段浦河水系統(tǒng)污染治理的生態(tài)治理研究報(bào)告

1、段浦河水系統(tǒng)污染治理的生態(tài)治理研究報(bào)告上海市吳淞中學(xué)：徐曉菲 李 胤指導(dǎo)老師：上海市吳淞中學(xué)張治前言：這項(xiàng)科技方案參加了 2000年全國(guó)中小學(xué)生環(huán)保論文方案設(shè)計(jì)評(píng)比，榮 獲中學(xué)組第一名。我們把它展示給您，想告訴你一個(gè)簡(jiǎn)單的科學(xué)研究的大致流 程，同時(shí)，我更想告訴我們那些充滿才智和靈感的青少年朋友們，科學(xué)研究， 其實(shí)就這么簡(jiǎn)單！A:所有的研究都是從問題開始。問題從那里來？睜大眼睛看看，豎起耳朵聽 聽，拍拍腦袋想想，生活中到處充滿著問題，那么，隨時(shí)記下你的問題吧！愛 因斯坦曾經(jīng)說過：發(fā)現(xiàn)問題比解決問題更重要！一、方案設(shè)計(jì)1、問題的提出：段浦河是上海市寶山區(qū)近蘊(yùn)藻浜和共和新路交界處的一條小河，西連東茭

2、涇（小河名），東達(dá)西泗塘（小河名）（地理位置見圖）。據(jù)附近的老居民說，這里在七、八十年代時(shí)，水清草綠，景色宜人，人們?cè)诤永锾悦紫床恕⒂斡踞烎~。近年來由于市政建設(shè)用地，河的大部分被填平，結(jié)果在呼嗎新村和通河新村周 圍留下幾個(gè)小型池塘。大的六、七畝，小的不到一畝。由于缺乏管理，水生植被被破壞，加之大量生 活污水的流入，使水中 營(yíng)養(yǎng)鹽、有機(jī)物急劇增多，浮游植物大量繁殖，水質(zhì)惡化，發(fā)生過水華。魚類 及其它水生動(dòng)物大量死亡，發(fā)生過河水發(fā)黑發(fā)臭等污染事故。E、問題來了，接下來就對(duì)問題提出假設(shè)，或者制定研究計(jì)劃我們根據(jù)所學(xué)的生態(tài)學(xué)原理知道，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生一定是食物鏈不暢通， 湖泊生態(tài)系統(tǒng)的平衡被 打破的原因

3、，這是否就是許多環(huán)境保護(hù)者常說的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化問題哪？C、資料的搜集與整理，這些使你對(duì)問題有深入了解湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化是一個(gè)世界性的環(huán)境問題。其所造成的嚴(yán)重生態(tài)后果和經(jīng) 濟(jì)損失，已經(jīng)引起世界各國(guó)的關(guān)注。我國(guó)于 1984 年在北京召開第一次 全國(guó)湖 泊富營(yíng)養(yǎng)化學(xué)術(shù)討論會(huì) ，許多專家提出了諸如控制和處理點(diǎn)源污染和面源污 染，處理內(nèi)源污染等轉(zhuǎn)移污染源、稀釋、擴(kuò)散的方法，這當(dāng)然是必要的，然而， 問題遠(yuǎn)沒有根本解決。調(diào)水、挖泥、投化學(xué)劑，生物調(diào)控等方法常常遇到需要 大量資金投入，效果不明顯、見效慢、時(shí)效短，良性生態(tài)系統(tǒng)難以持久穩(wěn)定等 一系列問題。對(duì)于我們周圍的這些小水體，當(dāng)然不會(huì)有太多人注意，更談不上 花大量

4、的金錢和精力去治理她，如何最高效地使這些湖泊由浮游藻類占優(yōu)勢(shì)的 混濁狀態(tài)恢復(fù)到草綠水清的清水狀態(tài)呢？為了降低成本、提高防治效率，發(fā)揮 生態(tài)學(xué)控制在環(huán)境整治中的巨大作用，我們決定在湖泊中重新建立一個(gè)生態(tài)系 統(tǒng)，即通過引種沉水維管植物（我們不妨形象地稱之為水底綠化工程），嘗試 富營(yíng)養(yǎng)化治理的新思路。吳淞中學(xué)生物環(huán)保社團(tuán)成立于己于 1997 年 8月。在 成立之初，我們就提出 熱愛環(huán)境、創(chuàng)建優(yōu)美環(huán)境，從我做起，從身邊小事做起 的口號(hào)。于是，我們就開始了一年多的研究工作。此后不久，我們與華東師范 大學(xué)生物系周忠良博士取得聯(lián)系。周老師對(duì)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化問題頗有見解，他了 解到我們的想法后就與我們進(jìn)行了全面合

