20年專注水環(huán)境生態(tài)治理解決方案服務(wù)
國(guó)家高新技術(shù)企業(yè) 國(guó)家特聘專家企業(yè) 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)領(lǐng)軍人才企業(yè)
水體富營(yíng)養(yǎng)化造成的湖泊藍(lán)藻水華是全球范圍內(nèi)的重大水環(huán)境問題.防控湖泊藍(lán)藻水華的根本方法是通過流域綜合治理削減入湖營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷,使湖庫(kù)營(yíng)養(yǎng)鹽水平達(dá)到或低于限制藻類大量增殖的濃度閾值.然而高強(qiáng)度人類活動(dòng)所產(chǎn)生的流域污染負(fù)荷量大,使得這一目標(biāo)難以在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn).同時(shí),全球變暖和極端氣候頻次增多又進(jìn)一步增加了藍(lán)藻水華發(fā)生的概率,導(dǎo)致湖泊藍(lán)藻水華將在未來較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)存在.藍(lán)藻水華暴發(fā)期間,大量藻類聚集會(huì)對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生嚴(yán)重影響,藍(lán)藻產(chǎn)生的藻毒素和嗅味物質(zhì)還會(huì)威脅飲用水安全.為了保障湖泊敏感水域水質(zhì)和生態(tài)安全,湖庫(kù)管理者需要在外源污染還沒有得到有效控制的背景下采取一系列湖內(nèi)措施,旨在削減藍(lán)藻生物量,降低其影響程度,保障供水安全.
近40年來,我國(guó)圍繞湖泊藍(lán)藻水華防控采用了各種長(zhǎng)效治理和應(yīng)急保障措施,但由于對(duì)單項(xiàng)技術(shù)運(yùn)用邊界條件和適用范圍認(rèn)識(shí)不足,浪費(fèi)了大量人力物力,很難達(dá)到預(yù)期效果.因此,對(duì)于現(xiàn)有富營(yíng)養(yǎng)化治理和藻類防控技術(shù)手段的系統(tǒng)總結(jié)和梳理十分迫切.本文簡(jiǎn)述了藍(lán)藻水華防治的相關(guān)理論依據(jù);將現(xiàn)有的藍(lán)藻水華防控方法分為三大類,包括長(zhǎng)效治理的營(yíng)養(yǎng)鹽控制、生態(tài)修復(fù)與調(diào)控以及應(yīng)急處置方法,結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究和治理案例,初步界定了各類技術(shù)的適用邊界條件、應(yīng)用范圍和作用效果,分析了各項(xiàng)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)成本;最后,對(duì)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化與藍(lán)藻水華系統(tǒng)防控提出了建議,以期為湖泊管理決策者制定湖泊藍(lán)藻防控方案提供科學(xué)依據(jù).
1湖泊藍(lán)藻水華治理的理論基礎(chǔ)
湖泊藍(lán)藻水華暴發(fā)是由于其流域氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽過量輸入、藻類過度增殖所致,并隨生態(tài)系統(tǒng)逐步退化而加重.自1980s,圍繞藍(lán)藻水華發(fā)生機(jī)理、藍(lán)藻水華防治等開展大量研究,形成了一些理論,支撐了湖泊藍(lán)藻水華長(zhǎng)效治理和生態(tài)修復(fù)措施的實(shí)施.
