南四湖是山东省最大的淡水湖泊,同时也是我国华北地区最大的淡水湖泊,作为南水北调东线工程的重要输水通道和调蓄湖泊,在保障周边地区经济社会稳定发展和生态环境文明方面起着至关重要的作用。近年来,南四湖整个湖区水质已基本属于中度富营养化和富营养化水平,富营养化已成为南四湖面临的最重要的水环境问题之一。由于国家对南水北调沿线采用了严格的污染排放标准,有关部门采取综合防治措施,以确保在南水北调东线工程投入运行前,各入湖河流水质提前达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅲ类以上标准。但是,南四湖湖区作为一个庞大的、复杂的生态系统,其与外界物质、能量和信息的交流受多种影响因素。尤其是湖区水质污染受到特别的关注。在湖区水环境水质污染的影响因素中,除了通过河道流入湖区的污染水体外,还有湖区周边的面源污染、高空大气沉降和湖区内水生生物新陈代谢、湖底沉积物二次污染等。在这样的背景下,从不同学科出发,选择南四湖水环境中一个或几个具有代表性的问题进行研究,就显得具有重要的理论指导意义和现实社会应用价值。其中,由于湖泊沉积物在影响湖区水环境中的特殊作用和地位,越来越引起人们的关注。随着研究成果的不断丰富,对湖泊沉积物的形成过程、组成成份、形态特征及迁移运动规律有了更深的理解掌握。开展对湖区表层沉积物中的重金属和营养盐进行相关研究,可为调水前沉积物治理积累数据资料,为湖区开展流域污染综合治理提供科学依据。总体来说,受人类活动的影响,近二十年来南四湖水环境发生了很大的变化,并且这种变化的趋势还在进一步加剧,特别是像南四湖二级大坝和南水北调东线这种改变自然生态景观的人为工程的建设,对南四湖现代水环境的影响更是难以估量的。基于以上考虑,本文对南四湖水环境污染特征及其重金属离子去除机理进行了相关研究,主要结论如下：1、南四湖沉积物中营养盐的含量及分布湖泊柱状沉积物中保存有湖区环境变化的丰富信息,营养盐含量的变化是湖泊富营养化渐进过程的标志。同一水体不同深度的底泥中积累的氮、磷物质也就记录着人为活动和自然变化对湖泊环境的影响。因此建立与恢复柱状沉积物中的营养盐含量的变化序列,对于研究湖泊环境污染历史具有重要的理论意义,并且可为现代湖泊环境的整治工程提供科学依据。(1)磷的含量及重直分布。对分别取自南阳湖和昭阳湖湖区的两个柱状沉积物进行分析,柱状沉积物中总磷含量的统计值表明,不同地点所采集的柱状岩芯中总磷的含量差别较大,南阳湖Core—1岩芯的平均值高达787 mg/kg,昭阳湖Core—2岩芯的平均值仅为590 mg／kg。由最小值和最大值的差距来看,Core—1号岩芯的最小值为512mg／kg,最大值为1374mg／kg,两者之间的差距超过2.5倍,Core—2岩芯的最小值为520mg／kg,最大值为768mg／kg,差距低于1.5倍。两个岩柱沉积物在总磷含量垂直变化上,分布曲线体现出从岩芯底部向顶部逐渐升高的趋势。南阳湖和昭阳湖在岩芯的底部磷含量基本都是处于500-550mg／kg左右的含量,南阳湖沉积物中磷含量上升较快,昭阳湖磷含量从底部向上部也呈现逐渐上升趋势,但在底部和中段表现不是非常明显,没有南阳湖上升幅度大。总体来看,昭阳湖岩芯中磷含量,对应深度上低于南阳湖。这可能与磷的来源、湖泊湖流运动规律或湖泊沉积环境有关系。(2)总氮、总有机碳、总碳含量及分布。南四湖不同地点沉积物中总氮、总有机碳和总碳含量存在差异。