太湖流域河网-湖泊水环境安全评价方法构建与应用

摘要

水环境安全评价是开展水环境安全管理与调控的前提和依据。随着河湖环境管理从单一的污染防治及工程整治向综合考虑水文、生态、水质的多目标河湖环境安全管理方式转变，水环境安全评价概念得以提出并受到越来越多的关注。太湖流域为典型的平原河网地区，河湖水系是生物圈物质循环的重要通道，不仅为生物生存提供了重要生境和生态廊道，也为区域社会经济发展提供有效支撑，但是近年来河湖系统受到人为干扰强烈，水环境状态显著下降。基于此，本论文以太湖流域水环境安全为主线，从水文、水质和水生态多学科交叉视角，运用理论分析与实证分析相结合的方法，探讨了太湖流域河网、湖泊水环境安全评价的理论、方法与实践，以其补充和完善正在快速发展中的河湖水环境安全评价理论与方法体系，为流域水环境的保护和恢复提供有效工具。　　本文系统梳理了国内外水环境安全概念发展里程，初步辨析了流域水环境安全的内涵，在太湖流域水质、水文、水生态调查与调研的基础上，分析了太湖流域水环境安全所面临的主要问题，从太湖流域面临的主要问题出发，研究了太湖流域水环境安全评价指标体系、评价标准及权重、评价方法和基本程序等，并在野外调查和文献调研资料，开展了太湖流域典型河湖水环境安全评价的实证研究，为流域的水环境治理与恢复提供理论支撑与实践意义。论文研究结果主要体现在以下方面:　　(1)结合国内外学者对环境安全、水环境安全、水环境安全评价的概念研究成果，辨析太湖流域水环境安全评价所涵盖的内容，并从城市、区域以及流域水环境安全评价的差异分析辨析并提出了太湖流域水环境安全应包含以下内容:保证水系物理结构安全、水的质量、足够的水资源量供应、自然及生态系统得到妥善保护、科学的水力调度保证水的良性循环和水环境承载能力、国家和社会利益不受损害。　　(2)以提出的太湖流域水环境安全内涵为基础，从物理结构、水质、水生态和水文四个方面分析太湖流域河网、湖泊水环境现状及演变趋势，得出目前太湖流域存在以下威胁:区域土地利用类型剧变导致土壤自净能力下降，邻岸带人工化导致植被退化削弱水陆交替带对污染负荷的缓冲能力;总磷、总氮等特征污染物远超水环境承载力，水质恶化、富营养化问题突出;水生态系统结构失调，浮游植物以蓝藻为优势种，大型无脊椎底栖动物群落结构简单化，耐污种占比高，水生植被消亡;水文调控导致生态水位难以保障、水系连通性受阻、自净能力减弱。　　(3)结合国内外水环境评价方法研究进展，比选指标体系构建、指标筛选、权重确定、标准确定和综合评价方法，构建以水环境安全指数(WESI)为方案层，物理结构安全、水质安全、水生态安全、水文安全为准则层的多层次多因子河网—湖泊水环境安全评价指标体系。河网体系中物理结构安全包括河岸缓冲带植被覆盖率、人工渠道化岸线长度比例2项指标;水质安全包括总氮、总磷、氨氮、高锰酸盐指数、溶解氧5项指标;水生态安全包括底栖动物Shannon指数、Goodnight指数2项指标;水文安全包括水位保证率、连通性2项指标。湖泊体系中物理结构安全包括湖滨缓冲带植被覆盖率1项指标;水质安全包括透明度、总氮、总磷、氨氮、高锰酸盐指数、叶绿素a6项指标;水生态安全包括底栖动物Shannon指数、Goodnight指数、蓝藻细胞数、水生植被覆盖率4项指标;水文安全包括水位保证率、口门通畅率2项指标。　　(4)以构建的太湖流域河网—湖泊水环境安全指标体系为基础，构建采用背景值法、引用标准法、规划目标、景观效应阈值法为指标标准确定方法;专家打分法与层次分析法构建判断矩阵为指标权重确定方法;数学模型法为数据量化、标准化方法的太湖流域河网—湖泊水环境安全评价方法，通过水环境安全指数(WESI)判定水环境安全状态，水环境安全状态分为极不安全[0，20)、不安全[20,40)、一般[40，60)、较安全[60，80)、安全[80，100]五个等级。　　(5)选取流域内水环境问题突出的武宜运河及滆湖分别进行现状调研、采样、数据整理分析，并采用建立的太湖流域河网—湖泊水环境安全评价指标体系和评价方法进行水环境安全状态判定，判定结果显示:武宜运河WESI指数为326，水环境安全状态判定为不安全。物理结构与水质都处于不安全状态，主要为渠道化岸线长度比例、总氮、总磷和氨氮，水生态和水文处于一般状态，其中底栖动物的多样性较差。滆湖的水环境安全指数(WESI)为41.1，水环境安全状态判定为一般。其中物理结构、水质处于不安全状态，主要为湖滨缓冲带的植被覆盖率、总氮、总磷，水生态和水文分别处于一般和较安全状态。结果表明，本研究建立的水环境安全指标体系及评价方法不仅能够定量判定水环境的安全状态，并识别特征因子，为开展水环境治理与修复提供明确的指导意义。

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表目录

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摘要

第一章 绪论

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 水环境安全概念研究进展

1．2．2 水环境安全评价研究进展

1．3 研究内容与方法

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究方法

1．3．3 技术路线

第二章 太湖流域水环境状态现状及演变趋势

2．1 太湖流域概况

2．1．1 自然环境概况

2．1．2 社会经济概况

2．2 太湖流域水环境现状及演变趋势

2．2．1 河湖物理结构现状及演变趋势

2．2．2 水质现状及演变趋势

2．2．3 水生态历史演变及现状趋势

2．2．4 水文历史演变及现状趋势

2．3 太湖流域水环境安全状态问题分析

2．4 本章小结

第三章 太湖流域水环境安全评价指标体系构建

3．1 水环境安全备选指标库建立

3．1．1 备选指标库建立

3．1．2 主要备选指标内涵及意义

3．2 河湖物理结构评价指标筛选

3．2．1 河网物理结构安全指标

3．2．2 湖泊物理结构指标筛选

3．3 水质安全指标筛选

3．3．1 河网水质筛选

3．3．2 湖泊水质指标筛选

3．4 水生态安全指标筛选

3．4．1 水生态指标分类

3．4．2 河网水生态指标筛选

3．4．3 湖泊水生态指标筛选

3．5 水文安全指标筛选

3．5．1 河网水文指标筛选

3．5．2 湖泊水文指标筛选

3．6 太湖流域水环境安全评价指标体系

3．7 本章小结

第四章 太湖流域水环境安全评价方法

4．1 太湖流域水环境安全状态评价指标权重的确定

4．1．1 准则层权重确定

4．1．2 指标层权重确定

4．2 太湖流域水环境安全状态评价指标标准的确定

4．2．1 评价指标标准确定方法确定及标准比选

4．2．2 评价指标标准值汇总

4．3 指标数据的获取与量化

4．2．1 指标数据获取

4．2．2 指标数据量化

4．4 指标数据的标准化

4．5 准则层指标得分计算

4．6 水环境安全指数计算及水环境安全状态判别分析

4．7 本章小结

第五章 水环境安全评价实例

5．1 武宜运河水环境安全评价

5．1．1 指标数据的获取、量化与标准化

5．1．2 水环境安全指数及水环境安全状态判别

5．2 漏湖水环境安全评价

5．2．1 指标数据获取、量化及标准化

5．2．2 水环境安全指数及水环境安全状态判别

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