松花江流域哈尔滨段水环境变化对水生态系统安全的影响研究
发布时间：2020-07-05 07:09
【摘要】：随着区域经济和社会的发展,全球范围内与水相关的问题变得十分突出,水资源匿乏、水体污染严重、水灾害加剧等一系列严峻的问题已越来越突出,水环境作为居民生活和生产最基本的物质保障,一旦出现问题,则牵涉面广、影响大、负面效应持续时间长,同时对区域水生态系统安全带来严重威胁,成为区域社会经济健康发展、环境系统良性循环的巨大障碍。近年来,流域水环境和水生态系统安全问题日益受到学界的关注,国内外在水环境变化和水生态系统安全理论和实践方面已经取得了众多进展,大量研究表明,水生态系统遭受着严重破坏主要源于水环境的变化,它们影响了生物圈维持生命的能力。本文的研究突破了以往单纯的水环境变化或水生态系统安全评价研究,选取了研究区水环境代表性因子,筛选出能充分说明水生态系统特征的指标,改进传统的研究方法,建立数学模型,在时间和空间尺度上深入分析水环境变化对水生态系统安全的影响。本文研究成果可以为改善区域水环境和保护区域水生态系统提供技术支撑和理论依据。同时,可以为松花江流域的水资源可持续开发利用、水环境治理、水生态系统的保护提供科学依据和实践参考。本文选取松花江流域哈尔滨段(起点三家子至终点大亮子)为研究区,选取研究区范围内的松花江流域哈尔滨水文站(老头湾站)2005-2014年的逐日流量监测数据,采用线性倾向估计模型、累计距平法、Mann-Kendall非参数检验等方法,分析流域年内、年际水量变化特征;选取工农业、生活污水中较常出现的溶解氧、高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮及粪大肠菌群六项指标,应用线性倾向估计模型、Spearman秩次相关检验分析法、Mann-Kendall非参数检验法探究松花江流域哈尔滨段两个水功能区域内近十年来水质变化规律;采用主成分分析法及因子分析法对研究区各水质指标含量监测数据进行结构分析,以确定研究区水环境特征污染物;应用河流数学模型对二水源及水泥厂所代表的松花江流域哈尔滨市景观娱乐用水区及哈尔滨市东江桥排污控制区两个二级水功能区的特征污染物水域纳污能力进行计算分析;以2005-2014年市区人口数量、人均收入、GDP、第一产业产值、第二产业产值、第三产业产值等社会经济因子作为驱动力,采用相关分析法,对研究区水环境各因子的变化做驱动力分析;应用时间序列分析法,对研究区未来5年(2015-2019年)的水环境因子变化做趋势预测分析;选取松花江流域哈尔滨水文站2005-2014年的水位指标监测数据,进行时间维度的水文变化趋势分析;针对研究区地域的差异性,筛选出能够充分反映研究区水文、水质、生物、流域地貌特征、人类干扰五项指标;依据改进的AHP法,计算水文、水质、生物、生境、人类活动各个指标的权重;结合研究区的现状,采用模糊数学法对研究区2005-2014年的水生态系统的安全状态进行评价;选取水深、流速、溶解氧、高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、粪大肠菌群等指标作为水环境因子,选取具有水生态系统变化指示作用的浮游植物和浮游动物的物种群落结构指标作为水生态因子,应用Spearman秩相关系数寻找水环境变化与水生态变化的相关性,定性定量分析水量、水质、纳污能力对水生态系统的影响;采用一元回归分析法分析特征污染物与浮游植物及浮游动物群落结构的关系,探析其对生态系统安全的影响;依据研究区实测数据,对水生态系统采用层次模糊综合评价法进行综合状态预警。