宁市降水 稀少，南四湖湖区水质较往年有所下降，属于轻污染，流域降水量与湖区水质相关 性显著。根据宋爱芹【6 】对南四湖1 9 9 9 2 0 0 3 年的水质变化分析，南阳湖、微山湖全年 大部分季节水质属于v 类或劣v 类，只适用于农业用水及一般景观用水，基本丧失了 南四湖作为水产养殖基地的功能，而昭阳湖、独山湖主要呈现i i i 、类，可满足 集中式生活饮用水水源地二级保护区、一般鱼类保护区或一般工业用水区等的要求。 2 引言 南四湖水质污染严重主要是与南四湖流域各河流自然径流的水量小，加上天气干旱， 一些河流的径流主要是工业企业排放的废水及城市生活污水有密切关系。尹儿琴等 人【7 】为比较清晰的了解南四湖水质，选择水质较好的丰水期，利用湖区5 个监测点的 实测资料，采用灰色关联分析法并引入叠加综合指数模型，对其水质进行了综合评 价，按照关联度最大原则得出南四湖5 个监测点中水质级别为v ，水质质量较差， 且从上级湖到下级湖水质逐渐有所改善，这是因为上级湖中入湖河流污染严重，入 湖河流众多，上级湖污染物承载量大，而且随着湖水的流动，水体自净也起到了一 定的作用，使得下级湖水质有所改善，同时还指出南四湖氮、磷污染严重，应引起 足够的重视。 针对南四湖流域的污染现状，众多研究学者对南四湖流域的水资源管理和污染 控制对策进行了研究。随着科学技术的发展，遥感技术、地理信息系统等新技术也 被逐渐应用到南四湖的水环境治理和管理当中。 为解决南四湖水资源管理中的问题，保证南水北调东线北调水量和水质，余达 水、张爱军等人【s 叫分析了南四湖水资源管理的现状和存在问题，从管理模式、机构 职能、运行机制等方面研究了南四湖流域的水资源管理体制，提出必须改变南四湖 水资源分割管理的局面，建立流域统一管理和行政区域管理相结合的管理新模式， 成立流域协调管理委员会，实现水资源的高效管理。 针对南四湖水环境修复和水污染控制，苏传宝【lo 】在分析了2 0 0 2 年南四湖干涸成 因的基础上，提出从加强水资源统一规划管理、加强水资源配置及水量分级管理、 加强水工程管理、制定完善的跨流域调水方案和加强水资源管理制度建设等几个方 面防止南四湖的干涸；鲁孟胜【i l 】等人针对南四湖流域的各种环境地质问题较突出，+ 如水体污染、矿山环境地质灾害、地下水环境异常、南四湖淤积、地方病等，提出 对流域环境地质问题的治理应综合考虑各种影响因素，应建立完善的环境管理体制， 增大环境治理投资比例，加强环境治理力度；邱红等人指出了南四湖流域水资源污 染日趋严重和水资源浪费严重等问题，提出应制定可行的规划方案，主要从加强南 四湖湖区管理、加强南四湖水环境监督管理、制定南四湖水资源综合规划及兴建南 四湖水源应急工程等方面进行了探讨；赵群【1 2 】在分析近年来南四湖出现的种种水环 境问题及其原因的基础上，指出要使其发挥本身的环境效益和经济效益，就要进行 水体修复，主要从南四湖底泥疏浚、减少入湖河流污染物、沿湖面源污染物以及湖 泊养殖区污染物数量、建立环湖湿地保护带、改善入湖河口生态环境等生态修复方 法、加强湖区管理、实施总量控制等几个方面进行了探讨；武周虎【1 3 】在分析南四湖 水环境现状的基础上，论述了东线工程对南四湖环境的主要有利影响和主要不利影 响，提出了建立南四湖流域水质安全保障体系、开展南水北调对南四湖水环境容量 的影响规律研究、协调区域经济发展与南四湖水质保护的关系、保护水生生物资源、 青岛大学博士学位论文 调整产业结构、落实上级湖航道疏浚施工区生态恢复措施、建立南四湖流域水质与 生态环境监管保障体系等方面的对策和建议。 