無錫太湖藍(lán)藻水華的現(xiàn)狀與治理對(duì)策

無錫太湖藍(lán)藻水華的現(xiàn)狀與治理對(duì)策

1藍(lán)藻水華及其水質(zhì)污染2007年5月29日，無錫居民因恐懼而期待著第一次見面。他們找到了自來水的氣味。自來水是尖銳而難以形容的。整個(gè)城市的大多數(shù)地區(qū)都陷入了不同程度的洪水。事件很快引起了全國(guó)上下和全世界的高度關(guān)注。無錫市委和市政府立刻啟動(dòng)了應(yīng)急方案:請(qǐng)來專家對(duì)水處理工藝進(jìn)行改進(jìn),確定產(chǎn)生臭水污染的原因,加大引江濟(jì)太和梅梁灣調(diào)水力度,加大純凈水供應(yīng),實(shí)施增雨作業(yè),組織人員進(jìn)行藍(lán)藻打撈等一系列措施。直至6月初,自來水供應(yīng)趨于正常。此次無錫市飲用水危機(jī)的爆發(fā)既是意料之外,又是情理之中。根據(jù)危機(jī)事件爆發(fā)后野外采樣調(diào)查發(fā)現(xiàn):位于取水口東部沿岸有歷史上圍湖造田遺留下來的低矮圍堤,圍堤?hào)|部散布著一些蘆葦?shù)韧λ参?。恰遇今年暖?藍(lán)藻水華爆發(fā)得較早,在岸邊堆積死亡的藍(lán)藻水華在風(fēng)向轉(zhuǎn)變的情況下,漂到取水口周圍堆積,造成此次水污染事件。2007年6月1日下午調(diào)查采樣發(fā)現(xiàn),在此水域附件,仍然漂浮著許多腐爛發(fā)臭的水華團(tuán)。采樣分析發(fā)現(xiàn),其中總氮、總磷、CODMn濃度分別高達(dá)23.4mg/L,1.05mg/L,53.6mg/L,葉綠素a的濃度高達(dá)0.98mg/L。這些參數(shù)是太湖正常情況下的10～20倍。這已經(jīng)是危機(jī)事件即將結(jié)束時(shí)的水質(zhì)數(shù)據(jù)?？梢娫谖C(jī)事件爆發(fā)初期,水源地的水質(zhì)受到的污染有多嚴(yán)重。所謂藍(lán)藻是淡水湖泊中比較常見的一種浮游植物種類,在適宜的氣象條件和營(yíng)養(yǎng)鹽濃度下,就會(huì)爆發(fā)性地生長(zhǎng),形成藍(lán)藻水華。實(shí)際上,藍(lán)藻水華對(duì)太湖周邊的人來說,不是什么新東西。早在解放前太湖里就有藍(lán)藻水華(當(dāng)?shù)厝艘卜Q湖靛),只是那時(shí)的藍(lán)藻水華遠(yuǎn)不如現(xiàn)在這樣的規(guī)模和范圍。因此,發(fā)生此次危機(jī)的根本的原因是太湖富營(yíng)養(yǎng)化導(dǎo)致藍(lán)藻水華大量生長(zhǎng)繁殖,在合適的氣象條件下在取水口大量堆積、死亡腐爛,促成了此次危機(jī)事件的發(fā)生。此次危機(jī)事件反映出我國(guó)飲用水水源地的水污染和水源地所在的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化問題的嚴(yán)重性。早在1996年,國(guó)務(wù)院就在無錫召開太湖水污染防治現(xiàn)場(chǎng)會(huì)議,提出1998年流域內(nèi)所有工業(yè)污染都要達(dá)標(biāo)排放,2000年使太湖水變清。但是,時(shí)至今日,太湖的污染不但沒有好轉(zhuǎn),反而更趨嚴(yán)重。藍(lán)藻水華問題也越來越突出。太湖的問題不是孤立的,在我國(guó)有許多湖泊與太湖一樣,面臨著相同的問題。本文試圖以太湖為例回答為什么我國(guó)的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化問題會(huì)如此嚴(yán)重,為什么治理的難度會(huì)這樣的大,以往的湖泊生態(tài)恢復(fù)為什么鮮有成功的例子,我國(guó)的湖泊究竟應(yīng)該如何治理等問題。為湖泊生態(tài)環(huán)境管理與科研工作提供參考。2太湖富營(yíng)養(yǎng)化的現(xiàn)狀我國(guó)面積1km2以上的湖泊有2759個(gè),總面積達(dá)91019km2,其中只有約1/3的湖泊是淡水湖泊,并且絕大部分是富營(yíng)養(yǎng)化淺水湖泊,主要分布在長(zhǎng)江中下游地區(qū)和東部沿海地區(qū),太湖就是這眾多淺水富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的典型代表。太湖富營(yíng)養(yǎng)化從20世紀(jì)80年代開始,每隔10年湖泊富營(yíng)養(yǎng)化上升一個(gè)等級(jí),而水質(zhì)則下降一個(gè)等級(jí),目前全湖處于富營(yíng)養(yǎng)到重富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),而湖泊水質(zhì)則屬于劣五類。應(yīng)該說太湖富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)展和治理已經(jīng)歷經(jīng)多年,特別是“十五”以來,國(guó)家投入大量人力物力治理太湖富營(yíng)養(yǎng)化,試圖恢復(fù)湖泊原有山清水秀的環(huán)境,但收效甚微。