流域環(huán)境泥沙氮、磷平衡吸附與飲用水源地水質(zhì)評價.pdf

1、水作為生命之源,是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。由于點(diǎn)源和面源污染,使得我國許多地區(qū)水作為生命之源,是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。由于點(diǎn)源和面源污染,使得我國許多地區(qū)的河流和水庫出現(xiàn)了不同程度的水質(zhì)惡化。在南方地區(qū),這一現(xiàn)象更加明顯,尤其是作為飲用水源地的河源水庫流域,生態(tài)缺水問題普遍存在。飲用水源地的水質(zhì)問題系關(guān)人們的正常生活和生產(chǎn),因此,安全的飲用水已經(jīng)成為人們迫切追求和保護(hù)的對象。近幾年,飲用水源區(qū)水質(zhì)保護(hù)是我國水污染治理的重中之重。因此,對水

2、庫水源地水質(zhì)污染機(jī)制和時空動態(tài)變化規(guī)律的研究具有重要的理論和實(shí)際意義。飲用水源地水庫水質(zhì)變化規(guī)律的研究是保護(hù)水源地的基礎(chǔ)。水源地水質(zhì)監(jiān)測與評價是研究水源地水質(zhì)變化的基本途徑,是建立科學(xué)合理的水源地保護(hù)和管理措施的主要理論依據(jù)。水庫水體污染的載體是徑流和泥沙。徑流在運(yùn)載可溶性污染物的同時,也通過徑流泥沙載體運(yùn)輸吸附性污染物,而這些吸附性污染物是潛在的污染源,在水環(huán)境發(fā)生變化時可在水和泥沙的固液界面發(fā)生動態(tài)轉(zhuǎn)移。因此,研究不同水環(huán)境沉積物的

3、吸附/解吸附特性,對水庫水質(zhì)的源頭保護(hù)和定期清淤具有一定的參考價值。
　　 本文在系統(tǒng)總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上,以浙江省安吉縣賦石水庫流域?yàn)檠芯繀^(qū),以河道水庫泥沙對氮磷的吸附/解吸附機(jī)理及流域地表水水質(zhì)評價為主要研究內(nèi)容。首先,在流域野外調(diào)查的基礎(chǔ)上,確定了定時定點(diǎn)監(jiān)測取樣的關(guān)鍵斷面(18個)和水庫內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)(9);接著,采用野外取樣和室內(nèi)模擬分析法,對流域內(nèi)河流沉積物和水庫底泥對氮磷吸附過程、吸附能力和特點(diǎn)進(jìn)行了分析,并就流域

4、環(huán)境泥沙是否存在二次污染進(jìn)行了預(yù)測;同時,通過連續(xù)兩年流域內(nèi)地表水的定時定點(diǎn)監(jiān)測取樣,主要水質(zhì)污染指標(biāo)的檢測分析,并用標(biāo)識指數(shù)法和模糊數(shù)學(xué)法對流域內(nèi)不同水體進(jìn)行了水質(zhì)污染要素和污染程度評價、確定主要污染因子和污染物成分;并用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)對檢測因子的時空變化規(guī)律進(jìn)行討論;最后,在二類水質(zhì)指標(biāo)的基礎(chǔ)上利用梯級零維水質(zhì)模型和概率環(huán)境容量模型,對流域內(nèi)河流和水庫進(jìn)行理論和實(shí)際環(huán)境容量的計算分析。獲以下主要結(jié)論:
　　 1.磷吸附模擬試驗(yàn)

5、表明:流域內(nèi)河道沉積物和水庫底泥對磷具有較大的吸附能力,不同樣品最大吸附量分別在150.75-238.51和170.59～322.48 mg/kg之間,均值分別為210.96 mg/kg和237.32 mg/kg。吸附能力與沉積物粘粒、鋁結(jié)合態(tài)無機(jī)磷、活性鐵、活性鋁等因子具有顯著相關(guān)性。吸附過程可以用Langmuir、Freundlich和Temkin等溫吸附方程描述(R2＞0.87)。河道沉積物和水庫底泥是否存在二次污染的吸附/解吸附

