【摘要】：再生水作為一種穩(wěn)定的再生水源,在維持河湖景觀、恢復(fù)河湖生態(tài)等方面發(fā)揮了重要作用。然而,再生水大量補(bǔ)充城市河湖水體必然引起其水質(zhì)水量快速變化,在高度城市化、人工化背景下對城市水環(huán)境和水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生顯著影響,如植被等生物特征的改變。本文以北京市再生水補(bǔ)水典型河段(清河、北小河、壩河、通惠河)和湖區(qū)(奧林匹克公園)為研究對象,通過野外監(jiān)測和資料分析,探討水質(zhì)時(shí)空分布和變化規(guī)律,并利用遙感技術(shù)提取地表環(huán)境信息,結(jié)合實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù),研究區(qū)域發(fā)展和環(huán)境變化對水質(zhì)時(shí)空變異的影響機(jī)制；在綜合分析再生水補(bǔ)水河湖水質(zhì)特征和環(huán)境背景影響因素的基礎(chǔ)上,通過野外監(jiān)測和室內(nèi)控制實(shí)驗(yàn),研究再生水補(bǔ)水與植被的相互影響關(guān)系,建立生態(tài)響應(yīng)模型,揭示再生水與生態(tài)環(huán)境作用機(jī)制,據(jù)此提出北京市再生水補(bǔ)水河湖生態(tài)環(huán)境恢復(fù)對策。本文研究結(jié)論如下： (1)北京市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、水資源短缺而污水處理設(shè)施建設(shè)滯后是造成城市水環(huán)境惡化的重要原因。水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)間序列分析表明：時(shí)問上,再生水補(bǔ)水河湖水質(zhì)以2008年最優(yōu),多數(shù)再生水補(bǔ)水河段水質(zhì)從2005年后呈明顯改善趨勢,主要污染物得到削減；空間上,與郊區(qū)河段相比,城區(qū)再生水補(bǔ)水河段水質(zhì)較好,水環(huán)境質(zhì)量顯著提高。 (2)2011年野外水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：再生水補(bǔ)水河段屬于嚴(yán)重污染級別(劣V類)。主要超標(biāo)指標(biāo)為TN,是導(dǎo)致水質(zhì)惡化的首要因子；不同河段相比,北小河水質(zhì)明顯劣于其他河段,通惠河水質(zhì)最好,再生水補(bǔ)水水質(zhì)和利用量是造成該結(jié)果的重要原因。再生水補(bǔ)水河段TN、NO2--N、NO3--N、COD、TP、NH4+-N這6個(gè)水質(zhì)指標(biāo)中,除TN、NO2--N外,均與季節(jié)相關(guān)性顯著。采樣點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)的空間自相關(guān)性不大,受局部控制因素影響(人為因素)。再生水排水對COD和NH4+-N含量降低有顯著作用。除北小河排水口外,其他河段再生水排水口大部分水質(zhì)指標(biāo)較上游采樣點(diǎn)相對較好或者基本持平,再生水的補(bǔ)充對河道水質(zhì)有明顯的改善作用。水體含氮水平、有機(jī)物水平、含磷水平、含鹽水平以及不確定因子共同影響著再生水補(bǔ)水河段的水質(zhì)。整體上,研究區(qū)水質(zhì)表現(xiàn)為成分復(fù)雜、濃度高、人為干擾明顯的特征。相比再生水補(bǔ)水河段,再生水補(bǔ)水湖泊水質(zhì)較好。2010年奧林匹克公園南園濕地水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果表明,除TN外,多數(shù)指標(biāo)均值達(dá)到Ⅲ類地表水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)呈現(xiàn)較為明顯的季節(jié)變化。再生水經(jīng)再生水處理區(qū)和循環(huán)湖水處理區(qū)的濕地植被和微生物作用之后到達(dá)氧化塘,水質(zhì)明顯改善,但是依然處于中等富營養(yǎng)化狀態(tài)。 (3)影響再生水補(bǔ)水河湖水質(zhì)的環(huán)境背景因素除了土地利用外,還包括不透水面蓋度、河道渠道化、人工閘壩等。大部分水質(zhì)指標(biāo)(COD、TP、TN、NO2--N)與近岸邊帶尺度環(huán)境背景因素的相關(guān)關(guān)系要好于其與遠(yuǎn)岸邊帶尺度環(huán)境背景因素的相關(guān)關(guān)系�？紤]空間距離權(quán)重的影響可以增強(qiáng)對水質(zhì)空間特征的理解。 (4)奧林匹克公園南園濕地蘆葦和香蒲的葉綠素含量、地上鮮生物量、全氮、全磷指標(biāo)呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化。氮磷含量分布的季節(jié)差異是氮素、磷素在植株內(nèi)各個(gè)器官分配和轉(zhuǎn)運(yùn)的綜合結(jié)果。蘆葦和香蒲的生物量隨水中營養(yǎng)物質(zhì)含量的增加而增加,其體內(nèi)氮磷含量與水體營養(yǎng)鹽濃度存在一定的相關(guān)性,蘆葦和香蒲對不同水處理區(qū)氮磷營養(yǎng)鹽的去除發(fā)揮重要作用。不同季節(jié)和不同蓋度的蘆葦和香蒲冠層反射率不同,不同再生水處理區(qū)的蘆葦和香蒲的反射率高低有明顯差異。利用蘆葦和香蒲光譜,應(yīng)用多種統(tǒng)計(jì)回歸方法預(yù)測水體TN含量和葉片TN含量,建立光譜指數(shù)模型,SMLR模型和PLSR模型3種關(guān)系模型,并通過交叉驗(yàn)證決定系數(shù)和均方根誤差對模型精度進(jìn)行檢驗(yàn)。結(jié)果表明,同單變量回歸模型相比,多變量回歸模型的精度較高,其中偏最小二乘法所建模型最優(yōu)。模型建立時(shí)不僅要考慮建模方法,還要兼顧植物類型和其他環(huán)境因子的綜合影響。 (5)利用水培蘆葦進(jìn)行氮的室內(nèi)控制實(shí)驗(yàn)。不同N濃度處理下,隨著N濃度的升高,蘆葦高度、葉綠素含量、各器官生物量和N貯量均呈現(xiàn)上升趨勢,有效N的增加促進(jìn)了各器官生物量的積累。根系N濃度和葉片N濃度具有顯著相關(guān)關(guān)系。不同N營養(yǎng)水平蘆葦光譜原始反射率和一階導(dǎo)數(shù)在可見光波段和紅邊區(qū)域有明顯表現(xiàn),且不同N梯度的光譜存在一定的差異,這與N影響下的蘆葦葉綠素含量水平不同有關(guān)。PRI和CI指數(shù)是建立植物光譜與N梯度關(guān)系以及植物光譜與理化參數(shù)關(guān)系的良好高光譜指數(shù)形式。 通過以上研究結(jié)論提出：加快再生水處理廠建設(shè),保證再生水出水水質(zhì),加大再生水回用量,降低人為因素的負(fù)面影響,建立良好的植物水質(zhì)凈化體系,發(fā)揮遙感優(yōu)勢,加強(qiáng)監(jiān)測與管理是北京市再生水補(bǔ)水河湖生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的有效途徑。本文研究成果能夠?yàn)樵偕a(bǔ)水河湖的監(jiān)測、管理以及生態(tài)恢復(fù)提供一定的科學(xué)依據(jù)和參考借鑒。
【學(xué)位授予單位】：首都師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：X703

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2648873