段浦河水系统污染治理的生态治理研究报告.doc

段浦河水系统污染治理的生态治理研究报告上海市吴淞中学：徐晓菲李胤指导老师：上海市吴淞中学张治 前言：这项科技方案参加了2000年全国中小学生环保论文方案设计评比，荣获中学组第一名。我们把它展示给您，想告诉你一个简单的科学研究的大致流程，同时，我更想告诉我们那些充满才智和灵感的青少年朋友们，科学研究，其实就这么简单！：所有的研究都是从问题开始。问题从那里来？睁大眼睛看看，竖起耳朵听听，拍拍脑袋想想，生活中到处充满着问题，那么，随时记下你的问题吧！爱因斯坦曾经说过：发现问题比解决问题更重要！一、方案设计、问题的提出：段浦河是上海市宝山区近蕴藻浜和共和新路交界处的一条小河，西连东茭泾（小河名），东达西泗塘（小河名）（地理位置见图）。据附近的老居民说，这里在七、八十年代时，水清草绿，景色宜人，人们在河里淘米洗菜、游泳钓鱼。近年来由于市政建设用地，河的大部分被填平，结果在呼吗新村和通河新村周围留下几个小型池塘。大的六、七亩，小的不到一亩。由于缺乏管理，水生植被被破坏，加之大量生活污水的流入，使水中营养盐、有机物急剧增多，浮游植物大量繁殖，水质恶化，发生过水华。鱼类及其它水生动物大量死亡，发生过河水发黑发臭等污染事故。、问题来了，接下来就对问题提出假设，或者制定研究计划我们根据所学的生态学原理知道，这种现象的产生一定是食物链不畅通，湖泊生态系统的平衡被打破的原因，这是否就是许多环境保护者常说的湖泊富营养化问题哪？、资料的搜集与整理，这些使你对问题有深入了解湖泊的富营养化是一个世界性的环境问题。其所造成的严重生态后果和经济损失，已经引起世界各国的关注。我国于1984年在北京召开第一次全国湖泊富营养化学术讨论会，许多专家提出了诸如控制和处理点源污染和面源污染，处理内源污染等转移污染源、稀释、扩散的方法，这当然是必要的，然而，问题远没有根本解决。调水、挖泥、投化学剂，生物调控等方法常常遇到需要大量资金投入，效果不明显、见效慢、时效短，良性生态系统难以持久稳定等一系列问题。对于我们周围的这些小水体，当然不会有太多人注意，更谈不上花大量的金钱和精力去治理她，如何最高效地使这些湖泊由浮游藻类占优势的混浊状态恢复到草绿水清的清水状态呢？为了降低成本、提高防治效率，发挥生态学控制在环境整治中的巨大作用，我们决定在湖泊中重新建立一个生态系统，即通过引种沉水维管植物（我们不妨形象地称之为水底绿化工程），尝试富营养化治理的新思路。吴淞中学生物环保社团成立于己于1997年8月。在成立之初，我们就提出热爱环境、创建优美环境，从我做起，从身边小事做起的口号。于是，我们就开始了一年多的研究工作。此后不久，我们与华东师范大学生物系周忠良博士取得联系。周老师对湖泊富营养化问题颇有见解，他了解到我们的想法后就与我们进行了全面合作，对我们的社团成员进行了耐心的指导。在我们的研究工作中，上海市环境科学院的殷浩文研究员曾经热情地提供了许多仪器，并给予了不少理论和技术上的指导，在此特别致谢！在一年多的研究活动中，几位同学克服各种困难，严谨细致，一方面为社区环境做点实事，另一方面他们富有创意的工作也给富营养化的小水体系统的治理工作提供了可以借鉴的思路，这同时也使他们的科学态度和动手能力得到锻炼和提高。在此基础上，我们准备把这项活动更加深入地开展下去，以进一步增强学生的环境意识和主人翁精神，培养学生发现问题、解决问题的能力。 、参加活动的主要人员： 本次活动的参与人员分为两类，一类是参与策划和科研的人员，主要有两位，他们是：徐晓菲（女） 十七岁 上海市吴淞中学生物环保社团负责人李胤（男） 十七岁 上海市吴淞中学生物环保社团负责人另一类是参与野外实践活动的人员，共9人，他们都是我校生物环保社团成员。 、本次活动的条件：这项活动的室内实验对时间要求不严格，一年四季均可进行；野外活动部分则有一些工作要在春季进行（如种植水草）。活动场所分为野外实验基地和环境实验室。所需器材和物品主要有以下几类：野外调查采样及种植所需：温度计、黑白盘、51采水器、溶氧瓶、采泥器、橡皮艇、几种沉水植物及安全用品等。实验室用品：0.5m3的水族箱三个（放在户外）。0.3-0.4m3的玻璃缸三个，加热泵，温度计，EIL溶氧仪，水化学分析仪器，水化学分析项目所需的化学试剂、药品等。、按你的设计实施实验，这时，你和伟大的科学家所做的工作没什么两样！ 、实施步骤：4.1、本底调查调查方法参考湖泊富营养化调查规范（中国环境科学出版社，1987年），我们从野外采集水样，进行水质分析。