1.1氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽控制理論
湖泊藻類水華暴發(fā)是由水體營(yíng)養(yǎng)濃度增加導(dǎo)致藻類大量增殖所引起的,可見削減氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽是控制藍(lán)藻水華的有效途徑.通常認(rèn)為,水華暴發(fā)的邊界條件是總氮(TN)濃度超過0.5mg/L、總磷(TP)濃度超過0.02mg/L.研究表明,溫帶湖泊中藍(lán)藻占據(jù)優(yōu)勢(shì)的概率與TP濃度相關(guān):TP濃度低于0.03mg/L時(shí),概率低于10%;濃度達(dá)到0.03mg/L時(shí),概率提升至40%;當(dāng)TP濃度接近0.1mg/L時(shí),概率可以達(dá)到80%.藍(lán)藻水華優(yōu)勢(shì)種屬也受湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的影響,例如微囊藻是富營(yíng)養(yǎng)和超富營(yíng)養(yǎng)水體的優(yōu)勢(shì)屬,而絲狀藍(lán)藻如長(zhǎng)孢藻、束絲藻和項(xiàng)圈藻是中營(yíng)養(yǎng)水體藍(lán)藻水華的優(yōu)勢(shì)屬.水體中無機(jī)磷在0.014~0.200mg/L、無機(jī)氮在0.3~0.8mg/L時(shí),藍(lán)藻生長(zhǎng)速率快速增加.但控制富營(yíng)養(yǎng)化與藍(lán)藻水華究竟是控磷為主還是氮磷雙控,仍是國(guó)際湖沼學(xué)爭(zhēng)議的熱點(diǎn).20世紀(jì)加拿大227號(hào)湖泊中進(jìn)行的營(yíng)養(yǎng)鹽添加試驗(yàn),形成了以控磷為主的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化控制理論基礎(chǔ).近年來美國(guó)1382個(gè)湖泊數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明,雖然TN和TP都與葉綠素a濃度顯示一定相關(guān)性,但貧營(yíng)養(yǎng)、中營(yíng)養(yǎng)和富營(yíng)養(yǎng)湖泊葉綠素a濃度與TP濃度的相關(guān)性大于TN濃度,重富營(yíng)養(yǎng)湖泊葉綠素a濃度才與TP和TN濃度高度相關(guān).通過削減氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽控制藍(lán)藻水華具有很強(qiáng)的可操作性和很好的效果,德國(guó)博登湖、Müggel湖和荷蘭Veluwe湖的治理表明減少營(yíng)養(yǎng)鹽輸入能顯著降低藍(lán)藻生物量;在日本琵琶湖富營(yíng)養(yǎng)化得到控制后,藍(lán)藻水華基本消失.
1.2淺水湖泊穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換理論
歐洲和北美湖泊現(xiàn)場(chǎng)研究和恢復(fù)發(fā)現(xiàn),湖泊中存在多種不穩(wěn)定狀態(tài)或兩種穩(wěn)定狀態(tài).Scheffer等提出了“淺水湖泊穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換理論”,指出生態(tài)系統(tǒng)存在多個(gè)穩(wěn)定狀態(tài),淺水湖泊在一定營(yíng)養(yǎng)條件下(TP在0.05~0.15mg/L之間)可處于2個(gè)不同的典型狀態(tài),一個(gè)為浮游植物占優(yōu)勢(shì)的“濁水態(tài)”,另一個(gè)為沉水植物占優(yōu)勢(shì)的“清水態(tài)”.丹麥204個(gè)湖泊觀測(cè)結(jié)果也支持了這一理論.藻類占優(yōu)勢(shì)的藻型湖泊水體渾濁,光在水下迅速衰減,阻礙沉水植物發(fā)展;沉水植被占優(yōu)勢(shì)的草型湖泊水體清澈,沉水植物可以阻止沉積物再懸浮,為浮游動(dòng)物提供庇護(hù),浮游動(dòng)物生物量增加,對(duì)藻類的下行效應(yīng)增加,同時(shí)沉水植物還可以分泌化感物質(zhì)抑制藻類生長(zhǎng),水體透明度增加又有利于沉水植物迅速擴(kuò)增,產(chǎn)生一系列正反饋,保持清水狀態(tài).該理論在1990s末被介紹和應(yīng)用到我國(guó),之后一直被應(yīng)用于以沉水植物恢復(fù)為核心的湖泊生態(tài)恢復(fù)和藻類水華防治研究與示范工程中.