6、平衡濃度分別在0.05～0.15和0.21～0.49 mg/L之間,均值為0.10和0.32mg/L,均大于河道和水庫水體全磷濃度,因此該流域河流和水庫存在著磷二次污染,對水源區(qū)水質(zhì)起著“污染源”作用。
　　 2.銨態(tài)氮吸附模擬試驗(yàn)表明:河道沉積物和水庫底泥對銨態(tài)氮的吸附過程可用Freundlich等溫方程描述。吸附能力常數(shù)K分別在21.82～100.47 L/kg和18.82～85.66L/kg之間;非線性常數(shù)n分別在1.40

7、～1.85和1.98～2.76之間,與全磷、有機(jī)質(zhì)、陽極離子交換量等理化性質(zhì)成顯著正相關(guān),與活性鋁成負(fù)相關(guān)。二次污染的吸附/解吸附平衡濃度值分別在0.30～0.81和0.19～0.83 mg/L之間,均值為0.47mg/L和0.62mg/L,均大于地表水中銨態(tài)氮,因此該流域河道和水庫存在氮二次污染,對水源區(qū)水質(zhì)起“污染源”作用。
　　 3.連續(xù)兩年(2009年7月至2011年6月)逐月對賦石水庫流域內(nèi)27個監(jiān)測斷面進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測,

8、并用單因子標(biāo)識指數(shù)和綜合標(biāo)識指數(shù)法對河流和水庫水質(zhì)進(jìn)行分段評價。結(jié)果表明:賦石水庫流域河流水質(zhì)差異較大,不同區(qū)域和不同時間評價結(jié)果各不相同。總體表現(xiàn)為:支流水質(zhì)優(yōu)于干流,干流水質(zhì)優(yōu)于水庫水質(zhì)。按照時間可分為兩個階段,第一階段為2009年7月到2010年6月,水質(zhì)良好且監(jiān)測指標(biāo)濃度值相對穩(wěn)定,主要為二類到三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),符合集中式生活飲用水地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。第二階段為2010年7月到2011年6月,水質(zhì)較差,除全氮外其余檢測因子在不同時間差異

9、較小,為五類到劣五類水,不符合集中式飲用水地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
　　 4.模糊數(shù)學(xué)綜合評價法對流域水質(zhì)評價表明:該流域河流和水庫水質(zhì)按時間可分為兩個典型的時間段。第一時間段從2009年7月到2010年6月,第二時間段從2010年7月到2011年6月。第一時間段內(nèi),河流和水庫的主要污染因子為高錳酸鉀指數(shù),次要污染因子為全氮,水質(zhì)在一類到二類之間。第二時間段內(nèi),河流的主要污染因子為全氮;而水庫在三分之二時間為全氮,三分之一時間為高錳酸鉀

10、指數(shù),河流和水庫水質(zhì)都為五類。
　　 5.對主要污染因子全氮成分分析表明:該流域不同時間段氮的主要來源不同。在2009年7月到2010年6月間全氮中主要以無機(jī)氮污染為主,無機(jī)氮占全氮的56.39％～92.86%,為主要氮源,其中以硝態(tài)氮為主。在以全氮為主要污染源的2010年7月到2011年6月中,無機(jī)氮占20.97%～38.48%,以有機(jī)氮污染為主。這表明在不同時間階段,該流域污染物的來源和種類有較大變化。
　　 6.經(jīng)

11、驗(yàn)正交函數(shù)對該流域水質(zhì)檢測值分解結(jié)果表明,該流域河流和水庫各污染因子第一特征向量的方差貢獻(xiàn)率分別在86.78%～99.99%和95.54%～99.93%之間,可以反映兩年間賦石水庫流域河流污染因子濃度變化特征和趨勢。分解結(jié)果表明:河流監(jiān)測因子中,高錳酸鉀指數(shù)在監(jiān)測時間內(nèi)從上游到下游逐漸增加;空間范圍內(nèi)溶解氧從上游到下游在逐漸增加,隨時間變化不明顯;全氮在監(jiān)測時間內(nèi)逐漸增大,而空間變化不明顯;銨態(tài)氮、全磷在時空內(nèi)都沒有固定變化趨勢。水庫監(jiān)

