第1章湖库水环境与数字孪生技水概述
1.1湖库水环境现状及治理挑战1.1.1当前湖库水质状况
水是生命之源、生产之要、生态之基。人类文明几乎都起源于大江大河，并沿河流繁衍发展。党的十八大以来，以习近平同志为核心的党中央把生态文明建设摆在全局工作的突出位置，推进山水林田湖草沙一体化保护和修复，开展了一系列根本性、开创性、长远性工作。国家对湖库生态环境问题愈加重视，在治理投入不断加大的情况下，碧水保卫战成效显著，我国湖库富营养化的趋势得到明显遏制，水质得到明显改善，湖库生态系统健康状况已逐步恢复，湖库生态环境状况明显趋好[1]。
近年来，通过持续开展环境保护和治理，我国湖库水质整体呈现稳中向好的态势。2023年，水质优良的重点湖库占比提升至74.6%，较去年同期有所增长，劣V类水质重点湖库的占比较低，主要污染指标包括总磷TP、化学需氧量COD和高锰酸盐指数CODmh。太湖、巢湖、滇池等湖库存在不同程度的污染和富营养化问题，需要进一步加大治理和保护力度；海海、丹江口水库和白洋淀等湖库的水质保持良好。
根据中华人民共和国生态环境部[2]公布的2023年全国地表水环境质量状况可知，3641个国家地表水考核断面中，优良（I～III类）水质断面比例为89.4%，同比上升1.5个百分点；劣V类水质断面比例为0.7%，同比持平（图1.1.1）。主要污染指标为COD、TP和CODMn。
长江流域、黄河流域、珠江流域、松花江流域、淮河流域、海河流域、辽河流域七大流域及西北诸河、西南诸河和浙闽片河流优良（I～III类）水质断面比例为91.7%，同比上升1.5个百分点；劣V类水质断面比例为0.4%，同比持平。主要污染指标为COD、CODMn和五日生化需氧量BOD5。如图1.1.2所示，长江流域、浙闽片河流、西北诸河、西南诸河、珠江流域和黄河流域水质为优；淮河流域、辽河流域和海河流域水质良好；松花江流域水质轻度污染。
监测的209个重点湖库中，优良（I～III类）水质湖库个数占比74.6%，同比上升0.8个百分点；劣V类水质湖库个数占比4.8%，同比持平。主要污染指标为TP、COD和CODwn。205个监测营养状态的湖库中，中度富营养的湖库8个，占比3.9%;轻度富营养的湖库48个，占比23.4%;其余湖库为中营养或贫营养状态。如表1.1.1所示，太湖和巢湖水质均为轻度污染、轻度富营养，主要污染指标为TP;滇池水质为轻度污染、中度富营养，主要污染指标为COD、TP和CODm？;再海和白洋淀均水质良好、中营养;丹江口水库水质为优、中营养。
1.1.2湖库主要污染源及特点
1.点源污染
点源污染主要包括集中排入湖库的城镇生活污水排污口、排放工业废水的企业及湖库流域内其他固定污染源。点源污染的量可以直接测定或者定量化，包括工业废水、城镇生活污水、污水处理厂与固体废物处理厂的出水及流域其他固体排放源[3]。点源污染具有以下5个特点。
（1）排放点明确。点源污染有具体的排放位置，如工厂的排放管道、污水处理厂的出水口等。由于污染源位置明确，当发生污染事件时，比较容易追踪责任主体。
（2）污染物种类相对集中。由于来自特定的排放源，污染物的种类相对有限，不像面源污染那样来源多样。由于污染物相对集中，点源污染物直接排放到特定的水体或环境中，局部环境迅速恶化，直接对水生生物和生态系统造成较大影响，甚至会对公共健康、渔业、旅游业等社会经济产业产生影响。
（3）污染负荷可预测。点源污染物排放量和污染物浓度通常可以通过监测排放口来预测与量化。点源污染可以是连续的，也可以是间断的，取决于污染源的排放时间。
（4）治理技术成熟。点源污染可以通过末端治理，如设置污水处理设施，或者通过改变生产工艺来减少污染物的产生，处理技术相对成熟。
（5）易于监管和控制。由于排放点明确，点源污染的监管和控制相对容易实施，通常受到严格的法律法规约束，排放需要遵守环保标准。
