生態(tài)修復(fù)的技術(shù)路線富營養(yǎng)化湖泊開敞水域水質(zhì)凈化的生態(tài)工程試驗(yàn)研究

生態(tài)修復(fù)的技術(shù)路線富營養(yǎng)化湖泊開敞水域水質(zhì)凈化的生態(tài)工程試驗(yàn)研究

中國是一個(gè)多湖泊的國家。全國共有2759個(gè)湖泊，總面積9129公里以上，占總面積的0.95%。其中，約三分之一是淡水湖，主要分布在東部沿海地區(qū)和長江以南的周邊地區(qū)，占全國淡水湖泊總數(shù)的60%70%，大部分為淺湖（王素民等，1998）。由于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和湖泊資源的過度利用，湖泊水污染加劇。根據(jù)水文部發(fā)布的調(diào)查報(bào)告，2003年對(duì)52座湖泊進(jìn)行了水質(zhì)評(píng)價(jià)。其中21個(gè)水質(zhì)優(yōu)于i級(jí)，5個(gè)湖泊中的水體受到污染，26個(gè)湖泊中的水體污染嚴(yán)重。其中，50%的湖泊質(zhì)量在滿足中、富營養(yǎng)化條件下非常嚴(yán)重。根據(jù)研究，太湖以北的梅良灣、五里湖和七連湖水質(zhì)低于類，占太湖的8.2%。其他湖區(qū)水質(zhì)為i級(jí)，占評(píng)估面積的75.3%。根據(jù)兩者，水質(zhì)為iv或iv的水域占整個(gè)太湖的83%。這些水域主要是氨氮、五天生化所需的氧氣、總磷和鎂的含量超標(biāo)。更令人擔(dān)憂的是，近年來湖泊水環(huán)境惡化的趨勢仍在發(fā)展。根據(jù)中國科學(xué)院太湖生態(tài)系統(tǒng)研究站的觀測，太湖以北嚴(yán)重污染的梅良灣、七連湖和貢湖水質(zhì)指標(biāo)在2001-2005年之間繼續(xù)顯著增加。太湖湖心臟藻類的鈉含量也呈逐年上升趨勢，2004年達(dá)到接近20gl-1的水平。結(jié)果表明，藻類的花芽從梅良灣延伸到湖心和東太湖。因此，太湖的環(huán)境惡化，富營養(yǎng)化趨勢仍在發(fā)展中。湖泊作為一種與人類生存和發(fā)展密切相關(guān)的獨(dú)特資源,在供水、防洪、航運(yùn)、養(yǎng)殖、旅游及維系區(qū)域生態(tài)平衡方面發(fā)揮著巨大作用.特別是在我國,許多天然湖泊承擔(dān)著向周邊城鎮(zhèn)供水的任務(wù).湖泊的污染和富營養(yǎng)化所造成的直接后果就是水質(zhì)性缺水在原本并不缺水的地區(qū)也變得日益嚴(yán)重.太湖在20世紀(jì)90年代的一次水華大爆發(fā),導(dǎo)致數(shù)百家工廠停產(chǎn),直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)上億元.盡管湖泊水污染和富營養(yǎng)化已經(jīng)引起從中央到地方各級(jí)管理部門的重視,治理的力度也得到增強(qiáng).但是,由于我們所面臨的許多富營養(yǎng)化湖泊是淺水湖泊,對(duì)于這種類型的湖泊,國際上也缺乏成功治理的先例.究其原因與淺水湖泊“水淺”的特性有關(guān).我國的淺水湖泊絕大部分位于大江、大河的下游地區(qū),是在洪泛平原或三角洲上發(fā)育起來的,洪水徑流把上游各種營養(yǎng)物質(zhì)輸送到下游地區(qū),在湖泊等低洼地區(qū)沉降和蓄積.使得這些湖泊從形成時(shí)起,就處于營養(yǎng)較高的狀態(tài)(秦伯強(qiáng)等,2006a).這也是至今人們很難在這一地區(qū)發(fā)現(xiàn)貧營養(yǎng)型湖泊的原因所在.由于這些湖泊水深較淺,風(fēng)浪很容易導(dǎo)致沉積物懸浮,并把蓄積在沉積物中的營養(yǎng)物質(zhì)釋放出來,不斷補(bǔ)充到湖泊水體中去(朱廣偉等,2005).因此,這些湖泊被污染和富營養(yǎng)化后,治理的難度比一般湖泊大,所需要的時(shí)間也要長得多.這意味著象太湖這樣的富營養(yǎng)化淺水湖泊,要實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的根本性好轉(zhuǎn)尚需時(shí)日.