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朱喜:深入治理太湖 消除富营养化和蓝藻爆发(上)

* 作者: admin * 发表时间: 2021-10-25 23:36:01 * 浏览: 256

朱喜:深入治理太湖 消除富营养化和蓝藻爆发

【作者简介】朱喜:男,1968年乌鲁木齐农垦大学(大专)毕业,高工,中国水利学会会员;在新疆水利行业工作至1985年调回无锡,于无锡市水资源管理处、犊山工程管理处等9个单位工作过,2005年退休前后工作于无锡市水利局12年。前后从事水资源、水工程规划、设计和管理工作50余年,2002起从事河湖水污染、水环境、水生态研究,2007年起从事太湖等大中型湖泊消除蓝藻爆发、富营养化技术及其应用理论研究。2007年6月首先提出太湖2007年5.29供水危机实质是“湖泛”的理论,为政府采纳和专家认同;提出新沟河“引江济太”的设想;2007-2013年任无锡市蓝藻办顾问,专门从事蓝藻治理技术工作。

共编撰出版5部技术专著:《河湖污染与蓝藻爆发治理技术》(2021),《河湖生态环境治理与调研》(2018),《中国淡水湖泊蓝藻爆发治理与预防》(2014),《太湖蓝藻治理创新与实践》(2012),《太湖无锡地区水资源保护和水污染防治》(2009)。

主编4个规划:《无锡市水资源综合规划》(2007),《无锡市水生态系统保护和修复规划》(2006),《无锡市水资源保护和水污染防治规划》(2005),《无锡市区水资源保护规划》(1995)。

发表有关水资源、水生态、水环境、河湖治理、2007年供水危机、调水、防御洪涝、污水处理提标、治理太湖巢湖滇池富营养化和蓝藻爆发等百余篇文章,参加全国百余场学术研讨交流会并作报告。


文章全文

摘要:2007年以来太湖蓝藻年年持续爆发,治理取得阶段性效果,存在一定问题,分析问题原因及提出总对策。改变、完善治理太湖观点和策略:污水厂已成为主要点源群,蓝藻已成为主要内源,仅依靠防治水污染不能消除太湖蓝藻爆发。消除富营养化和治理蓝藻须密切结合,全年分水域消除水面水体和水底蓝藻,才能消除蓝藻爆发。太湖治理三大目标:消除富营养化、消除蓝藻爆发和修复湿地;治理措施:减少以污水厂污染负荷为主的外源入湖、减少以蓝藻为主的内源释放、修复25-30%植被覆盖率、创新各类技术及集成,在2030-2049年以前分水域消除蓝藻爆发,生态系统得到根本性改善,建成为美丽健康的太湖。

关键词 太湖 富营养化 蓝藻爆发 治理成效 技术措施 


引言:习总书记指示“抓好生态文明建设,攻克老百姓身边的突出生态环境问题”,蓝藻爆发是太湖最突出的生态问题,尽快解决老百姓不希望看到蓝藻爆发的问题。环太湖城市密切协作,必能在建国百年之前完成分水域消除太湖蓝藻爆发的艰巨任务。

 

1 太湖富营养化及蓝藻爆发

太湖碧波万顷,水面积2340km2,为我国第三大淡水湖[1],在冬春季则为我国最大淡水湖,是浅水型可封闭湖泊。流域面积36500km2,分属江苏、浙江和上海两省一市,流域及环湖5城市苏州、无锡、常州、湖州、嘉兴,均是长三角和全国社会经济的发达区域。 

1.1 富营养化

 由于水污染,大量营养盐进入太湖,当水体中N P等营养盐含量超过一定限度就称为富营养化。富营养化使水域生态系统失去良性平衡,生物多样性受损。营养程度分为:贫营养、中营养,富营养。其中富营养又分为:轻度、中度、重度和异常富营养。影响水体营养程度的主要是人为和自然因素,其中气候和水文水动力等自然因素总体是难以控制的,而外源、内源、湿地、蓝藻、调水等因素是可人为控制的。