從1998年在太湖啟動(dòng)的三省一市零點(diǎn)達(dá)標(biāo)排放以來,太湖富營(yíng)養(yǎng)化不但沒有得到有效控制,反而呈現(xiàn)出進(jìn)一步加劇的趨勢(shì),從每年5～10月份太湖湖心區(qū)水體總磷、葉綠素a監(jiān)測(cè)平均值看,1998年以來水體TP的濃度仍呈不斷增加的趨勢(shì),葉綠素a含量也不斷增高(圖1)。太湖富營(yíng)養(yǎng)化之所以如此嚴(yán)重而且治理起來異常艱難,既有自然方面的因素,也有人為方面的原因。2.1水生植物是湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的表現(xiàn)之一我國(guó)地貌的基本特征是西高東低,呈階梯分布,大江大河大多發(fā)源于第一、二級(jí)階梯上,而太湖地處我國(guó)的第三級(jí)階梯,位于長(zhǎng)江下游三角洲的南翼坦蕩的太湖平原上,發(fā)育在長(zhǎng)江洪泛平原之上,其形成演化與河網(wǎng)水系的變遷密切相關(guān)。由于長(zhǎng)江的沖刷帶來大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)沉積于此,因此在下游三角洲地區(qū)常常是土壤肥沃。根據(jù)湖泊硅藻生物種群組合與湖泊營(yíng)養(yǎng)水平的轉(zhuǎn)換函數(shù)關(guān)系重建的龍感湖、太白湖近300年來的營(yíng)養(yǎng)演化結(jié)果表明,長(zhǎng)江中下游地區(qū)的湖泊在20世紀(jì)之前,就明顯處于中營(yíng)養(yǎng)—中富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。在太湖通過硅藻種群組合重建的總磷濃度介于50～60μg/L,已經(jīng)符合湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。因此,這樣的湖泊是非常容易富營(yíng)養(yǎng)化的。太湖在人類活動(dòng)影響之前之所以沒有呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化的態(tài)勢(shì),主要得益于大量的濕地與水生植被的發(fā)育。20世紀(jì)60年代中國(guó)科學(xué)院地理研究所對(duì)太湖的綜合調(diào)查顯示:在太湖沿岸帶,東太湖、胥口灣、貢湖灣、梅梁灣、竺山灣和五里湖均分布著大面積的水生植物。正是由于水生植物的大量存在,一方面有效地削減了排入湖中的外源營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷,同時(shí)又大量地遏制底泥中營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放。水生植物吸收水體和沉積物中的營(yíng)養(yǎng)元素,死亡后沉積于湖底,將水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)移到沉積物中,使得水體中營(yíng)養(yǎng)鹽不足以發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化和藍(lán)藻水華。如2005—2006年在太湖無水生植被的梅梁灣和有水生植被的貢湖灣中心區(qū)域TN、TP的年平均值分別為4.45、0.148mg/L;2.57、0.085mg/L。同樣在美國(guó)奧克喬比(Okeechobee)湖的研究也發(fā)現(xiàn),無水生植被的敞水區(qū)TP濃度明顯要高于有水生植被發(fā)育的湖濱區(qū),分別為5～l0mg/L和0.095mg/L。利用古湖沼學(xué)技術(shù)重建湖泊古營(yíng)養(yǎng)演化序列發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)江中下游地區(qū)淺水湖泊從草型生態(tài)類型轉(zhuǎn)向藻型生態(tài)類型的閥值為0.09mg/L左右。而歷史時(shí)期太湖總磷的本底值是0.05～0.06mg/L,一旦外源營(yíng)養(yǎng)鹽的輸入增加和外界干擾破壞原有的草型生態(tài)系統(tǒng),就很容易使湖泊生態(tài)類型由草型轉(zhuǎn)為藻型,進(jìn)而發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化和藍(lán)藻水華。特別是解放后在許多湖泊實(shí)施的圍墾,使得許多湖濱灘涂濕地得到破壞。根據(jù)統(tǒng)計(jì),太湖自解放以來,共圍墾面積528km2,這些被圍墾的水域絕大部分位于湖濱淺水地區(qū),水生植物茂盛;而圍墾后,無論是種植水稻還是漁業(yè)養(yǎng)殖,都由原來的攔截污染物的凈化區(qū)變?yōu)檩敵鑫廴疚锏奈廴驹?其負(fù)面影響如何可想而知。2.2淡水湖泊的遺傳多樣性研究太湖是一個(gè)典型的大型淺水湖泊,平均水深約為2m,最大水深不超過3m,加之其位于季風(fēng)氣候區(qū)并受臺(tái)風(fēng)的影響,風(fēng)速較大且全年盛行。