在全流域無法很快實(shí)現(xiàn)控源截污、全湖水質(zhì)無法在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)根本性好轉(zhuǎn)的情況下,如何達(dá)到飲用水水源地的局部改善,確保周邊人民群眾的生活用水不受影響,是當(dāng)前需要迫切解決的問題.這也是國家“十·五”“863”重大專項(xiàng)“太湖水污染控制與水體修復(fù)技術(shù)及工程示范”中的子課題“太湖梅梁灣水源地水質(zhì)改善技術(shù)”需要解決的難題.通過生態(tài)工程,實(shí)施水生植物恢復(fù)等生物凈化技術(shù)被廣泛認(rèn)為是湖泊富營養(yǎng)化治理的有效途徑.實(shí)踐表明,有水生植物生長的水域,水質(zhì)清澈;反之,則沉積物容易懸浮,污染物質(zhì)容易釋放.但是,在以往的水生植物恢復(fù)研究試驗(yàn)中,多數(shù)都只限于在數(shù)十平方米的試驗(yàn)尺度上,工作的重點(diǎn)在水生植物的種植本身,鮮有在天然湖泊的開敞水域進(jìn)行一定規(guī)模的試驗(yàn)并取得成功的報(bào)道.這樣的一種狀況也折射出我們對(duì)于湖泊富營養(yǎng)化治理的基礎(chǔ)研究不足和技術(shù)儲(chǔ)備不夠.在湖泊富營養(yǎng)化所導(dǎo)致的水生植物消亡的機(jī)制沒有搞清以前,在水生植物種植成功與否的原因不能予以明確的情況下,把工作的重點(diǎn)放在水生植物種植本身,是非常盲目的(秦伯強(qiáng)等,2006a).因此,對(duì)于湖泊水生植物恢復(fù)和生態(tài)修復(fù),首先需要做的是研究水生植物生長所需要的環(huán)境,以及維持一個(gè)草型生態(tài)系統(tǒng)所需要的外部條件.就現(xiàn)有的認(rèn)知而言,影響水生植物恢復(fù)的主要因素包括物理環(huán)境(如風(fēng)浪、光照和透明度、懸浮物濃度等)、化學(xué)環(huán)境(如營養(yǎng)鹽濃度,氨氮濃度,根部的還原環(huán)境強(qiáng)弱等)以及生物環(huán)境(如魚的牧食,浮游植物濃度和有無水華等)(秦伯強(qiáng)等,2006b).有些環(huán)境條件是根本性的,決定了某一水域能否生長水生植物,如風(fēng)浪的影響.實(shí)際上,利用水生植物來凈化水質(zhì)就是利用草型生態(tài)系統(tǒng)所具有的消化吸收污染物質(zhì)、承受一定的環(huán)境脅迫的能力來實(shí)現(xiàn)的(Schefferetal.,2001).但是,當(dāng)營養(yǎng)鹽濃度過高或脅迫過大,超越了草型生態(tài)系統(tǒng)能夠承受的極限,此時(shí)草型生態(tài)系統(tǒng)必然趨于崩潰,代之以更有競爭力的浮游植物占優(yōu)勢的生態(tài)系統(tǒng),這就是我們通常所看到的藍(lán)藻水華.荷蘭Veluwe湖的觀測結(jié)果表明,在淺水亞富營養(yǎng)化湖泊中,當(dāng)營養(yǎng)鹽濃度逐步升高時(shí),湖泊中的水生植物會(huì)大范圍地消亡(Meijer,2000);反過來,需要恢復(fù)水生植物時(shí),營養(yǎng)鹽需要降低到較水生植物消亡時(shí)的臨界濃度還要低.這表明對(duì)于富營養(yǎng)化水域,利用水生植物的恢復(fù)(這里是指沉水植物)來凈化水質(zhì)是不現(xiàn)實(shí).在這種情況下,必須采用不受營養(yǎng)鹽濃度限制的其它水生植物,如漂浮植物或浮葉植物來代替.但是,這2種水生植物對(duì)于風(fēng)浪很敏感,后者還受制于水深的影響.因此,在開敞水域進(jìn)行漂浮植物和浮葉植物的恢復(fù),首先需要消除風(fēng)浪等環(huán)境因素的影響.在營養(yǎng)鹽濃度過高、無法恢復(fù)沉水植物情況下,還需要在富營養(yǎng)化水域放置仿水生植物的人工介質(zhì).攔截顆粒懸浮物和富集附著生物.總之,實(shí)施生態(tài)修復(fù)需要“先診斷、后治理”,“先環(huán)境改善,后生態(tài)修復(fù)”.