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流域环境泥沙氮、磷平衡吸附与饮用水源地水质评价

王小云  
【摘要】:水作为生命之源,是人类生存和发展的基础。由于点源和面源污染,使得我国许多地区水作为生命之源,是人类生存和发展的基础。由于点源和面源污染,使得我国许多地区的河流和水库出现了不同程度的水质恶化。在南方地区,这一现象更加明显,尤其是作为饮用水源地的河源水库流域,生态缺水问题普遍存在。饮用水源地的水质问题系关人们的正常生活和生产,因此,安全的饮用水已经成为人们迫切追求和保护的对象。近几年,饮用水源区水质保护是我国水污染治理的重中之重。因此,对水库水源地水质污染机制和时空动态变化规律的研究具有重要的理论和实际意义。饮用水源地水库水质变化规律的研究是保护水源地的基础。水源地水质监测与评价是研究水源地水质变化的基本途径,是建立科学合理的水源地保护和管理措施的主要理论依据。水库水体污染的载体是径流和泥沙。径流在运载可溶性污染物的同时,也通过径流泥沙载体运输吸附性污染物,而这些吸附性污染物是潜在的污染源,在水环境发生变化时可在水和泥沙的固液界面发生动态转移。因此,研究不同水环境沉积物的吸附/解吸附特性,对水库水质的源头保护和定期清淤具有一定的参考价值。 本文在系统总结国内外相关研究的基础上,以浙江省安吉县赋石水库流域为研究区,以河道水库泥沙对氮磷的吸附/解吸附机理及流域地表水水质评价为主要研究内容。首先,在流域野外调查的基础上,确定了定时定点监测取样的关键断面(18个)和水库内监测点(9);接着,采用野外取样和室内模拟分析法,对流域内河流沉积物和水库底泥对氮磷吸附过程、吸附能力和特点进行了分析,并就流域环境泥沙是否存在二次污染进行了预测;同时,通过连续两年流域内地表水的定时定点监测取样,主要水质污染指标的检测分析,并用标识指数法和模糊数学法对流域内不同水体进行了水质污染要素和污染程度评价、确定主要污染因子和污染物成分;并用经验正交函数对检测因子的时空变化规律进行讨论;最后,在二类水质指标的基础上利用梯级零维水质模型和概率环境容量模型,对流域内河流和水库进行理论和实际环境容量的计算分析。获以下主要结论: 1.磷吸附模拟试验表明:流域内河道沉积物和水库底泥对磷具有较大的吸附能力,不同样品最大吸附量分别在150.75~238.51和170.59~322.48mg/kg之间,均值分别为210.96 mg/kg和237.32 mg/kg。吸附能力与沉积物粘粒、铝结合态无机磷、活性铁、活性铝等因子具有显著相关性。吸附过程可以用Langmuir、Freundlich和Temkin等温吸附方程描述(R20.87)。河道沉积物和水库底泥是否存在二次污染的吸附/解吸附平衡浓度分别在0.05~0.15和0.21~0.49 mg/L之间,均值为0.10和0.32mg/L,均大于河道和水库水体全磷浓度,因此该流域河流和水库存在着磷二次污染,对水源区水质起着“污染源”作用。 2.铵态氮吸附模拟试验表明:河道沉积物和水库底泥对铵态氮的吸附过程可用Freundlich等温方程描述。吸附能力常数K分别在21.82~100.47 L/kg和18.82~85.66L/kg之间;非线性常数n分别在1.40~1.85和1.98~2.76之间,与全磷、有机质、阳极离子交换量等理化性质成显著正相关,与活性铝成负相关。二次污染的吸附/解吸附平衡浓度值分别在0.30~0.81和0.19~0.83 mg/L之间,均值为0.47mg/L和0.62mg/L,均大于地表水中铵态氮,因此该流域河道和水库存在氮二次污染,对水源区水质起“污染源”作用。 3.连续两年(2009年7月至2011年6月)逐月对赋石水库流域内27个监测断面进行水质监测,并用单因子标识指数和综合标识指数法对河流和水库水质进行分段评价。结果表明:赋石水库流域河流水质差异较大,不同区域和不同时间评价结果各不相同。总体表现为:支流水质优于干流,干流水质优于水库水质。按照时间可分为两个阶段,第一阶段为2009年7月到2010年6月,水质良好且监测指标浓度值相对稳定,主要为二类到三类水质标准,符合集中式生活饮用水地表水水质标准。第二阶段为2010年7月到2011年6月,水质较差,除全氮外其余检测因子在不同时间差异较小,为五类到劣五类水,不符合集中式饮用水地表水水质标准。 