平原水库富营养化模型与应用研究

摘要

山东省是我国北方严重缺水的地区之一，人均水资源占有量不足全国人均占有量的1/6，仅为世界人均占有量的1/25，属严重缺水地区。山东省平原地区，特别是沿黄地区人均水资源量不到全省的80％，属资源性严重缺水地区。黄河水是山东省最主要的客水资源，自1999年开始，国家对黄河水实行统一调度，同时为解决地区的用水矛盾，开始兴建相应的调蓄工程—平原水库。平原水库在水资源配置、社会经济、生态环境等方面已取得显著效益，而在取得重大经济、社会和环境效益的同时，也存在着许多亟待解决的问题，其中富营养化是平原水库亟需解决的关键问题，事关社会稳定与和谐。
　　 国内外研究学者通过研究，提出对尚未形成富营养化水库应以预防为主，对已产生富营养化的水库，应采取综合治理措施的总体思路，并且已经在密云水库等地进行实践，但对于平原水库还缺乏这方面的研究探索。
　　 论文以平原水库为研究对象，以保障城市供水安全为目标，对平原水库的水文情势以及水质变化趋势等进行了较为全面的调查分析。根据调查分析结果，以棘洪滩水库为例，以棘洪滩水库2007～2011年水质监测数据为基础，对其富营养化主要影响因子进行了相关性分析，利用多元逐步回归原理建立棘洪滩水库的叶绿素浓度预测模型，并对平原水库的富营养化状况根据综合营养状态指数法进行了评价。以棘洪滩水库2006～2011年水质监测数据为基础，根据质量守恒原理，建立了水库的总磷完全混合模型，在稳态情况下反算出水库总磷的逐月沉降速率。根据青岛棘洪滩水库、东营南郊水库、淄博新城水库、德州丁东水库、淄博大芦湖水库、东营耿井水库和辛安水库的水文水质监测数据为基础，对这7座水库进行了水文情势与水质变化分析，结合平原水库的富营养化状况进行了综合比较分析。通过研究分析，论文得出如下研究结论:
　　 (1)本论文研究的棘洪滩水库富营养化的主要限制因素是总磷，其中温度对水库富营养化具有显著影响，水库的叶绿素a浓度回归方程为:ρ(Ch(1)a)=0.073T+67.63(TP)+1.064。根据综合营养指数法利用水库2009年～2011年的实际监测数据计算得出水库的富营养化水平为中营养～富营养的过度阶段。
　　 (2)建立了棘洪滩水库富营养化模型（总磷预算模型），给出了棘洪滩水库磷沉降率Ks多年月平均值在3-8月份为负值，Ks=0.0027～-0.000011d-1，即表现为底泥磷解吸释放为主的变化规律;而在9月份-次年2月份Ks=0.00028～0.0077d-1，表现为底泥磷吸附沉淀为主的变化规律。若棘洪滩入库总磷表面负荷维持在2006年到2011年六年间每月平均水平时，到2016年棘洪滩水库的平均总磷浓度预测值为0.031mg/L，小于0.05mg/L，水质仍可达到地表水Ⅲ类水标准。
　　 (3)所选的7座平原水库中棘洪滩水库为大型水库，南郊为小型水库，其它5座均为中型水库。7座平原水库的总库容范围为0.066～1.457亿m3，平均总库容为0.409亿m3;平均死库容占总库容平均百分比14.8％;水面面积范围为1.28～14.42km2，平均水面面积为5.86km2;平均水深范围为3.21～10.10m，总平均水深为6.18m。
　　 (4)水库水文情势分析表明，7座平原水库的年平均调水量范围为0.396～0.960亿m3，年平均供水量范围为0.359～0.950亿m3;水力平均停留时间范围为0.171～1.526a，总平均停留时间为0.56a;水库年平均置换次数为0.655～5.847次，总平均置换次数为2.83次。
　　 (5)通过7座平原水库特征参数和水质指标的相关分析得到:平原水库总氮与平均水深呈现正相关关系，即平均水深越大，水库总氮含量越高;平原水库总磷与总库容（除棘洪滩水库外）呈现正相关关系，即水库总库容越大，水库总磷含量越高;平原水库CODMn与溶解氧呈现负相关关系，即溶解氧越大，水库CODMn含量越低。在7座平原水库中棘洪滩水库最大，而引水距离最远，入库磷浓度本身就偏低，所以其磷浓度点不在回归曲线上。
　　 通过本论文的研究，可以辅助全面了解平原水库的水环境现状，评价平原水库的富营养化状况，建立适合平原水库特点的富营养化水质预测模型，为确定平原水库富营养化防治的关键技术提供参考，对于有效保障水源地安全，维护公共健康、环境安全以及经济社会可持续发展具有重要的现实意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究目的及意义