中國(guó)科學(xué)院太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究站2001年全年風(fēng)速風(fēng)向觀測(cè)資料顯示,全年風(fēng)速在2～6m/s的天數(shù)為298天,占全年的82%,風(fēng)速超過6m/s的天數(shù)有22天,占全年的6%。受風(fēng)浪和湖流作用使得水—沉積物界面經(jīng)常處于不穩(wěn)定狀態(tài),沉積物容易擾動(dòng)而發(fā)生再懸浮,大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)隨之釋放進(jìn)入水體。據(jù)估算,一次大的風(fēng)浪過程會(huì)使得水體TN和TP濃度分別增加0.012mg/L、0.005mg/L。類似的研究結(jié)果在其它淺水湖泊也得到證實(shí),如日本琵琶湖在一次臺(tái)風(fēng)過程前后,其淺水水域磷的濃度從0.01mg/L增加到0.025mg/L。位于美國(guó)佛羅里達(dá)州的富營(yíng)養(yǎng)化淺水湖泊阿波普卡(Apopka)湖在風(fēng)浪的作用下其沉積物最頂部的8cm底泥中的可溶性磷都會(huì)釋放出來。頻繁的風(fēng)浪擾動(dòng)引起的內(nèi)源營(yíng)養(yǎng)鹽釋放常常使得水體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)鹽維持在一個(gè)較高的水平。因此,即便在外源污染得到控制的情況,沉積物再懸浮引起的內(nèi)源釋放還會(huì)在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間維持太湖的富營(yíng)養(yǎng)化水平和藍(lán)藻水華爆發(fā)。如Sondergaard等從1978年到1999年在對(duì)丹麥Sobygaard湖的研究發(fā)現(xiàn),20世紀(jì)80年代開始外源營(yíng)養(yǎng)鹽的輸入已降到歷史最低水平,內(nèi)源營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷仍維持在一個(gè)較高水平(圖2),湖泊富營(yíng)養(yǎng)化和藍(lán)藻水華仍然繼續(xù)存在。而當(dāng)前的太湖,不但內(nèi)源營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷存在,1998年零點(diǎn)達(dá)標(biāo)排放后外源每年還有源源不斷的營(yíng)養(yǎng)鹽輸入湖泊。許朋柱等根據(jù)2001—2002水文年115條環(huán)太湖河道的同步環(huán)境監(jiān)測(cè)資料顯示,凈入湖TN、TP分別是12058、361t/a,并且相比于20世紀(jì)90年代除了凈的氮、磷輸入增加外,污染物在湖泊中的滯留率也顯著提高。因而從1998年以來營(yíng)養(yǎng)鹽增加和湖泊富營(yíng)養(yǎng)化繼續(xù)發(fā)展就不難理解。需要說明的是,盡管內(nèi)源污染在淺水湖泊中,特別是動(dòng)力擾動(dòng)的淺水湖泊中由于水—沉積物界面的復(fù)氧過程,使得生物可利用的營(yíng)養(yǎng)鹽釋放會(huì)受到一定程度的影響。但是,由于淺水湖泊水很淺,環(huán)境容量有限,單位面積的沉積物上釋放的營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)于上覆水柱而言是相當(dāng)可觀的;這也是淺水湖泊內(nèi)源污染仍然非常嚴(yán)重的根源所在。2.3太湖流域養(yǎng)殖污染的總量和總量20世紀(jì)60年代初,太湖流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展處于歷史困難時(shí)期,入湖污染物很少。1960年,總無機(jī)氮(TIN)僅0.05mg/L,磷酸根磷(PO3?443--P)為0.02mg/L,水質(zhì)良好,處于貧—中營(yíng)養(yǎng)化之間。自改革開放以來,太湖流域經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人口的急劇增加帶來大量的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活污水源源不斷地排入太湖。1980年太湖流域GDP為1081億元(以2000年可比價(jià)計(jì)算),2000年為9717億元,增長(zhǎng)了近8倍,年均增長(zhǎng)率達(dá)11.6%。1980年,太湖流域總?cè)丝跒?169萬人,到2000年上升為3953萬人,凈增718萬人,年均增長(zhǎng)率10.3‰。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,流域用水量明顯增加,用水量越大意味著廢污水排放量也越大。從用水總量上看,1980—2000年的20年里,太湖流域用水總量逐年增長(zhǎng)。