 太湖20世纪80年代以前为中营养,更早则为贫营养;80年代起局部水域进入富营养,富营养化程度越来越严重,至21世纪太湖全面进入富营养化,大部分为中富,局部达到重富,2007年供水危机时局部范围达到异常富营养,以致蓝藻都难以生存;2007年后,富营养化程度有所减轻,至今为轻-中富[2]。

1.2 蓝藻

 蓝藻也称蓝绿藻或蓝细菌,是地球上分布最广、适应性最强的光合自养生物。据专家考证,蓝藻在地球的全盛期为35亿年前~7亿年前,历时28亿年之久,其间经历了远古时期的巨大繁荣,蓝藻的光合作用产生了大量的氧气,蓝藻在地球表面的大气环境从无氧变为有氧过程中发挥巨大作用。35亿年前,第一批原核藻类——蓝藻出现;15亿年前,真核藻类逐渐繁衍;直到7亿年前,藻类依然是地球上唯一的绿色植物。

 蓝藻,在生物三界系统学说中属于植物界,故众多专家称之为浮游植物;在生物五界系统学说中属于原核界;在生物六界系统学说中直接分属为蓝藻界。蓝藻一般可分为非固N蓝藻和固N蓝藻。其中非固N蓝藻有微囊藻、颤藻、鞘丝藻等;固N蓝藻有鱼腥藻、束丝藻、拟柱胞藻、胶刺藻、节球藻、蓝纤维藻等。其中微囊藻主要为铜绿微囊藻、水华微囊藻、惠氏微囊藻等。太湖有数百种以蓝藻为主的藻类。近几十年太湖在每年的5-11月是以蓝藻为优势种或绝对优势种,其中又以微囊藻居多[3]。

 1.3 蓝藻爆发

 蓝藻爆发是指以蓝藻为主的藻类,在水体富营养化等合适的生境及在缺少种间竞争的条件下,快速生长繁殖,达到一定密度,大范围聚集于某处水面的现象[3]。

 蓝藻爆发与水华。在20世纪50年代或以前太湖为非富营养化时期就存在水华,所以水华不必要消除和难以消除;目前太湖的水华应称为水华爆发较合理;太湖蓝藻爆发即是蓝藻水华爆发的简称,蓝藻爆发应该消除和能够消除。

 影响蓝藻爆发因素[4]:水体中N P等营养物质的富营养化是最基本条件;水温、光照等自然条件为主要因素,使蓝藻具有快速增殖能力;风与水动力是蓝藻聚集与扩散的重要因素,一定的风力风向使蓝藻快速漂浮聚集于某一处水面,但风力过大则使蓝藻隐于水下及减慢生长速度,太湖由西向东的自然水流(重力流)使上游高密度蓝藻输送至中下游各水域;天气的晴阴雨雪同样是重要因素,决定着水温和光照的程度,一般在晴天或多云天气发生蓝藻爆发,大雨天蓝藻则隐于水下及减慢生长速度;其他还有湿地、生态、pH值、微量元素等影响因素。这些因素的组合决定蓝藻爆发的规模、频次、时间、地点和严重程度。

1.4 蓝藻爆发历程

1987-1989年梅梁湖(太湖北部湖湾)北部的富营养化产生小规模蓝藻爆发,1990年梅梁湖开始规模蓝藻爆发,以后扩大至全太湖。蓝藻爆发程度的计量有蓝藻密度、爆发面积(包括最大面积、累积面积)和频次、叶绿素a等。以下以蓝藻密度、爆发最大面积分析。

蓝藻密度是单位体积水体中的蓝藻数量。太湖自1990年以来蓝藻持续爆发30年,蓝藻密度至2019年总体呈持续升高趋势。全太湖年均蓝藻密度由2009年的1450万个细胞/L增加至2019年最高值12500万个/L,为8.6倍:同期湖心为19.18倍,东部沿岸22.83倍。湖心水域面积973km2占太湖水面积41.6%,其藻密度大幅升高带动太湖中下游藻密度升高,致以往不发生蓝藻爆发的东部沿岸及东太湖近年也有爆发现象。但2020年藻密度为9200万个/L,较2019年有所下降(表1)。

表1   太湖年均藻密度表(万个/L)