1.3生物操縱理論
“生物操縱理論”是通過去除浮游動(dòng)物食性魚類或放養(yǎng)肉食性魚類降低浮游動(dòng)物食性魚類數(shù)量,提高枝角類浮游動(dòng)物生物量,增加浮游動(dòng)物對(duì)浮游植物的攝食效率,從而降低浮游植物數(shù)量.Shapiro等首先提出了生物操縱術(shù)語和方法,這種方法也被稱作食物網(wǎng)操縱.與生物操縱理論相關(guān)的還有McQueen等提出的“營(yíng)養(yǎng)級(jí)衰減理論”,也稱為上行與下行效應(yīng)(top?down/bottom?upeffect),該理論認(rèn)為每一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的最大生物量是由下一級(jí)營(yíng)養(yǎng)水平所決定的,處于上層的捕食者數(shù)量受下層食物資源控制,浮游植物生物量是由上行效應(yīng)(力)與下行效應(yīng)(力)共同決定的.Jeppesen等比較了丹麥湖泊長(zhǎng)期和短期生物操縱結(jié)果,發(fā)現(xiàn)中富營(yíng)養(yǎng)化湖泊LakeVaeng藻類控制效果明顯,而富營(yíng)養(yǎng)化湖泊FrederiksborgCastle生物操縱響應(yīng)弱,雖然枝角類浮游動(dòng)物Daphnia和Bosmina密度3年內(nèi)增加了40~60倍,但水體TP濃度沒有顯著下降,并認(rèn)為要保證生物操縱的成功有必要長(zhǎng)期持續(xù)去除浮游動(dòng)物食性魚類和放養(yǎng)兇猛肉食性魚類;同時(shí)控制水體TP濃度低于0.100mg/L和恢復(fù)沉水植物也是生物操縱成功的關(guān)鍵.一系列研究證實(shí)熱帶和亞熱帶湖泊中生物操縱的響應(yīng)要弱于溫帶湖泊.“非經(jīng)典生物操縱”也稱為“魚類控藻”學(xué)說,其原理是濾食性魚類,諸如鰱、鳙,主要以濾食浮游生物為生,因而它們直接可以作為生物操縱工具來控制夏季藻類生長(zhǎng),特別是體形較大的藍(lán)藻.Xie提出在東湖水質(zhì)保持現(xiàn)狀情況下,鰱、鳙放養(yǎng)密度超過40~50g/m3時(shí),水華可以得到有效遏止.Crisman等支持這一觀點(diǎn),他認(rèn)為在熱帶和亞熱帶地區(qū)枝角類種類較少,體型也小,濾食性魚類是更為合適的生物操縱工具.
藍(lán)藻水華形成與發(fā)生機(jī)理是近20年來湖泊科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),研究主要集中于兩個(gè)方面,一是有利于藍(lán)藻成為優(yōu)勢(shì)的生理特性,如具有偽空泡和膠鞘、過量吸收和貯藏營(yíng)養(yǎng)、具有CO2濃縮機(jī)制、固氮作用、適應(yīng)低光、防御強(qiáng)光、產(chǎn)生藻毒素和產(chǎn)生厚壁孢子進(jìn)入休眠狀態(tài)等;二是環(huán)境因子對(duì)藍(lán)藻水華形成的影響,包括營(yíng)養(yǎng)鹽、氮磷比、溫度、pH值、微量元素、水文水動(dòng)力和氣象條件等.這些研究不斷加深人們對(duì)藍(lán)藻水華的科學(xué)認(rèn)識(shí),支撐藍(lán)藻水華的防治.
2藍(lán)藻水華防治技術(shù)與邊界條件及效益分析
2.1營(yíng)養(yǎng)鹽控制
外源營(yíng)養(yǎng)鹽控制是湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理的根本,否則任何湖內(nèi)治理都很難獲得長(zhǎng)期效果.然而現(xiàn)實(shí)操作層面上,外源污染治理難度巨大,治理周期長(zhǎng),短時(shí)間內(nèi)效果不明顯.此外,很多湖庫(kù)管理者對(duì)外源營(yíng)養(yǎng)鹽究竟要削減到什么程度才能控制藍(lán)藻水華的認(rèn)知還不夠,削減程度通常還不至于導(dǎo)致湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變,以致對(duì)外源污染削減的有效性產(chǎn)生了懷疑.