1980年用水總量為234億m3,2000年為316億m3,凈增用水量82億m3,年均增長(zhǎng)率1.5%。1987年太湖流域工業(yè)、生活廢污水排放量為36億m3,1999年增至49億m3,到2000年,達(dá)53.3億m3。伴隨農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展,農(nóng)業(yè)面源和圍網(wǎng)養(yǎng)殖污染排放也逐年增加。目前太湖流域每公頃農(nóng)田施化肥577.5kg,施農(nóng)藥34.5kg,遠(yuǎn)高于全國(guó)平均的411kg和11.25kg。東太湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖面積由1984年的266hm2,增加到1997年的3200hm2,到2003年養(yǎng)殖面積已達(dá)到10647.02hm2,占東太湖總水面的比例高達(dá)79.25%。據(jù)估算,每生產(chǎn)1t魚要向湖內(nèi)釋放氮141.25kg、磷14.14kg,每生產(chǎn)1t螃蟹要向湖內(nèi)釋放氮517.81kg、磷71.57kg。根據(jù)中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所的長(zhǎng)期調(diào)查研究,目前太湖湖水中的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度已經(jīng)由改革開放初期的總氮1～2mg/L增加到5～6mg/L,總磷0.03～0.05mg/L增加到現(xiàn)在的0.1～0.2mg/L(梅梁灣水域)。3藍(lán)藻的水華功能導(dǎo)致此次無錫飲用水危機(jī)事件的元兇是藍(lán)藻水華。藍(lán)藻水華的爆發(fā)是一個(gè)水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要特征。能夠形成藍(lán)藻水華的藻類包括微囊藻(Microcystis)、魚腥藻(Anabaena)、顫藻(Oscillatoria)和束絲藻(Aphanizomenon)等,有時(shí)直鏈硅藻(Melosira)也伴隨藍(lán)藻大量滋生,在太湖主要是微囊藻水華。實(shí)際上,藍(lán)藻水華爆發(fā)是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程,涉及的因子很多,主要包括物理、化學(xué)、生物三方面因子。藍(lán)藻之所以能夠爆發(fā)性生長(zhǎng)形成水華一方面與藍(lán)藻本身的生理特征有關(guān),另一方面則與系統(tǒng)內(nèi)物理、化學(xué)、生物環(huán)境有關(guān)。藍(lán)藻具有以下幾個(gè)生理特性,能夠適應(yīng)富營(yíng)養(yǎng)化淺水湖泊系統(tǒng)內(nèi)的物理、化學(xué)、生物環(huán)境,從而在種群演替中成為優(yōu)勢(shì)種。其一,藍(lán)藻具有偽空泡(gasvacuoles)能夠自行調(diào)節(jié)浮力改變其在水柱中的位置,以適應(yīng)水體中呈垂直方向分布的光照與營(yíng)養(yǎng)的分布不均的問題,從而有利于其從水體中獲取有限的資源并最終成為優(yōu)勢(shì)種群;其二,藍(lán)藻的光捕獲體和色素組成與其它藻類有明顯區(qū)別,體內(nèi)含有藻膽蛋白(phycobilins)。在富營(yíng)養(yǎng)化淺水湖泊由于高濃度的非色素顆粒物和有色可溶性有機(jī)物對(duì)光的吸收和散射,短波的藍(lán)光在進(jìn)入水體后迅速衰減,綠光和桔紅光衰減最弱,光譜出現(xiàn)綠移和紅移現(xiàn)象,而藻膽蛋白能夠有效利用620nm、650nm、565nm波長(zhǎng)的光進(jìn)行光合作用。此外藍(lán)藻對(duì)光照的利用具有二重性,在較低的光強(qiáng)下,藍(lán)藻具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),而其又能適應(yīng)高光強(qiáng)和抗紫外線的干擾,藍(lán)藻細(xì)胞內(nèi)由于大量含有類孢粉素氨基酸(Mycosporine-likeAminoAcids,簡(jiǎn)稱MAAs)等物質(zhì)能夠抗紫外線,太湖的微囊藻中就含有MAAs;其三,適合寬幅的N/P變化和有效的利用間歇性營(yíng)養(yǎng)鹽供給。雖然Smith早在1983年就提出N/P<29易形成藍(lán)藻水華的觀點(diǎn)。但此后這個(gè)觀點(diǎn)受到許多質(zhì)疑,新近的研究表明N/P<29只是藍(lán)藻水華爆發(fā)的結(jié)果,而非原因。唐匯娟比較了國(guó)內(nèi)35個(gè)湖泊(23個(gè)發(fā)生藍(lán)藻水華)后發(fā)現(xiàn),發(fā)生藍(lán)藻水華的湖泊中N/P在13～35之間,而沒有發(fā)生藍(lán)藻水華的湖泊中N/P則小于13。