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《基於環境泥沙的營養物質輸移機理與生態防治》可供水利、環境、農業、水土保持、林業及市政等有關專業的工程技術人員和研究生參考。

內容簡介

　　水生態文明是生態文明的基礎，維護水生態係統健康是我國水生態文明建設的重要目標之一。隨著對點源汙染的逐步有效控製，麵源已成為我國水體營養物質的主要來源。環境泥沙是麵源營養物質輸移的主要載體，在營養物質遷移轉化過程中起著重要作用，開展基於環境泥沙的營養物質輸移機理與生態防治研究意義重大。
　　《基於環境泥沙的營養物質輸移機理與生態防治》針對水沙環境條件下農業源頭區、庫灣養殖水體及富營養化水體的營養物質輸移特點與生態防治需求，以營養物質遷移轉化為主綫，采用理論分析、原型觀測、室內（外）試驗及數值模擬等技術手段，試點研究與工程示範相結閤，係統研究瞭營養物質的遷移轉化過程及機理，在此基礎上分彆提齣瞭陸域汙染水營養物質的人工濕地強化去除技術、庫灣養殖水體生態控藻技術和庫灣水華生態調度防控措施。該成果已得到應用並取得較大的社會經濟效益。

目錄

目錄
前言
第1章緒論1
1.1問題的提齣1
1.2國內外研究現狀3
1.3主要內容及成果結構15
第2章農業源頭區泥沙營養物質轉化規律及釋放風險評價19
2.1研究背景19
2.2泥沙對營養物質的吸附-解吸特徵29
2.3泥沙對營養物質吸附-解吸的主要影響因素44
2.4泥沙營養物質的形態分配特徵及其轉化規律59
2.5不同土地利用方式下泥沙營養物質釋放風險評價67
2.6小結76
第3章陸域汙染水體營養物質的人工濕地強化去除78
3.1研究背景78
3.2人工濕地填料選擇及綜閤評價91
3.3人工濕地填料除磷效果及影響因素分析98
3.4人工濕地植物營養物質去除性能及綜閤評價104
3.5間歇曝氣人工濕地的營養物質去除性能115
3.6生物填料人工濕地營養物質去除性能124
3.7小結131
第4章庫灣養殖水體營養物質輸移規律及生態調控133
4.1研究背景133
4.2沉積物營養物質釋放行為及影響因素139
4.3魚餌及投餌養魚的營養物質釋放規律145
4.4魚餌對銅綠微囊藻和四尾柵藻生長的影響150
4.5不同養殖模式下藻類群落及組成動力學變化157
4.6不同養殖模式下營養物質動態分析163
4.7小結172
第5章庫灣藻類水華水動力學特徵及生態調度174
5.1研究背景174
5.2庫灣藻類水華爆發的水動力閾值研究185
5.3庫灣藻類水華影響因子分析及數學描述202
5.4庫灣藻類水華過程中藻類細胞粒子的輸移及生長模擬211
5.5庫灣藻類水華限製性營養物質判彆224
5.6庫灣水華防治的生態調度技術247
5.7小結260
第6章主要成果及創新點263
6.1主要成果263
6.2國內外同類研究的比較269
6.3主要創新點271
參考文獻272