年份

2009

2010

2011

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

2019

2020

数值

1447

1900

1900

2490

5660

6200

4300

8500

12100

9100

12500

9200

数据来源均为参考文献[2];

年蓝藻爆发单次最大面积,指每年若干次爆发中面积最大的1次。太湖蓝藻爆发单次最大面积在1990-2006年间持续增加,从100-200km2到2006年的1354km2。2007-2020年蓝藻爆发基本呈高位波动状态,其中2007年1114km2,2009年最小为524km2,有相当年份接近或超过2007年,如2017年最大面积达到1403km2(表2)。

表2   太湖蓝藻爆发年最大面积(km2,日期)

年份

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

2013


面积

1354

1114

574

524

984

997

991

1092


日期

8.13

9.8

9.18

8.21

8.15

7.21

8.29

11.19



年份

2014

2015

2016

2017

2018

2019

2020



面积

854

1091

936

1403

775

977

823



日期

11.26

11.27

7.17

5.10

5.23

9.8

5.11



太湖P N等元素达到富营养化程度就发生蓝藻爆发,但其后蓝藻爆发则不一定随富营养化程度的降低而减轻,只要P N等元素在富营养化程度的一定范围内,蓝藻爆发仍持续在高位发生,如2007年-2020年TN持续下降37%(表3),蓝藻爆发基本没有减轻。所以,目前蓝藻密度持续在高位的这种情况,只要水温、光照等自然条件适合(种间竞争没有大的变化情况下),蓝藻爆发程度难以持续减轻;但若全年水温有一定程度下降,晴(多云)天气减少、雨雪和大风天气增加,则蓝藻爆发程度可能会阶段性减轻,如2008-2009年蓝藻爆发的最大面积小于600km2(表2);2020年及以后可能存在一个阶段性的减轻过程。

1.5 蓝藻爆发作用与危害

作用:蓝藻在阳光下进行光合作用,为大自然增加氧气;蓝藻在生长期间吸收水中N P等营养物质,减少水体中N P含量。所以只要及时清除水面水体和水底蓝藻,就能清洁水体。如2008年8月14日梅梁湖锦园附近蓝藻水经过0.45µm滤膜过滤后检测的水质达到TN Ⅲ类、TP Ⅳ类[3]。目前监测水质是在水下0.5m处采得水样后测定的水质基本不含或很少含蓝藻,如2020年太湖水质TN TP均Ⅳ类[2],与2008年8月14日测得的基本不含蓝藻的水质相似。

危害:蓝藻先于人类出现,在改造自然界发挥巨大作用,为什么现在人们谈藻色变?因在中国的太湖巢湖滇池(称“三湖”)及全世界许多水域存在蓝藻爆发现象,害处很多:蓝藻可以产生蓝藻毒素,且难以去除;增加底泥,加重底泥污染,加重水体污染和富营养化;影响供水安全和危害人类健康,危害生物的安全,损害生物多样性,严重影响旅游和居住环境,严重影响经济发展,蓝藻爆发已成为生态灾害的代名词,如造成太湖2007年供水危机[5]。蓝藻从地球生态系统的功臣变成罪人,错误就在于现代社会人类对自然过渡的索取、开发、消费。大量不合理的人类活动,向水体排放大量污染物,造成日益严重水污染、富营养化以至蓝藻爆发,使原来清洁健康的河湖生态环境在较短时间内发生恶化,成为蓝藻年年持续爆发的欠健康的生态系统。

表3   太湖年均TN TP(mg/L、倍)

年份

1981

1987

1988

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997


TN

0.9

1.54

1.6

2.35

1.89

2.87

2.34

1.73

3.14

3.29

3.2


TP

0.025

0.035

0.055

0.058

0.05

0.08

0.08

0.13

0.133

0.134

0.106



年份

1999

2000

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012


TN

2.55

2.6

3.57

2.49

2.85

2.35

2.42

2.26

2.48

2.04

1.97


TP

0.095

0.13

0.086

0.079

0.096

0.074

0.072

0.062

0.071

0.066

0.071



年份

2013

2014

2015

2016

2017

2018

2019

2020

2020/2007


TN

1.97

1.85

1.85

1.96

1.6

1.55

1.49

1.48

0.63


TP

0.078

0.069

0.082

0.084

0.083

0.079

0.087

0.073

0.986


1、1981-2007年数据来源为参考文献[3];2、2008-2020年数据来源为参考文献[2]