高溫的夏季里光照強(qiáng)烈,藻類的光合作用更強(qiáng)烈些,對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的需求會(huì)更強(qiáng)烈或者說營(yíng)養(yǎng)鹽的利用更快捷,一旦現(xiàn)有的營(yíng)養(yǎng)鹽因被利用而降低到一定的程度時(shí)就容易成為浮游植物的限制因子,而營(yíng)養(yǎng)鹽的斷斷續(xù)續(xù)的供應(yīng)則很可能導(dǎo)致一些浮游植物種類因營(yíng)養(yǎng)鹽限制而死亡。而藍(lán)藻由于其特殊的生理特性能耐受這些脅迫,并通過形成群體的形式來對(duì)付外界的脅迫;其四,藍(lán)藻擁有CO2濃縮機(jī)制并通過復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)機(jī)制形成對(duì)高溫的適應(yīng)。藍(lán)藻具有比其它藻類更高的CO2和無機(jī)碳濃縮能力,使自己在低碳環(huán)境中能有效地利用碳源,從而比其它藻類具有較快的繁殖生長(zhǎng)速度,競(jìng)爭(zhēng)上占優(yōu)勢(shì)。藍(lán)藻水華的爆發(fā)是內(nèi)因與外因相互作用的結(jié)果。要弄清楚藍(lán)藻水華的爆發(fā)機(jī)制和原因肯定要先了解藍(lán)藻水華爆發(fā)的過程。人們從野外藍(lán)藻水華分離得到藻種進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)的過程中發(fā)現(xiàn),藍(lán)藻以單個(gè)細(xì)胞形式而不是以群體形式存在,即不能形成藍(lán)藻水華。研究顯示藍(lán)藻作為浮游植物的一個(gè)門類,在淡水水體中是普遍存在的。但是淡水水體爆發(fā)的水華并不一定都是藍(lán)藻水華,一些養(yǎng)魚池塘中出現(xiàn)過裸藻水華,河流中出現(xiàn)過硅藻水華,同時(shí)也不只是在富營(yíng)養(yǎng)的水體中產(chǎn)生藍(lán)藻水華,中營(yíng)養(yǎng)水平的水體如千島湖也爆發(fā)過藍(lán)藻水華。在我國(guó),絕大部分湖泊爆發(fā)的水華都是藍(lán)藻水華,原因是我國(guó)絕大部分湖泊中氮磷比都比較低,氮的供應(yīng)是充分的,使得沒有固氮能力的微囊藻成為優(yōu)勢(shì)種(HansPaerl,個(gè)人通訊)。大量的實(shí)驗(yàn)表明浮游動(dòng)物捕食能夠誘導(dǎo)藻類群體的形成;這說明藍(lán)藻水華的產(chǎn)生是藍(lán)藻為了應(yīng)付外界不良環(huán)境的脅迫而表現(xiàn)出來的一種自我保護(hù)機(jī)制。因此,藍(lán)藻水華的形成過程是由藍(lán)藻本身的生理特點(diǎn)以及溫度、光照、營(yíng)養(yǎng)鹽、其它生物等諸多環(huán)境因素共同作用的結(jié)果。在營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷高,氮磷比低,光照和水動(dòng)力環(huán)境合適,食物網(wǎng)中沒有形成枝角類優(yōu)勢(shì)這些條件同時(shí)滿足的情況下就會(huì)出現(xiàn)藍(lán)藻水華。4控源和生態(tài)修復(fù)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理一般應(yīng)該遵循的路線是控源截污、生態(tài)修復(fù)和流域管理。控源包括流域上的各種外源負(fù)荷以及沉積物釋放所產(chǎn)生的內(nèi)源負(fù)荷,這對(duì)淺水湖泊富營(yíng)養(yǎng)化控制非常必要。這是因?yàn)?已有研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)湖泊營(yíng)養(yǎng)鹽濃度不斷升高的情況下,會(huì)導(dǎo)致附著在水生植物(特別是沉水植物)上的生物和浮游植物大量生長(zhǎng),嚴(yán)重遏制沉水植物的光合作用。因此,要恢復(fù)沉水植物,首先必須降低營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷,這就意味著必須適當(dāng)控制輸入湖泊的外源負(fù)荷。在控源的基礎(chǔ)上,進(jìn)行以水生植物恢復(fù)為核心的生態(tài)修復(fù)工作,湖濱帶的生態(tài)修復(fù)可以有效攔截來自陸地的污染物質(zhì),而湖泊內(nèi)部各種類型水生植物的恢復(fù)可以有效地降低沉積物懸浮和內(nèi)源污染釋放。在上述控源和生態(tài)修復(fù)的基礎(chǔ)上,流域上應(yīng)該進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和土地利用方式的調(diào)整,逐步引導(dǎo)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)向環(huán)境友好的方向發(fā)展。這里主要談?wù)効卦唇匚酆蜕鷳B(tài)修復(fù)技術(shù)。