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

1．4 平原水库概况

1．4．1 青岛棘洪滩水库

1．4．2 东营南郊水库

1．4．3 淄博新城水库

1．4．4 德州丁东水库

1．4．5 淄博大芦湖水库

1．4．6 东营耿井水库

1．4．7 东营辛安水库

1．5 平原水库特性比较

1．6 本章小结

第2章 国内外研究现状、发展趋势及综述

2．1 国内外技术现状、发展趋势及国内现有工作基础

2．2 水体富营养化现象及特点

2．3 水体富营养化成因及危害

2．4 水体富营养化模型

2．4．1 单一营养物质负荷模型

2．4．2 优势藻类与营养盐相关模型

2．4．3 生态动力学模型

2．4．4 模型研究展望

2．5 本章小结

第3章 棘洪滩水库叶绿素浓度预测模型与富营养化评价

3．1 棘洪滩水库富营养化影响因子

3．1．1 叶绿素a与氮、磷相关关系

3．1．2 叶绿素a与温度相关关系

3．1．3 叶绿素a与CODMn浓度相关关系

3．1．4 叶绿素a与DO浓度的关系

3．2 富营养化限制性因子分析方法

3．2．1 Pearson相关系数及多元逐步回归原理

3．2．2 叶绿素浓度预测模型

3．3 棘洪滩水库富营养化评价

3．3．1 棘洪滩水库富营养化评价方法

3．3．2 棘洪滩水库分年度评价

3．4 本章小结

第4章 棘洪滩水库总磷模型构建及应用

4．1 水文情势与总磷负荷分析

4．1．1 引水量与供水量分析

4．1．2 库容变化分析

4．1．3 入出库总磷负荷分析

4．2 总磷模型的建立

4．2．1 水库磷平衡分析

4．2．2 总磷模型方程

4．3 总磷沉降速率计算与浓度预测

4．3．1 总磷沉降速率的计算

4．3．2 总磷浓度预测

4．4 本章小结

第5章 南郊和新城水库水文情势与水质分析

5．1 南郊水库水文情势分析

5．1．1 调水与供水情势分析

5．1．2 水库库容与水位变化分析

5．2 南郊水库水质变化趋势分析

5．2．1 南郊水库调水水质变化分析

5．2．2 南郊水库水质变化分析

5．3 新城水库水文情势分析

5．3．1 调水与供水情势分析

5．3．2 新城水库库容变化曲线

5．4 新城水库水质分析

5．4．1 水库前池总磷变化分析

5．4．2 水库内总磷变化分析

5．5 本章小结

第6章 耿井、大芦湖、丁东和辛安水库水质分析

6．1 耿井水库水质分析

6．2 大芦湖水库水质分析

6．3 丁东水库水质分析

6．4 辛安水库水质分析

6．5 平原水库水质比较分析

6．6 本章小结

第7章 结论与建议

7．1 结论

7．2 建议

参考文献

攻读硕士学位斯间发表的学术论文及科研工作

一、研究生期间论文发表情况

二、研究生期间科研学术建设

致谢