湿地生态系统的建立对保障南水北调工程实施的生态安全具有重要意义。因此， 刘高燕、王义生等人【l 5 】对人工湿地的降解能力进行了研究，设计了符合生态学与 生态经济基本原理的生态工程，使湿地生态系统具有较高的生态、经济、社会综合 效益。 湖泊底泥记录着湖区环境变化的丰富信息，其中重金属成分反映了流域工业生 产对湖泊环境的影响；营养盐含量是湖泊富营养化过程的标志，进入湖泊中的重金 属和营养元素除少部分可以通过水生生物的捕捞带出水体外，大部分沉积在湖泊的 底泥中，因此可以把湖泊沉积物看作环境变化的档案【l6 1 ，并通过对湖泊底泥研究来 评价人类活动产生的污染物的影响。杨丽原、沈吉、刘恩峰、张祖陆等人对南四湖 沉积物重金属污染作了大量的研究【l 眦0 1 ，通过对南四湖表层底泥中的重金属元素浓 度分析，揭示出了南四湖不同湖区重金属污染物的空间分布特征，且指出南四湖上 级湖的重金属污染主要以汞为主，并依据潜在生态风险指数将南四湖上级湖分为三 个生态风险功能区：昭阳湖轻污染区，独山湖中等污染区，南阳湖重污染区，具有 较高的潜在生态风险。史双昕、杨永亮等人【2 l 】还对南四湖表层沉积物中多环芳烃的 分布及其来源进行研究，采集了南四湖4 个湖区5 个站位的表层沉积物样品，每个 采样点检出1 4 种多环芳烃，总体趋势是南部高于北部，以微山湖站位含量最高，分 析其原因几乎全部由人类活动产生，来源为煤炭燃烧、木材燃烧、石油类高温裂解 及油类污染。 另外，随着科技的发展，牛明香等人【2 2 】将快速、定量地提取变化较快的湿地信 息的遥感技术应用到南四湖湖区，利用t m 数据，在对图像处理的基础上，根据该区 各湿地类型及其它相关地类型的光谱特征，提出了单红外阅值法与改进的监督分类 相结合，分层提取湿地信息的技术方法，显示南四湖区共有1 4 类湿地。其中，自然 湿地9 1 l1 9 5 1 h m 2 ，人工湿地1 2 2 2 4 3 1 3 h m 2 。侯鹏等人【2 3 】将遥感技术应用到南四湖的 水质监测中，定量、定性地分析了悬浮物、浮游生物和可溶性有机物等主要水体污 染物，指出遥感监测可以较好地进行大面积水体环境的水质监测和水域的环境评价、 规划和管理。随着环境监控的全球化发展，遥感水体监测技术是一种不可缺少的重 要环境监测手段，有着广阔的应用前景。 3 课题的提出 随着南水北调东线工程调水日期的日益临近，南四湖面临着严峻而紧迫的污染 治理和水质改善任务。南四湖作为东线工程的重要调蓄湖泊之一，是南水北调东线 工程沿线水质最差的地区，也是影响东线调水水质的关键地区，该地区的工业污水、 4 引言 城市生活污水及非点源污染均比较突出，要实现输水干线水质达地表水环境质量 标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 中i i i 类标准的目标要求，对南四湖流域开展水污染控制和综 合治理，需要对南四湖水质进行科学的评价研究，寻找出影响南四湖水质的主要污 染成因。 3 1 研究的目的和意义 掌握南四湖的水质现状和污染成因是制定南四湖流域污染控制对策和综合治理 措施的前提。本文从系统理论的观点出发，在对南四湖流域自然和社会经济现状进 行调查的基础上，结合南四湖流域污染源调查，制定南四湖水质空间监测计划，对 南四湖湖区和入湖河流水质进行监测。