2.面源污染
面源污染也称非点源污染，是引起湖库富营养化的重要因素之一。面源污染没有单一的明确排放点，其污染物的传播和变化在时间及空间上呈现出显著的随机性与间断性。面源污染物的特征和总量受到气候条件、地形起伏、地质结构、土壤质地、植被覆盖及人类活动等多种因素的共同影响。
按照来源不同，面源污染又可以细分为农业面源污染和城市面源污染。农业面源污染，是指在农业生产活动中，不合理施用化肥、农药、塑料薄膜等，以及未能及时或适当处理畜禽和水产养殖产生的废弃物、农作物秸秆等生物质资源，导致氮、磷、有机物等营养元素在降雨作用下，通过地表径流、地下渗漏和土壤流失等途径，在土壤中过量积累或流入周围水体，进而对自然环境造成污染的现象[4]。城市面源污染，是指在降雨过程中，雨水及其形成的径流流经城镇地面、建筑物等，冲刷、聚集一系列污染物质（如氮、磷、重金属、有机物等），不经管道直接汇入河道的污染源。面源污染主要具有以下4个特点[5]。
（1）分散性。面源污染具有源头广泛和类型多变的特点，没有具体的排放点，其地理分布和具体位置难以被精确辨认与界定，导致监控难度较大。
（2）不确定性。面源污染的产生受到自然地理环境和水文气象条件等多种因素的影响，在污染物迁移到土壤和受纳水体的过程中，其发生的时间具有不确定性，且在空间分布上呈现出不均匀性。
（3）滞后性。面源污染受生物地球化学转化和水文传输过程的双重影响，农业活动中残留的氮、磷等营养元素通常会在土壤中累积，并缓慢地向外环境释放，对受纳水体的水质造成的影响可能会有所延迟。
（4）双重性。面源污染主要包含氮、磷等营养元素，如果得到合理利用，可以成为促进农业生产的宝贵资源；但如果这些营养元素流入水体或在土壤中积累过多，就会转变成污染物。
3.内源污染
内源污染是指江河湖库水体内部由于污染物的长期积累产生的污染再排放，主要包括底泥污染、养殖污染、旅游污染、船舶污染等。具体而言，内源污染主要指进入湖泊中的营养物质通过各种物理、化学和生物作用，逐渐沉降至湖泊底质表层，当积累到一定量后再向水体释放的现象。内源污染主要具有以下特点。
（1）积累性和持久性。内源污染通常是由污染物的长期积累造成的，这些污染物在水体底部沉积并形成污染负荷，因此，即使外源污染得到控制，内源污染也可能因为污染物的长期积累而在相当长的时间内继续影响水质。
（2）再释放性。内源污染中的营养物质（如氮、磷）可以在一定条件下从底泥中释放出来，重新进入水体，导致水质恶化。内源污染会阻止水体从浊水状态向清水状态的转变，给水体的生态修复带来困难。
（3）参与生态系统循环。内源污染中的营养物质可被微生物摄入，参与生态系统的循环，但过量的营养物质会导致生态系统失衡。此外，内源污染还是蓝藻水华形成的重要因素，而蓝藻水华又能促进内源磷的释放，形成恶性循环。
（4）治理难度大。在湖库治理中，内源污染是需要考虑的重要因素。内源污染的治理相对于外源污染更为复杂，需要综合考虑物理、化学和生物等多种治理技术，包括物
理治理（如底泥清淤）、化学治理（如投加化学药剂）、生物生态治理（如微生物修复）等。治理内源污染的过程中可能对水体生态系统造成一定的干扰和破坏，如底泥清淤可能导致生物多样性的减少，化学药剂的使用可能会增加水体毒性，存在二次污染的风险。
1.1.3水环境主要治理措施及成效
1.水环境主要治理措施
湖库水环境治理是一项综合性、系统性工程，传统的污染治理更加注重点源污染，在面源污染治理方面存在明显不足。此外，湖库水环境治理的经验表明，即使流域的外源污染排放被控制，由湖库底泥造成的内源污染，还是会影响湖库水质。鉴于这些问题，需要转变治理思路，采用流域综合治理的思想，综合考虑与水质相关的自然、技术、社会、经济等多方面的关系，构建污染源治理的流域工程体系，对湖库水环境开展系统治理p]。
