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《基于环境泥沙的营养物质输移机理与生态防治》可供水利、环境、农业、水土保持、林业及市政等有关专业的工程技术人员和研究生参考。

内容简介

　　水生态文明是生态文明的基础，维护水生态系统健康是我国水生态文明建设的重要目标之一。随着对点源污染的逐步有效控制，面源已成为我国水体营养物质的主要来源。环境泥沙是面源营养物质输移的主要载体，在营养物质迁移转化过程中起着重要作用，开展基于环境泥沙的营养物质输移机理与生态防治研究意义重大。
　　《基于环境泥沙的营养物质输移机理与生态防治》针对水沙环境条件下农业源头区、库湾养殖水体及富营养化水体的营养物质输移特点与生态防治需求，以营养物质迁移转化为主线，采用理论分析、原型观测、室内（外）试验及数值模拟等技术手段，试点研究与工程示范相结合，系统研究了营养物质的迁移转化过程及机理，在此基础上分别提出了陆域污染水营养物质的人工湿地强化去除技术、库湾养殖水体生态控藻技术和库湾水华生态调度防控措施。该成果已得到应用并取得较大的社会经济效益。

目录

目录
前言
第1章绪论1
1.1问题的提出1
1.2国内外研究现状3
1.3主要内容及成果结构15
第2章农业源头区泥沙营养物质转化规律及释放风险评价19
2.1研究背景19
2.2泥沙对营养物质的吸附-解吸特征29
2.3泥沙对营养物质吸附-解吸的主要影响因素44
2.4泥沙营养物质的形态分配特征及其转化规律59
2.5不同土地利用方式下泥沙营养物质释放风险评价67
2.6小结76
第3章陆域污染水体营养物质的人工湿地强化去除78
3.1研究背景78
3.2人工湿地填料选择及综合评价91
3.3人工湿地填料除磷效果及影响因素分析98
3.4人工湿地植物营养物质去除性能及综合评价104
3.5间歇曝气人工湿地的营养物质去除性能115
3.6生物填料人工湿地营养物质去除性能124
3.7小结131
第4章库湾养殖水体营养物质输移规律及生态调控133
4.1研究背景133
4.2沉积物营养物质释放行为及影响因素139
4.3鱼饵及投饵养鱼的营养物质释放规律145
4.4鱼饵对铜绿微囊藻和四尾栅藻生长的影响150
4.5不同养殖模式下藻类群落及组成动力学变化157
4.6不同养殖模式下营养物质动态分析163
4.7小结172
第5章库湾藻类水华水动力学特征及生态调度174
5.1研究背景174
5.2库湾藻类水华爆发的水动力阈值研究185
5.3库湾藻类水华影响因子分析及数学描述202
5.4库湾藻类水华过程中藻类细胞粒子的输移及生长模拟211
5.5库湾藻类水华限制性营养物质判别224
5.6库湾水华防治的生态调度技术247
5.7小结260
第6章主要成果及创新点263
6.1主要成果263
6.2国内外同类研究的比较269
6.3主要创新点271
参考文献272