4.模糊数学综合评价法对流域水质评价表明:该流域河流和水库水质按时间可分为两个典型的时间段。第一时间段从2009年7月到2010年6月,第二时间段从2010年7月到2011年6月。第一时间段内,河流和水库的主要污染因子为高锰酸钾指数,次要污染因子为全氮,水质在一类到二类之间。第二时间段内,河流的主要污染因子为全氮;而水库在三分之二时间为全氮,三分之一时间为高锰酸钾指数,河流和水库水质都为五类。 5.对主要污染因子全氮成分分析表明:该流域不同时间段氮的主要来源不同。在2009年7月到2010年6月间全氮中主要以无机氮污染为主,无机氮占全氮的56.39%~92.86%,为主要氮源,其中以硝态氮为主。在以全氮为主要污染源的2010年7月到2011年6月中,无机氮占20.97%~38.48%,以有机氮污染为主。这表明在不同时间阶段,该流域污染物的来源和种类有较大变化。 6.经验正交函数对该流域水质检测值分解结果表明,该流域河流和水库各污染因子第一特征向量的方差贡献率分别在86.78%~99.99%和95.54%~99.93%之间,可以反映两年间赋石水库流域河流污染因子浓度变化特征和趋势。分解结果表明:河流监测因子中,高锰酸钾指数在监测时间内从上游到下游逐渐增加;空间范围内溶解氧从上游到下游在逐渐增加,随时间变化不明显;全氮在监测时间内逐渐增大,而空间变化不明显;铵态氮、全磷在时空内都没有固定变化趋势。水库监测因子中,除全氮随时间趋于增大外,其余各因子随时间没有固定变化规律。溶解氧和铵态氮表现为表面4m处6m处,高锰酸钾指数为6m处4m处表面;全氮和全磷在不同监测点间都没有稳定的变化趋势。 7.用零维水质模型对流域内河流水环境容量计算表明:基于二类水质标准,该流域河流中高锰酸钾指数和全氮的环境容量属于超标状态。不同水文期河流间超标量不同,表现为丰水期平水期枯水期,比值在一到几十之内;铵态氮和全磷的环境容量均有剩余,剩余量为丰水期平水期枯水期,剩余量比值在一到几之内。分析表明,不同水文期高锰酸钾指数和全氮的环境容量不同超标比例的原因主要与流域河流流量及农业生产的季节性有关。表现为,丰水期高锰酸钾指数、有机氮和硝态氮主要来自径流导致的农业面源污染和河岸堆积物的流失;平水期和枯水期主要来于生活污水、家禽养殖等废弃物。 8.基于二类水质标准,应用(GB3839-83)有机物水环境容量模型,计算赋石水库高锰酸钾指数和铵态氮的环境容量。结果表现为丰水期平水期枯水期,在3588.33~6508.44 kg/d和258.33~670.19 kg/d之间,均值分别为4949.47 kg/d和454.63 kg/d。用沃伦威德和迪龙水环境容量模型对该水库全磷、全氮理论环境容量计算表明,理论环境容量为丰水期平水期枯水期。在此基础上,用水库全磷、全氮实测值计算了该水库的实际环境容量,结果表明该水库全氮和全磷浓度超过了二类水质标准,处于污染状态。超标程度为丰水期平水期枯水期。上述结果说明该水库急需进行水体修复、削减环境容量,从而达到该地区所要求的水质目标。 本文的主要创新点为: 1)以流域系统观出发,从流域泥沙和水体水质着手,就主要污染因子从源头到输移过程的时空动态进行了系统性分析。基于饮用水二类水的标准,应用梯级零维水质模型和概率环境容量模型,对水库水质进行了评价和预测,为水库水质保护提供了依据。 2)将水文期与各水质指标的动态监测值相结合,计算了各水质指标在不同水文期的环境容量,得出了环境容量在水文年内的变化次序为:丰水期平水期枯水期。这一结果与农业生产活动季节关系密切,进而说明农业面源污染是赋石水库水质污染的主要因素 3)河流水库泥沙在水体污染过程中起着源/汇的作用,这一作用视水环境不同而变化,通过流域河道泥沙和水库底泥对氮磷的吸附/解吸附模拟研究表明,虽然目前泥沙起到污染源的角色,但水库底泥源的作用远大于河流泥沙,水库底泥在丰水期主要起汇的作用,在平水期和枯水期起源的作用。 虽然,通过2年对浙江省安吉县赋石水库流域环境泥沙氮磷吸附的模拟研究、水质取样分析以及水质评价和模型应用等方面的研究,得出了一些有意义的结论,但受时间、经历、科研经费等因素的限制,在某些方面的研究尚待进一步探讨和深入。


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