12、測因子中,除全氮隨時間趨于增大外,其余各因子隨時間沒有固定變化規(guī)律。溶解氧和銨態(tài)氮表現(xiàn)為表面＞4m處＞6m處,高錳酸鉀指數(shù)為6m處＞4m處＞表面;全氮和全磷在不同監(jiān)測點(diǎn)間都沒有穩(wěn)定的變化趨勢。
　　 7.用零維水質(zhì)模型對流域內(nèi)河流水環(huán)境容量計算表明:基于二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),該流域河流中高錳酸鉀指數(shù)和全氮的環(huán)境容量屬于超標(biāo)狀態(tài)。不同水文期河流間超標(biāo)量不同,表現(xiàn)為豐水期＞平水期＞枯水期,比值在一到幾十之內(nèi);銨態(tài)氮和全磷的環(huán)境容量均有剩余,

13、剩余量為豐水期＞平水期＞枯水期,剩余量比值在一到幾之內(nèi)。分析表明,不同水文期高錳酸鉀指數(shù)和全氮的環(huán)境容量不同超標(biāo)比例的原因主要與流域河流流量及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的季節(jié)性有關(guān)。表現(xiàn)為,豐水期高錳酸鉀指數(shù)、有機(jī)氮和硝態(tài)氮主要來自徑流導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)面源污染和河岸堆積物的流失;平水期和枯水期主要來于生活污水、家禽養(yǎng)殖等廢棄物。
　　 8.基于二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)用(GB3839-83)有機(jī)物水環(huán)境容量模型,計算賦石水庫高錳酸鉀指數(shù)和銨態(tài)氮的環(huán)境容量。結(jié)果

14、表現(xiàn)為豐水期＞平水期＞枯水期,在3588.33-6508.44 kg/d和258.33-670.19 kg/d之間,均值分別為4949.47 kg/d和454.63 kg/d。用沃倫威德和迪龍水環(huán)境容量模型對該水庫全磷、全氮理論環(huán)境容量計算表明,理論環(huán)境容量為豐水期＞平水期＞枯水期。在此基礎(chǔ)上,用水庫全磷、全氨實(shí)測值計算了該水庫的實(shí)際環(huán)境容量,結(jié)果表明該水庫全氮和全磷濃度超過了二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),處于污染狀態(tài)。超標(biāo)程度為豐水期＞平水期＞枯水期

15、。上述結(jié)果說明該水庫急需進(jìn)行水體修復(fù)、削減環(huán)境容量,從而達(dá)到該地區(qū)所要求的水質(zhì)目標(biāo)。
　　 本文的主要創(chuàng)新點(diǎn)為:
　　 1)以流域系統(tǒng)觀出發(fā),從流域泥沙和水體水質(zhì)著手,就主要污染因子從源頭到輸移過程的時空動態(tài)進(jìn)行了系統(tǒng)性分析。基于飲用水二類水的標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)用梯級零維水質(zhì)模型和概率環(huán)境容量模型,對水庫水質(zhì)進(jìn)行了評價和預(yù)測,為水庫水質(zhì)保護(hù)提供了依據(jù)。
　　 2)將水文期與各水質(zhì)指標(biāo)的動態(tài)監(jiān)測值相結(jié)合,計算了各水質(zhì)指標(biāo)在不

16、同水文期的環(huán)境容量,得出了環(huán)境容量在水文年內(nèi)的變化次序?yàn)?豐水期＞平水期＞枯水期。這一結(jié)果與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動季節(jié)關(guān)系密切,進(jìn)而說明農(nóng)業(yè)面源污染是賦石水庫水質(zhì)污染的主要因d素。
　　 3)河流水庫泥沙在水體污染過程中起著源/匯的作用,這一作用視水環(huán)境不同而變化。通過流域河道泥沙和水庫底泥對氮磷的吸附/解吸附模擬研究表明,雖然目前泥沙起到污染源的角色,但水庫底泥源的作用遠(yuǎn)大于河流泥沙,水庫底泥在豐水期主要起匯的作用,在平水期和枯水期起源