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《吉林大学》 2012年
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人工湿地系统氯离子分布特征及其综合生态效益研究

陈明辉  
【摘要】:吉林省西部分布有较大面积的盐渍土,特殊的气候和自然地理环境使该区域的生态环境相对脆弱。人工湿地项目位于莫莫格国家级自然保护区外围,当地气候干旱,缺少地表径流水源补给,原有天然湿地面积萎缩,部分湿地已经退化干涸。在该区域利用油田生产产生的采油废水,通过建立自由表面流型人工湿地的工程强化手段对区域内已经消失、退化的天然湿地进行恢复和重建,初步改善了当地的生态环境,重现了久违的“绿色遍布”和“群鸟聚集”的湿地景观;同时人工湿地还产生了一定的环境、社会和经济效益。 采油废水为高矿化度、高氯离子废水,本文通过研究氯离子在水体、大气、土壤等各环境要素中的迁移及分布规律,定量分析Cl~-在多介质环境中的分布情况,为在吉林省西部地区大规模利用高氯废水建立人工湿地提供科学的依据和其基本迁移规律;同时本研究作为示范,为吉林省西部地区湿地恢复、生境重建等工作提供技术指导;为吉林省西部地区的工业废水综合利用,尤其是采油废水综合利用提供新的途径。此外,对采油废水污灌人工湿地前后采油废水补给量与人工湿地区域生态需水量的供需平衡进行讨论,并基于3S技术对2001年、2006年、2008年和2010年人工湿地及周边地区的土地利用类型划分和动态变化规律进行分析。此外,从湿地系统的生态弹性、生态环境和生态压力三个方面构建人工湿地系统健康评价指标体系,并从生态环境、经济和社会角度构建综合生态效益指标体系,采用均方差法定性、定量地对2003-2010年采油废水灌溉前后湿地生态健康和综合生态效益状况进行评价。 首先,从人工湿地系统工程角度对英台油田英台采油芦苇床人工湿地的工程概况、内容、规模、盐水平衡、存在的问题,以及人工湿地运行效果进行系统的阐述。 其次,以吉林油田英台采油厂芦苇床人工湿地作为研究区域,选取二次处理后采油废水中的Cl~-作为研究对象,采用等量浓度方法对稳态及动态条件下人工湿地中Cl~-在大气、水、土壤、覆水土壤、植物以及地下水相间迁移及分布规律进行研究。选取多介质等量浓度模型,并结合区间算法对模型参数不确定性进行表征,经验证,所建区间稳态多介质等量浓度模型和区间动态多介质等量浓度模型均可用于模拟Cl~-在多介质环境中的迁移及分布状况。模型模拟结果表明土壤以及覆水土壤相是Cl~-主要环境归宿,水相和地下水相平流流出为Cl~-主要输出方式,介质间的迁移过程主要为地下水与土壤相、覆水土壤相间的质量交换。将各环境相中Cl~-浓度模拟结果与其环境背景值相对比,发现人工湿地处理采油废水给水、土壤、覆水土壤、植物和地下水相中带来的Cl~-浓度仅占背景值的1.41%、5.57%、3.53%、1.82%、1.50%。同时,动态模拟结果显示,2003-2020年排放到环境中的Cl~-没有产生明显的累积效应,即利用采油废水进行人工湿地灌溉对多介质环境中Cl~-水平影响较小,石油开采产生的大量无效回注水可用于人工湿地灌溉,并对区域内退化生态系统的恢复起到积极作用。 再次,考察2001-2010年吉林省西部干旱与半干旱交错地带人工湿地经采油废水污灌后,采油废水补给量与人工湿地区域生态需水量(湖泊需水量、土壤需水量、植物需水量和野生生物需水量)的供需平衡,并结合3S技术,分析2001年、2006年、2008年和2010年采油废水灌溉人工湿地区域前后,人工湿地区域及周边地区的土地利用类型划分和动态变化。结果表明,2003-2010年人工湿地区域的生态需水量为1.62-2.24×106m3/年,而区域内采油废水补给量为2.12-2.84×106m3/年,采油废水排放总量能够满足人工湿地区域生态需水量的需求,同时发现人工湿地区域及周边地区水域面积和水田面积较2001年分别增加了2.3倍和10倍,林地、沼泽面积增加了40.15%和29.5%,说明采油废水污灌人工湿地措施有效缓解了干旱与半干旱交错地带的缺水及生态环境问题。 最后,从湿地系统的生态弹性、生态环境和生态压力三个方面构建人工湿地系统健康,并从生态环境、经济和社会角度构建综合生态效益指标体系,采用均方差法定性、定量地对2003-2010年采油废水灌溉前后湿地生态健康和综合生态效益状况进行评价。评价结果表明,吉林省西部表层流人工湿地经采油废水定期灌溉后,人工湿地系统生态健康等级由IV级非健康区转为II级近健康,采油废水灌溉有效缓解了日益严重的环境问题;人工湿地的综合生态效益由IV级改善为II级,在促进经济、生态环境和社会发展的同时湿地生态系统已趋于完善。 研究结果表明,油田采油废水污灌芦苇床人工湿地在解决吉林油田大量无效回注水去向问题的同时,不但未对多介质环境系统带来不利影响,且对当地生态恢复起到积极的推动作用。
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