采用b p 神经网络法建立南四湖水质综合评 价模型，对调水前南四湖水质进行综合评价研究，采用s u f f e r 绘图软件将综合评价 结果和主要污染物的浓度进行可视化并进行分析研究；通过构建南四湖遥感水质反 演模型，掌握南四湖水体叶绿素a 、悬浮物在南四湖的空间分布特征，并对南四湖 富营养化程度和分布进行评价研究。根据评价研究结果和主要污染物的浓度分布特 征，寻找出南四湖水体污染分布特征、导致南四湖水质污染的成因，借鉴先进的国 内外湖泊流域污染控制和治理技术，有针对性的提出南四湖流域的水污染控制对策 建议，为南水北调东线工程水质目标的实现提供依据。 3 2 本文研究内容 本文的主要研究内容是在对南四湖流域现状进行调查和水质监测的基础上，采 用综合评价法和单因子评价法对南四湖水质进行评价研究，根据污染现状分布特征， 对污染成因进行分析、诊断，提出南四湖流域的污染控制对策建议。主要研究内容 概括为以下六点： 1 ) 南四湖流域现状调查与污染成因分析 水环境是复杂系统，在进行水质评价之前，首先需要进行两方面的工作：一是 对自然环境特征、水文特征、经济结构特征进行调查；二是必须掌握污染源和受评 水体的污染特征，用以描述污染特征的参数即为评价指标。因此，本文对南四湖流 域自然概况、流域社会经济概况进行调查，并分析南四湖流域主要污染因子及水质 污染成因。 2 ) 南四湖流域水质监测计划及监测实施 对水质进行监测，应根据监测参数的要求，进行采样和采样点的合理优化布置， 以便监测数据具有代表性，并实施多次监测，以获得较全面、准确的资料，这是水 质评价的前提。为较全面获得南四湖流域的水质现状，在对该流域进行现状调查的 基础上，制定南四湖流域水质监测计划，采用网格布点法，对南四湖湖区和入湖河 流水质现状实施监测。 5 青岛大学博士学位论文 3 ) 南四湖流域水质综合评价研究 f 12 0 世纪6 0 年代以来，国内外就不断有文献讨论水质综合评价的各种方法。由 于水环境系统是个典型的复杂系统，具有很多不确定性和非线性的因素，因而基于 复杂性理论的水质评价方法在水环境评价领域有其独特的优势。本文对基于b p 神经 网络的综合评价法进行了研究，并将其应用于南四湖湖区和入湖河流水质综合评价， 采用s u r f e r 绘图软件将评价结果可视化，对污染分布特征进行分析研究。 4 ) 基于遥感的南四湖水质评价研究 利用遥感技术，结合水质实测资料，针对南四湖水体构建遥感水质反演模型， 对南四湖水体叶绿素a 、悬浮物的分布特征进行分析研究，并对南四湖富营养程度和 分布进行研究。 5 ) 主要评价因子浓度分布特征研究 为研究主要污染因子对南四湖水质的影响，采用s u r f e r 软件将南四湖主要污染因 子的浓度分布可视化，并对其评价因子的污染分布状况进行分析，找出导致南四湖 不同区域水质超标的主要因子，为南四湖流域污染控制对策研究提供依据。 6 ) 控制对策的建议 根据南四湖水质综合评价和主要评价指标分布特征的研究结果，以及南四湖流 域现状调查和污染成因分析，结合湖泊流域污染控制技术，从水环境系统的角度， 提出相应的控制对策建议。 6 引言 3 3 论文研究技术路线 论文研究技术路线如图1 1 所示。 