环境修复工程第9章-污染湖泊水库环境修复工程

而引起更大范围的水体运动。而水体沿风向
的运动会引起下风向水体的堆积或者称为局
部“壅水”。这种水体局部堆积产生重力梯
度，导致底层水体逆向流动。因此，风成流
实际上具有双向大范围的传质搬运特征，对
水体和污染物的平面分布有着重要作用。图
9-2描述了太湖水动力学流场，呈现环流形
态。风成流以风浪的形式还影响水体垂直方
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
而形成重力梯度。重力梯度与惯性力合在一起形成了湖泊水库内的局部推流，
自入湖口向内呈扇形分布；风生流是由水面上的风力引起的，是水流的主要
动力。风力产生的摩擦力直接带动约3m深的水层流动，间接带动整个水体的
循环。相关的参数包括水面风场、风应力系数、温度场、水底摩擦阻力系数、
水体水平和垂直方向的扩散系数等。由此，风力场受许多因素的影响，包括
一些因素例如突然一场冷雨可能会扰乱水的分层，而和煦的阳 光可能恢复水分层。在比较浅的湖泊水库，水分层和乱层循环可能交 替发生。在分层时，氮磷从底泥中释放，而在乱层时，释放的氮磷通 过循环比较快地进入表层，可能加快了富营养化现象。
图9-3描述了湖泊水体分层中 温度和溶解氧沿深度方向的分布 状态。可以发现，表层温度和深 层温度都比较稳定，而中间温度 过渡比较大，温度相差15℃以上 。相应地，在深层水体，溶解氧 被逐渐消耗，但是由于分层而得 不到及时补充，溶解氧降为零。
因此，当水体发生分层现象时，需要紧密监测水体质量和生态 系统，并采取可能的措施避免水体分层现象的形成。
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9.1.3湖泊水库水质化学
水质（water quality）是决定湖泊水库水体所有其他一切功能的基础。 水体主要成分包括无机金属和非金属物质例如硅、铝、铁、锗、钙、镁、钠、 钾、硫、氯、氟、硼、氮、磷和氧等，重金属例如铜、汞、铬、镉、铅、镍 等，有机化合物包括天然的腐殖质和人工合成的各种有机化合物，颗粒态悬 浮物和底泥以及微生物等。各种物质组分之间相互作用，形成了复杂的水质 化学。
局部地形地貌、下垫面非均匀性、太阳辐射场．具有非常大的不确定性，是
水 流 动 力 学 研 究 2020年11月3日5时13分 的 难 点 。
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风成流对湖泊水库水体混合和传质具
有重要的影响。风成流是由风对水面的摩擦
力和风对波浪背面的压力作用引起的。风力
首先引起表层水运动并带动次层水运动，从
在风力比较小和水体比较平静的状态，温度沿水体深度分布存在着温跃现象， 水体呈现分层现象，垂直方向的传质受到抑制，形成了一年一度中具有周期性特征 的温度循环和水体分层现象。
在夏未秋初季节，水体上层受太阳辐射，温度比较高，而密度比较轻，形成自 我不断循环的水层(称为Epilimnion)；而底部深层水(＞7～10m)温度比较冷，密度 比较重，形成相对静止的水层(称为Hypolimnion)；在两层之间是一层温度变化比较 剧烈的水层，称为变相层(称为Metalimmon)，又称为“斜温层”(Thermocline)。
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一般，根据水深可以大概判断湖泊水库的水体分层状态。当水 深小于10m时，水体中难以形成长期稳定的分层，即使某一特定时 间内形成一些分层，也非常脆弱，非常不稳定，风或者其他因素的 作用很容易破坏这种弱分层，使水体混合。随着水体深度增加，分 层也越来越稳定。当水深大于30m时，水体通常会形成长时间的比 较稳定的分层。而当湖泊水库的水深位于l0～30 m之间的范围，用 于弱分层，容易形成分层，也容易受到风力、气温等因素的影响。 具体的水体分层现象和温度分布可以采用相关的数学模型进行计算 和预测。
4.水团运动
湖泊水库中水体在多种因素的推动下，形成不同形式的流动。主要划
分为密度流、吞吐流(又称为倾斜流)和风生流。密度流是由于水体温度分布
不均匀所导致的密度不均匀引起的；吞吐流是湖泊水库与河道相连的出、入
流所延伸的湖泊水库内部的水流。河流径流速度比较大，因此，当河流汇入
湖泊水库时，由于惯性力而形成对湖泊水库水体的冲击，同时由于水量堆积
1.水来源
流域降水、汇流是湖泊水库水的主要来源。水量与流域降水的 强度、范围和汇流过程紧密相关。入湖径流水量的计算分为两类：