4.1外源污染物排放治理大量外源性營(yíng)養(yǎng)鹽進(jìn)入湖泊是導(dǎo)致湖水富營(yíng)養(yǎng)化的最根本的原因之一。因此,控制外源污染物排放是湖泊水環(huán)境治理的首要步驟。但是,目前對(duì)于工業(yè)污染和城市生活污染等點(diǎn)源排放治理力度較大,對(duì)于面大量廣的分散非點(diǎn)源污染控制尚無經(jīng)濟(jì)有效的辦法。而前置庫技術(shù)和濕地技術(shù)是這方面比較有效的方法。(1)物吸收、吸附、攔截營(yíng)養(yǎng)鹽技術(shù)前置庫是有效的富營(yíng)養(yǎng)化治理技術(shù)之一,在河水進(jìn)入湖泊之前,通過前置庫,延長(zhǎng)水力停留時(shí)間,增強(qiáng)泥沙及營(yíng)養(yǎng)鹽的沉降量,同時(shí)利用前置庫中浮游藻類或大型水生植物吸收、吸附、攔截營(yíng)養(yǎng)鹽的功能,使?fàn)I養(yǎng)鹽成為有機(jī)物或沉降于庫底。這項(xiàng)技術(shù)的原理也是利用了營(yíng)養(yǎng)鹽,特別是磷的顆粒態(tài)特性。因此,攔截顆粒物質(zhì)并沉降至河底可以有效攔營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),減緩湖泊富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程。該項(xiàng)措施的技術(shù)關(guān)鍵除足夠的場(chǎng)地外,前置庫要控制80%左右的入流水和可達(dá)到一定去除率的水力停留時(shí)間。在太湖流域,圍繞著太湖的復(fù)雜的河網(wǎng)系統(tǒng),由于其遲緩的水流和較長(zhǎng)的水力停留時(shí)間,使其實(shí)際上扮演著前置庫的作用。這可以解釋為什么太湖地區(qū)河網(wǎng)的水質(zhì)較湖中的水質(zhì)差。(2)濕地生物自然生長(zhǎng)湖濱濕地和入湖河道堤岸濕地是攔截非點(diǎn)源污染的有效措施。也是污染物進(jìn)入湖泊的最后一道攔截屏障。湖泊沿岸濕地和濱岸高等水生植物的消失,將加重湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)展。因此,恢復(fù)和重建湖泊濱岸帶水生植被,從而改變氮、磷入湖途徑,也是控制外源營(yíng)養(yǎng)物入湖的重要措施。濕地凈化系統(tǒng)包括濕生植物和基質(zhì),濕生植物包括漂浮植物、沉水植物和挺水植物。大型植物水下面的根和莖為微生物的生長(zhǎng)提供了巨大的表面積,微生物的生物量大。大型植物的根和莖能釋放出氧氣,促進(jìn)好氧微生物的代謝。濕地水體和底泥中的微生物分解有機(jī)物,產(chǎn)生二氧化碳、氮和磷等營(yíng)養(yǎng)鹽,濕生植物吸收水體和基質(zhì)中氮、磷進(jìn)行生長(zhǎng),通過收割去除氮磷?；|(zhì)能吸附磷,同時(shí),在基質(zhì)中還存在著好氧、缺氧和厭氧的環(huán)境,微生物進(jìn)行硝化和反硝化作用,從而達(dá)到去除氮、磷的目的。4.2湖內(nèi)治理對(duì)于太湖這類淺水的富營(yíng)養(yǎng)化湖泊,內(nèi)源營(yíng)養(yǎng)鹽釋放的控制是湖內(nèi)治理的關(guān)鍵?？刂坪磧?nèi)源污染,應(yīng)當(dāng)根據(jù)水深、pH值、水體的規(guī)模及復(fù)氧能力、內(nèi)源營(yíng)養(yǎng)鹽釋放特點(diǎn)以及水文條件,并結(jié)合水體的功能,選擇經(jīng)濟(jì)有效的控制內(nèi)源釋放的措施。(1)流人工濕地的制備引水沖刷是減少和稀釋湖泊水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的有效方法,如太湖的引江濟(jì)太工程,但其前提是要有清潔的水源,同時(shí)加快水的換水周期使得藍(lán)藻來不及生長(zhǎng)。一般認(rèn)為,每天沖入湖泊體積10%～15%的水就足夠了。采用沖刷的方法對(duì)小型淺水湖泊(如南京玄武湖)有效,而對(duì)于太湖這類大型湖泊從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都有一定的難度。盡管5月份自來水廠水危機(jī)事件發(fā)生后,無錫市加大了引江濟(jì)太流量,同時(shí)在梅梁灣往外泵水,引導(dǎo)湖水流動(dòng)和交換,對(duì)緩解自來水廠危機(jī)發(fā)揮了一定作用,但由于該方法會(huì)排放出營(yíng)養(yǎng)鹽含量高的湖水,將加重下游受納水域的污染,因此是治表不治本的方法。(2)內(nèi)源污染控制人們常把底泥疏浚作為減少內(nèi)源負(fù)荷和治理富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的一種重要措施。但是,前提是需要控制外源輸入的情況下實(shí)施底泥疏浚,原因是如果不控制外源輸入,疏浚后的沉積物表層又會(huì)出現(xiàn)新的污染沉積層。決定一個(gè)湖泊是否適合疏浚,要綜合分析這個(gè)湖泊底泥釋放情況,底泥中營(yíng)養(yǎng)鹽含量,是否有懸浮和復(fù)氧過程、pH及氧化還原環(huán)境,及沉積物中鐵、錳等重金屬的含量。