1.6 “湖泛”和太湖供水危机

“湖泛”[6]是在静止或相对静止的浅水域,由于水体和底泥污染严重,同时遇到高水温及严重缺氧的情况就发生厌氧生化反应,伴随产生黑水臭气的现象。造成“湖泛”的因素:水污染严重、底泥污染严重、严重缺氧、高水温、水体静止或相对静止、水浅。太湖“湖泛”的3种成因:蓝藻爆发、严重水污染、二者兼有,其中长期严重水污染和蓝藻爆发就使底泥污染严重。

自1990年太湖发生第一次规模蓝藻爆发后,曾在1990-2007年间发生多次“湖泛”型供水危机[7],包括梅梁湖的梅园水厂、中桥新水厂的4次供水危机,1次贡湖水厂的供水危机,影响供水人口数十万至数百万、供水时间数天不等。其中2007年贡湖(太湖北部的湖湾)发生的“5·29”供水危机是最严重的一次,其原因是太湖多年持续发生规模蓝藻爆发后,死亡蓝藻的有机质大量积存于湖底,2007年初太湖水温较往年偏高2℃,3月底-5月期间又持续多次发生蓝藻爆发,致使水域严重缺氧、DO接近于零,加之水体相对静止,贡湖北部水源地发生严重厌氧生化反应,导致产生大规模严重“湖泛”,即发生震惊中外的“5· 29”太湖供水危机、生态灾害,无锡市停止供水一周,三百万人无饮用水可用。这些严重的“湖泛”型供水危机给流域城市和国家敲响警钟。目前尚有竺山湖年年存在小规模“湖泛”,但不涉及供水问题,其原因主要是大量污水进入及存在蓝藻爆发。

2 治理成效及存在问题

2007年后政府投巨资出大力治理太湖取得阶段性成效,但由于认识不足和部分措施有误以致治理措施存在相当问题。

2.1 治理成效

⑴ 入湖河道水质得到明显改善。2016年起入太湖河道消除劣Ⅴ类(不含TN),其中氨氮达到Ⅲ-Ⅳ类[2],入湖污染负荷有所减少。

⑵ 太湖营养程度由重富改善为轻-中富。太湖平均水质从劣Ⅴ类提升至Ⅳ类,2007年起太湖TN浓度持续下降,从2.35mg/L降低为2020年1.48mg/L、降低37%[2]。

⑶ 消除太湖大面积“湖泛”,消除贡湖水源地“湖泛”[2],实现自来水双水源(太湖、长江)双向供水的全覆盖格局[3],确保供水安全。

⑷ 消除水面蓝藻堆积现象,减慢蓝藻爆发的发展速度,明显改善蓝藻爆发堆积水域不良的视觉和嗅觉效果[5]。

2.2 存在问题

治理取得阶段性效果的同时还存在相当多问题,这些问题极需尽快解决,还太湖一年四季的清澈、美丽。

⑴ 太湖水质TP不降反升。2015-2020年的6年间有5年的TP浓度均较2007年升高,如2019年TP浓度 0.087mg/L较2007年升高17.6%(表3);东太湖TP浓度升高,2007-2012年均为Ⅲ类,2017-2018年升高为Ⅳ类[2]。

⑵ 太湖水质不均。近年太湖水质总评均为Ⅳ类,但竺山湖为劣Ⅴ类(TN超标)、太湖西部沿岸为Ⅴ类[2]。

⑶ 太湖蓝藻仍年年持续爆发。如2017年蓝藻爆发最大面积1403km2超过2007年1114km2,在2016年12月底蓝藻爆发面积尚有700 km2多[2],2020年5月24日蓝藻爆发面积达到1071km2。原来蓝藻仅在5-10月爆发,现有些年份一年中有11-12个月均蓝藻爆发,甚至最冷的冬季也发生蓝藻爆发。如2017年12月爆发面积500km2、2016年12月720km2、2013年12月982km2、2018年1月390 km2。