4.1.1、观测采样点如图1所示，采样用51采水器在水下40-50cm处定量采集。4.1.2、观测采样于每年3月至10月间，采水样于3月和8月分别采集一次。4.1.3、测量指标有水温（T），透明度（SD），总氮（T-N），总磷（T-P），五天生物耗氧量BOD5，溶解氧DO，浮游植物优势种、主要水生动物等。4.1.4、仪器及方法：温度计、黑白盘、51采水器、721分光光度计、双筒显微镜、EIL溶氧仪等。4.1.5、室内水化学项目分析方法引自污水分析质量保证手册（上海市城市排水监测站编）和国家环保局水和污水监测分析方法（1989年）。4.1.6、生态调查参考湖泊富营养化调查规范中国环境科学出版社 （1987年）。4.2、治理措施的筛选与实践根据西欧湖泊生态学家在八十年代提出的湖泊多稳态理论，对于段浦河这种浅水小水体系统，我们想，如果能够引入高等水生植物，遏制藻类的恶性增殖，进而形成食物链，通过营养级的逐代消耗，岂不是可以很方便地除去大量的营养负荷吗？当水中生态系统达到平衡，就一定能解决水中的缺氧问题，进而遏制厌氧微生物大量增殖、水体发黑发臭等。于是，我们沿着重建水生植被，构建稳定的湖泊生态系统的思路，模拟段浦河系统进行多种生态模型的构建和对照分析工作。4.2.1、器材：0.5m3的水族箱三个（放在户外）。0.3-0.4m3的玻璃缸三个，采泥器，加热泵，温度计，51采水器，EIL溶氧仪，水化学分析仪器等。4.2.2、方法：在室外三个0.5m3的水族箱铺放河水的底泥，加段浦河水样，模拟段浦河系统。I号箱中放养金鱼藻，菹草，黑藻等，再放田螺、萝卜螺等，II号箱中养入凤眼莲，III号箱作为对照。在室内缸中分别引种金鱼藻、菹草、黑藻等，先称重，人工补光，定时加水样，并进行温控，一段时间后，看长势，并再次称重，看哪种植物更易成活，生长更迅速，以此对这几种沉水植物作平行筛选。定期测量SD、DO、T-P、T-N、BOD5、，藻类综合指数、水生动植物种类、生物多样性指数等。 、活动注意事项：5.1、由于这项活动有野外活动的内容，在操作时要注意安全第一，同时，要注意不扰民。5.2、这项活动的实施主体是学生，要注意以教育人、培养人、锻炼人为宗旨，注意培养学生的参与意识，动手能力、科学态度和合作精神。、按照你的实验，记录所得到的数据，对数据进行分析，得出结论，这时，你就要成功了！ 二、实践过程（略） 三、结果3.1、本底测量结果：测量结果如表1所示。 注：、为上午10点左右测定。、以上数据均为平均值。3.2、模型对照结果：如表所示。 表： 生态模型筛选对照表注：、为上午10点左右测定。、多样性指数据马格列夫公式计算（d=(s-1)/lnN)式中，d多样性指数；s藻类的属数；N藻类的总数量。、数据均为模型建立三个月后测得。、等一切都好了，开始撰写研究报告吧，你可以提交给老师，当然也可以直接发表。你成功了！ 四、分析和讨论：4.1、本底调查分析:我们对于四个采样点的水质本底数据采用模糊集理论处理，根据隶属度的方法进行水质综合评价，把水质营养状况以贫营养，贫-中营养，中营养。中-富营养，富营养，重富营养六个等级，水质参数取T-N、T-P、BOD5、DO、浮游植物优势种、生物多样性指数六项指标，根据最大隶属度原则，段浦河水质定为富营养型。4.2、段浦河地处社区生活中心，沿途生活污水的注入是污染的主要来源，地表径流和生活垃圾的抛掷也将带入大量的营养负荷，因此，控制外源污染的措施必不可少。4.3、当前段浦河水N/P为，总磷浓度达0.38mg/L，极引易起藻类恶性增殖致使水华发生4.4、在III号水族箱的对照组中，不采取任何措施，则先是藻类繁殖出现了一个高峰，然后淡水枝角类（主要是水蚤）也达到一个高峰，水体浑浊，BOD、总氮、总磷量几乎没有变化，有文献介绍，这种恶性循环的结果最终将使河中藻类也趋于消亡，成为死水一潭。可见如果不采取一定的治理措施，即使不再有外源污染，段浦河也不会自发产生良性循环。4.5、凤眼莲能有效地吸收水体的氮、磷等营养物质，但是在富营养化水体中，它极易恶性增殖，其巨大的生物量保留在水体中，无疑会造成水体的二次污染。其管理工作繁琐，费用很高，使环保效率低下。段浦河水动力条件不足，凤眼莲覆盖水面必然影响水-气交换，加之其光合作用产生的氧气散在大气中，故使水中的值降低。