南阳湖柱状沉积物中总氮最大值为6056mg／kg,为最小值的近10倍,平均值为2240 mg／kg；总有机碳最大值为5.61%,为最小值的10倍多,平均值为2.21%；总碳最大值为7.56%,最小值为1.48%。昭阳湖柱状沉积物中总氮最大值为11228mg/k,为最小值的10倍多,平均值为5707mg／kg；总有机碳最大值为9.62%,为最小值的12倍多,平均值为5.35%；总碳最大值为12.37%,最小值为6.66%。由数据分析看出,不同地点所采集的柱状岩芯中总氮、总有机碳、总碳的含量差别较大。昭阳湖岩芯中总氮的平均值约为南阳湖总氮平均值的2.5倍；南阳湖岩芯中有机碳的平均值为2.21%,而昭阳湖岩芯的平均值则高达5.35%,由最小值和最大值的差距来看,昭阳湖岩芯总碳、总有机碳、总氮含量的最小值、最大值都普遍比南阳湖里的大。在垂直变化上,两个柱状岩芯中总碳、总有机碳、总氮含量的变化。可以看出曲线的变化趋势与总磷的变化趋势相似,曲线变化也呈现出有底部到顶部逐渐上升的趋势。通过对南四湖上级湖表层沉积物与柱状沉积物分析结果,可以得出以下结论：济宁市及其他市县的城市生活污水、农业退水和工业废水排放进入南阳湖是南四湖有机质和TP污染的主要来源；柱状沉积物中营养元素具有较稳定的垂直分布,并具有明显的由底部向顶部逐渐上升分布特征,反映了流域社会经济的发展导致营养元素的释放量增加,造成了湖泊现代沉积物中营养元素的积累。2.南四湖沉积物重金属含量和形态组成研究对南四湖重金属元素形态组成分析上,利用的是本课题组2005年9月在南四湖主要入湖河流及湖区采集的28个表层(0～10cm)沉积物样品。采集时对样品现场进行pH、Eh测定,样品装入密封袋中低温运回实验室,冷冻干燥后进行沉积物粒度组成、重金属元素形态、TOC含量等分析。分析表明,丰水季节,南四湖流域泗河、京杭运河、洙赵新河、洗府河上游、上级湖南部湖区及下级湖区表层沉积物中重金属人为污染程度较弱,重金属元素形态组成主要反映了其自然属性,Cr, Cu、Ni、Zn以残渣态为主,Pb、Mn主要赋存于残渣态和可氧化态。老运河、洗府河入湖口、白马河表层沉积物中Cr、Cu、Ni、Zn的可氧化态、酸提取态、可还原态含量明显增加,其次生相富集系数最高达10.5,明显受到人为污染,污染源主要是济宁市及白马河上游地区；随着表层沉积物中有机质的矿化分解及环境条件的改变,这些水体沉积物中Cr、Ni、Cu、Zn等重金属元素可发生形态转化,具有较高的潜在生态风险。对于南四湖沉积物重金属含量的空间分布,本文在两个方面进行了研究。是沉积物含量垂直分布上,按照湖泊沉积物地球化学样品采集工作方法要求,利用重力采样器在南阳湖和昭阳湖各采集了一个长0.37m的柱状沉积岩芯,标号分别为core-1、core-2。对每个岩柱前面15cm每0.5cm取样,后面每1.0cm取样。每样品各取样52个,分别登记编号。样品分析项目包括：总氮(TN)、总有机碳(Org-C)、总磷(TP)、金属元素(汞、砷、铅、铜、镍、锌等)、210Pb等。重金属元素等由中国地质科学院地球化学研究所实验室测试,测试过程严格按照生态地球化学评价样品分析技术要求进行。本研究采用的是210Pb纪年模式中的第一种计算模式,即CIC模式,计算出结果如下：南阳湖平均沉积速率为0.35cm／a,昭阳湖平均沉积速率为0.26cm／a。该研究结果与其他学者的研究结论基本吻合。在垂直方向上,汞的含量是较高的,富集系数达到12.5。二是重金属含量水平分布上。利用抓式取样器,分别在南四湖上级湖、下级湖和主要入湖河流河口区三个湖区单元,采集了40个沉积物样品,通过利用地积累指数和潜在生态风险指数两种指标相结合的方法,利用在室内化验分析取得的测试结果进行综合评价。