⑷ 太湖藻密度普遍升高蓝藻越打捞越多。如2020年全湖年均藻密度为9200万个/L为2009年的6.36倍,同期湖心1.55亿个/L为19.18倍、东部沿岸4200万个/L为22.83倍[2];客观上造成“蓝藻越打捞越多”的怪现象;

⑸ 存在“湖泛”型供水危机的潜在可能。经调查,2020年5月贡湖北部水源地附近的DO急剧下降至2mg/L,已接近发生“湖泛”指标DO的临界值。

⑹ 入湖河道污染仍严重、环境容量超标。18条主要入湖河道虽消除劣Ⅴ类(地表水河道标准),但TN均劣Ⅴ类,TP在Ⅳ-劣Ⅴ类(湖泊标准);2017年河道入湖负荷TN 3.94万t为2007年的92.5%;TP 0.20万t为2007年的105%[2],未削减反而增加 ;2016年入湖污染负荷TN7.44万t为2020年规划Ⅲ类时环境容量2.81万t的2.65倍;TP0.25万t为环境容量0.16万t的1.56倍[3.4.8]。

⑺ 太湖水域湿地面积大幅减少、恢复有限。生态修复大部分在沿岸陆地和河道周围实施,在太湖水域实施的不多,湖内还需要恢复200km2湿地。

⑻ 太湖治理的应用性研究较薄弱。研究机构主要研究太湖治理的基础理论,研究蓝藻的生长繁殖的生境、规律,很少研究蓝藻的死亡的生境、规律,基本没有研究消除蓝藻爆发实用的集成技术。

2.3 原因及分析

造成上述问题有诸多原因,包括人为原因和客观原因。

2.3.1缺乏消除蓝藻爆发信心决心

① 政府及科研机构对消除蓝藻爆发的必要性认识不足,安于治理富营养化现状;② 对消除蓝藻爆发的可能性认识不足,认为需等到有了消除蓝藻爆发的成熟技术才能提出消除蓝藻爆发的目标;③ 对于我国诸多湖泊蓝藻爆发及其治理情况缺乏研究,如我国大多数的大中型浅水淡水湖泊已富营养化,但只有太湖、巢湖和滇池年年持续蓝藻爆发;富营养化的鄱阳湖、洞庭湖、洪泽湖以往仅发生数次非连续性的轻微蓝藻爆发;无锡蠡湖、南京玄武湖、武汉东湖、杭州西湖以往均数次发生蓝藻爆发,经治理一般蓝藻不再爆发或仅轻微爆发。④ 在2008年“太湖流域水环境综合治理总体方案”和2013年“总体方案(修编)”中均未提及消除蓝藻爆发目标及实质性的治理措施,相关省、市的配套方案及有关文件也均如此。⑤ 目前有些人对已经创新的除藻技术不了解或熟视无睹。应认真总结上述经验教训,创新出一套消除蓝藻爆发的治理思路和综合措施。

2.3.2存在“治理富营养化就能消除蓝藻爆发”的片面观点

人的认知是在实践中不断完善、逐步接近客观规律的。“治理富营养化就能消除蓝藻爆发”的观点不妥,国内外专家一般认为蓝藻已爆发的大中型浅水湖泊,如仅依靠消除富营养化来消除蓝藻爆发,则TN、TP浓度须分别达到0.1~0.2mg/L和0.01~0.02mg/L(分别相当于太湖Ⅰ、Ⅰ-Ⅱ类水),根据太湖的历史和现状分析,太湖不可能达到上述数值,故只有治理富营养化与削减蓝藻数量结合才能分水域治理直至消除富营养化、蓝藻爆发。

2.3.3外源污染控制力度不够

流域是社会经济发达地区,人口从5千万增至6千万、增加20%;GDP增加近2倍,污染负荷增加50%以上;城镇化率不断升高,进入水体的污染物越来越多。致使削减污染速度赶不上增加速度,入湖污染负荷明显大于环境容量。