精彩书摘

第1章绪论
1.1问题的提出
2011年中央一号文件指出“水是生命之源、生产之要和生态之基”。党的十八大进一步明确了科学发展观的指导地位，强调要统筹人与自然的和谐发展，并把生态文明摆在更加突出的位置，作为“五位一体”总体布局的重要组成部分。水生态文明是生态文明的基础，开展水生态文明建设既是现实的紧迫要求，也是长远的战略任务。党中央、国务院历来高度重视解决水生态环境问题，先后采取一系列重大举措，推动水生态文明建设并取得明显成效。但我国正处于工业化、城镇化加速发展阶段，在经济社会快速发展的同时，水资源短缺、水环境污染、水生态环境恶化等问题日益凸显。这种状况如不尽快扭转，水资源难以承载，水环境难以承受，人与自然难以和谐，大力推进生态文明建设也就成了一句空话。
过量营养物质进入湖库等缓流水体将引起藻类及其他浮游植物快速繁殖，造成水体溶解氧下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的水体富营养化现象。我国湖库水体富营养化的程度和范围呈快速发展趋势，形势十分严峻。湖泊富营养化比例在20世纪70年代、80年代和90年代分别为41%、61%和77%（马经安等，2002）。2007～2010年的湖泊水质调查结果显示，我国85.4%的大型浅水湖泊超过了富营养化标准，其中40.1%为重度富营养化（杨桂山等，2010）。湖库水体富营养化恶化水质，诱发“水质性”缺水危机，降低水资源综合利用效率和安全供水保障能力，极大地削弱了水资源对国民经济社会发展的战略支撑作用；湖库水体富营养化过程中的藻类水华还造成水生态系统结构失衡和功能失调，降低水生生物多样性，严重破坏水生态系统健康。由此可见，湖库水体富营养化是水生态文明建设面临的最大挑战之一，已发展成为我国民生水利和生态水利建设的重点和难点，关乎每个国民的生存基础和生活幸福。
水和泥沙（沉积物）是营养物质如氮磷等输移的核心要素和关键载体。水沙径流作用调控着营养物质从陆域迁移、输送、沉积和进入水体的系列过程。目前，湖库水体营养物质的输移研究侧重探讨水—沉积物—营养物质间的迁移转化以及评价因水土流失和地表径流导致的陆域营养物质负荷测算及输出规律等。这种单一的陆域或水域范围内的研究很难反映湖库水体营养物质空间传输的过程连续性和影响关联性。以水沙径流为纽带，系统研究农业源头区、城郊区域及库（湖）湾水体营养物质的迁移转化，有助于将已有分散的营养物质传输过程机理形成整体认识，填补营养物质从陆域输移进入湖库水域的机理研究缺失，为营养物质管理和水体富营养化综合防控提供理论依据。
水沙径流作用下，营养物质输移呈现出多源特征。除大气沉降外，随着人口数量增加，土地集约化利用和开发程度加剧，难以有效管理的农业源头区泥沙营养物质释放、城郊地区水沙径流形成的面源营养物质排放、库湾养殖水体产生的营养物质输出以及库湾富营养化水体水沙动力作用下营养物质演替过程等逐渐构成了湖库水系富营养化的新型污染源。
目前，农业源头区营养物质研究着重测算农药和化肥流失、畜禽养殖废物及农村生活污水排放，对营养物质赋存和输出的关键载体泥沙缺乏足够关注，忽略了富含营养物质的农业源头区泥沙“源”释放风险及科学防控对策研究。
与农业源头区泥沙类似，城郊水沙径流而产生的面源污染是普遍存在却缺乏足够研究的另一新型营养物质释放源。复杂的土地利用格局导致城郊区域内农业面源和城市面源交错分布，既无法简单界定区域面源特征，也不易划分农业面源和城市面源的边界。研究大量存在的城郊区域水沙径流营养物质负荷输移的时空分布，对湖库水体营养物质输入管理具有重要现实指导意义。
另外，受水产品生产和经济效益刺激，库（湖）湾精细化投饵养殖过程中，残余饵料及养殖废物排放向水体输出大量营养物质，但现有室内机理实验难以揭示天然水体内投饵养殖的营养物质输出及藻类生长影响特征，开展围隔实验将有效填补野外实验研究的空白，揭示库湾养殖水体内饵料溶失规律，以及藻类生长行为与营养物质输出的响应关系。
