山区水库氮污染行为与控制技术研究 ——以田庄水库为例

论文摘要

田庄水库位于鲁中南山区鲁山山脉之间,是典型的山区水库,也是淄博沂源县潜在的大型饮用水源地,但由于受氮肥生产与氮肥使用的长期影响,水库氮素严重超标,大大影响了水体的使用功能。随着工农业生产的迅速发展及人口的快速增长,沂源县水资源的供需矛盾日益突出。因此,迫切需要开展田庄水库氮污染行为与控制技术研究,从而为水污染的预防与治理提供科学的依据。本文在区域自然环境概况调查基础上,通过河流水质、水量调查,淋滤试验、粉煤灰氮素含量测定,沉积物氮素释放试验、沉积物孔隙水分析等方法确定了田庄水库各主要污染源的氮素负荷;另外,通过沸石覆盖、砂覆盖及无覆盖情况下的对比试验,测定覆盖层-水界面氨氮浓度、上覆水混合浓度、孔隙水氨氮浓度,结合界面释放通量、覆盖层理论穿透时间计算等手段综合评价沸石覆盖对抑制沉积物氨氮释放的有效性;最后,通过建立平面二维模型,就多污染源影响下不同水文年水库氮素分布及沉积物局部覆盖、粉煤灰堆移除、面源控制等对改善水库水质的效果进行了预测。取得了一些新的认识和结论:⑴田庄水库是一个常对流水库,硝氮与氨氮浓度高;受氨氮超标影响,田庄水库属于劣Ⅴ类水体。⑵沉积物是上覆水氨氮的重要来源,释放通量在80-175mg/（m2·d）之间;沉积物表层发生的反硝化作用是水库硝氮重要的去除途径,扩散通量约40mg/（m2·d）。⑶农业面源负荷（604.8t/a）占田庄水库硝氮总负荷的96.9%,是最大的硝氮来源;内源负荷（128.8t/a）占氨氮总负荷的76.0%,是氨氮的最大来源。⑷各水文年水库氮素模拟结果表明,氨氮只有在丰水年丰水期能够达到《地表水环境质量标准》III类标准要求,枯水年枯水期超标最严重,超标倍数为1.00-1.67倍;同一水文年枯水期的氨氮浓度比丰水期高1.30-1.50mg/L;田庄水库中硝氮浓度在5.00-8.00mg/L之间,不同水文年的同期浓度相差不大。⑸库岸粉煤灰的堆放对其周边水域硝氮浓度影响较大,粉煤灰移除前后,浓度相差0.20-0.50mg/L,粉煤灰应从水库岸边清除;治理面源污染是降低水库硝氮浓度的关键,面源负荷减少30%后,硝氮的模拟浓度比控制前降低了20%左右。⑹同一种覆盖材料的穿透时间与覆盖层厚度平方成正比,沸石覆盖层的穿透时间明显长于砂覆盖层;同一种覆盖材料的稳态释放通量与覆盖层厚度成反比;15cm厚沸石+15cm厚砂构成的复合覆盖层对沉积物中氨氮释放的抑制效果将优于50cm砂覆盖层。⑺取水口区沉积物沸石覆盖对改善出水水质的效果显著,各水文年丰水期氨氮浓度都满足III类标准;沉积物氨氮释放量需要减少80%,水库中氨氮才能全面达标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 0 前言
• 1 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 水库氮循环过程
• 1.2.2 氮污染数学模型
• 1.2.3 氮污染的控制技术
• 1.3 研究内容和思路
• 2 自然环境概况
• 2.1 自然地理
• 2.1.1 地理位置
• 2.1.2 气候
• 2.1.3 水文
• 2.1.4 地形、地貌
• 2.1.5 土壤
• 2.2 库区的环境背景
• 2.2.1 地表水开发利用现状
• 2.2.2 水库淤积
• 2.2.3 生态环境状况
• 2.2.4 潜在的氮污染源
• 3 污染现状与评价
• 3.1 水库及支流水质特征
• 3.1.1 样品的采集与分析
• 3.1.2 水库水质特征
• 3.1.3 入库河流水质特征
• 3.2 水质评价
• 3.3 小结
• 4 外源氮淋滤与内源氮释放行为研究
• 4.1 外源氮淋滤行为
• 4.1.1 试验材料与方法
• 4.1.2 结果与分析
• 4.1.3 外源氮入库量计算
• 4.2 内源氮释放规律
• 4.2.1 沉积物及其孔隙水中氮素分布特征
• 4.2.2 底泥与上覆水之间氮素交换试验
• 4.2.3 界面氮素的交换量
• 4.3 小结
• 5 水库中氮污染物分布的预测
• 5.1 水流-水质模型的建立与求解
• 5.1.1 水流-水质模型的建立
• 5.1.2 网格剖分
• 5.1.3 模型参数
• 5.1.4 模型验证
• 5.2 不同特征水文年水库氮污染预测
• 5.2.1 丰水年
• 5.2.2 平水年
• 5.2.3 枯水年
• 5.3 小结
• 6 沉积物中氨氮释放的覆盖技术研究
• 6.1 材料和方法
• 6.1.1 试验装置
• 6.1.2 试验材料
• 6.1.3 覆盖层-水界面氨氮分析试验
• 6.1.4 柱试验
• 6.1.5 覆盖层的理论穿透时间
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 Freundlich 吸附等温式
• 6.2.2 覆盖层-水界面氨氮浓度
• 6.2.3 覆盖层上覆水氨氮浓度与界面通量
• 6.2.4 沉积物孔隙水氨氮剖面浓度
• 6.3 小结
• 7 氮污染控制效果的数值分析
• 7.1 沉积物局部覆盖
• 7.2 粉煤灰移除
• 7.3 面源控制
• 7.4 小结
• 8 结论与建议
• 8.1 结论
• 8.2 创新点
• 8.3 建议
• 参考文献
• 附表
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文