石佛寺水库是辽河干流上唯一控制性工程,也是典型的滞洪蓄水平原水库。其库区内分布有沈阳水务集团第七水厂的黄家水源地和沈阳市农业高新技术开发区水源地,采用地表水与地下水联合调蓄方式供水10万m3/d。由于辽河氮污染较重导致抽取的地下水中氮含量增加从而影响了上述两个净水厂除铁锰效果,对供水安全构成了威胁。因此如何防治地表-地下联合调蓄系统的氮污染,提高水厂水处理效率,已引起有关部门的高度重视,也成为迫切需要解决的问题。为此本文基于地表水与地下水转化系统中的库底土层的特性分析以及其中氨氮迁移转化规律试验,开展了地表-地下联合调蓄供水水源氮污染防治研究,以期为城市供水水源安全提供有效的防治和保护措施。本次主要完成了以下几方面的研究工作。一、石佛寺库区水文地质特征分析研究。主要调查了库区水文、气象、水文地质条件,建立了地表水-地下水联合调蓄水文地质模型,为建立地表水-地下水联合调蓄数学模型提供了科学依据。二、石佛寺库区水环境质量现状评价。本次对库区地表水质量评价采用基于层次分析和熵权组合改进的综合标识指数法,评价结果是石佛寺库区地表水整体为Ⅴ类水,丰水期稍好于枯水期,其中氨氮、总氮以及生化需氧量超标严重;对库区地下水质量评价采用了模糊综合评判法,评价结果是枯水期为Ⅲ类和Ⅴ类水,丰水期一般为Ⅲ类、Ⅳ类水,主要超标因子为氨氮以及铁、锰。三、库底土层特性研究。本次通过现场采集的土样进行土工试验、浸溶试验以及微生物菌群多样性试验来分析库底土层相关特性。采用激光颗粒分布测量法、比重法以及室内渗透试验测定了库底土层的颗粒组成、比重、孔隙度、渗透系数等性质,结果表明库区土层岩性为粉质粘土,属于弱透水层,厚度3.0～4.5m,渗透系数约为5.58×10-2 m/s-6.67×10-2m/s;室内浸溶试验结果表明库底土污染物释放包括快速释放、释放调整以及释放稳定三个阶段,溶解氧以及有机物含量对污染物的释放有一定影响释。放稳定后的氨氮浓度约为 1.2mg/L～1.6mg/L,硝酸盐氮 0.8mg/L～1.1mg/L,总铁浓度 0.2mg/L～0.3mg/L,总锰浓度0.2mg/L～0.25mg/L,表明库底土层作为二次污染源对库区地表水质有一定影响;库底土层微生物菌群多样性分析主要通过DNA提取、PCR扩增、DGGE等分子生态学手段对入库、库中和出库三个断面土样进行检测,结果发现库底土层的微生物群落具有多样性,且与污染程度有关,库中和出库采样点的微生物多样性均高于入库断面,优势菌种为变形菌门。四、库底土层氨氮迁移转化规律研究。首先通过对库区地下水质检测结果采用系统聚类方法确定了铁锰与氨氮转化最为相关;其次并进行枯丰不同时期氨氮转化土柱模拟试验,结果表明地表水中氨氮、铁、锰离子在通过库底土层时存在着扩散-吸附-生物氧化三个阶段,其中铁的去除要优先于氨氮和锰,对氨氮和铁的去除主要集中在在0-40cm深度土层中,而对总锰的去除则主要集中在25-45cm深度土层中,对氨氮、铁、锰的最大去除率分别为81.25%、89.24%以及80.15%。由于库区水质常年氨氮超标严重,部分地区由于氨氮转化优势菌种的存在导致氨氮转化与总铁去除趋于同步发生。氨氮转化过程与微生物菌种分布规律基本一致。五、地表水与地下水联合调蓄供水系统的安全保障措施研究。首先建立了地表-地下联合调蓄耦合模型并采用正演拟合间接校正参数方法对模型的相关参数进行修正,运用Visual Modflow对现有水源井以及未来战略储备水源的持续运行两种情景下库区地下水污染影响进行模拟预测。结果表明现有水源地以及战略储备水源的运行会导致氨氮下渗对库区地下水环境造成一定程度污染,从而提出建立辽河源头水质防控—库区生态防控—联合调蓄系统防控的三位一体的石佛寺水源氮污染防护体系等供水安全保障措施,为石佛寺库区地表水与地下水联合调蓄供水水源的安全保护提供科学依据。本次通过土柱试验和微生物菌种群落多样性分析对石佛寺平原水库地表水与地下水联合调蓄供水系统中氨氮的时空演化规律及对铁锰分布的影响进行了系统研究,拓展了氨氮在地表水与地下水联合调蓄系统中的研究方向,这也是本次研究的创新之处。