2.1.1外源營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷削減的程度
國(guó)際上最簡(jiǎn)單、經(jīng)典的用于估算外源污染負(fù)荷削減程度的模型是Vollen?weider模型,湖泊水體磷濃度是水滯留時(shí)間校正后的磷負(fù)荷函數(shù),公式為:
式中,P為湖內(nèi)總磷濃度(mg/m3);LP為磷的年負(fù)荷(mg/(m2·a));qs為出水處水深(m/a);τw為1/ρw(a-1),其中ρw=Q/V,Q為湖泊的排水量(m3/a),V為湖泊體積(m3).Cullen和Forsberg評(píng)估了43個(gè)湖泊對(duì)外源負(fù)荷削減的響應(yīng)結(jié)果:整體上外源磷負(fù)荷削減量在2/3~3/4之間,其中15個(gè)湖泊的營(yíng)養(yǎng)等級(jí)明顯降低,總磷濃度為0.025mg/L;9個(gè)湖泊的總磷和Chl.a濃度下降,但營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)沒有變化,19個(gè)湖泊的總磷濃度有小幅度、但不顯著的下降,Chl.a濃度沒有變化,這兩類湖泊水體總磷濃度仍在0.1mg/L以上.Uttormark和Hutchins對(duì)13個(gè)湖泊的評(píng)估結(jié)果表明,9個(gè)湖泊在總磷濃度為0.02mg/L時(shí)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)發(fā)生了轉(zhuǎn)變.即使水體總磷濃度還不足以低到改變營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),湖庫(kù)仍會(huì)對(duì)外源負(fù)荷的削減有所響應(yīng),水質(zhì)可能會(huì)有所提升.華盛頓湖(LakeWashington)富營(yíng)養(yǎng)化控制與水質(zhì)改善方面取得了明顯的效果,被視為湖泊治理和生態(tài)恢復(fù)的典范.華盛頓湖平均水深37m,沖刷率0.4a-1,治理前TP濃度為0.064mg/L,透明度(SD)為1.0m,Chl.a濃度為36μg/L;治理后TP濃度為0.019mg/L,SD為3.1m,Chl.a濃度為6μg/L;治理成功得益于88%的外源磷削減,同時(shí)該湖水體較深,換水周期短,水體下層不缺氧,富營(yíng)養(yǎng)化歷史相對(duì)短,內(nèi)源污染負(fù)荷不嚴(yán)重.
大型湖泊空間異質(zhì)性高,因此外源負(fù)荷削減對(duì)湖體的影響還會(huì)有空間上的差異.匈牙利Balaton湖削減了45%~50%的外源磷負(fù)荷,西部小湖區(qū)藻類生物量下降(面積38km2,平均水深2.3m),但東北兩個(gè)大湖區(qū)(面積分別為600和802km2,平均水深分別為3.2和3.7m)藻類生物量卻持續(xù)上升,其中一個(gè)東北湖區(qū)外源負(fù)荷削減11年后內(nèi)源釋放增加了5~6倍.
2.1.2內(nèi)源污染物的削減
當(dāng)外源負(fù)荷大量削減后,湖泊水質(zhì)仍不能得到有效提升,湖泊生態(tài)系統(tǒng)無法恢復(fù),內(nèi)源負(fù)荷的削減就尤為迫切和重要.相對(duì)于深水湖泊,富營(yíng)養(yǎng)化淺水湖泊底泥釋放對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)鹽的貢獻(xiàn)不可忽視.削減和控制湖泊內(nèi)源污染有底泥疏浚、底泥抽槽、底泥洗脫和引水沖刷等物理手段,還有鎖磷劑、凹凸棒土等原位磷鈍化方法(表1).
(1)底泥疏浚底泥疏浚是目前較為常見的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理方法,一般選擇受人類活動(dòng)影響較大、底泥污染物含量較高的重污染湖灣區(qū)、河口、入湖河道和湖岸區(qū)作為疏浚區(qū),疏浚成本在30~65元/m3之間.其中,污染底泥的總磷通?!?00mg/kg,總氮≥2000mg/kg,有機(jī)質(zhì)≥3.5%;重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)≥300;氮磷釋放通量可以分別達(dá)到100和10mg/(m2·d).
我國(guó)許多湖泊中均有運(yùn)用底泥疏浚技術(shù)的實(shí)例.貴州阿哈水庫(kù)底泥疏浚使得底泥TN、TP、TOC平均含量從4800、1259、40700mg/kg分別削減至3200、477、18700mg/kg,降低比例分別高達(dá)34.9%、62.1%、54.1%.武漢南湖底泥TN(1000~840mg/kg)、TP(2080~6990mg/kg)在疏浚后均有顯著降低.滇池草海在疏浚后,水體中TN、TP和Chl.a分別降低了37.8%、40.5%、62.5%.