研究背景： 南四湖水质现状不能满足南水北调东线_ t 程水质目标的要求 查阅国内外文献资料 水质评价方法研究进展 r s 在水质评价中的应用 南四湖流域现状调查与污染源分析 制定南四湖水质监测计划及实施监测计划 b p 神经网络评价 方法研究 利用s u r f e r 绘图软件将综合 评价中各评价指标的浓度 分布可视 遥感在水质监测和水质 评价中的应用研究 利用m a t l a b 软件，应用b p 神经网 络评价法对南四湖湖区和入湖河口 水质进行综合评价研究 利用实测水质数据和同步遥感图像， 建立针对南四湖的遥感水质反演模型 ，对南四湖水体状况进行评价研究 南四湖湖区综合水质 污染分布特征的研究 根据浓度分布，分析 污染现状成因 湖泊流域污染控制技术研究进展 根据南四湖流域污染现状分布及成因分析，提出南四 湖流域污染综合治理的控制对策建议 图1 1 论文技术路线图 7 青岛大学博十学位论文 第一章环境系统与水质评价方法 1 1 环境系统复杂性与水质评价 1 1 1 环境系统及其复杂性 广义的环境系统，系指地球表面包括非生物的和生物的各种环境因素及其相互 关系的总和。随着社会经济的快速发展，地球环境资源遭到掠夺式地开发，生态环 境日趋恶化，严重地威胁着人类的可持续发展。协调发展社会经济与保护环境之间 的矛盾已成为当务之急。 环境系统是一个规模庞大、结构复杂、变量众多、有着时、空、量、序变化的 动态系统和开放大系统。我国著名科学家钱学森教授指出，复杂性是开放的复杂巨 系统的特征，复杂性问题是开放复杂巨系统的动力学或者开放的复杂巨系统的系统 学问题。环境系统的复杂性主要表现在四个方面 2 4 】：一是环境系统内外存在着物质 和能量的变化和交换。二是环境系统本身的各子系统、各组成成分和各环境因素之 间相互作用的复杂性，表1 1 列出了环境大系统的分支水环境系统各环境要素间的 相互作用。三是环境系统中存在的各种平衡关系、反馈机制、自我调节能力和环境 系统的稳定性和敏感性等。一般的说，系统的组成和结构越复杂，则系统的稳定性 越大，越容易保持平衡；反之，系统越简单，稳定性越小，越不容易保持平衡。任 何一个系统，系统各成分之间的相互作用机制越复杂，则系统的调节越强；反之则 弱。系统内各成分之间相互作用的反馈和负反馈作用使系统具有自我调节的能力， 以保持系统本身的稳定和平衡。四是环境系统受人类活动干扰的复杂性。人类社会 本身就是一个复杂系统，环境系统涉及各种环境要素与系统本身、地理条件、气候 条件、生态条件及人为干预措施等因素的复杂相互耦合作用【2 5 1 。 表1 1 水环境系统的复杂性 子系统子系统演化及影响因子子系统间的相互作用 污染物通过物理、化学、生物等因素导致水文水资源、酸雨酸沉 污染物在水体中的稀释、扩散、分散和沉降、径流、气候、水生 水环境质量子系统淀； 生态、人为冈素( 人可 水环境质量随时间、空间的变化；以控制污染) 等影响水 污染事故的不可预见性； 环境质量、水环境容 流量、流速等：量 水文水资源子系统 地形参数等： 气温影响大气对水环境的复氧能力、光照 气候子系统等： 气候影响水文水资源、 降雨量、径流量等； 水生生物生长情 人气环境质量子系统酸雨、酸沉降； 况 8 第一章环境系统与水质评价方法研究 水生生物的种类； 人为冈素( 人可以控制 光合作用；污染) 对水生生态系统 水生生态子系统 污染物对水生生物的毒害作用；的影响 水生生物对污染物的净化作用； 人类社会本身是一个复杂系统； 社会经济生活发展水平： 水环境质量、水资源制 人为因素 约着人类活动的生产生 工业、生活、农业废水等； 污染物的排放量、排放浓度、排放方式等； 活发展水平 底泥等 作为环境大系统分枝的水环境系统是一个开放的，远离平衡的系统，因此水环 境中必然存在着大量的非线性行为2 6 1 。