湖泊富营养化的研究较多，调查显示水库库湾也受富营养化威胁，某些具有浮力和运动能力的藻类及浮游植物，利用自身的优势，过度生长繁殖，形成水华；库湾水华过程中，水动力学因子对水藻的生长起到一定的抑制作用，维持藻类正常生长繁殖的营养元素碳、氮、磷、硫等来自上游及两岸径流水体污染物，影响因子众多且复杂；库湾水体水流状态介于湖泊和河道之间，在很多方面与湖泊有显著差异，其中水库的地形较复杂，水流滞留时间比湖泊要短，水体含沙量相对较高，水库的水位波动较大，这些因素对河流及水库的富营养化研究影响很大，有必要通过原型观测资料分析及数值模拟手段探讨库湾水华爆发的水动力学临界值，以及发展过程中限制性营养物质的动态变化情况。
为缓解湖库水体富营养化危害，有必要在深入认识营养物质的多源输移规律的基础上进行综合防治。农业源头区和城郊区域营养物随水沙径流输出，污染程度低、排污无规律、难以应用成熟的污水处理技术予以收集和集中处理。近年来，以阳光、土壤和微生物组成的生态处理技术在营养物质去除方面极具竞争力，但也存在占地面积大，营养物质去除率不理想等缺点。研究结合农业源头区和城郊区域营养物质输出特征对传统生态处理技术进行改良，研发出的农业源头区污水生态净化技术和人工湿地强化减污技术，能够从源头上将多源营养物质排放统筹管理，获得具有推广价值的湖库水体营养物质生态去除技术体系。
对于库湾养殖水体及富营养化水体，在研究其营养物质运移机理的基础上，通过复杂的环境生态影响因素制约机制研究，基于生态养殖及生态调度，提出系统自相关生态调控技术方案。生态措施是根治大型天然水产养殖水体富营养化的最有效途径，通过系统研究饵料溶失规律和围隔内养殖水体藻类群落组成演替特征，以营养物质释放和藻类总量控制为目的提出的生态养殖技术将成为富营养化水体修复与管理的重要科技支撑。然而，湖库水体富营养化的上述长效防治技术见效慢，针对库湾富营养化水体，在二维和三维水动力场模拟基础上，耦合拉格朗日粒子轨迹跟踪模型和非守恒三维粒子轨迹跟踪模型，在泥沙环境下，针对藻类生长特征，模拟藻类的生态增殖和粒子运动特征，充分运用泥沙的营养物质吸附特性，形成适宜的藻类水华应急调控技术，提出水动力学生态调控方案。
综上所述，以营养物质为主线，以环境泥沙和水动力为环境动力条件，系统研究营养物质在水沙径流作用下的多源（农业源头区、城郊区域、库湾养殖水体和库湾富营养化水体）营养物质迁移转化过程；在此基础上，以营养物质过剩导致的藻类水华防控为目标，分别研究提出基于营养物质多源输入特征考虑的农业源头区污水生态净化技术、人工湿地强化去除技术和库湾生态养殖及生态调控技术。
1.2国内外研究现状
1. 农业源头区泥沙营养物质赋存及释放
农业源头区非点源氮、磷等营养物质流失是导致湖库水体富营养化加剧的主要因素之一。农业生产中过量施用的化肥、未经处理直接排放的村镇生活和生产废水等污染源含有大量的氮、磷等营养物质，它随降雨径流或土壤侵蚀由陆地坡面进入沟渠，并最终汇入河流、湖泊、水库等水体。农业源头区的沟道、坑塘以及村落排水沟等形成的沟渠系统，构成了农业非点源氮、磷等营养物质迁移的重要廊道。随着水环境问题的日益突出，农业源头区沟渠系统在水环境保护方面的作用开始引起关注。近年来，许多研究者逐渐认识到利用沟渠系统截留高负荷氮、磷等营养物质（Palmer-Felgate et al. ，2009；Zhu et al. ，2012）。农业源头区沟渠系统作为农业非点源污染源与受纳水体之间的缓冲过渡带，表现出明显的湿地功效。沟渠截留营养物质的重要机理之一，就是沟渠泥沙能够吸附径流水体中大量的营养物质，降低营养物质的浓度，从而减少进入湖库水体的营养物质含量，保护下游受纳水体。然而，沟渠的这种湿地功效并不完全体现为吸附水体中的营养物质（Palmer-Felgate et al. ，2009；Luo et al. ，2009）。例如，当沟渠泥沙中营养物质的平衡浓度大于水体营养物质浓度时，泥沙则成为水体营养物质的源。因此，农业源头区沟渠泥沙既可能是水体中营养物质的汇，也可能是源（Jarvie et al. ，2005；Zhu et al. ，2012）。
