大型通江湖泊河-湖两相判别及水质监测评价优化方法

第1章 绪论 1.1通江湖泊基本概念与特征 水是人类及动植物赖以生存的必不可少的物质资源，同时也是工农业生产、社会经济发展和生态环境改善不可替代的极为宝贵的自然资源。从数量上看，地球上的水量是非常丰富的，地球表面积为 5.1亿 km2，水圈内部水体的总储量约13.86亿km3。海洋总面积约 3.61亿 km2，占地球表面积的 70.8%；海水储量为13.38亿km3，占全球水总储量的 96.5%。陆地总面积约为 1.49亿 km2，占地球表面积的 29.2%；陆地水储量仅为 0.48亿 km3，约占全球水总储量的 3.5%[1，2]。在地球总储水量中，咸水约占 97.47%，淡水约 0.35亿 km3(含盐量.1g/L)，占 2.53%。淡水中有 69.56%为固体状态，大部分存在于两极冰川与雪盖、高山冰川和永久冻土层中，难以利用；其次为地下水，占淡水总量的 30.1%，主要分布在地面至深度 2000m的地壳中；其余为湖泊、沼泽、河流中的水 [3，4]。 全球可利用的淡水总量不到全球总储水量的 1%，这部分淡水与人类的关系昀为密切，具有极其重要的社会、经济和环境价值 [4，5]。水的分类方案很多，根据研究任务、目的的不同，采取的方案也有所区别，如按水的存在形式可分为气态水、液态水和固态水，按照水中的含盐量又可分为咸水、半咸水和淡水，按天然水所处的环境又可分为海水、大气水及陆地水。水体是指河流、湖泊、水库、沼泽、海洋以及地下水等水的聚积体，按类型可以分成陆地水体和海洋水体以及地表水体和地下水体。在环境学中，水体不仅包括水本身，还包括水中的悬浮物、溶解物质、胶体物质、底质和水生物等，水体是一个完整的生态系统或完整的自然综合体。 1.1.1通江湖泊的定义与分布 通江湖泊指与河流相通、有江河水自由入湖或湖水自由入江河的湖泊。与此相对应的是阻隔湖泊，即由于大坝、堤坝、水闸等修建，湖泊与江河间的水不能自由流动的湖泊 [6]。通江湖泊可分为完全通江湖泊与部分通江湖泊，完全通江湖泊 (图 1.1)是指江水自由入湖并自由出湖的湖泊，部分通江湖泊 (图 1.2)是指有江水自由入湖、湖水自由入河流的湖泊或河水自由入湖、湖水自由入江的湖泊。 图 1.1完全通江湖泊示意图 图 1.2部分通江湖泊示意图 长江中游是中国湖泊昀为集中的区域之一，湖北省曾有“千湖之省”之称。长江两岸的绝大多数 10km2以上的湖泊为通江湖泊，数量超过 100个，其中湖南约 20个，湖北近 40个，江西、安徽约 10个[7，8]。但现在除了我国的两大淡水湖泊鄱阳湖和洞庭湖，其他通江湖泊与长江的自然联系几乎已全部被切断。 1.1.2通江湖泊环境特征与问题分析 1. 水资源特征 通江湖泊与长江相通，江水倒灌是通江湖泊的典型特征，具有调蓄长江洪水、维持湖泊水位、保障湖泊区水资源利用安全、促进洲滩湿地生态演变等功能。通江湖泊季节性水位波动的变化更趋复杂，长江中游来水对鄱阳湖水位变化起到了决定性的作用。通江湖泊具有复杂的水沙交换过程和输移交换规律 [9，10]。 2. 水环境特征 通江湖泊内部污染物质的输移过程和湖泊水环境容量易受长江和三峡水库的影响，在特定的条件下可能导致通江湖泊局部水体环境质量恶化、富营养化加重和藻类水华暴发，同时这些变化又反过来影响湖泊湿地植被生长和发育，改变湿地水动力、水质净化能力和珍稀候鸟栖息地生境等。有研究表明，洞庭湖水文情势的改变导致枯季水环境容量上升，而洪季水环境容量则有所下降。三峡水库蓄水期，鄱阳湖因大量湖水注入长江，湖口水位降低，湖泊水量的减少降低了水体自净能力，导致水质下降；三峡水库泄水期，江水对鄱阳湖湖水出流顶托加重，延长水滞留时间，增加入湖污染物滞留，可能引起水质下降。此外，长江倒灌鄱阳湖带来的泥沙也影响了鄱阳湖水体的透明度。 3. 