因为水体质量及其长期变化趋势和水环境污 染过程的变化是非常复杂的，它不仅受到水体自然水文条件、污染物排放的时空强 度等物理因素的影响，而且受到社会、经济等因素的影响，是一个涉及到多种因素 和多个方面相互作用的典型复杂系统。 1 1 2 环境质量评价与环境系统分析 环境质量评价简称环境评价，是环境科学的一个分支，也是环境保护中的一项 重要工作。环境评价就是对环境质量按照一定的标准和方法给予定性和定量的说明 和描述。环境评价的对象是环境质量即其价值【27 1 。一般认为，系统分析就是对一个 系统内的基本问题，用系统观点思维推理，在确定和不确定的条件下，探索可能采 取的方案，通过分析对比，为达到预期目标选出最优方案的一种辅助决策的方法。 也就是说，系统分析就是为决策者选择一个行动的方向，通过对情况的全面分析， 对可能采取的方案进行选优，为决策者提供可靠的依据【2 引。 环境系统工程是在系统工程这门新兴学科的基础上迅速发展起来的【2 9 】，其一出 现便在水环境应用方面取得了显著成果。水环境质量规划和水污染控制规划从流域 管理的角度出发，通过研究流域所涉及的城市社会经济发展、水体水文、地理及水 质条件的基础上，采取综合性措施，对水环境实行全流域控制，以达到水体的环境 质量目标。然而水环境污染过程的非确定性和高度非线性性，以及水污染控制系统 所涉及的因素众多而导致的综合性和复杂性，使传统的方法和工具显得力不从心。 要想客观地反映水环境污染的真实状况或接近实际的情况，必然要涉及到水环境系 统的复杂非线性特征。 环境质量评价是对环境状态优劣进行定量描述的一项工作或任务，这种定量描 述是对过去、现在或未来的说明、评定和预测。系统分析则是一种方法和手段，其 思想和方法贯穿在环境质量评价的全部过程中。没有系统分析的思想和方法，环境 质量评价是无法进行的【3 u j 。 9 青岛大学博十学位论文 1 2 水质评价的意义 环境科学所研究的环境是指围绕着人群的空间及其中可以直接或间接影响人类 生活和发展的各种自然环境要素与社会环境要素的总体【3 1 1 。水环境是自然环境的重 要组成部分。水环境质量通常是指水体受到人类活动干扰或污染损害的程度【3 2 1 。水 环境质量评价简称水质评价，是指通过对水体的一些物理指标、化学、生物指标的 监测、调查，根据不同的目的和要求，依据一定的方法对水体质量优劣程度作出的 定量描述，以准确地反映目前的水体质量和污染状况，弄清水体质量变化发展的规 律，找出受评价区域的主要污染问题，为水污染治理、水功能区划、水环境规划以 及水环境管理提供依据。 为解决日益严峻的水环境问题，对水环境进行合理有效规划成为协调人类社会 经济发展和水环境保护之间关系的重要途径和有效手段，而水环境质量评价是进行 水污染控制系统规划工作的基础【”】。水污染控制系统规划过程是以水质管理为目的 的，水体环境质量的评价是规划工作的核心。 通过水环境质量评价可以了解环境质量的过去、现在和未来发展趋势及其变化 规律，充分掌握影响本地区环境质量的主要污染因子和主要污染源，明确污染控制 的方向和要求，从而有针对性地制定改善环境质量的污染源治理方案和综合防治计 划。同时，合理的水质现状评价结果，有利于制定合理的水质规划方案，以便优先 治理污染严重的流域，对于资金不足的地区做好环境保护工作具有现实的意义。 在整个水环境质量评价工作中，水质评价的方法是评价理论的核心。如何才能 客观的、准确地反映水体环境质量状况，其关键在于合理地选择与建立评价方法和 数学模型。评价方法的合理性，将直接影响到评价结果的可靠性。