底泥疏浚和引水工程对小型浅水城市富营养化湖泊的生态效应

论文摘要

湖泊富营养化是水体衰老的表现。湖泊富营养化引起的水质污染和湖泊水生态系统失衡已成为制约社会和国民经济可持续发展的重要因素。湖泊富营养化控制方法的研究是目前国内外环境科学和生态学领域的研究热点。底泥疏浚作为湖泊富营养化内源污染治理的一种工程性措施其治理效果的有效性一直倍受争议,湖泊底泥疏浚工程的生态效应既是湖泊富营养化控制研究中需要回答的科学问题,也是富营养化湖泊污染控制在技术选择时面临的实际问题。论文以小型浅水富营养化湖泊-长春南湖为例,从构成湖泊水生态系统的水质、底泥和生物三个方面对长春南湖底泥疏浚工程实施的生态效应进行了连续5年的监测。通过水化学、底泥和浮游生物的采样分析,比较了底泥疏浚前后南湖水体理化因子、底泥营养盐和重金属含量及浮游生物的种类组成、密度、生物量和多样性指数的变化,揭示了南湖底泥疏浚和引水后水质、底泥营养盐、重金属变化规律,分析了底泥疏浚和引水工程实施后浮游藻类和浮游动物的演化趋势,探讨了底泥疏浚过程中营养盐含量增高的原因,为科学评价底泥疏浚和引水工程控制富营养化湖泊的生态效应提供了实证。在水质理化分析中测定了9项水质理化指标:pH值、透明度、溶解氧、悬浮物、BOD5、CODcr、氨氮、总氮、总磷。研究结果表明:1.底泥疏浚后水质如透明度增加36%、pH值增大,溶解氧升高,悬浮物未增加;引水稀释提高了水体透明度,但对pH值、溶解氧和悬浮物变化影响不明显。2.底泥疏浚对水质BOD5和CODcr的改善作用不大,但是引水稀释有效了降低了CODcr的含量。3.底泥疏浚后短期内引起氨氮、总氮和总磷的营养盐浓度的升高,但是在疏浚结束时它们分别比疏浚前下降了74%,44%和47%。从长期效应来看,底泥疏浚有利于降低水体营养盐的含量。引水稀释降低了湖水营养盐的含量。测定了底泥中pH值、总氮、总磷、有机质和8种重金属（Zn,Pb, Cd,Cu,Cr,Ni,Hg和As）含量。运用生态风险评指数方法评价了南湖底泥疏浚前后重金属的生态风险。研究结果表明:1.底泥中总氮、总磷对疏浚工程的响应不同。与疏浚开始时相比,总磷含量在疏浚后下降了42%,出乎预料的是总氮没有降低反而升高了49%。底泥总氮增加的最大可能性是疏浚过程中间隙水中氨氮的释放造成的。2.底泥疏浚对重金属去除是有效的。疏浚结束后,重金属Hg,Zn,As,Pb, Cd,Cu,Cr和Ni的去除率分别为97.0%,93.1%,82.6%,63.9%,52.7%,50.1%,32.0%和23.6%。3.底泥重金属生态风险评价表明,疏浚开始时,Zn和Hg为高污染因子;Pb, Cu, Cd, Cr, Ni和As为中污染因子。疏浚之后,配对t检验结果表明污染因子Zn,Cr和Hg的值极显著下降（p<0.01）,而污染因子Ni,As,Pb,Cd and Cu值下降不显著（p >0.05）。疏浚后重金属综合污染指数值Cd显著下降（p < 0.05）,平均下降93.7%。从生物角度看,南湖底泥疏浚和引水工程对浮游生物的生态学效应如下:1.底泥疏浚后浮游藻类种类数均比疏浚前增加,浮游藻类种类最多增加了2倍;疏浚使南湖浮游藻类群落组成发生演替,由底泥疏浚前的绿藻-蓝藻型转变为绿藻-硅藻型。2.引水后南湖浮游植物种群结构多样性增加,引水后浮游藻类种类数量增加了1.5倍以上。引水后南湖浮游藻类中出现金藻门,锥囊藻Dinobryon、鱼鳞藻Mallomonas种类的出现为底泥疏浚和引水工程实施后南湖水质的改善提供了直接的证据。3.南湖疏浚和引水工程实施前后叶绿素a含量均呈显著下降趋势（p<0.05）。与疏浚前相比,疏浚期间叶绿素a最多下降了36%,引水后叶绿素a最多下降了68%。2006年,叶绿素a的含量达到历年最低值,为44.86ug/L。叶绿素a对疏浚和引水工程的响应与营养盐总氮和总磷在疏浚和引水后的变化是一致的。4.南湖疏浚后浮游动物以仍以原生动物和轮虫为主,大型浮游动物枝角类和桡足类数量较少。