结果表明,Cd是湖区主要污染元素,As污染次之,其它金属元素均属于较轻的污染程度。主要入湖河流河口区和上级湖区处于很强生态危害污染状态,下级湖处于轻微生态危害状态。因此,在南四湖水环境的治理保护当中,对重金属Cd和Hg的富集及其生态效应问题应引起高度重视。3.南四湖富营养化评价与原因分析济宁市及周边地区工农业和旅游业的迅猛发展发展,产生的大量污染物被排入南四湖,使其水质急剧恶化,出现富营养化现象。南四湖水质的恶化,不仅制约着济宁市社会经济的发展,还影响着数百万人民群众的生活质量的提高和在南水北调工程中所起的作用。通过选取了与水体富营养化关系密切的叶绿素a(Chla).总磷(TP)、总氮(TN)、透明度(SD)和高锰酸盐指数(CODMn)五项代表性的检测指标作为调查项目,采用综合营养状态指数(TLI)作为评价方法,对南四湖2008年8月份的62个水质样品进行计算。根据计算数值,采用0-100的一系列连续数字对南四湖营养状态进行分级。结果表明,四个湖区中南阳湖的叶绿素a、总磷、总氮和高锰酸盐指数的含量最高,分别为0.056 mg／m3、0.43 mg／L、3.38 mg／L和7.3 mg／L；微山湖中含叶绿素a、总磷和高锰酸盐指数的含量最低,分别为0.01 mg/m3、0.03 mg／L和5.16 mg／L；昭阳湖中的总氮含量最低为1.62mg／L。而透明度的值却与叶绿素a、总磷、总氮和高锰酸盐指数的值变化趋势正好相反,南阳湖的透明度只有0.47 m,昭阳湖最高达到0.72 m,微山湖为0.63 m。通过综合营养状态指数法,南四湖四个湖区的污染程度由重到轻分别是：南阳湖、独山湖、微山湖和昭阳湖。南四湖出现富营养化并不是偶然的,既有天然因素又有人为因素。湖区水体浅、流速慢、循环周期长为南四湖发生富营养化提供了自然条件；人类活动所产生的大量工业废水、生活污水和现代农业过量使用化肥、农药形成面源污染等进入南四湖,是南四湖营养盐迅速增加,导致水体富营养化的人为因素。4.南四湖重金属离子去除机理研究研究结果表明,重金属污染已成为亟待解决的南四湖水环境水环境问题之一。除了工程措施外,选择合适材料开展对南四湖水环境中重金属污染去除的研究也很有意义。为控讨重金属离子去除去除机理,本文利用密度泛函理论[Density functional theory (DFT)],在两个方面进行了研究。一是壳聚糖吸附Hg2+,pb2+和Ag+离子的机理研究。壳聚糖是一类重要的天然类多糖衍生物,在废水处理、贵金属富集和生态修复方面发挥着重要。各种金属离子的电子结构不同,通过对壳聚糖进行化学修饰,人们可以改变所形成的吸附复合物的稳定性,以便进行选择性吸附和工业操作,但由于目前实验手段的限制,实验上确定金属离子与壳聚糖的相互作用本质还存在较大的困难,而现代量子化学方法为人们探索这种作用机理提供了一种强有力的工具。计算结果表明,过渡金属离子Hg2+,Pb2+和Ag+主要吸附在壳聚糖中的氨基氮原子和羟基氧原子之间,并与壳聚糖主链上的氧原子存在较强的相互作用,Hg2+和Pb2+离子的结合能比Ag+的结合能大得多；Hg2+,Pb2+和Ag+等重金属离子与壳聚糖的相互作用主要为静电相互作用。二是硅表面吸附铜原子和水合铜离子的研究。研究结果表明,铜离子与Si(111)表面的相互作用主要包括部分的共价键作用和静电作用；在Si(111)表面水合铜离子的配位数为4,当水分子数目大于5时,水分子之间形成分子间氢键；在水溶液中,水合铜离子可以稳定的吸附在Si(111)表面。