精彩書摘

第1章緒論
1.1問題的提齣
2011年中央一號文件指齣“水是生命之源、生産之要和生態之基”。黨的十八大進一步明確瞭科學發展觀的指導地位，強調要統籌人與自然的和諧發展，並把生態文明擺在更加突齣的位置，作為“五位一體”總體布局的重要組成部分。水生態文明是生態文明的基礎，開展水生態文明建設既是現實的緊迫要求，也是長遠的戰略任務。黨中央、國務院曆來高度重視解決水生態環境問題，先後采取一係列重大舉措，推動水生態文明建設並取得明顯成效。但我國正處於工業化、城鎮化加速發展階段，在經濟社會快速發展的同時，水資源短缺、水環境汙染、水生態環境惡化等問題日益凸顯。這種狀況如不盡快扭轉，水資源難以承載，水環境難以承受，人與自然難以和諧，大力推進生態文明建設也就成瞭一句空話。
過量營養物質進入湖庫等緩流水體將引起藻類及其他浮遊植物快速繁殖，造成水體溶解氧下降，水質惡化，魚類及其他生物大量死亡的水體富營養化現象。我國湖庫水體富營養化的程度和範圍呈快速發展趨勢，形勢十分嚴峻。湖泊富營養化比例在20世紀70年代、80年代和90年代分彆為41%、61%和77%（馬經安等，2002）。2007～2010年的湖泊水質調查結果顯示，我國85.4%的大型淺水湖泊超過瞭富營養化標準，其中40.1%為重度富營養化（楊桂山等，2010）。湖庫水體富營養化惡化水質，誘發“水質性”缺水危機，降低水資源綜閤利用效率和安全供水保障能力，極大地削弱瞭水資源對國民經濟社會發展的戰略支撐作用；湖庫水體富營養化過程中的藻類水華還造成水生態係統結構失衡和功能失調，降低水生生物多樣性，嚴重破壞水生態係統健康。由此可見，湖庫水體富營養化是水生態文明建設麵臨的最大挑戰之一，已發展成為我國民生水利和生態水利建設的重點和難點，關乎每個國民的生存基礎和生活幸福。
水和泥沙（沉積物）是營養物質如氮磷等輸移的核心要素和關鍵載體。水沙徑流作用調控著營養物質從陸域遷移、輸送、沉積和進入水體的係列過程。目前，湖庫水體營養物質的輸移研究側重探討水—沉積物—營養物質間的遷移轉化以及評價因水土流失和地錶徑流導緻的陸域營養物質負荷測算及輸齣規律等。這種單一的陸域或水域範圍內的研究很難反映湖庫水體營養物質空間傳輸的過程連續性和影響關聯性。以水沙徑流為紐帶，係統研究農業源頭區、城郊區域及庫（湖）灣水體營養物質的遷移轉化，有助於將已有分散的營養物質傳輸過程機理形成整體認識，填補營養物質從陸域輸移進入湖庫水域的機理研究缺失，為營養物質管理和水體富營養化綜閤防控提供理論依據。
水沙徑流作用下，營養物質輸移呈現齣多源特徵。除大氣沉降外，隨著人口數量增加，土地集約化利用和開發程度加劇，難以有效管理的農業源頭區泥沙營養物質釋放、城郊地區水沙徑流形成的麵源營養物質排放、庫灣養殖水體産生的營養物質輸齣以及庫灣富營養化水體水沙動力作用下營養物質演替過程等逐漸構成瞭湖庫水係富營養化的新型汙染源。
目前，農業源頭區營養物質研究著重測算農藥和化肥流失、畜禽養殖廢物及農村生活汙水排放，對營養物質賦存和輸齣的關鍵載體泥沙缺乏足夠關注，忽略瞭富含營養物質的農業源頭區泥沙“源”釋放風險及科學防控對策研究。
與農業源頭區泥沙類似，城郊水沙徑流而産生的麵源汙染是普遍存在卻缺乏足夠研究的另一新型營養物質釋放源。復雜的土地利用格局導緻城郊區域內農業麵源和城市麵源交錯分布，既無法簡單界定區域麵源特徵，也不易劃分農業麵源和城市麵源的邊界。研究大量存在的城郊區域水沙徑流營養物質負荷輸移的時空分布，對湖庫水體營養物質輸入管理具有重要現實指導意義。
另外，受水産品生産和經濟效益刺激，庫（湖）灣精細化投餌養殖過程中，殘餘餌料及養殖廢物排放嚮水體輸齣大量營養物質，但現有室內機理實驗難以揭示天然水體內投餌養殖的營養物質輸齣及藻類生長影響特徵，開展圍隔實驗將有效填補野外實驗研究的空白，揭示庫灣養殖水體內餌料溶失規律，以及藻類生長行為與營養物質輸齣的響應關係。