5、作，對(duì)我們的社團(tuán)成員進(jìn)行了耐心的指導(dǎo)。在我們的研究工作中，上海市環(huán)境科學(xué)院的殷浩文研究員曾經(jīng)熱情地提供了許多儀器，并給予了不少理論和技術(shù)上的指導(dǎo)，在此特別致謝！在一年多的研究活動(dòng)中，幾位同學(xué)克服各種困難，嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致，一方面為社區(qū)環(huán)境做點(diǎn)實(shí)事，另一方面他們富有創(chuàng)意的工作也給富營(yíng)養(yǎng)化的小水體系統(tǒng)的治理工作提供了可以借鑒的思路，這同時(shí)也使他們的科學(xué)態(tài)度和動(dòng)手能力得到鍛煉和提高。在此基礎(chǔ)上，我們準(zhǔn)備把這項(xiàng)活動(dòng)更加深入地開展下去，以進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的 環(huán)境意識(shí)和主人翁精神，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。2、參加活動(dòng)的主要人員：本次活動(dòng)的參與人員分為兩類， 一類是參與策劃和科研的人員， 主要有兩位， 他們

6、是：徐曉菲（女） 十七歲 上海市吳淞中學(xué)生物環(huán)保社團(tuán)負(fù)責(zé)人李 胤（男） 十七歲 上海市吳淞中學(xué)生物環(huán)保社團(tuán)負(fù)責(zé)人 另一類是參與野外實(shí)踐活動(dòng)的人員，共 9 人，他們都是我校生物環(huán)保社團(tuán) 成員。3、本次活動(dòng)的條件：這項(xiàng)活動(dòng)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)時(shí)間要求不嚴(yán)格，一年四季均可進(jìn)行；野外活動(dòng)部 分則有一些工作要在春季進(jìn)行（如種植水草）?；顒?dòng)場(chǎng)所分為野外實(shí)驗(yàn)基地和 環(huán)境實(shí)驗(yàn)室。所需器材和物品主要有以下幾類：野外調(diào)查采樣及種植所需：溫度計(jì)、黑白盤、51采水器、溶氧瓶、采泥 器、橡皮艇、幾種沉水植物及安全用品等。實(shí)驗(yàn)室用品： 0.5m 3的水族箱三個(gè)（放在戶外）。 0.3-0.4m 3的玻璃缸 三個(gè)，加熱泵，溫度計(jì)，

7、EIL 溶氧儀，水化學(xué)分析儀器，水化學(xué)分析項(xiàng)目所需 的化學(xué)試劑、藥品等。D、按你的設(shè)計(jì)實(shí)施實(shí)驗(yàn)，這時(shí)，你和偉大的科學(xué)家所做的工作沒什么兩樣！4、實(shí)施步驟：4.1、本底調(diào)查 調(diào)查方法參考湖泊富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范（中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社， 1987 年），我們從野外采集水樣，進(jìn)行水質(zhì)分析。4.1.1、觀測(cè)采樣點(diǎn)如圖 1所示， 采樣用 51采水器在水下 40-50cm 處定量 采集。4.1.2、觀測(cè)采樣于每年 3月至 10月間，采水樣于 3月和 8月分別采集一 次。4.1.3、測(cè)量指標(biāo)有水溫（T）,透明度（SD），總氮（T-N），總磷（T-P）, 五天生物耗氧量B0D5，溶解氧DO,浮游植物優(yōu)勢(shì)種、主要水生