本文基于对研究区水环境变化特征规律和研究区水生态系统安全特征的研究,深入剖析了研究区水环境变化对水生态系统安全的影响,针对研究区水环境和水生态系统的现状,提出了研究区水环境治理和水生态系统保护的具体措施。通过上述研究,得出以下结论:(1)研究区水量分析结果表明:2005-2014年研究区流域不均匀系数、完全调节系数和集中度3个指标之间具有较大的相关关系,研究区近十年来各季季均流量在整体上都呈增加趋势,变幅最大的是秋季,其次是夏季,研究区河流来水量主要为夏秋季节流量增加的贡献,2005-2008年属于枯水期;2009-2011年属于平水期;2012-2014年属于丰水期;2005-2014年研究区年均水量整体上呈增加趋势,预测在2015-2019年水量将呈下降趋势。(2)研究区水质分析结果表明:2005-2014年近十年间,二水源监测站化学需氧量呈显著下降趋势;氨氮含量呈极显著下降趋势,水泥厂断面处化学需氧量及氨氮指标在整体上呈极显著下降趋势。预测水质将在2015-2019年内,二水源及水泥厂两监测断面处,溶解氧含量在整体上均呈增加趋势,且增加较为明显。其余各指标含量在两监测断面处从整体来看,均呈下降趋势,其中高锰酸盐指数、粪大肠菌群含量下降较为明显。(3)研究区特征污染物分析结果表明:二水源及水泥厂两个监测断面处的水质特征污染物均为五日生化需氧量及粪大肠菌群,与五日生需氧量显著相关的污染指标为高锰酸盐指数、化学需氧量,与粪大肠菌群显著相关的污染指标为氨氮、溶解氧。(4)研究区纳污能力和驱动力分析结果表明:研究区在保持自身正常水质目标时,二水源监测断面处溶解氧与市区人口有显著的相关性,两监测断面处化学需氧量浓度和氨氮浓度均与人均收入、GDP、第一产业产值、第二产业产值及第三产业产值具有显著相关性,其中与第二产业产值的相关性最显著。(5)研究区水生态系统的水位因子和水生物因子在2005-2014年的变化特征分析结果表明:近十年来研究区年水位变化较为平缓,水生物种类、水生物量、水生物丰度的最低值均发生于2012年,最大值均发生于2013年。(6)选取水文、水质、生物、生境、人类活动五项指标建立研究区水生态系统安全评价指标体系,根据改进的AHP法计算各个指标的权重。结果表明:水文情势对研究区水生态系统安全性影响极端重要,人类干扰作用对研究区水生态系统安全性影响非常重要。水质、生物以及河流特征项指标对研究区水生态系统安全性影响一般重要。(7)2005-2014年水文的安全值呈减小趋势,水质指标和生物指标出现先减小后增大的趋势,生镜指标具有一定的稳定性,指标安全值较高;人类活动的影响逐年加剧,尤其是2011-2014年,安全评级已经处在了一个较危险的状态。(8)水量对水生态系统安全影响分析结果表明:对于浮游植物,春、夏二季影响群落结构的主要水量因子是水深,而秋季影响群落结构的主要水量因子是流速;对于浮游动物,水深主要在春夏两季,而流速在夏、秋两季对群落结构均有所影响。(9)水质对水生态系统安全影响分析结果表明:对于浮游植物,春、夏、秋三季中影响群落结构的主要水质因子是化学需氧量及粪大肠菌群;对于浮游动物,春、夏、秋三季中影响群落结构的主要水质因子是溶解氧、氨氮及汞离子。