湖泊富營養化的研究較多，調查顯示水庫庫灣也受富營養化威脅，某些具有浮力和運動能力的藻類及浮遊植物，利用自身的優勢，過度生長繁殖，形成水華；庫灣水華過程中，水動力學因子對水藻的生長起到一定的抑製作用，維持藻類正常生長繁殖的營養元素碳、氮、磷、硫等來自上遊及兩岸徑流水體汙染物，影響因子眾多且復雜；庫灣水體水流狀態介於湖泊和河道之間，在很多方麵與湖泊有顯著差異，其中水庫的地形較復雜，水流滯留時間比湖泊要短，水體含沙量相對較高，水庫的水位波動較大，這些因素對河流及水庫的富營養化研究影響很大，有必要通過原型觀測資料分析及數值模擬手段探討庫灣水華爆發的水動力學臨界值，以及發展過程中限製性營養物質的動態變化情況。
為緩解湖庫水體富營養化危害，有必要在深入認識營養物質的多源輸移規律的基礎上進行綜閤防治。農業源頭區和城郊區域營養物隨水沙徑流輸齣，汙染程度低、排汙無規律、難以應用成熟的汙水處理技術予以收集和集中處理。近年來，以陽光、土壤和微生物組成的生態處理技術在營養物質去除方麵極具競爭力，但也存在占地麵積大，營養物質去除率不理想等缺點。研究結閤農業源頭區和城郊區域營養物質輸齣特徵對傳統生態處理技術進行改良，研發齣的農業源頭區汙水生態淨化技術和人工濕地強化減汙技術，能夠從源頭上將多源營養物質排放統籌管理，獲得具有推廣價值的湖庫水體營養物質生態去除技術體係。
對於庫灣養殖水體及富營養化水體，在研究其營養物質運移機理的基礎上，通過復雜的環境生態影響因素製約機製研究，基於生態養殖及生態調度，提齣係統自相關生態調控技術方案。生態措施是根治大型天然水産養殖水體富營養化的最有效途徑，通過係統研究餌料溶失規律和圍隔內養殖水體藻類群落組成演替特徵，以營養物質釋放和藻類總量控製為目的提齣的生態養殖技術將成為富營養化水體修復與管理的重要科技支撐。然而，湖庫水體富營養化的上述長效防治技術見效慢，針對庫灣富營養化水體，在二維和三維水動力場模擬基礎上，耦閤拉格朗日粒子軌跡跟蹤模型和非守恒三維粒子軌跡跟蹤模型，在泥沙環境下，針對藻類生長特徵，模擬藻類的生態增殖和粒子運動特徵，充分運用泥沙的營養物質吸附特性，形成適宜的藻類水華應急調控技術，提齣水動力學生態調控方案。
綜上所述，以營養物質為主綫，以環境泥沙和水動力為環境動力條件，係統研究營養物質在水沙徑流作用下的多源（農業源頭區、城郊區域、庫灣養殖水體和庫灣富營養化水體）營養物質遷移轉化過程；在此基礎上，以營養物質過剩導緻的藻類水華防控為目標，分彆研究提齣基於營養物質多源輸入特徵考慮的農業源頭區汙水生態淨化技術、人工濕地強化去除技術和庫灣生態養殖及生態調控技術。
1.2國內外研究現狀
1. 農業源頭區泥沙營養物質賦存及釋放
農業源頭區非點源氮、磷等營養物質流失是導緻湖庫水體富營養化加劇的主要因素之一。農業生産中過量施用的化肥、未經處理直接排放的村鎮生活和生産廢水等汙染源含有大量的氮、磷等營養物質，它隨降雨徑流或土壤侵蝕由陸地坡麵進入溝渠，並最終匯入河流、湖泊、水庫等水體。農業源頭區的溝道、坑塘以及村落排水溝等形成的溝渠係統，構成瞭農業非點源氮、磷等營養物質遷移的重要廊道。隨著水環境問題的日益突齣，農業源頭區溝渠係統在水環境保護方麵的作用開始引起關注。近年來，許多研究者逐漸認識到利用溝渠係統截留高負荷氮、磷等營養物質（Palmer-Felgate et al. ，2009；Zhu et al. ，2012）。農業源頭區溝渠係統作為農業非點源汙染源與受納水體之間的緩衝過渡帶，錶現齣明顯的濕地功效。溝渠截留營養物質的重要機理之一，就是溝渠泥沙能夠吸附徑流水體中大量的營養物質，降低營養物質的濃度，從而減少進入湖庫水體的營養物質含量，保護下遊受納水體。然而，溝渠的這種濕地功效並不完全體現為吸附水體中的營養物質（Palmer-Felgate et al. ，2009；Luo et al. ，2009）。例如，當溝渠泥沙中營養物質的平衡濃度大於水體營養物質濃度時，泥沙則成為水體營養物質的源。因此，農業源頭區溝渠泥沙既可能是水體中營養物質的匯，也可能是源（Jarvie et al. ，2005；Zhu et al. ，2012）。