8、動(dòng)物等。4.1.4、 儀器及方法：溫度計(jì)、黑白盤、51 采水器、 721 分光光度計(jì)、雙 筒顯微鏡、 EIL 溶氧儀等。4.1.5、室內(nèi)水化學(xué)項(xiàng)目分析方法引自污水分析質(zhì)量保證手冊(cè)（上海市 城市排水監(jiān)測(cè)站編）和國(guó)家環(huán)保局水和污水監(jiān)測(cè)分析方法（ 1989 年）。4. 1 .6 、生態(tài)調(diào)查參考湖泊富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范 中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社 （1987 年）4.2、治理措施的篩選與實(shí)踐根據(jù)西歐湖泊生態(tài)學(xué)家在八十年代提出的湖泊多穩(wěn)態(tài)理論，對(duì)于段浦河這 種淺水小水體系統(tǒng)，我們想，如果能夠引入高等水生植物，遏制藻類的惡性增 殖，進(jìn)而形成食物鏈，通過營(yíng)養(yǎng)級(jí)的逐代消耗，豈不是可以很方便地除去大量 的營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷嗎？當(dāng)水中

9、生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到平衡，就一定能解決水中的缺氧問題，進(jìn) 而遏制厭氧微生物大量增殖、 水體發(fā)黑發(fā)臭等。 于是，我們沿著重建水生植被， 構(gòu)建穩(wěn)定的湖泊生態(tài)系統(tǒng)的思路，模擬段浦河系統(tǒng)進(jìn)行多種生態(tài)模型的構(gòu)建和 對(duì)照分析工作。4.2.1 、器材： 0.5m 3的水族箱三個(gè)（放在戶外）。 0.3-0.4m 3的玻璃缸三 個(gè)，采泥器，加熱泵，溫度計(jì)， 51 采水器， EIL 溶氧儀，水化學(xué) 分析儀器等。4.2.2 、方法：在室外三個(gè) 0.5m 3的水族箱鋪放河水的底泥， 加段浦河水樣， 模擬段浦河系統(tǒng)。 I 號(hào)箱中放養(yǎng)金魚藻，菹草，黑藻等，再放田螺、蘿卜螺等， II 號(hào)箱中養(yǎng)入鳳眼蓮， III 號(hào)箱作為對(duì)照。在

10、室內(nèi)缸中分別引種金魚藻、菹草、黑藻等，先稱重，人工補(bǔ)光，定時(shí)加水樣，并進(jìn)行溫控，一段時(shí)間后，看長(zhǎng)勢(shì)，并再次 稱重，看哪種植物更易成活，生長(zhǎng)更迅速，以此對(duì)這幾種沉水植物作平行篩選。定期測(cè)量 SD、DO、T-P、T-N、BOD 5、， 藻類綜合指數(shù)、水生動(dòng)植物種類、生物多樣性指數(shù)等。5、活動(dòng)注意事項(xiàng)：5.1、由于這項(xiàng)活動(dòng)有野外活動(dòng)的內(nèi)容，在操作時(shí)要注意安全第一，同時(shí)，要 注意不擾民。5.2 、這項(xiàng)活動(dòng)的實(shí)施主體是學(xué)生， 要注意以教育人、 培養(yǎng)人、鍛煉人為宗旨， 注意培養(yǎng)學(xué)生的參與意識(shí)，動(dòng)手能力、科學(xué)態(tài)度和合作精神。E、按照你的實(shí)驗(yàn)，記錄所得到的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出結(jié)論，這時(shí)，你就要成功了！二

11、、實(shí)踐過程（略）三、結(jié)果3.1、本底測(cè)量結(jié)果：測(cè)量結(jié)果如表 1 所示。注：1、DO為上午10點(diǎn)左右測(cè)定。2、以上數(shù)據(jù)均為平均值。3.2、模型對(duì)照結(jié)果：如表2所示表2:生態(tài)模型篩選對(duì)照表注：1、DO為上午10點(diǎn)左右測(cè)定。2、多樣性指數(shù)據(jù)馬格列夫公式計(jì)算(d=(s-1)/lnN)式中，d 多樣性指數(shù)；s 藻類的屬數(shù)；N 藻類的總數(shù)量。3、數(shù)據(jù)均為模型建立三個(gè)月后測(cè)得。F、等一切都好了，開始撰寫研究報(bào)告吧，你可以提交給老師，當(dāng)然也可以直 接發(fā)表。你成功了！四、分析和討論：4.1 、本底調(diào)查分析 :我們對(duì)于四個(gè)采樣點(diǎn)的水質(zhì)本底數(shù)據(jù)采用模糊集理論處 理，根據(jù)隸屬度的方法進(jìn)行水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)，把水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)狀況以