具體而言,對(duì)于面積較大的湖泊或者是湖泊敞水區(qū),由于動(dòng)力擾動(dòng)較強(qiáng),沉積物容易懸浮,沉積物中的營(yíng)養(yǎng)鹽易于在短時(shí)間內(nèi)大量釋放,水體也容易復(fù)氧,如果沉積物中的鐵含量又很豐富,那么,這樣的水域雖然動(dòng)力擾動(dòng)導(dǎo)致的沉積物中的營(yíng)養(yǎng)鹽會(huì)在短時(shí)間內(nèi)大量釋放出來。但是如果沉積物中的鐵、錳含量較高,將由于其對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的強(qiáng)烈吸附作用而使得水體具有自我清除功能,因此,對(duì)于這樣的水體,采用疏浚的方法來控制內(nèi)源污染并非好的方法;但是,對(duì)于面積較小的水域或者是風(fēng)浪作用較弱的湖灣等地區(qū),由于動(dòng)力作用較弱,使得水底呈現(xiàn)較強(qiáng)的還原環(huán)境,沉積物中空隙水中的營(yíng)養(yǎng)鹽含量較高,其與上覆水的濃度梯度也大,靜態(tài)釋放較開闊水域強(qiáng)烈,這樣的水域無論其沉積物的鐵磷比的大小如何,都需要考慮疏浚的方法。(3)水生植物凈化富營(yíng)養(yǎng)化的作用微生物制劑對(duì)去除水體中的有機(jī)物、葉綠素a、氨氮和提高溶解氧等均有顯著效果。固定化亞硝化菌和硝化菌能將水體中的氨氮轉(zhuǎn)化成硝酸鹽氮,固定化反硝化菌能利用原水中的部分有機(jī)物作碳源,進(jìn)行反硝化作用,可以去除湖水中的氮。在小型湖泊中加入的微生物制劑后,水中的溶氧(DO)大幅增加,而COD、總氮、總磷等則明顯降低。隨著水體中藻類的減少和下沉,水體的濁度明顯下降,水質(zhì)感官得到改善。水生植物具有凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體的作用。植物凈化水體的作用包括植物本身(葉片和莖干等)對(duì)水體中顆粒物質(zhì)的捕獲使之吸附在葉片上為附著生物所吸收和同化,或者是使懸浮物沉積至湖底(消除顆粒態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽)并不再懸浮,或者是植物根系的吸附作用。生物浮床技術(shù)是把高等水生植物或改良的陸生植物種植到富營(yíng)養(yǎng)化水域水面上,其凈化原理就是通過植物根部的吸收、吸附作用和對(duì)懸浮物的攔截作用來凈化水質(zhì),富集水體中氮、磷及有害物質(zhì),從而達(dá)到凈化水質(zhì)的效果。對(duì)于沉水植物而言,其凈化原理就是通過葉片上的附著生物來攔截凈化水質(zhì)、通過攔截和降低水柱中的懸浮物濃度來消除顆粒態(tài)污染物質(zhì)、通過根部來吸收和同化沉積物中的營(yíng)養(yǎng)鹽。研究表明,金魚藻等6種水生植物對(duì)水中總氮、總磷和硝態(tài)氮有較好的去除效果,而以狐尾藻和微齒眼子菜兩種效果最好。水生植物雖然能有效提高水體透明度和水體觀感,但對(duì)改善COD的效果不明顯。4.3水生態(tài)系統(tǒng)治理技術(shù)的研究目前,國(guó)內(nèi)外在湖泊藍(lán)藻治理的方法上,大體可歸結(jié)為物理法、化學(xué)法和生物法。這些方法各有優(yōu)點(diǎn),同時(shí)也均具有一些局限性。因此,單獨(dú)采用任何一種單一的技術(shù)手段來治理一個(gè)極其復(fù)雜的水生態(tài)系統(tǒng),都是非常困難的,往往也得不到理想的效果。事實(shí)上,國(guó)內(nèi)外至今也尚未有一套完整成熟的治理方法可供借鑒。因此,就太湖而言,根據(jù)湖泊具體特點(diǎn)和微囊藻水華的生理生態(tài)特性,依據(jù)“綜合除藻、生態(tài)抑藻”相結(jié)合的原則,采取如下物理工程、生物化學(xué)、生態(tài)工程相結(jié)合的手段,控制、去除水源地區(qū)域水體中的藍(lán)藻。(1)pvc圍隔擋藻物理工程的方法主要是利用工程的手段,改變其中的物理環(huán)境條件,進(jìn)而達(dá)到攔藻、除藻、控藻的目的,如“十五”期間在太湖北部的梅梁灣牽龍口水廠水源地實(shí)施的PVC圍隔擋藻。除了圍隔擋藻外,與所設(shè)置的消浪圍隔相結(jié)合,利用微囊藻的漂浮特性,根據(jù)水源地區(qū)域中的風(fēng)向、水流方向,在水體中近岸處設(shè)置一定的區(qū)域,使微囊藻在所設(shè)定的區(qū)域中堆積,隨后可采用機(jī)械的方法收獲堆積的藻類。在建收集圍隔時(shí),上半部可用不透水的材料(或網(wǎng)眼較小的漁網(wǎng)),下半部可用透水的材料(或網(wǎng)眼較大的漁網(wǎng)),以保證最大限度地收集水體中的微囊藻。(2)用化學(xué)除藻劑聯(lián)合生物處理在水源地特定的區(qū)域中,設(shè)置圍隔(可以跟前述的導(dǎo)流收集相結(jié)合)。在圍隔中添加一定濃度的化學(xué)物質(zhì)(目前常用的有:硫酸銅、丙瑪三肽、鈣化合物、鋁化合物、改性粘土等),在數(shù)天內(nèi),使其中的藻類死亡、沉淀。