正是在這樣的思想指導(dǎo)下,在國家科技部、江蘇省和無錫市政府的支持下,在太湖梅梁灣牽龍口水廠取水口附近實(shí)施了綜合生態(tài)工程試驗(yàn),即通過基礎(chǔ)環(huán)境改善,達(dá)到修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)、改善水廠水源地水質(zhì)的目的.在實(shí)施生態(tài)工程之前,調(diào)查發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)區(qū)風(fēng)浪較大、藍(lán)藻富集嚴(yán)重、透明度較低、底泥分布很少、幾乎沒有水生植物生長,水質(zhì)指標(biāo)顯示該水域?qū)賄類或劣V類.根據(jù)這種情況,提出了改善基礎(chǔ)環(huán)境、恢復(fù)水生植物、引導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)向草型生態(tài)系統(tǒng)方向發(fā)展、達(dá)到凈化水質(zhì)的目的這樣的技術(shù)路線.建立了以水生植被恢復(fù)、健康生態(tài)系統(tǒng)重建技術(shù)為核心,以安全高效的消浪與圍隔技術(shù)為基礎(chǔ),以微量有毒有害物質(zhì)去除技術(shù)為輔助,以魚控藻、貝控藻和機(jī)械、絮凝除藻技術(shù)為補(bǔ)充,以水生生物的資源化處理和生態(tài)恢復(fù)的長效管理技術(shù)為保障的綜合集成的技術(shù)體系.本專欄所收錄的6篇文章,是關(guān)于這個(gè)項(xiàng)目的部分工作成果.其中“太湖水源地水質(zhì)凈化的生態(tài)工程試驗(yàn)研究”(秦伯強(qiáng)等,2007)對(duì)這個(gè)試驗(yàn)工程進(jìn)行了總體介紹,側(cè)重于敘述總體的技術(shù)路線和基礎(chǔ)環(huán)境改善技術(shù),包括生態(tài)消浪和圍隔檔藻技術(shù);“改性沉積物除藻對(duì)水質(zhì)改善的效果研究”(張木蘭等,2007)介紹了利用原位黏土改性后進(jìn)行殺藻除藻的技術(shù),該技術(shù)是綜合除藻控藻集成技術(shù)中的一項(xiàng)創(chuàng)新性技術(shù).在環(huán)境改善的基礎(chǔ)上,本項(xiàng)目進(jìn)行了生態(tài)修復(fù)和水生植物恢復(fù)的研究,重點(diǎn)是研究環(huán)境條件與水生植物生長之間的關(guān)系,為此,本專欄選用了探討沉水植物與透明度(光照)關(guān)系的論文“沉積物再懸浮對(duì)沉水植物生長的影響研究”(謝貽法等,2007)和湖濱帶挺水植物生長與湖濱帶基礎(chǔ)環(huán)境特征的關(guān)系的論文“湖濱帶氧化還原環(huán)境的時(shí)空變化及其環(huán)境效應(yīng)(王洪君等,2007).針對(duì)飲用水水源地的微量有毒有害物質(zhì)的污染,急需開發(fā)相關(guān)的去除和凈化技術(shù),“組合介質(zhì)的微生物富集及去除太湖水源水中微囊藻毒素”(李先寧等,2007)是這項(xiàng)工作的一個(gè)縮影.最后,針對(duì)試驗(yàn)工程運(yùn)行后產(chǎn)生了大量水生植物的情況,為使該示范工程能夠長效運(yùn)行,開展了有關(guān)水生植物資源利用方面的研究,論文“水生植物固體發(fā)酵提高蛋白含量研究“(楊柳燕等,2007)就是這方面工作的介紹.雖然,在太湖梅梁灣水源地開展的水質(zhì)改善生態(tài)工程試驗(yàn)已經(jīng)完成,但是,圍繞著湖泊富營養(yǎng)化治理、生態(tài)恢復(fù)以及水源地的水質(zhì)改善工作遠(yuǎn)沒有結(jié)束.在太湖地區(qū),有關(guān)飲用水水源地的污染和富營養(yǎng)化問題,正逐步從北太湖的無錫等地區(qū),擴(kuò)展到東太湖的蘇州和浙江的杭嘉湖地區(qū),并進(jìn)一步影響到上海等地區(qū).此外,除了太湖地區(qū),在巢湖等其它湖泊也面臨著相似的問題.總