12、貧營(yíng)養(yǎng)，貧-中營(yíng)養(yǎng)，中營(yíng)養(yǎng)。中 -富營(yíng)養(yǎng)，富營(yíng)養(yǎng)，重富營(yíng)養(yǎng)六個(gè)等級(jí)，水質(zhì)參數(shù)取T-N、T-P、B0D5、DO、浮游植物優(yōu)勢(shì)種、生物多樣性指數(shù)六項(xiàng)指標(biāo)，根據(jù)最大 隸屬度原則，段浦河水質(zhì)定為富營(yíng)養(yǎng)型。4.2、段浦河地處社區(qū)生活中心， 沿途生活污水的注入是污染的主要來源， 地 表徑流和生活垃圾的拋擲也將帶入大量的營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷，因此，控制外源污染的措 施必不可少。4.3、當(dāng)前段浦河水N/P為5,總磷濃度達(dá)0.38mg/L，極引易起藻類惡性增 殖致使水華發(fā)生4.4、在 III 號(hào)水族箱的對(duì)照組中，不采取任何措施，則先是藻類繁殖出現(xiàn)了 一個(gè)高峰， 然后淡水枝角類 （主要是水蚤） 也達(dá)到一個(gè)高峰， 水體渾濁，

13、BOD 、 總氮、總磷量幾乎沒有變化，有文獻(xiàn)介紹，這種惡性循環(huán)的結(jié)果最終將使河中 藻類也趨于消亡，成為死水一潭?？梢娙绻徊扇∫欢ǖ闹卫泶胧词共辉?有外源污染，段浦河也不會(huì)自發(fā)產(chǎn)生良性循環(huán)。4.5、鳳眼蓮能有效地吸收水體的氮、 磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)， 但是在富營(yíng)養(yǎng)化水體中， 它極易惡性增殖， 其巨大的生物量保留在水體中， 無疑會(huì)造成水體的二次污染。 其管理工作繁瑣，費(fèi)用很高，使環(huán)保效率低下。段浦河水動(dòng)力條件不足，鳳眼 蓮覆蓋水面必然影響水 -氣交換，加之其光合作用產(chǎn)生的氧氣散在大氣中，故使水中的DO值降低。同時(shí)，由于鳳眼蓮在水面，使水體中下層光照不足，浮 游植物和沉水植物不能有效地進(jìn)行光合作用，致

14、使下層水域呈無氧狀態(tài)，厭氧 菌的豐度大為提高，水底的有機(jī)淤泥和水中的有機(jī)質(zhì)無氧分解產(chǎn)生H 2S，NH 3、CH 4等有害氣體，對(duì)水生動(dòng)、植物和水體凈化都極為不利。野外觀測(cè)和U 號(hào)箱的實(shí)驗(yàn)室模型都說明了這一點(diǎn)?？梢姡诙纹趾又亟ㄒ粋€(gè)穩(wěn)定多元的湖 泊生態(tài)系統(tǒng)，引種鳳眼蓮并不是最理想的措施。4.6、引種沉水植物的I號(hào)水族箱DO值顯著增加，生物多樣性指數(shù)上升，出 現(xiàn)水綿、貼壁藻類等良性水質(zhì)指示種，推測(cè)改善水質(zhì)的機(jī)制為：4.6.1、高等沉水植物根莖吸附、分解、吸收水體營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷，其分泌物及其葉片使水體中的懸浮顆粒與膠體凝聚、沉淀作用，可快速提高透明度，從而大大改善水體中、下層光照條件。4.6.2 、沉水

15、植物是浮游植物強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者，能有效地遏制藻類的惡性增 殖，避免水華發(fā)生。4.6.3 、沉水植物的光合作用及水底光照條件的改善使溶解氧增加，遏制了 一些厭氧條件下的有機(jī)物分解反應(yīng)，避免產(chǎn)生和逸出 H2S 等有害氣體。4.6.4 、吸附在植物根莖上的細(xì)菌的硝化作用，大大加速了NH3-N0 N02NO N03N的反應(yīng)過程，便于植物吸收，從而降低營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷。4.7、沉水植物的生物量可以為魚類、 螺類所食， 這些動(dòng)物經(jīng)過更高一級(jí)的營(yíng) 養(yǎng)級(jí)動(dòng)物攝食，把大量的營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷消耗掉，其對(duì)有機(jī)物質(zhì)的去除效率按能量金 字塔估算應(yīng)比鳳眼蓮的效率高，且可使水質(zhì)的變化處于一種良性循環(huán)之中。4.8、在 III 號(hào)水族箱的對(duì)照組