1）湖库点源污染治理措施
点源污染由于污染物集中在很小的范围内高强度排放，对局部水域的影响较大。
（1）污染源调查。通过对湖库流域范围内的点源污染开展调查，掌握流域内工业污染源、城镇生活污染源及其他各类点源污染的污染物排放情况，确定湖库污染与点源污染的对应关系，根据点源污染的影响大小，确定重点点源污染及重点污染物，为制订湖库污染综合防治方案与对策提供支撑。
（2）确定容许排放量。调查研究湖库的污染现状和规律，计算其自净能力，即水体对某种污染物在不超过其规定的*大容许浓度下的极限容量。在此基础上，结合区域环境目标，确定各类污染物的容许排放量。必要时，可构建湖库水环境数学模型，精确计算各类污染物的容许排放量并确定其排放时空规律。
（3）处理技术方案。对湖库水环境造成影响的点源污染治理工程，主要可以分为两类，即工业废水治理工程和城镇生活污水治理工程。工业废水是目前湖库水体的主要污染源，特点是水量大、污染物多、成分复杂，甚至含有有毒有害物质；不同的工业废水在水质特征、排放量、排放规律等方面存在很大的差异，对水体的污染程度也不同。城镇生活污水处理工程要针对污染源的排放途径及特点结合地方特点进行设计，对于已经建有管网的城镇，可以采用建设集中式污水处理厂的方式，有效治理污染源。
2）湖库面源污染治理措施
面源污染管控，主要从污染源和输移途径两个方面开展工作。农业面源污染是所有面源污染中较为严重的类型。虽然许多研究表明，改变农田的耕作方式和管理措施，利用不同农作物对营养元素吸收的互补性，采取合理的间作套种，能在一定程度上减少农药或养分的流失，降低面源污染负荷[6]，但更有效的方法是发展生态农业，直接控制农药和化肥的施用。径流污染的治理是在污染物的输移途径上采取适当的措施，减少排入地下或地表水体的污染物[7]。
（1）面源治理措施。面源污染来源于大量施加化肥与农药的农田、畜禽养殖、分散村落生活污水及可被冲入径流的村落固体废弃物、蓄积滞留在地面上的污染物等[8]。对于不同面源污染，应采取不同的污染源控制措施。对于农业面源污染，应减少或控制农药、化肥的施用量；对畜禽养殖和农业有机废弃物的污染控制，尽量做到资源化再利用，发展生态农业，减少废弃物的产生和污染物的流出，大大降低径流对地表或地下水体的污染。
（2）径流污染治理措施。面源污染物产生后，随径流尤其是暴雨径流流出，进入受纳水体，径流污染的控制就是在径流发生地与受纳水体之间去除径流中污染物的过程。在污染物随径流从发生地到受纳水体的输移过程中，需要经过田边沟渠，穿过水边带，进入湿地、支浜，再汇入河流，*后进入湖泊，充分利用这些有效空间，开展生态工程建设，将会大大减少水体中的氮、磷含量。与暴雨径流相关的面源污染具有突发性、大流量、低浓度的特点，针对这种特征的径流污染比较经济有效的治理技术就是生态工程与生态恢复技术，常用的有生态拦截沟渠技术、人工水塘技术、草林复合系统构建技术、人工湿地技术等[3]。
3）湖库内源污染治理措施
湖库内源污染主要包括湖库内底泥污染、养殖污染、旅游污染、船舶污染等与湖库水体直接接触，不经过输移等中间过程而直接进入湖库（水体）的污染源。
（1）底泥治理措施。底泥是内源污染物的主要富集场所，也是水体二次污染的主要潜在污染源。即便外源污染得到了有效控制，但由于内源污染的存在，水体水质仍有可能长期得不到改善。因此，对湖库污染水体的治理措施，一般是外源污染基本得到控制以后，采取工程措施清除污染底泥。对于湖库，尤其是城市附近污染底泥堆积厚度很大的局部重污染水域，环保疏浚技术的应用*为普遍，效果也*明显[9]。
（2）湖库水生植物生物量调控措施。水生植物在湖库水体营养盐循环及能量流动过程中担当着重要角色，水生植物生长
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