疏浚對(duì)湖泊治理效果和水質(zhì)改善的持續(xù)性往往受到爭(zhēng)議,如在對(duì)南京玄武湖進(jìn)行疏浚后,水質(zhì)并未發(fā)生好轉(zhuǎn),部分指標(biāo)甚至出現(xiàn)了惡化.典型的有效案例多來自國(guó)外,如瑞典的Trumment湖在疏浚后,水質(zhì)改善狀況維持長(zhǎng)達(dá)18年;而國(guó)內(nèi)案例的改善效果通常維持一個(gè)月到一兩年不等.造成這種狀況的原因也相對(duì)復(fù)雜,外源負(fù)荷高、原位水土界面擾動(dòng)、水力作用產(chǎn)生的異位污染、原有生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能轉(zhuǎn)變等均會(huì)對(duì)疏浚效果產(chǎn)生影響.范成新等提出基于必要性分析、工程量設(shè)計(jì)、疏浚工藝選擇和可行性分析4個(gè)方面,科學(xué)、全面地對(duì)疏浚工程全過程進(jìn)行剖析,避免因認(rèn)知缺陷導(dǎo)致處理效果偏離預(yù)期.此外,還有諸多呼聲指向底泥疏浚與生態(tài)修復(fù)集成技術(shù)的探究,以及采取湖泊流域綜合措施,因?yàn)橹挥性谕庠次廴疚锏玫接行Э刂频那疤嵯拢拍苓_(dá)到疏浚對(duì)內(nèi)源釋放的長(zhǎng)期控制效果,否則大量外源性污染物輸入在湖泊中形成新生污染界面的釋放將降低疏浚效果.
(2)底泥抽槽抽槽技術(shù)適用于風(fēng)浪擾動(dòng)較大、水流匯集區(qū)或沉積物污染較重的入湖河口、離岸湖濱帶、航道等湖區(qū).底泥抽槽很好地利用了湖泊水動(dòng)力,通過設(shè)置底部凹槽來收集沉積物,并降低風(fēng)浪擾動(dòng)所產(chǎn)生的影響,從而減少營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放;同時(shí)保留了泥水界面的微生物和化學(xué)過程,很大程度上減少了對(duì)湖底生態(tài)系統(tǒng)的破壞;此外,由于工程量較疏浚小很多,成本也能夠得到大幅削減.抽槽技術(shù)最早可以追溯到2002年VanLiere和Jonkers提出的“深坑計(jì)劃”,但成功案例鮮有報(bào)道.“十三五”期間該技術(shù)在國(guó)內(nèi)有些突破,太湖、巢湖試驗(yàn)結(jié)果表明:底槽內(nèi)沉積物厚度和營(yíng)養(yǎng)鹽含量遠(yuǎn)高于周邊區(qū)域,抽槽能有效收集湖底的有機(jī)質(zhì)、藻種、氮磷等營(yíng)養(yǎng)鹽,從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)源污染控制,成本低、效率高、環(huán)境影響小,不過污染削減的程度尚缺乏具體的數(shù)據(jù)報(bào)道.
