乌梁素海上覆水体与表层沉积物污染特征及其污染物迁移转换规律研究

论文摘要

由于自然演变和人为活动的双重作用,使得水环境发生了根本性的变化,水环境素质开始下降,打乱和破坏了水生态系统平衡,进而影响了人类的正常生活和生产。湖泊水环境也正遭受着外源输入和内源释放的侵害和污染,已渐渐失去了固有的功能和应有价值。本文针对内蒙古乌梁素海严重富营养化问题,在对其上覆水体和表层沉积物中污染物进行时空变异性剖析的基础上,进一步分析了不同环境因子作用下,上覆水体和沉积物界面间的物质迁移转换规律,建立了考虑沉积物中物质释放的水质数学模型,并对所建模型进行检验和适应性评价。得出如下主要结论:⑴将地质统计学理论与地理信息系统相结合,对乌梁素海富营养化指标、有机污染指标、盐化污染指标、“水华”警示指标进行了时空分析和研究。结果表明,各项污染指标呈现出不同的分布规律和特征,通过实测指标与地表水环境质量标准对比,乌梁素海正遭受着富营养化、盐化、有机等复合污染。⑵通过解析乌梁素海表层沉积物营养元素及重金属元素的空间分布特征。结果显示,表层底泥中总氮和总磷具有相似的空间分布特征,呈现出随水流方向由北到南递减的变化趋势,且在湖泊出口处形成局部高峰区;表层底泥中有机碳含量与水生植物时空分布有很强的相关性;表层底泥Cu、Cd、Pb、Zn、Hg、Cr重金属含量具有南北高,中间低的变异特征,且Cd元素平均含量超过全国土壤质量标准Ⅱ级。⑶通过室内外不同环境因素条件下,上覆水体和表层沉积物中各项污染物质的同步试验和监测,利用回归分析方法,对pH、水温、溶解氧、氧化还原电位、表层沉积物有机质含量变化与沉积物中营养物质释放速率的相关性进行了分析。结果表明,碱性环境和高水温有利于表层沉积物中的营养盐向上覆水体中释放;溶解氧水平和氧化还原电位升高,将降低表层沉积物中营养物质的释放;表层沉积物中有机质含量的增加将提高上覆水体中总氮、氨态氮和总磷浓度;另外,表层沉积物氮磷含量与上覆水体中氮磷浓度呈现出互补的现象,且互补趋势冬季优于夏季;⑷建立了考虑沉积物中营养盐释放的水质数学模型,WASP模型模拟结果揭示了湖泊上覆水体与沉积物间物质迁移转化过程。误差分析表明,相对误差在允许精度以内的模拟结果达到83.33%以上,所建模型具有较好的模拟效果。因此,揭示上覆水体与沉积物物质交换的水质数学模型具有一定的应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 研究意义
• 1.3 国内外研究进展
• 1.3.1 国内外湖泊上覆水体污染现状及治理研究进展
• 1.3.2 国内外湖泊底泥污染现状及治理研究进展
• 1.3.3 国内外水质数学模型研究进展
• 1.4 本研究的目的、内容及技术路线
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 研究创新点
• 1.4.4 论文技术路线
• 2 乌梁素海研究概况及试验方法
• 2.1 乌梁素海概况
• 2.2 乌梁素海存在的主要问题
• 2.3 乌梁素海研究现状及未来
• 2.4 研究区气象特征
• 2.5 乌梁素海污染源特征
• 2.6 测试方法
• 2.6.1 取样监测点的布设
• 2.6.2 实验监测指标及测试仪器
• 2.6.3 测试依据
• 3 乌梁素海上覆水体水质指标时空分布规律
• 3.1 地质统计学理论
• 3.1.1 区域化变量理论
• 3.1.2 变差函数及结构分析
• 3.2 富营养化污染指标时空变异现状
• 3.2.1 总氮时空变异情况
• 3.2.2 总磷时空变异情况
• 3.3 有机污染指标时空变异现状
• 3.3.1 溶解氧时空变异情况
• 3.3.2 化学需氧量时空变异情况
• 3.3.3 生化需氧量时空变异情况
• 3.4 盐化污染指标时空变异现状
• 3.5 “水华”指示因子时空变异现状
• 3.6 本章小结
• 4 乌梁素海表层沉积物营养元素及重金属空间分布特征
• 4.1 底泥样点布设与采集
• 4.2 研究方法
• 4.3 表层沉积物总氮总磷含量空间分布特征
• 4.4 表层沉积物有机碳含量空间分布特征
• 4.5 表层沉积物重金属含量空间分布特征
• 4.6 本章小结
• 5 乌梁素海表层沉积物与上覆水间氮磷迁移规律分析
• 5.1 底泥和上覆水体样点布设与采集
• 5.2 pH 值大小对表层沉积物氮磷释放的影响
• 5.3 水体温度变化对表层沉积物氮磷释放的影响
• 5.4 溶解氧高低对表层沉积物氮磷释放的影响
• 5.5 表层沉积物有机质含量对上覆水体氮磷浓度的影响
• 5.6 氧化还原电位对表层沉积物氮磷释放的影响
• 5.7 上覆水体氧化还原电位、溶解氧和表层沉积物有机质对氨态氮释放的影响
• 5.8 表层沉积物和上覆水体氮磷浓度的变化规律
• 5.9 本章小结
• 6 乌梁素海沉积物-水质数学模型的建立和应用
• 6.1 水质数学模型的建立
• 6.1.1 WASP 模型简介及其组成
• 6.1.2 WASP 模型原理
• 6.1.3 WASP 水质数学模型的建立
• 6.2 WASP 水质数学模型的应用
• 6.2.1 模拟结果
• 6.2.2 误差分析
• 6.3 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 研究结论
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介