國內外已有研究錶明，泥沙理化性質對磷的吸持-釋放特性有顯著影響（Wang et al. ，2012；Jalali et al. ，2013）。不同類型的泥沙因其理化組分差異而各具特殊性，石灰性土壤對磷的吸附主要取決於Fe、Al氧化物，而與CaCO3含量無關（Harrel et al.，2006）；在Fe、Al氧化物含量高的土壤中，磷解吸模式為冪函數麯綫，而在Fe、Al氧化物含量低的土壤中，磷解吸模式為一直綫（Li et al. ，2007）。此外，各種形態磷在泥沙中並不是固定不變的。當泥沙自身理化性質或環境條件發生變化時，磷就會發生一係列吸附、解吸及重新結閤等反應過程，從而實現不同形態磷之間的轉化（Zhu et al. ，2012）。目前國外已有學者利用泥沙對磷的吸附飽和度（degree of phosphorus saturation，DPS）與水體中磷的關係，獲取泥沙吸持磷的閾值或臨界值（critical value）來評價磷的釋放風險（Nair et al. ，2004；Little et al.，2007），並建議采用清淤等方法減少泥沙纍積的磷（Nguyen et al. ，2002）或嚮泥沙中添加鐵或鋁的化閤物（如硫酸鐵鹽和硫酸鋁鹽）提高泥沙對磷的吸附容量（Smith et al. ，2005）等方法對溝渠或河流進行管理，但國內這方麵的研究報道還極少。
深入瞭解農業源頭區溝渠泥沙對營養物質的吸持-釋放作用和正確認識不同溝渠（即不同土地利用方式下的溝渠）泥沙對營養物質的源、匯關係，有助於人們對農業源頭區非點源氮、磷等營養物質流失的控製和管理（Zhu et al. ，2012；Jalali et al. ，2013）。但是，目前農業源頭區溝渠泥沙對營養物質的吸附-解吸規律方麵的研究不多，尤其缺乏對泥沙吸附-釋放過程中或乾濕交替條件下營養物質形態轉化規律及不同土地利用方式下泥沙營養物質釋放風險評價的研究。由於研究結果與所在地區的土地利用方式、土壤類型密切相關，不同地區間研究結果差異較大。因此，針對我國湖庫水體富營養化控製需求，結閤當地土地利用方式和土壤類型，開展農業源頭區泥沙對營養物質的吸持-釋放特徵研究，探明泥沙中營養物質在吸持-釋放、乾濕交替等過程中的轉化規律，確定泥沙中營養物質的釋放閾值，明確不同土地利用方式下泥沙對營養物質的源、匯關係，對科學評價農業源頭區泥沙營養物質釋放風險和優化管理溝渠泥沙十分必要。
2. 農業源頭區營養物質的生態攔截和去除
農業源頭區汙水已成為嚴重影響水體環境狀況的重要汙染源。目前，我國絕大部分的天然和人工水體都齣現瞭富營養化情況，由於農業源頭區汙水處理不當所造成的危害還在日益加重。
與能納入汙水處理廠的城市生活點源汙染和工業點源汙染不同，農村麵源汙染並非單一汙染源所造成，它往往由多種易擴散的汙染源所引起，在農村地區，降雨、積雪融化等形成的地錶徑流使汙染物從汙染源頭傳播，並最終匯入河流、湖泊、天然濕地、地下水等水體中，從而引起水體富營養化或其他形式的汙染，對水資源造成很大的危害。
農村地區的主要汙染源主要有：未能納入市區汙水乾道的農戶生活和畜禽養殖活動所産生的汙水；農田殘留氮磷肥和農藥的滲透、淋溶；未收集、隨意堆放的各種垃圾；大氣中的汙染物的塵降、機動車輛排齣氣體中的油類物質和顆粒等。農田排水中的營養物質一部分在排水渠內被滯留去除，一部分繼續通過排水進一步遷移，這部分營養物質可通過城郊人工濕地強化去除（Dordio et al.，2013）。除農田排水外，農戶汙水隨意排放是造成農村營養物質汙染的主要原因。在農村地區，農戶房捨分布較為分散，農戶汙水不易集中，農戶汙水往往不能被納入汙水處理廠等集中式的汙水處理係統，另外，農村經濟水平相對落後，居民環保意識相對較差，農戶汙水往往不經處理或隻經簡單處理直接（如傳統的化糞池處理等）排放，給周邊環境帶來瞭很重的汙染負荷（李無

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