引水后,大型浮游动物枝角类和桡足类占浮游动物的比例上升,表明是引水使浮游动物大型化的趋势。引水后轮虫的优势种为刺盖异尾轮虫Trichocerca cylindrica（寡污型）,为水质的改善提供了证据。5.疏浚和引水实施后浮游动物数量值下降,疏浚结束时浮游动数量比疏浚前下降16%,引水后浮游动物数量下降45%。引水后Margalef多样性指数升高,由疏浚时的1.96上升至5.99。连续5年的长春南湖实底泥疏浚和引水稀释水质、底泥和浮游生物监测研究结果表明,尽管底泥疏浚过程中有营养盐释放等负面效应存在,总体来说,静水吸泥式底泥疏浚技术在小型城市富营养化湖泊的控制上是有效的和可行的。对特定的湖泊而言,是否需要对其底泥进行彻底的疏浚,或者疏浚到什么程度,还需要进行细致周密的研究论证。湖泊是极为复杂的生态系统,由于生态系统反馈的时滞性,疏浚工程的生态效应的评价应依据长期、连续的监测数据,因为疏浚工程实施后水质变化规律难以在短期内显示出来,如果以短期的监测数据评价底泥疏浚是否改善湖泊的水质是不可靠的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 文献综述
• 1.1.1 湖泊富营养化
• 1.1.2 底泥在湖泊富营养化中的重要作用
• 1.1.3 氮磷循环
• 1.1.4 湖泊诊断
• 1.1.5 湖泊富营养的修复技术
• 1.1.6 底泥疏浚
• 1.1.7 引水稀释/冲刷
• 1.2 研究目的与意义
• 参考文献
• 第2章 底泥疏浚和引水工程对湖泊水质的影响
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 研究区概况
• 2.1.2 样品采集
• 2.1.3 测定指标及分析方法
• 2.1.4 数据收集
• 2.1.5 数据统计分析
• 2.2 结果
• 2.2.1 水质理化因子对底泥疏浚和引水工程的响应
• 2.2.2 有机污染物指标对底泥疏浚和引水工程的响应
• 2.2.3 生源要素对底泥疏浚和引水工程的响应
• 2.3 讨论
• 2.3.1 底泥疏浚和引水工程对南湖水质的影响
• 2.3.2 底泥疏浚和引水工程对水质有机污染指标的影响
• 2.3.3 底泥疏浚和引水工程对营养盐的影响
• 2.3.4 底泥疏浚后营养盐升高的原因
• 2.3.5 底泥疏浚和引水控制小型浅水富营养化湖泊的有效性
• 2.4 小结
• 参考文献
• 第3章 底泥疏浚对底泥营养盐及重金属的生态效应
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 研究区域概况
• 3.1.2 样品采集
• 3.1.3 样品分析
• 3.1.4 数据统计分析
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 表层底泥样品物理化学特征
• 3.2.2 底泥疏浚前、疏浚期间及疏浚后总氮与总磷的特征
• 3.2.3 底泥疏浚前后重金属特征
• 3.3 结论
• 参考文献
• 第4章 底泥疏浚和引水工程对南湖浮游生物群落的影响
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 叶绿素a 分析
• 4.1.2 浮游生物采样
• 4.1.3 浮游生物镜检
• 4.1.4 浮游动物多样性指数计算
• 4.1.5 数据收集与数据统计分析
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 底泥疏浚和引水工程对浮游藻类的影响
• 4.2.2 底泥疏浚和引水工程对浮游动物的影响
• 4.3 小结
• 参考文献
• 第5章 结 论
• 5.1 底泥疏浚和引水工程对水质的效应
• 5.2 底泥疏浚工程对底泥营养盐和重金属的效应
• 5.3 底泥疏浚和引水工程对浮游生物的效应
• 附录
• 后记
• 在学期间公开发表论文及著作情况