同时，由于凤眼莲在水面，使水体中下层光照不足，浮游植物和沉水植物不能有效地进行光合作用，致使下层水域呈无氧状态，厌氧菌的丰度大为提高，水底的有机淤泥和水中的有机质无氧分解产生2，3、4等有害气体，对水生动、植物和水体净化都极为不利。野外观测和号箱的实验室模型都说明了这一点。可见，要在段浦河重建一个稳定多元的湖泊生态系统，引种凤眼莲并不是最理想的措施。4.6、引种沉水植物的号水族箱值显著增加，生物多样性指数上升，出现水绵、贴壁藻类等良性水质指示种，推测改善水质的机制为：4.6.1、高等沉水植物根茎吸附、分解、吸收水体营养负荷，其分泌物及其叶片使水体中的悬浮颗粒与胶体凝聚、沉淀作用，可快速提高透明度，从而大大改善水体中、下层光照条件。4.6.2、沉水植物是浮游植物强有力的竞争者，能有效地遏制藻类的恶性增殖，避免水华发生。4.6.3、沉水植物的光合作用及水底光照条件的改善使溶解氧增加，遏制了一些厌氧条件下的有机物分解反应，避免产生和逸出H2S等有害气体。4.6.4、吸附在植物根茎上的细菌的硝化作用，大大加速了NH3-NNO2-NNO3-N的反应过程，便于植物吸收，从而降低营养负荷。4.7、沉水植物的生物量可以为鱼类、螺类所食，这些动物经过更高一级的营养级动物摄食，把大量的营养负荷消耗掉，其对有机物质的去除效率按能量金字塔估算应比凤眼莲的效率高，且可使水质的变化处于一种良性循环之中。4.8、在III号水族箱的对照组中，不采取任何措施，则先是藻类繁殖出现了一个高峰，然后淡水枝角类（主要是水蚤）也达到一个高峰，水体浑浊，BOD、总氮、总磷量几乎没有变化，有文献介绍，这种恶性循环的结果最终将使河中藻类也趋于消亡，成为死水一潭。可见如果不采取一定的治理措施，即使不再有外源污染，段浦河也不会自发产生良性循环。4.9通过室内缸的对照实验，我们发现菹草，金鱼藻，黑藻等较为适合引种。首先这几种水草对光的要求不高，能够在浑浊的水体中生长。菹草冬天落芽于水底过冬，不需特别种植，金鱼藻还能苍翠越冬，且繁殖较快。这些沉水植物为鱼类、螺类饲料，引种成功为进一步放养动物提供良好的条件，这样又可限制这些水草的过量增殖。并且这些沉水植物的分解是渐进的，不会出现发酵现象。我们在实验基地水域已经引种了金鱼藻，菹草等沉水植物，越冬后它们繁殖很快，长势良好，水质变清了许多。另外，引种高等沉水植物费用低，不需特别管理，在实际操作中是可行的。从室内对照结果还可发现，金鱼藻处于混浊水体时，由于吸附作用极强，容易形成一层覆盖层，从而影响生长，而菹草在混浊水体生存力较强。此外，从文献中查知，浮水植物水蕨在浅水处可生于泥中，该植物根系发达，其富集能力比凤眼莲强，且叶也簿，即使腐烂也不发臭，不会造成巨大的二次污染，也是可以引种的。 五、实验结论与收获:5.1、通过实验室的生态模型对照分析，我们可以推断：以沉水植物（如菹草、金鱼藻等）为基础的生态系统引入水体后，对富营养化的湖泊的水质改善是有效的。据我们所知，以这种思路治理富营养化的湖泊的实验，在上海各中学尚无先例。当然，我们的实验做到这里，还不全面，实验室的模型还不一定能直接搬到现实中去，但它使我们相信：在段浦河或类似的富营养化水体中，引种沉水植物，构建生态系统或许是解决湖泊富营养化的一条出路吧!令人欣慰的是，我们在实验基地所种的菹草、金鱼藻等长势很好，池塘里的水也变清了许多。如果这种模型是成功的，上海许多公园、乡村里，类似我们做实验的湖泊有许多许多，都将可以变得水清草绿，鱼肥景美，那该有多好呀！5.2、我们吴淞中学生物环境社团以热爱社区，创建优美环境从我作起，从身边小事做起为口号，在老师的带领下，全方位关注这些小池塘。一方面为社区环境做点实事，另一方面也培养了我们的科学态度和观察能力、实验动手能力、分析解决问题的能力，以及如何撰写科研论文等。我们的活动不但配合了这党中央关于保护母亲河绿色希望工程行动，还陶冶了我们的情操，锻炼了我们的意志，我们将终生受益。参考文献：1、韩茂森，淡水生物，中国环境科学出版社，19892、水和废水分析方法，国家环保局，19893、殷浩文：上海市浦东开发区的淡水藻类生态调查，上海环境科学1992.11(6):34-384、杜宝汉等：日中洱海调查，海洋与湖沼，1994.5（5）532-5385、湖泊富营养化调查规范，中国环境科学出版社，19876、刘永宝等：富营养化湖泊蓝藻水体和凤眼莲大量生长的控制和工程化意义， 中科院武汉水生所7、胡春华等：冬季若干生物措施净化水质效果实验，中科院南京地理与湖泊研究所8、洪华生等：厦门港浮游植物对磷酸盐吸收率的研究，1994.