如潘剛等在太湖梅梁灣牽龍口水廠水源地使用當(dāng)?shù)氐母男哉惩寥ヌ幵迦A,取得了較好的效果。一般選擇化學(xué)除藻劑應(yīng)遵循的原則:針對(duì)需要去除的藻種,從水環(huán)境生態(tài)角度去選擇除藻劑,不選有毒副作用的金屬鹽類和有機(jī)藥劑;藥效有效作用應(yīng)有相對(duì)延時(shí)釋放的功能,以適應(yīng)開放式水體的使用環(huán)境。采用化學(xué)藥物在短期內(nèi)可起到較好的殺藻效果,但長(zhǎng)期使用,有可能會(huì)造成湖泊的退化。特別是,由于針對(duì)的目標(biāo)是在水源地進(jìn)行水的處理,因此,首先必需考慮處理過程中不能產(chǎn)生有毒、有害物質(zhì),在處理過程中所添加的化學(xué)物質(zhì)必需進(jìn)行嚴(yán)格的毒理學(xué)、生態(tài)毒理學(xué)的測(cè)試。同時(shí),對(duì)處理以后的水,也需要進(jìn)行毒理學(xué)的跟蹤測(cè)試,以確保供水的安全。(3)磷浮游動(dòng)物的生物控制應(yīng)用生物控制的方法大都基于浮游植物的生理和生態(tài)特性來實(shí)現(xiàn)的。譬如在圍隔中投入大麥桿等植物體,通過其在水體中分解過程中產(chǎn)生的抑藻物質(zhì),去除水體中的微囊藻。這種方法報(bào)道于20世紀(jì)80年代,英國(guó)等國(guó)家已經(jīng)開始大規(guī)模使用大麥桿控制水華,并在小型的淺水水體中取得了成功。關(guān)于大麥桿抑藻的機(jī)理一些研究認(rèn)為可能是細(xì)菌在分解大麥桿的過程中,去除了水體中的磷,同時(shí)促進(jìn)了食藻浮游動(dòng)物的生長(zhǎng);另一些研究則認(rèn)為可能在分解過程中產(chǎn)生了抑藻物質(zhì)。據(jù)報(bào)道,這種方法的效果很好。在兩英畝水面中放置3捆40磅的大麥桿,就能去除95%的微囊藻。從生物控制的角度出發(fā),大麥桿除藻能更好的恢復(fù)和保持環(huán)境原有的面貌,將人為的破壞影響降到最小。在開闊水域,結(jié)合消浪,在圍隔中按一定的間距放置竹排。事先篩選根系發(fā)達(dá)、適應(yīng)性強(qiáng)、對(duì)微囊藻有抑制作用的漂浮植物(如鳳眼蓮、水花生、水蕹菜等),種植在竹排上,定期將漂浮植物移出系統(tǒng)。一方面,利用漂浮植物漂浮在水面上的特點(diǎn),使水下的光顯著減少,從而對(duì)微囊藻的生長(zhǎng)產(chǎn)生影響;另一方面,漂浮植物發(fā)達(dá)的根系上附著的大量微生物,能有效地去除水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽,并可通過將漂浮植物移出系統(tǒng),同時(shí)帶出大量的營(yíng)養(yǎng)鹽。還有就是利用食物鏈原理,通過合理控制鰱鳙魚等濾食性魚類,利用鰱鳙魚對(duì)藍(lán)藻的捕食來控制藍(lán)藻生物量,此外還可以設(shè)法增加浮游動(dòng)物、底棲數(shù)量,增強(qiáng)對(duì)微囊藻的攝食作用。另外,還可通過在圍隔中投放、懸掛濾食性的螺、蚌等軟體動(dòng)物,大量濾食水體中的微囊藻,從而使得水體中的微囊藻生物量得以大量減少。4.4外部環(huán)境脅迫對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的影響湖泊生態(tài)修復(fù)的目的,一方面是為了控制底泥內(nèi)源污染,這在淺水湖泊中特別需要,另一方面是控制藍(lán)藻水華。事實(shí)證明,在有沉水植物存在的草型湖泊生態(tài)系統(tǒng)中,底泥營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放可以有效得到控制,水質(zhì)可以有效得到改善。原因是水生植物可以遏制沉積物的動(dòng)力懸浮過程,同時(shí)可以吸收水體與沉積物中的營(yíng)養(yǎng)鹽,降低營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷,遏制藍(lán)藻水華發(fā)生。那么,如何才能實(shí)現(xiàn)湖泊從藻型到草型的轉(zhuǎn)變?理論上,草型和藻型都是湖泊生態(tài)系統(tǒng)在一定條件下的穩(wěn)定狀態(tài),這就是所謂的湖泊多穩(wěn)態(tài)理論。當(dāng)外部環(huán)境發(fā)生變化時(shí),將對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生脅迫,而湖泊生態(tài)系統(tǒng)具有一定的抗拒外部環(huán)境變化的自我恢復(fù)能力(resilience,或者是返彈能力),但是,當(dāng)外部環(huán)境脅迫增加到一定程度將導(dǎo)致系統(tǒng)破壞,生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化到與新的環(huán)境條件相適應(yīng)的系統(tǒng)狀態(tài)。在荷蘭