①通过各级河流汇合进入湖泊，可以在河口设置观测站，实际测量；
②激流，即沿湖泊周围陆地分散进入湖泊。除此之外，还有湖面降水，
是降雨水深与湖面面积的乘积，可以不考虑水量损失。在缺乏实际监
湖泊水库分层的另一个后果是导致生态失衡，喜欢深水的鱼因 缺氧而被排除在外，导致食物链下层的动物进一步生长；鱼类被排 挤在浅水层，不得不以藻类为食的微型动物为食，导致该类微型动 物数量减少，失去了对藻类生长的控制，导致藻类快速繁殖。
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从呈厌氧状态的湖下层抽取饮用水往往含有比较高浓度的铁和锰 和各种挥发性的有机物，导致水呈现严重的嗅味和颜色等。
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湖泊一般都是天然形成的，而水库一般是在河流水系基础上人为 设计和建造的。图9-1比较了江苏太湖和北京官厅水库的平面形态，可 以发现官厅水库具有河流的形态特征。相对比较来说，天然湖泊水深 比较浅，而水库通过建造水坝形成，水深度比较大。水库通常具有更 大的流域面积．比较大的水面面积，更深的平均和最大深度，比较短 的水力停留时间，水体流动形态相差比较大。这些不同之处都会影响 到其水体修复技术和措施的选择。
在我国大型湖泊中，太湖、巢湖和滇池是污染最严重的三个， 国家环保总局实施了“三湖”治理专项计划。
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9.1.2湖泊水库水动力学
水动力学(Hydrodynamics)过程决定着水体内部各种物质和能量 的输移转化过程，在很大程度上决定着水质的宏观变化过程，是研究 和掌握湖泊水库水质变化规律的关键之一。
在冬春季节交替时，湖泊表层水体温度随着气流温度的上升而 首先上升，当温度达到4℃左右时，表层水体密度大于深层水体密度， 由此又导致表层水下沉，而深层水上浮，发生垂直方向的混合传质, 俗称“翻底”现象。每次发生这种现象，都会将深层污染物携带至 表层，导致水质下降。
春天频繁的刮风和夏季猛烈的降雨是破坏湖泊水库水体分层现
向的混合。风浪是风力作用与水面而产生的
水团周期性振荡起伏运动，引起水体在垂直
方起水体在垂直方向运动迁移和混合。这种
现象对于浅层 2020年11月3日5时13分
湖
泊
影
响
非
常
显环著境修。复工程
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5.水体分层 温度是影响水动力学的一个重要参数，通过各种途径影响湖泊水库的物理化学
和生物过程。水体温度是热量平衡的结果。热量输入来源于太阳辐射，约占90％以 上，其余来自底部热量等。热量的散失有三个途径：水面热反射，约占30％；蒸发 ，约占45％～75％；以及对流，引起部分传导热量损失。
6）水库（Reservoir），人造的湖泊，而规模较小的则称为水塘、 塘坝和蓄水池。一般的形成方法是在河流的中上流建造堤坝，河 水把河谷淹没后便形成水库。不过也有的水库是建于海上的，例 如香港的船湾淡水湖。水坝一般都建于狭窄的谷地，因为两岸的 山坡可以作为水库的天然围墙，而水坝的长度也可大大缩短。兴 建之前，将被水淹地带的民居和古迹需要被移到其他地方。
湖泊的形成、演化成熟直至最终死亡，是在一定环境地质、物理、化 学和生物过程的共同作用下完成。因此，湖泊类型和湖泊环境表现出显著的 地域特点。世界湖泊根据湖盆成因分类主要有如下几种：
1）构造湖，地壳活动形成的构造断陷湖通常规模和水深较大，如美国大湖 区的形成与地质构造活动有关；俄罗斯的贝加尔湖、我国云南的洱海和泸沽 湖等也是典型的构造断陷湖。
测资料的情况下，一般对入湖径流量进行估算。
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2.水量动态平衡
湖泊水库容量常用容积表示，表示能够容纳水量的多少。影响 湖泊水量的因素包括；降水和蒸发，汇流和出流，地下水补给和抽取， 人为取水和排水等，用以下公式表示。
3.吞吐量
湖泊水库吞吐量一般用水力停留时间或者换水周期表示。水力 停留时间指汇流水在湖泊水库中的平均滞留时间，而换水周期表示湖 泊水库水量吐故纳新一次平均所需要的时间。
输入湖泊水库的热量首先被表层水体吸收。根据观察，在静态条件下，深度1m 的表层水体吸收了约80％的辐射热量，仅仅约5％的辐射能够达到5m的深度，1％的 辐射能够达到10m深度。因此，在太阳辐射条件下，表层水体温度迅速升高。在实际 湖泊中，还有各种因素影响温度变化，主要因素有风力、汇流、季节、水密度引起 的重力流等。水体温度日变化能够达到20～30m深度。
