上海城市水源地藍(lán)藻暴發(fā)的影響因素及控制管理體系研究.pdf

1、伴隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、人口迅速膨脹的過(guò)程，自然水體中所受納的污染物總量逐年增加，特別是在城市化進(jìn)程較快的長(zhǎng)江中下游地區(qū)，淺水湖泊幾乎全部富營(yíng)養(yǎng)化。長(zhǎng)江中下游地區(qū)分布的湖泊往往是其分布地區(qū)主要的飲用水源之一，近年來(lái)富營(yíng)養(yǎng)化所引起的藍(lán)藻暴發(fā)事件在這些水源地的發(fā)生頻率和規(guī)模不斷上升，威脅到飲用水供應(yīng)安全，導(dǎo)致附近水廠被迫關(guān)停，嚴(yán)重影響了附近居民的生活和工業(yè)企業(yè)的發(fā)展。上海地處太湖流域下游和長(zhǎng)江河口地區(qū)，從1985年起承擔(dān)飲用水供應(yīng)的淀山湖開(kāi)始了

2、藍(lán)藻暴發(fā)的歷程，而長(zhǎng)江口地區(qū)新建的水庫(kù)性水源地在藍(lán)藻易發(fā)季節(jié)亦在局部地區(qū)出現(xiàn)大面積藍(lán)藻聚集，如何控制藍(lán)藻暴發(fā)成為上海城市飲用水源地亟待解決的安全問(wèn)題。論文以黃浦江上游水源地和長(zhǎng)江口水源地典型代表為研究對(duì)象，綜合運(yùn)用環(huán)境科學(xué)、環(huán)境工程、生態(tài)學(xué)以及管理學(xué)的理論和手段，在對(duì)水源地水環(huán)境、生態(tài)環(huán)境以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)與野外生態(tài)調(diào)查的結(jié)果，從不同的角度分析上海城市飲用水源地藍(lán)藻暴發(fā)的問(wèn)題：對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)藍(lán)藻暴發(fā)的開(kāi)放型

3、水源地，按照“成因分析-評(píng)估-修復(fù)與應(yīng)急響應(yīng)”的思路，探索基于藍(lán)藻暴發(fā)的水源地控制管理對(duì)策；對(duì)于存在潛在暴發(fā)風(fēng)險(xiǎn)的水庫(kù)型水源地，采用“野外調(diào)查-模擬-預(yù)警和防控結(jié)合”的研究路線，探索水源地預(yù)警預(yù)控管理體系的建立，在對(duì)暴發(fā)因素研究的基礎(chǔ)上形成上海地區(qū)城市水源地控制藍(lán)藻暴發(fā)的控制管理體系。論文的主要研究成果可以概括為以下幾個(gè)方面：
　　 1.主要水源地水質(zhì)不斷下降是上海市水源地重心轉(zhuǎn)移的內(nèi)在推動(dòng)力。21世紀(jì)初上海飲用水源地正在經(jīng)歷三

4、個(gè)主要變化：供水規(guī)模將由上世紀(jì)末的9.51×106m3/d逐步擴(kuò)大至1.72×107m3/d；飲用水取水重心逐步從黃浦江轉(zhuǎn)移至的長(zhǎng)江口；城市主要的供水模式將由開(kāi)放型水源地供水向水庫(kù)型水源地供水模式過(guò)渡。對(duì)水源地水質(zhì)分析的結(jié)果顯示，水質(zhì)變化的共性問(wèn)題表現(xiàn)為氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽持續(xù)升高，水質(zhì)不斷下降，分散型內(nèi)河取水口的水質(zhì)劣于集中式水源地取水口，黃浦江上游水源地的水質(zhì)劣于長(zhǎng)江口水庫(kù)水質(zhì)，由此可見(jiàn)長(zhǎng)江口水資源的開(kāi)發(fā)最重要的作用是提升了上海優(yōu)質(zhì)飲用水的

5、供給量。然而，水資源供給量的提高并不意味著上海市飲用水源地的矛盾得以解決，陳行水庫(kù)在夏季高溫天氣中局部會(huì)出現(xiàn)藍(lán)藻暴發(fā)，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)意味著在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的階段內(nèi)，預(yù)防及控制藍(lán)藻暴發(fā)都將成為上海市飲用水源地管理的重點(diǎn)。
　　 2.淀山湖藍(lán)藻暴發(fā)是營(yíng)養(yǎng)鹽總量增加、生態(tài)系統(tǒng)退化以及特殊的水文、氣象條件共同作用的結(jié)果。淀山湖目前氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的凈輸入量分別由1985年的220.2t/a、6.0t/a上升至2009年的3026.5t/a、39