污水厂是流域最大点源群,现行处理标准太低是不能满足太湖环境容量的主要原因[9]。目前城镇污水厂污染物排放标准一级A的TN、TP浓度(15mg/L、0.5mg/L)分别为太湖水质Ⅲ类标准的15、10倍,故应提高污水处理标准。有人偏面认为提高处理标准成本很高而不宜提标。考虑问题应从流域污染负荷总量控制的高度出发,故必须提高污水处理标准,实际上提标成本和运行费用也不高。

2.3.4削减内源污染力度不够

目前控制内源仅实施常规清淤和打捞水面蓝藻,没有重视蓝藻持续爆发对底泥和水体产生持续严重污染的处理,这是治理太湖10年来水质TN改善而TP难以改善或未得到改善的主因。据测算,目前打捞水面蓝藻的数量仅为太湖年生成蓝藻数量的2%~4%。所以须创新思路,加大削减内源污染力度,深度打捞、清除水面、水体和水底的蓝藻,才能消除蓝藻的爆发,才能同时有效消除底泥的污染。

2.3.5缺少统一修复太湖水域湿地方案

湿地具有固定底泥、减少底泥释放污染物、净化水体等减少营养物质和丰富生物多样性的作用,同时湿地中相当多植物含有的化感物质具有抑藻除藻作用。太湖现状湿地较蓝藻爆发前的20世纪60-70年代减少面积超过200km2,但10年来恢复非常有限[9],使湿地功能受损严重。有些人偏面的认为太湖只有达到适合的生境才能实施大规模修复湿地,应首先致力于人工改善水域生境,满足种植植物的要求,修复湿地,不应等待太湖自然修复生境后再去修复湿地,同时人工修复结合自然修复。需要统一制定修复太湖水域湿地方案。

2.3.6  TN持续降低原因

太湖水质TN从20世纪80年代初的Ⅲ类至2004年的3.57mg/L(劣Ⅴ类),呈上升趋势,其后呈下降趋势,特别在2007年至2020年的13年间持续下降37%(表3),其原因:①环湖河道入湖TN负荷削减3.1%(2007年4.265万t→2020年4.133万t);②藻密度升高6倍多(2009年1447万个/L→2020年9200万个/L),其中2019年达到12500万个/L(表1),蓝藻多年持续爆发、生死循环的生化反应使N生成为N2、进入大气,成为此阶段TN浓度持续下降的主要原因。

2.3.7  TP升高原因

太湖水质TP从20世纪80年代初的Ⅱ-Ⅲ类至1996年的0.134mg/L(Ⅴ类),呈上升趋势,其后基本呈下降趋势,但在2007年至2020年的13年间有6年均高于2007年,直至2020年(0.073mg/L)才较2019年(0.073mg/L)有所下降(表3)。努力治理太湖多年,为何TN大幅下降而TP相当年份有所升高?这是1998年国家治理太湖污染“零点行动”以来遇到的新问题,值得深思。以往治理太湖的许多举措,由于有些认识和举措不符合治理太湖富营养化和蓝藻年年持续爆发的现状情况,故未能达到制定治理太湖方案的原定效果。

2007年后TP有6年升高原因:① 外源污染控制力度不够。治理外源的力度没有有效超过人口和GDP增速的力度,环湖河道入湖TP负荷反而增加6.5%(2007年0.184万t→2020年0.196万t)(表3)。② 以蓝藻为主的内源不断增加。目前虽每年打捞蓝藻,但蓝藻仍然年年爆发,太湖藻密度升高6倍多(表1),致藻源性P大幅度增加,致太湖十多年清淤3700万m3的希望减轻P释放的效果,被增加的藻源性P所抵消。其原因:多年持续蓝藻爆发与死亡的无数次循环,使N元素能成为N2进入空气,但P元素被留在水体、水底,同时此期间由于蓝藻大量死亡致使底泥发生厌氧反应加大底泥表层的P释放率[5]。

至于2020年TP下降原因,也非因为环湖河道入湖污染负荷减少,实际河道入湖负荷是增加的,2019、2020年的环湖河道入湖TP分别为0.184、0.196万t,增加6.5%;TP下降原因主要是由于环境因素使期间的藻密度下降35.9%,从12500万个/L下降为9200万个/L(表1),减少了藻源性P。