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分层型富营养化水源水库水质演变机制与水质污染控制

李璇  
【摘要】:石砭峪水库是黑河引水系统的重要备用水源,每年向西安市供水3000万m3,同时还承担着600万m3城市应急供水任务,因此,良好的水库水质对保障城市供水安全起到重要作用。然而,近年来该水库水质不断恶化,有害蓝藻周期性爆发,严重破坏了水库生态平衡。但由于水库水质污染成因不明,水库尚未建立有效的控制措施。本文以石砭峪水库水质演变机制及水质污染控制研究为切入点,在现场大量水质监测基础上,通过内外污染源解析,雨水水质监测分析,原位及实验室模拟实验,同时结合原位扬水曝气器水质改善试验,重点研究了:石砭峪水库分层结构演变特征及其对水库水质影响;石砭峪水库营养盐、碱度及有机物季节性演变特征;水库浮游植物群落演替规律及水体富营养化评价;扬水曝气器原位水质改善效果。研究结果表明:(1)石砭峪水库热分层期长(3~11月),水体混合期短(12~次年2月),全年呈现单循环混合模式。暴雨径流是影响石砭峪水库水体分层结构稳定性的最重要因素,浑水异重流潜入水库底部会提高底部水温,诱导水库水体提前混合。水体长期分层导致水库深水区底部厌氧时间可长达5~6个月,厌氧条件下内源污染物大量释放,导致水库底部氨氮、总磷、铁、锰浓度分别达到1.52 mg/L、0.171 mg/L、0.976 mg/L、1.124 mg/L。暴雨径流对水库底部缺氧持续时间影响较大,浑水异重流潜入水库底部会立即提高水库底部溶解氧水平,但大量悬浮物汇入增加了水体耗氧速率,暴雨径流后水库底部是否会再次形成厌氧环境取决于暴雨径流发生的时间及发生频率。(2)石砭峪水库主库区总氮多年平均浓度为2.8 mg/L,最高浓度达到4.7 mg/L,显著高于金盆水库(t-test,p0.01)。雨水总氮构成主要以氨氮为主,经土壤形成径流过程中,雨水中氨氮被土壤快速吸附,同时土壤中硝酸盐氮淋溶进入水体。相同雨水经不同土壤淋溶的硝酸盐氮浓度差异较大,因此土壤差异是造成两水库上游径流总氮差异的主要原因。低碱度雨水经土壤形成径流过程中,土壤中的碱性物质被淋溶进入水中,土壤溶出碱度差异是导致石砭峪水库碱度低于金盆水库的主要原因。而雨水与土壤接触时间不同,是驱动两水库碱度季节性演变的主要原因。石砭峪水库总磷浓度全年大部分时段能满足地表水环境Ⅲ类水质标准,暴雨冲刷及分层期间内源污染物释放是造成水库总磷季节性超标的主要原因。水库CODMn浓度变化范围为2.8~8.6 mg/L,主要由腐殖质及类蛋白等构成,暴雨径流冲刷是造成石砭峪水库有机物浓度季节性超标的主要原因。(3)石砭峪水库藻类生长主要集中在5月至10月。春季以硅藻为主,硅藻生长高峰一般出现在6月份,藻细胞密度最高接近50×106 cells/L。7月至10月水库蓝藻水华现象严重,藻细胞密度高达1亿cells/L。对浮游植物群落和环境因子进行冗余度分析(RDA),结果表明,水温及水体分层结构稳定性是影响浮游植物群落结构变化的最重要环境因素。石砭峪水库蓝藻水华时期,水中胞外微囊藻毒素浓度变化范围为13.0~148.5 ng/L,而水中总微囊藻毒素变化范围为0.09~1.12μg/L。基于相关加权综合营养状态指数评价结果表明,石砭峪水库已处于轻度富营养化水平。暴雨径流污染及热分层效应的存在是加剧水库富营养化进程的重要驱动因素。(4)新型材质淹没式扬水曝气器能够有效解决水库分层期间内源污染释放及蓝藻水华问题:设备运行30天后,水体底部溶解氧从0 mg/L提高至5.75 mg/L;沉积物上覆水体氨氮、总磷、铁、锰浓度分别从0.725 mg/L、0.154 mg/L、0.615 mg/L、0.713 mg/L降至0.281 mg/L、0.031 mg/L、0.210 mg/L和0.103 mg/L;底部水体pH从6.38升至8.01,碱度从28 mg/L升至40 mg/L;影响半径60 m范围内,垂向藻类平均削减量达到90%;此外扬水曝气系统的运行提高了水中微生物的代谢活性,加快了有机物的生物降解速率。基于石砭峪水库上游流域特征,建议采用旁侧渠技术可以有效控制暴雨期间外源污染物汇入,避免水库丰水期出水高浊度问题。


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