6、.3t/a，造成凈輸入量增加的主要原因包括：上游來(lái)水的水量及營(yíng)養(yǎng)鹽濃度均大幅度增加，湖體自身的凈化作用已經(jīng)無(wú)法承受，盡管出湖區(qū)域的水質(zhì)較好，仍有大量的營(yíng)養(yǎng)鹽滯留在水體里；淀山湖底泥較薄，湖泊生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，高等水生植物大面積的消失幾乎瓦解了整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，與此同時(shí)魚(yú)類(lèi)和底棲生物的生物量由于人為干擾強(qiáng)度過(guò)大而下降，在淀山湖營(yíng)養(yǎng)鹽條件充足的環(huán)境下，缺少競(jìng)爭(zhēng)壓力的浮游植物逐年成為影響生態(tài)系統(tǒng)演替的主要因素，其中藍(lán)藻憑借特殊的生理機(jī)能逐漸

7、成為浮游植物的優(yōu)勢(shì)種群。
　　 營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷增加僅僅是藍(lán)藻暴發(fā)的充分條件之一，淀山湖藍(lán)藻暴發(fā)的時(shí)間及地點(diǎn)不固定，在一定程度上意味著其他環(huán)境條件才是誘發(fā)藍(lán)藻暴發(fā)的關(guān)鍵因素。通過(guò)對(duì)2007-2009年藍(lán)藻暴發(fā)事件的分析，特別是對(duì)暴發(fā)時(shí)間、暴發(fā)區(qū)域(MODIS數(shù)據(jù)分析)以及暴發(fā)期內(nèi)水文、氣象因素的分析，可以歸納、總結(jié)出淀山湖藍(lán)藻暴發(fā)的影響因素：上海地區(qū)夏季溫度普遍較高，藍(lán)藻的增殖速率加快，能夠在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較大的生物量；黃浦江漲潮的頂托

8、作用以及太浦河下泄量增加帶來(lái)的壅水作用，延長(zhǎng)了淀山湖水力停留期，為藍(lán)藻增殖提供了穩(wěn)定的水文條件；藍(lán)藻特有的浮力調(diào)節(jié)機(jī)制使其能夠在低氣壓環(huán)境中上浮至水體表面，繼而在低風(fēng)速條件下聚集，最終形成暴發(fā)。
　　 藍(lán)藻暴發(fā)是對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)鹽過(guò)剩的一種自然反饋機(jī)制，不僅存在于淀山湖，長(zhǎng)江中下游地區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重的淺水湖泊里已經(jīng)成為常見(jiàn)現(xiàn)象，這種自然現(xiàn)象本身能夠減少水體中營(yíng)養(yǎng)鹽的含量，但由于淀山湖面積較大，藍(lán)藻不易收集捕撈，逐漸形成了困擾飲用水源地取

9、水的主要因素，控制藍(lán)藻暴發(fā)的根本性措施就是恢復(fù)湖泊原來(lái)的生態(tài)系統(tǒng)、增加生物多樣性、延長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)鹽循環(huán)的過(guò)程等。
　　 3.青草沙水庫(kù)全面暴發(fā)藍(lán)藻的可能性較低，但局部滯水區(qū)仍存在暴發(fā)的可能。長(zhǎng)江口整體水質(zhì)較好，陸源污染物排放的影響較小，但氮、磷濃度偏高的問(wèn)題仍比較突出，已經(jīng)逼近超標(biāo)的臨界值。在青草沙水庫(kù)修建期內(nèi)，長(zhǎng)江原水氮、磷濃度下降，并且無(wú)機(jī)態(tài)的氮、磷比例較少，結(jié)合生態(tài)調(diào)查的結(jié)果，可以認(rèn)為于水力停留期增加有利于浮游植物的增長(zhǎng)，消耗部