国内外已有研究表明，泥沙理化性质对磷的吸持-释放特性有显著影响（Wang et al. ，2012；Jalali et al. ，2013）。不同类型的泥沙因其理化组分差异而各具特殊性，石灰性土壤对磷的吸附主要取决于Fe、Al氧化物，而与CaCO3含量无关（Harrel et al.，2006）；在Fe、Al氧化物含量高的土壤中，磷解吸模式为幂函数曲线，而在Fe、Al氧化物含量低的土壤中，磷解吸模式为一直线（Li et al. ，2007）。此外，各种形态磷在泥沙中并不是固定不变的。当泥沙自身理化性质或环境条件发生变化时，磷就会发生一系列吸附、解吸及重新结合等反应过程，从而实现不同形态磷之间的转化（Zhu et al. ，2012）。目前国外已有学者利用泥沙对磷的吸附饱和度（degree of phosphorus saturation，DPS）与水体中磷的关系，获取泥沙吸持磷的阈值或临界值（critical value）来评价磷的释放风险（Nair et al. ，2004；Little et al.，2007），并建议采用清淤等方法减少泥沙累积的磷（Nguyen et al. ，2002）或向泥沙中添加铁或铝的化合物（如硫酸铁盐和硫酸铝盐）提高泥沙对磷的吸附容量（Smith et al. ，2005）等方法对沟渠或河流进行管理，但国内这方面的研究报道还极少。
深入了解农业源头区沟渠泥沙对营养物质的吸持-释放作用和正确认识不同沟渠（即不同土地利用方式下的沟渠）泥沙对营养物质的源、汇关系，有助于人们对农业源头区非点源氮、磷等营养物质流失的控制和管理（Zhu et al. ，2012；Jalali et al. ，2013）。但是，目前农业源头区沟渠泥沙对营养物质的吸附-解吸规律方面的研究不多，尤其缺乏对泥沙吸附-释放过程中或干湿交替条件下营养物质形态转化规律及不同土地利用方式下泥沙营养物质释放风险评价的研究。由于研究结果与所在地区的土地利用方式、土壤类型密切相关，不同地区间研究结果差异较大。因此，针对我国湖库水体富营养化控制需求，结合当地土地利用方式和土壤类型，开展农业源头区泥沙对营养物质的吸持-释放特征研究，探明泥沙中营养物质在吸持-释放、干湿交替等过程中的转化规律，确定泥沙中营养物质的释放阈值，明确不同土地利用方式下泥沙对营养物质的源、汇关系，对科学评价农业源头区泥沙营养物质释放风险和优化管理沟渠泥沙十分必要。
2. 农业源头区营养物质的生态拦截和去除
农业源头区污水已成为严重影响水体环境状况的重要污染源。目前，我国绝大部分的天然和人工水体都出现了富营养化情况，由于农业源头区污水处理不当所造成的危害还在日益加重。
与能纳入污水处理厂的城市生活点源污染和工业点源污染不同，农村面源污染并非单一污染源所造成，它往往由多种易扩散的污染源所引起，在农村地区，降雨、积雪融化等形成的地表径流使污染物从污染源头传播，并最终汇入河流、湖泊、天然湿地、地下水等水体中，从而引起水体富营养化或其他形式的污染，对水资源造成很大的危害。
农村地区的主要污染源主要有：未能纳入市区污水干道的农户生活和畜禽养殖活动所产生的污水；农田残留氮磷肥和农药的渗透、淋溶；未收集、随意堆放的各种垃圾；大气中的污染物的尘降、机动车辆排出气体中的油类物质和颗粒等。农田排水中的营养物质一部分在排水渠内被滞留去除，一部分继续通过排水进一步迁移，这部分营养物质可通过城郊人工湿地强化去除（Dordio et al.，2013）。除农田排水外，农户污水随意排放是造成农村营养物质污染的主要原因。在农村地区，农户房舍分布较为分散，农户污水不易集中，农户污水往往不能被纳入污水处理厂等集中式的污水处理系统，另外，农村经济水平相对落后，居民环保意识相对较差，农户污水往往不经处理或只经简单处理直接（如传统的化粪池处理等）排放，给周边环境带来了很重的污染负荷（李无

前言/序言

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