(3)底泥洗脫底泥洗脫是近年來國(guó)內(nèi)研發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù),其原理是通過機(jī)械擾動(dòng)使底泥中粒徑較小的有機(jī)顆粒再懸浮,分離后進(jìn)行磁加載、絮凝等操作,去除內(nèi)源污染,出水再排回原水體;同時(shí),大部分粒徑較大的無機(jī)顆粒原位沉降后,形成了穩(wěn)定的覆蓋層,阻止底泥深層污染物的釋放.底泥洗脫適用于湖灣、岸帶、敞水區(qū)等富營(yíng)養(yǎng)化(含黑臭)、富含有機(jī)質(zhì)底泥的各類地表淺型水體,投資成本與疏浚相當(dāng),大致在55~105元/m2修復(fù)面積(http://www.sohu.com/a/425211340_99899283).洗脫技術(shù)能夠有效去除底泥中40%~80%的有機(jī)質(zhì)、50%~90%的TN和40%~80%的TP.目前成功運(yùn)用到北京涼水河舊宮段、河北北戴河國(guó)家濕地公園、安徽池州市百荷公園、廣東茂名石化竹園人工湖等水體,基本能夠?qū)崿F(xiàn)黑臭水體向Ⅳ類,或劣Ⅴ類向Ⅲ類轉(zhuǎn)變,同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了藻型湖泊逐步向草型湖泊過度的現(xiàn)象,表現(xiàn)出了良好的運(yùn)用前景(http://www.ahlake.com/)
(4)引水稀釋和沖刷
稀釋和沖刷是兩個(gè)概念,稀釋是引入比湖泊營(yíng)養(yǎng)鹽水平低的“清潔水”,且兩者營(yíng)養(yǎng)水平相差越大效果越好,不僅能降低湖泊營(yíng)養(yǎng)鹽水平,還能將藻細(xì)胞帶出湖體;沖刷只具備后者功能,且沖刷速率必須相當(dāng)于或接近藻類生長(zhǎng)速率才能有效抑制藻類生長(zhǎng).引水稀釋通過釋放環(huán)境容量的方式減少水體內(nèi)源污染,同時(shí)達(dá)到降低藻含量、削減異味物質(zhì)的目的,通常在小水體中取得良好效果.美國(guó)西雅圖的GreenLake從1965-1978年期間引入低磷濃度水,沖刷速率為每天0.24%~0.65%,經(jīng)過5年的處理,夏季水體透明度提升了4倍,Chl.a降低了90%,總磷下降了50%.如果引入中、高營(yíng)養(yǎng)的水,大約(10%~15%)/天的沖刷速率也可以抑制藻類的生長(zhǎng).例如洪澤湖的主要水量來自于淮河,東部湖區(qū)為淮河過水通道,雖然該湖區(qū)總氮和總磷濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于藍(lán)藻水華發(fā)生閾值,但因?yàn)檩^高的換水速率,該湖區(qū)葉綠素a濃度仍低于其他湖區(qū).為了緩解太湖、滇池的富營(yíng)養(yǎng)化和藍(lán)藻水華強(qiáng)度,我國(guó)自2002年起從長(zhǎng)江向太湖流域調(diào)水,2008年從德澤水庫(kù)通過盤龍江向滇池調(diào)水,并于2013年完成了投資高達(dá)12億美元的牛欄江引水工程,有效減小了水齡.建模分析結(jié)果表明,調(diào)水對(duì)于滇池TP、TN和Chl.a的改善幅度能分別達(dá)到24%~32%、14%~16%和19%~20%,但運(yùn)行效果遠(yuǎn)低于預(yù)期.由于水體交換的時(shí)空異質(zhì)性,引水沖刷只能在一定程度上緩解湖泊富營(yíng)養(yǎng)化、減少藻華的發(fā)生,而對(duì)太湖重污染區(qū)域沒有明顯的改善作用,必要時(shí)只能作為緩解藻華的應(yīng)急措施.鹽城大縱湖的研究結(jié)果表明,從長(zhǎng)江調(diào)水可能會(huì)潛在地加劇富營(yíng)養(yǎng)化程度和藻華發(fā)生的頻率.此外調(diào)水過程中沉積物因水動(dòng)力過程增強(qiáng)而再懸浮,可能加速營(yíng)養(yǎng)鹽釋放,反而有利于藻華發(fā)生.
(5)湖泊下層水排除
該方法適合于內(nèi)源污染嚴(yán)重、具有熱力分層的深水湖泊和小型水庫(kù),不適用于混合充分的淺水湖泊.深水湖庫(kù)下層水體厭氧促進(jìn)沉積物中磷、有毒金屬、氨和硫的釋放,排除下層水可以降低內(nèi)源污染負(fù)荷對(duì)湖庫(kù)水質(zhì)的影響.虹吸法是最節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用的方法,即在湖底最深點(diǎn)附近安裝管道連接至出水口,出水口水位通常低于湖泊水位.下層水帶出的TP量越高、持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)越能有效提升上層水體水質(zhì).Balllinger湖下層水每3個(gè)月排除一次,經(jīng)過3~5年的連續(xù)運(yùn)行上層水質(zhì)得到顯著提升.瑞士某個(gè)湖泊,在削減外源負(fù)荷的同時(shí)進(jìn)行下層水的排除,排水速度4m3/s,4m以下水體的滯留時(shí)間縮短到0.2年,下層水體溶解氧和透明度增加,7年后,下層水體總磷濃度下降了1.50mg/L,上層水體總磷濃度下降0.06mg/L,顫藻(Oscillatoria)生物量從之前的152g/m2降低到41g/m2.美國(guó)LakeWonoscopomuc利用下層水排除技術(shù)去除湖泊下層高磷濃度水,實(shí)施2年后,沉積物釋放的79%TP被移走,水體TP濃度從0.024~0.030mg/L降低至0.010~0.014mg/L,水體溶解氧也有大幅度提高.但是,底層水體可能會(huì)含有高濃度的磷、氨、硫化氫、還原型金屬離子或其他有毒物質(zhì),并且氧氣濃度低,會(huì)對(duì)其排入水體的水質(zhì)、魚類等產(chǎn)生負(fù)面影響.