10、分營(yíng)養(yǎng)鹽，另一部分則可能沉積進(jìn)入庫(kù)區(qū)底部的泥沙中。
　　 青草沙庫(kù)區(qū)內(nèi)高等植物分布面積較廣但種類(lèi)單一，隨著人為干擾的增強(qiáng)，有可能出現(xiàn)生物量下降的現(xiàn)象。浮游植物的總量及種類(lèi)均低于淀山湖，并且隨水溫變化而增加在8月份達(dá)到生長(zhǎng)高峰，在群落結(jié)構(gòu)上已經(jīng)完全轉(zhuǎn)化為淡水水庫(kù)型，以綠藻為主。水庫(kù)的藍(lán)藻種類(lèi)與淀山湖不同，以顫藻屬、魚(yú)腥藻屬等固氮型為主，生物量同樣呈現(xiàn)隨溫度升高而增加的趨勢(shì)，8月份水溫升至頂點(diǎn)時(shí)在部分區(qū)域成為生物量最高的種類(lèi)。藍(lán)藻主

11、要分布在水深較淺的庫(kù)首及青草沙兩側(cè)，8月份在取水口附近測(cè)到較高的生物量，并且由于水庫(kù)比熱容較大導(dǎo)致水溫下降速度較緩，藍(lán)藻高生物量的狀態(tài)可以維持到10月份，未來(lái)可能對(duì)水庫(kù)供水產(chǎn)生不利因素。
　　 由于青草沙原水中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較低，藍(lán)藻的倍增時(shí)間被拉長(zhǎng)至20 d左右，甚至低于綠藻門(mén)的倍增時(shí)間，從根本限制了藍(lán)藻生物量在短時(shí)間內(nèi)大量增殖的可能。水溫達(dá)到24℃時(shí)藍(lán)藻生長(zhǎng)最好，因此野外生物增加可以從5、6月份即開(kāi)始，而光照對(duì)于藍(lán)藻的影響并不明

12、顯，僅當(dāng)水文條件被改變時(shí)，特別是水流速度加快時(shí)，藍(lán)藻的生長(zhǎng)受限制開(kāi)始下降，10d左右在營(yíng)養(yǎng)鹽供給不夠的前提下有可能分解、沉降甚至死亡，因此對(duì)于水庫(kù)這種半自然水體而言，水力調(diào)度有可能成為水庫(kù)藍(lán)藻暴發(fā)最有效的控制措施。
　　 青草沙水庫(kù)由于處在較低的營(yíng)養(yǎng)鹽水平，現(xiàn)有低營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下，以及氮磷限制、水力條件變化、水流速度增加、停留期縮短等影響，青草沙水庫(kù)最長(zhǎng)21天的連續(xù)停留時(shí)間內(nèi)暴發(fā)藍(lán)藻的可能性比較小，并且咸潮入侵的時(shí)間多發(fā)生在水溫較低的

13、階段，延長(zhǎng)停留期對(duì)于藻類(lèi)生長(zhǎng)而言無(wú)促進(jìn)影響。但同時(shí)也需要注意，庫(kù)區(qū)面積較大、水文條件也存在較大的差異，再加上底泥釋放營(yíng)養(yǎng)鹽的影響，在部分滯水區(qū)以現(xiàn)在的營(yíng)養(yǎng)鹽狀況，若遇到小范圍內(nèi)水力停留時(shí)間較長(zhǎng)的狀況，仍有可能形成大量浮游植物的累積。
　　 4.基于藍(lán)藻暴發(fā)的上海城市水源地管理應(yīng)充分考慮水源地類(lèi)型、營(yíng)養(yǎng)鹽現(xiàn)狀、水文特點(diǎn)以及歷史暴發(fā)情況等，建立目標(biāo)相同但控制措施有區(qū)別的管理體系。淀山湖藍(lán)藻暴發(fā)概率高，管理體系應(yīng)包含暴發(fā)后應(yīng)急響應(yīng)與控

14、藻措施等兩部分：基于時(shí)間特征指數(shù)的藍(lán)藻暴發(fā)評(píng)估體系為淀山湖藍(lán)藻暴發(fā)的預(yù)測(cè)提供了快速判斷的準(zhǔn)則，在此基礎(chǔ)上采用攔藻、納藻以及生物除藻的一系列應(yīng)急控藻措施，來(lái)能夠保障飲用水源地供水安全。但這些應(yīng)急措施從根本上無(wú)法解決營(yíng)養(yǎng)鹽濃度過(guò)高的核心問(wèn)題，因而需要采用改造湖濱帶、恢復(fù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期控制對(duì)策，根據(jù)淀山湖湖區(qū)特性建立從近岸帶到湖中心、從先鋒種到建群種逐步恢復(fù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)。
　　 青草沙水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)和水質(zhì)狀況均比較好，藍(lán)藻暴發(fā)概率較