(10)特征污染物对水生态系统安全影响结果表明:松花江流域哈尔滨段水质特征污染物五日生化需氧量及粪大肠菌群均对浮游植物与浮游动物群落结构指标有显著影响,回归分析结果与spearman相关分析结果一致。(11)纳污能力对水生态系统安全影响结果表明,春、夏、秋三季中影响浮游植物群落结构指标的是化学需氧量纳污能力值,春、夏、秋三季中影响浮游动物群落结构指标的是氨氮及汞离子纳污能力值。(12)水生态系统安全预警结果表明:2005-2014年间,研究区水生态系统总体安全评价值介于0.49～0.65之间,研究区水生态安全等级处于一般与较好之间,研究区的预警状态介于轻警与较安全状态之间。2015-2019年间,研究区水生态系统预警判别安全评价值介于0.54～0.58之间,研究区水生态安全等级处于一般与较好之间,研究区的预警状态介于轻警与较安全状态之间。近年来,松花江流域预警状态下降态势得到控制,但是研究区的水环境未恢复至安全状态,需要长期地进行水生态系统的恢复和保护工作。(13)基于研究区水环境变化和水生态系统安全的现状分析及未来趋势预测结果,主要从污染源控制、流域清淤、曝气复氧、生态浮床净化作用、推进污染防治、强化环境监管等方面提出水环境改善的对策;从完善滨水绿化、河岸生态处理、恢复水生植被、建设水体生态修复方案、健全生态保护补偿机制方面提出水生态保护措施。
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X143
【图文】：
图２－１流域生态学的基本框架逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ邋ｆｒａｍｅｗｏｒｋ邋ｏｆ邋ｗａｔｅｒｓｈｅｄ邋ｅｃｏｌｏｇｙ逡逑现代生态学以生态系统为基本研究单元，然而，更多研究却仅关于陆地生态系统或水生逡逑态系统。水生态系统较为脆弱，易受岸边环境影响，此外，水在陆地生态系统内扮演着重要逡逑角色，如果不进行水的研究，则陆地生态系统的研究也将难以进行［１６６］，因此，将水、陆两类逡逑生态系统结合起来，进行流域生态学研究无论在理论上还是实践上都尤为重要。逡逑流域生态学理论对本文研究的指导意义如下：逡逑（１）针对流域生态学研宄热点及当今生态学的发展趋势和主要研宄目标，可提出流域生逡逑态学近期主要研究内容之一：生物多样性研究。对水环境变化对水生物变化的趋势作定量分逡逑析，把松花江哈尔滨段小流域分行为和其生态效应作为切入点，推进流域水文学，景观生态逡逑学，自然地理学，流域生态学，水土保持学等相关学科的发展。逡逑（２）在将流域作为复合生态系统进行研宄的基础上，研究流域内的水环境变化和水生态逡逑系统安全状况，从而能够更好的指导流域开发与治理，最终促进流域内协调可持续发展。逡逑２．２．１．３景观生态学理论逡逑国际景观生态学会对景观生态学的定义是：对不同尺度上景观空间变化的研究，包含景逡逑观异质性的生物、地理和社会的原因和系列，其特点是空间研究，属宏观尺度的空间研究范逡逑