生态系统特征 通江湖泊孕育了大片生机勃勃的湿地，具有丰富的生物多样性，与长江急流水域相比，通江湖泊保持了缓流或者静止水体的环境，使一些鱼类在急流中产卵，到静水中育肥和避难，为许多洄游或半洄游性鱼类提供“三场一道” (索饵场、繁殖场、育肥场和洄游通道 )。这种静与动兼具的水环境，构成了长江中下游特有的生物多样性。鄱阳湖和洞庭湖都是吞吐型湖泊湿地，都具有“洪水一片，枯水一线”的特点，枯季大片滩地及浅水区是国际重要的越冬候鸟栖息地，是全球生态系统重要的环节之一。通江湖泊水位的季节性涨落会影响湿地植被的类型、分布范围及演替，同时还会影响候鸟栖息地的面积和空间分布 [11]。 4. 问题与研究难点 江湖关系变化将改变江湖水文情势，进而直接影响江湖防洪、水资源供给、水环境及水生态的安全，维系江湖两利的健康江湖关系是长江中游江湖关系研究的根本目的，而江湖关系健康评价指标体系的构建和指标健康阈值的确定又成为江湖关系研究的一个难题。传统湖泊水安全评价较多考虑湖泊本身的水位、流量等特征指标，较少考虑水环境和水生态指标，更没有涉及这些水安全指标与相关水情要素变化的关联。就湖泊水环境和水生态安全评价方面，长江中游两湖复杂湖泊水文水动力条件与水环境水生态的关系研究尚未开展。其他区域的研究表明，湖泊水体营养状态指数和营养盐滞留系数是受水文情势和水动力学条件影响的、反映湖泊水体富营养化的重要指标。 1.1.3通江湖泊研究内容与意义 迄今为止，针对通江湖泊开展的水环境保护研究仍处于较初级阶段。万荣荣等[8]针对长江中游通江湖泊江湖关系当前研究现状和存在的问题，提出研究江湖关系表征指标体系是正确认识江湖关系的前提，但未涉及其水环境、水生态保护方面的研究内容。王华等 [12]针对滨江水体的环境特征，对其水环境容量及生态环境需水量进行定量计算分析，虽取得了一定研究成果，但尚未提出水体生态环境保护的系统理论与措施。陈永泰等 [10]对我国湖泊流域水环境保护现状进行调查并进行展望，但未提出湖泊水环境保护具体措施。 通江湖泊水体所面临的水资源、水环境、生态系统及城市景观生态等各方面的问题并不是单独存在的，其内部相互影响、相互制约，寻找科学有效的技术方法，系统并全面地解决通江湖泊水体的系列性问题是研究的难点。通江湖泊水体与外域大江、大河的水量交换在季节上存在严重的不均匀性。在水质相对较好的丰水期，外域水体的水量补给有利于改善湖泊水体水质，但由于来水含沙量较高，过多的交换水量会导致湖泊水体泥沙淤积，降低水体透明度，影响城市生态景观；而在泥沙含量相对较低的枯水期，泥沙淤积问题有所减缓，但由于交换水量较低，水环境容量不足，水体水质恶化严重，无法达到水质要求。所以，通江湖泊与外域大江、大河相通，是水环境改善的重要保障，需要解决的问题首先是通江湖泊水体与外域水体之间水量、水质与泥沙三者的平衡问题，使这一平衡点达到既满足水质要求，又能昀大限度地减少泥沙淤积的目的；其次是大水位变幅条件下的生态修复问题。水质污染、泥沙淤积以及过多的人类活动干预等加剧了通江湖泊水体生态系统结构与环境功能的进一步退化。实现通江湖泊水体的生态修复，维持其健康、稳定的生态系统非常重要，而通江湖泊水体特殊的地理位置导致其水文特征尤其是水位条件复杂多变，增加了生态修复的难度。 关于通江湖泊水体水环境保护的研究尚未形成系统理论，要解决通江湖泊水体所面临的系列性问题，今后应着重开展以下几方面的研究：①水污染控制技术研究。工业的迅猛发展、人口数量的不断增多，大量的生活和工业污染源排入湖泊水体，引起了水质恶化、藻类暴发、生态系统破坏等一系列问题，所以水污染控制技术研究成为通江湖泊水体研究的主要任务之一。②生态修复技术研究。由于特殊的地理位置，通江湖泊水体是一个比较脆弱的生态系统；水质恶化、泥沙淤积以及人为干预较强等使得湖泊水体生态系统受损严重。