16、中，不采取任何措施，則先是藻類繁殖出現(xiàn)了 一個(gè)高峰， 然后淡水枝角類 （主要是水蚤） 也達(dá)到一個(gè)高峰， 水體渾濁， B0D 、 總氮、總磷量幾乎沒有變化，有文獻(xiàn)介紹，這種惡性循環(huán)的結(jié)果最終將使河中 藻類也趨于消亡，成為死水一潭?？梢娙绻徊扇∫欢ǖ闹卫泶胧?，即使不再 有外源污染，段浦河也不會(huì)自發(fā)產(chǎn)生良性循環(huán)。4.9 通過室內(nèi)缸的對(duì)照實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)菹草，金魚藻，黑藻等較為適合引種。 首先這幾種水草對(duì)光的要求不高，能夠在渾濁的水體中生長(zhǎng)。菹草冬天落芽于 水底過冬，不需特別種植，金魚藻還能蒼翠越冬，且繁殖較快。這些沉水植物 為魚類、螺類飼料，引種成功為進(jìn)一步放養(yǎng)動(dòng)物提供良好的條件，這樣又可限 制這些

17、水草的過量增殖。并且這些沉水植物的分解是漸進(jìn)的，不會(huì)出現(xiàn)發(fā)酵現(xiàn) 象。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)基地水域已經(jīng)引種了金魚藻，菹草等沉水植物，越冬后它們繁 殖很快，長(zhǎng)勢(shì)良好，水質(zhì)變清了許多。另外，引種高等沉水植物費(fèi)用低，不需 特別管理，在實(shí)際操作中是可行的。從室內(nèi)對(duì)照結(jié)果還可發(fā)現(xiàn)，金魚藻處于混 濁水體時(shí)，由于吸附作用極強(qiáng)，容易形成一層覆蓋層，從而影響生長(zhǎng)，而菹草 在混濁水體生存力較強(qiáng)。此外，從文獻(xiàn)中查知，浮水植物水蕨在淺水處可生于 泥中，該植物根系發(fā)達(dá)，其富集能力比鳳眼蓮強(qiáng)，且葉也簿，即使腐爛也不發(fā) 臭，不會(huì)造成巨大的二次污染，也是可以引種的。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)論與收獲 :5.1、通過實(shí)驗(yàn)室的生態(tài)模型對(duì)照分析， 我們可以推

18、斷： 以沉水植物（如菹草、 金魚藻等）為基礎(chǔ)的生態(tài)系統(tǒng)引入水體后，對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化的湖泊的水質(zhì)改善是有 效的。據(jù)我們所知，以這種思路治理富營(yíng)養(yǎng)化的湖泊的實(shí)驗(yàn)，在上海各中學(xué)尚 無先例。當(dāng)然，我們的實(shí)驗(yàn)做到這里，還不全面，實(shí)驗(yàn)室的模型還不一定能直 接搬到現(xiàn)實(shí)中去，但它使我們相信：在段浦河或類似的富營(yíng)養(yǎng)化水體中，引種 沉水植物，構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)或許是解決湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的一條出路吧 !令人欣慰的 是，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)基地所種的菹草、金魚藻等長(zhǎng)勢(shì)很好，池塘里的水也變清了許 多。如果這種模型是成功的，上海許多公園、鄉(xiāng)村里，類似我們做實(shí)驗(yàn)的湖泊 有許多許多，都將可以變得水清草綠，魚肥景美，那該有多好呀！5.2 、我們吳淞中學(xué)生物環(huán)境社團(tuán)以 熱愛社區(qū)，創(chuàng)建優(yōu)美環(huán)境從我作起，從 身邊小事做起 為口號(hào)，在老師的帶領(lǐng)下，全方位關(guān)注這些小池塘。一方面為社 區(qū)環(huán)境做點(diǎn)實(shí)事，另一方面也培養(yǎng)了我們的科學(xué)態(tài)度和觀察能力、實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能 力、分析解決問題的能力，以及如何撰寫科研論文等。我們的活動(dòng)不但配合了 這黨中央關(guān)于 保護(hù)母親河