流经哈尔滨市区江段长约７０ｋｍ，松花江干流由西南向东北穿越哈尔滨市，右岸为道里区、逡逑道外区，左岸为松北区、呼兰区，上下游分别与双城区和巴彦县相连，左右岸与肇东市、阿逡逑城区和宾县相邻。哈尔滨市域河流均属松花江水系见图３－１，哈尔滨市区多年平均地表水资逡逑源量为６．２５亿ｍ３，地下水资源量为５．９７亿ｍ３，扣除地表水、地下水重复量１．３９亿ｍ３，水逡逑资源总量为１０．８３亿ｍ３。逡逑本文中的研[偳邓苫ń闪鞴醵危芯糠段ё云鸬闳易又林盏愦罅磷樱迹常玻义先ぃ保玻梗耄恚骶览锴⒌劳馇⒑衾记⒊乔Ｑ绣城饔蛎婊常梗埃担玻叮耄恚玻妓苫ㄥ义辖闪髯艹さ模保常保ァ＝榔骄矶龋矗担耄恚降讨涞慕雷苊婊担担常玻玻耄恚病Ｑ绣城段у义夏谟心稀⒈绷桨叮渲心习队邪⑹埠印⒙砑夜岛印⒑渭夜档刃≈Я髯⑷耄衾己釉诒卑蹲⑷脲义纤苫ńＤ媳绷桨兑粤偎刂葡呶纾鄢囟小⒊乔约氨鱿毓芟矫婊猓艄蹂义铣鞘邢角芟椒段У慕烂婊矗玻常罚玻耄恚玻脊跏邢角苊婊模叮埃ァ８荨逗诹″义系乇硭δ芮曜肌罚ǎ模拢玻常裕罚矗埃玻埃埃常┗直曜
本文编号：2742272
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X143
【图文】：
图２－１流域生态学的基本框架逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ邋ｆｒａｍｅｗｏｒｋ邋ｏｆ邋ｗａｔｅｒｓｈｅｄ邋ｅｃｏｌｏｇｙ逡逑现代生态学以生态系统为基本研究单元，然而，更多研究却仅关于陆地生态系统或水生逡逑态系统。水生态系统较为脆弱，易受岸边环境影响，此外，水在陆地生态系统内扮演着重要逡逑角色，如果不进行水的研究，则陆地生态系统的研究也将难以进行［１６６］，因此，将水、陆两类逡逑生态系统结合起来，进行流域生态学研究无论在理论上还是实践上都尤为重要。逡逑流域生态学理论对本文研究的指导意义如下：逡逑（１）针对流域生态学研宄热点及当今生态学的发展趋势和主要研宄目标，可提出流域生逡逑态学近期主要研究内容之一：生物多样性研究。对水环境变化对水生物变化的趋势作定量分逡逑析，把松花江哈尔滨段小流域分行为和其生态效应作为切入点，推进流域水文学，景观生态逡逑学，自然地理学，流域生态学，水土保持学等相关学科的发展。逡逑（２）在将流域作为复合生态系统进行研宄的基础上，研究流域内的水环境变化和水生态逡逑系统安全状况，从而能够更好的指导流域开发与治理，最终促进流域内协调可持续发展。逡逑２．２．１．３景观生态学理论逡逑国际景观生态学会对景观生态学的定义是：对不同尺度上景观空间变化的研究，包含景逡逑观异质性的生物、地理和社会的原因和系列，其特点是空间研究，属宏观尺度的空间研究范逡逑
流经哈尔滨市区江段长约７０ｋｍ，松花江干流由西南向东北穿越哈尔滨市，右岸为道里区、逡逑道外区，左岸为松北区、呼兰区，上下游分别与双城区和巴彦县相连，左右岸与肇东市、阿逡逑城区和宾县相邻。哈尔滨市域河流均属松花江水系见图３－１，哈尔滨市区多年平均地表水资逡逑源量为６．２５亿ｍ３，地下水资源量为５．９７亿ｍ３，扣除地表水、地下水重复量１．３９亿ｍ３，水逡逑资源总量为１０．８３亿ｍ３。逡逑本文中的研[偳邓苫ń闪鞴醵危芯糠段ё云鸬闳易又林盏愦罅磷樱迹常玻义先ぃ保玻梗耄恚骶览锴⒌劳馇⒑衾记⒊乔Ｑ绣城饔蛎婊常梗埃担玻叮耄恚玻妓苫ㄥ义辖闪髯艹さ模保常保ァ＝榔骄矶龋矗担耄恚降讨涞慕雷苊婊担担常玻玻耄恚病Ｑ绣城段у义夏谟心稀⒈绷桨叮渲心习队邪⑹埠印⒙砑夜岛印⒑渭夜档刃≈Я髯⑷耄衾己釉诒卑蹲⑷脲义纤苫ńＤ媳绷桨兑粤偎刂葡呶纾鄢囟小⒊乔约氨鱿毓芟矫婊猓艄蹂义铣鞘邢角芟椒段У慕烂婊矗玻常罚玻耄恚玻脊跏邢角苊婊模叮埃ァ８荨逗诹″义系乇硭δ芮曜肌罚ǎ模拢玻常裕罚矗埃玻埃埃常┗直曜
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