(6)原位化學(xué)鈍化
原位化學(xué)鈍化通過投加鈍化材料,使水體和沉積物中的磷形成穩(wěn)定化合物,實(shí)現(xiàn)磷的原位固定,以限制沉積物中磷向上覆水釋放,適用于外部污染源獲得穩(wěn)定控制、湖內(nèi)水動(dòng)力作用弱、面積較小的湖泊.目前已有鈍化材料主要包括兩種:一是鋁、鐵、鈣等傳統(tǒng)的金屬鹽類材料,如云南大學(xué)澤湖(3號(hào)湖,1.1萬m2)投加FeCl3,將水體中TP從1.63mg/L降至0.28mg/L,削減量超過80%,不過這種方法可能對(duì)水體造成金屬毒性等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn);二是膨潤(rùn)土、凹凸棒土等新型黏土類材料,貴州黔靈湖使用鋁改性黏土削減了超80%的水體TP,表層沉積物孔隙水中的活性磷削減率超過60%.改性黏土材料更為安全有效,例如鑭改性膨潤(rùn)土(即鎖磷劑)對(duì)磷酸根具有天然親和力,在理論上可實(shí)現(xiàn)1∶1的簡(jiǎn)單化學(xué)計(jì)量配比,展現(xiàn)了較好的選擇吸附性能,目前已經(jīng)在全球200多個(gè)湖泊中得以運(yùn)用.
國(guó)內(nèi)原位化學(xué)鈍化材料的運(yùn)用案例并不多見,多數(shù)成功案例均來自國(guó)外.荷蘭Rauwbraken湖通過添加聚合氯化鋁(PAC)和鎖磷劑將水柱中TP濃度從0.126mg/L降至0.014mg/L,實(shí)現(xiàn)了持續(xù)5年的低營(yíng)養(yǎng)狀態(tài);美國(guó)LagunaNiguel湖固定了80%的TP和95%的溶解反應(yīng)性磷(SRP);對(duì)18個(gè)實(shí)施鎖磷劑鈍化處理湖泊的Meta分析表明,水體中超過60%的TP和SRP被削減.國(guó)內(nèi)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊主要是受風(fēng)浪影響較大的淺水湖泊,雖然國(guó)內(nèi)學(xué)者探索了泥水界面頻繁擾動(dòng)情形下改性黏土的適用性,但被固定在沉積物中的磷極易因擾動(dòng)而再懸浮,控磷效果的長(zhǎng)效性無法得到保障,磷二次釋放的風(fēng)險(xiǎn)很難規(guī)避.此外,溫度、pH、溶解性有機(jī)質(zhì)、共存陰離子等均會(huì)影響鈍化效果,增加了原位鈍化在實(shí)際湖體使用時(shí)的不確定性.暨南大學(xué)南湖(亞熱帶富營(yíng)養(yǎng)淺水湖泊)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,鎖磷劑投加量與目標(biāo)固定P的質(zhì)量比為100∶1時(shí),才能取得良好的控磷效果,與預(yù)期使用量有較大偏差.此外,鎖磷劑可能還會(huì)帶來后續(xù)的生態(tài)影響,可能會(huì)降低沉水植被生物量和相對(duì)生長(zhǎng)率、增加其根冠比,這一定程度上促進(jìn)底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)和多樣性的恢復(fù),但學(xué)界對(duì)此的生態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果并不樂觀.
相關(guān)內(nèi)容
——