环境评价的价值 在于能够提供高度准确的水质信息，如果缺乏准确性而仅有一个大致笼统的概念， 评价就不会有权威性，对决策就不会具有约束力和指导意义。 因此，水环境质量评价是进行水环境管理、实现水资源可持续利用的重要依据， 合理的评价模型是得到准确水质评价结果的前提，寻找评价方法运作简便，评价结 果准确可靠的评价模型是进行水环境质量评价研究的重点，对于实现水环境的有效 管理及规划具有重要的指导意义。 1 3 水质评价的国内外研究现状 1 3 1 确定性水质评价方法 自2 0 世纪6 0 年代j a c o b s 提出水体质量评价的水质指数( w q i ) 概念和公式【3 4 】以来， 国内外就不断有文献讨论水质评价的方法。但至今仍缺乏统一的、公认的评价模式。 近些年来，在确定性水质评价模式的研究上进展不大，总结起来，主要分为单 1 0 第一章环境系统与水质评价方法研究 因子指数法和综合污染指数法。 1 ) 单因子评价法 单因子评价法也称单项指数法，就是对单项指标给予的评价尺度，以评价因子 的监测结果与评价标准比较，确定每个评价因子的水质类别，然后选择其中的最差 类别作为水体( 或断面) 的综合水质级别。 在g b 3 8 3 8 8 8 中对地面水的综合评价中确定以单项指标最差所属级别为综合水 质级别。在g b 3 8 3 8 2 0 0 2 中对水质评价的要求是：根据应实现的水域功能类别选取 相应类别标准进行单因子评价，评价结果应说明水质达标情况，超标的应说明超标 项目及超标倍数。由此可见，单指标评价方法仍为最基本的评价方法。其缺点是确 定的水质类别过于保守，是较为悲观的评价方法，不利于不同断面水体水质的对比 排序。 2 ) 综合污染指数评价法 2 0 世纪6 0 - - 7 0 年代研究应用较多的水质评价方法中大部分都属于综合指数评 价法【3 5 1 ，它是一类较为简单的评价方法，比较典型的有豪顿水质指数模式( w q i ) t 3 5 1 ， n e m e r o w 模式【3 7 】，向量模式【3 8 1 等。综合指数方法是以单项指标为基本单元通过各 种数学手段综合运算得出一个综合指数，以此代表水体的污染程度，作为水质评定 尺度。 综合污染指数法以其计算简便、结果直观和便于比较的特点，在河流水污染现 状评价中被广为采用【3 1 1 。该方法只要监测结果可靠，综合评价从总体上看是可以 基本反映水质污染程度。它的缺点是：均权迭加后的水质指数忽略少数超标污染项 目及环境富集残存大的污染项目对水环境影响更大的特征，将本来较恶劣的环境质 量给予了美化。加权迭加需要确定合适的权重值，而确定合适的权重值在污染项对 环境贡献大小及作用机理不十分清楚的情况下是十分困难的。值得一提的是，虽然 综合指数法存在着许多不足，但由于计算简单、便于操作，直至今日，在实际水质 评价工作中仍被大量采用【4 2 。3 1 。 1 3 2 基于复杂性理论的水质评价方法 随着人们对环境系统的认识和了解，用于定量描述污染物迁移转化的环境模型 变得愈趋复杂，基于不确定性理论和非线性理论的发展，极大地推动了环境模型的 发展和完善。 2 0 世纪8 0 年代以来，对水质评价理论、方法的研究进入异常活跃时期，尤其 是9 0 年代后，一些不确定性、非线性理论方法的出现和计算机技术的推广应用，相 应的评价方法相继提出并得到了广泛的应用，为新的水质评价方法的产生提供了理 论和技术支持。其中不确定性的方法理论主要有随机理论、模糊理论、灰色理论及 青岛大学博士学位论文 未确知数学理论等，非线性的方法理论主要有投影寻踪模型法、人工神经网络等