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到秋冬季节交替时，湖泊表层水体温度容易迅速下降。当表层 水体温度下降到4℃左右时，水体密度最大。此时表层水体密度大子 深层水体密度，导致表层水下沉，而深层水上浮，发生垂直方向的 混合传质。
在冬季,表层水由于受寒冷气流的影响，温度比较低，小于4℃， 而密度反而比较轻，形成稳定表层水体；深层水由于没有与气流交 换热量以及底部深层的保温作用，湿度相对比较高,密度比较大，形 成稳定的深水层，从而形成冬季水体分层现象。
2）火山湖，火山成因的湖泊规模相对较小，但水深较大，如我国的五大莲 池。
3）壅塞湖，如岷江上游形成的诸多海子，云南程海也是断陷构造与地震滑
坡共同形成的。
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4）冰川湖，阿拉斯加和加拿大有大量在现代冰川作用形成的湖 泊。
5）河流成因的湖泊，这类湖泊的亚种比较多，主要又分侧缘湖、 泛滥平原湖、三角洲湖和瀑布湖等，我国长江中下游的大量湖泊 均属于此类。
溶解性污染物的浓度在很大程度上依赖于湖泊水体的交换和稀
释过程。因此，湖泊水体平均停留时间的倒数又称为“水力冲刷率”
或 者 “ 水 体 交 2020年11月3日5时13分 换 率 ” 。
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另一方面，汇流携带流域污染物包括泥砂和悬浮物质，在入湖时由于 过流断面突然扩大而流速变缓，其所携带的颗粒物质发生沉降；而出流将湖 泊中的物质例如营养盐、浮游植物及其悬浮碎屑等携带出湖泊。因此，由入 流和出流的水质可推算湖泊污染物或者营养盐的累积量。湖泊水量的变化往 往伴随着湖泊水面面积和水体深度的变化。
象 主 要 因 素 。 2020年11月3日5时13分
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水体分层现象(Water body-layering phenomenon)会加剧藻 类的繁殖生长。对于富营养化的湖泊水库，底泥中高浓度的有机物 (可能来自藻类和植物的腐烂或者外部排入的污染物)为深层水的细菌、 真菌、原生动物以及一些无脊椎动物提供了食物和能量。这些生物 的代谢呼吸将消耗储存在深水层中的氧气，并释放原先与有机物结 合在一起的N和P营养元素。当深水溶解氧被消耗尽时，底泥中的营 养物质，例如磷将从其与氢氧化铁络合状态中释放出来，深水层污 染物质浓度将不断增加，称为“内源性负荷”，最终通过扩散或者 循环进入表层水，支持藻类的生长。在外部负荷比较小的情况下， 内源性负荷就成为主要的富营养化诱因。
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但是，湖泊和水库有着许多相似之处。例如，其生物过程和一 些物理过程是类似的，具有相同的动物群落(Fauna)和植物群落 (Flora)，两者都可能发生分层现象，其富营养化现象也是雷同的。
我国是世界上湖泊水库数目最多的国家之一。全国大小湖泊共 计24880个，总面积达到83400km2，其中水面面积大于1km2的天 然湖泊2759个，大于10km2 的湖泊656个，大于50km2的大中型湖 泊占全国湖泊总面积的79.84％，小型湖泊的面积仅占20.16％。同 时，我国大中小型水库达到84000余座，总容积达到4130亿m3，是 湖泊蓄水量的2倍。我国湖泊水库水资源总量约6380亿m3，占全国 城镇饮用水水源的50%以上，城市供水的80%以上依靠湖泊和水库 提供。
第9章 污染湖泊水库环境 修复工程
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目录
9.1 湖泊水库水环境 9.2 污染湖泊水库水环境修复概述 9.3 污染湖泊水库环境修复工程
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9.1湖泊水库水环境
9.1.1湖泊水库的概念
湖泊（Lake）是指陆地表面洼地积水形成的比较宽广的水域。现代 地质学定义：陆地上洼地积水形成的、水域比较宽广、换流缓慢的水体。汉 语定义：湖与泊共为陆地水域，但湖指水面有芦苇等水草的水域，泊指水面 无芦苇等水草的水域。