针对通江湖泊水体的系统特征，提出有效可行的生态修复技术方案，对退化的湖泊水体生态系统进行修复，使其回到健康正常状态，也是通江湖泊水体研究的重要任务。③水量调控技术研究。该研究主要包括两个方面，首先是通江湖泊水体水量、水质、泥沙平衡关系的研究。水量、水质、泥沙之间是相互影响、相互制约的，掌握三者的相互平衡关系是形成有效的工程技术并综合解决水体各方面问题的重要理论基础。其次是满足平衡关系的水量调控工程技术研究。由于外域水体的水文情势时空变化复杂，基于平衡关系形成可操作并具有一定普遍性的水量调控工程措施非常重要。④长效管理技术研究。研究所形成的工程技术措施有利于解决水体的水质污染、泥沙淤积、生态系统破坏等一系列问题，然而在这些技术措施运用后，通江湖泊水体的水资源、水环境以及生态系统等各方面特征都会有所变化，如果没有合理科学的长效管理技术，技术措施的正面效益有可能得不到充分体现，甚至会给湖泊水体带来一些负面影响。所以，满足长效管理的工程技术研究，是维持滨江水体健康、可持续发展的重要保障 [13-15]。 1.2 湖泊河-湖两相判别研究意义和方法 1.2.1湖泊河-湖两相判别的意义 按照水文水资源学的定义，河流是由一定区域内地表水和地下水补给，经常或间歇地沿着狭长凹地流动的水流。河流昀明显的特征是它自然地向下游流动，湖泊的流速通常比河流小得多。河口虽然与河流的流速大小相当，但是受潮汐的影响，河口处水的流动是双向的。河流在流域中充当汇还是源的作用取决于时间与河流的位置。支流是指流入一个更大的水体的河流或者溪流，这个水体可以是河流、湖泊或者河口。流域指的是河流的干流和支流所流过的整个区域。河流及相应的支流通常只占据总流域中较小的一部分，它们像排水系统一样向下游输运水、营养物质、泥沙和有毒物质，通常是流向河口或者湖泊。 随着时间推移，河流的特征随着人类活动、气候和水文条件的变化发生显著的改变。其中，河流在形态、水动力与生态学特性上变化巨大，如河流坡度、宽度、深度、流量、流速、水温、携带的营养物质和富营养化过程等。河流多种多样，既有深而缓的河流 (如美国的密西西比河 )，也有浅而急的河流 (如中国台湾的淡水河)。台湾作为海岛，地势中部高、四周低，平原面积较小，以山地丘陵为主，河流流程短，落差大，多浅而急。 湖泊的水动力作用与海洋有些类似，主要表现为波浪和岸流作用，小型湖泊通常缺乏潮汐作用。风力的影响下，湖泊的表面可形成较强的波浪，称为湖浪，通常湖浪基面深度不超过 20m。湖浪作为一种侵蚀和搬运的地质营力，在滨湖地区表现得较为明显。湖浪与湖岸斜角所形成的沿岸流形成各种侵蚀地形和沉积砂体，如浪蚀湖岸、沙坝、沙嘴、堤岛等 [16，17]。 湖泊与河流昀主要的区别是水流的速度不同，湖泊中水流的速度要小得多。河流的快速流动性形成了在垂向和横向均匀混合的廓线和向下游的快速输运，湖泊中相对较深、流速较慢的水则会有垂向分层和横向变化。湖泊易形成季节性及年际性蓄水，上下游的双重影响形成了湖泊独*的水情特征，水体长时间的停留使得湖水及沉积床的内部化学生物过程显著，这些过程在流速较快的河流中则可以忽略。湖泊和河流的水质监测评价体系是不一样的。通江湖泊汛期高水位时，呈湖泊形态，湖面面积、库容及水体自净稀释能力显著增加，大多数监测点水质较好；枯水期低水位时，湖面缩小、在流速及形态上体现出河流特征，若仍按照湖泊水质评价标准评价该状态水质，多数监测点水质指标会出现较差的结果，而相同点位若运用河流水质标准评价，其水质评价结果可提升 1～2个等级。部分通江湖泊枯水期湖相特征不显著，水文特征异于一般湖泊，应用湖泊水质标准评价枯水期水质，严重制约了湖泊水资源管理及后续的流域环境规划与污染负荷削减分配研究，其科学性、合理性有待研究。国内外针对通江湖泊“一湖两标”的水质评价体系研究尚不多见，河-湖两相判别 (图 1.3)研究成果可为类似通江湖泊水质评价提供参考，并为建立完善的通江湖泊水环境保护理论体系奠定重要基础。 图 1.