水库水体富营养化.doc

文献综述淡水水体富营养化的研究进展 生物科学系 .级生物技术专业本科班 .指导教师 .讲师前言从国内外水体富营养化的现状及相关研究分析了水体富营养化的产生机理与评价方法，且从对于水体富营养化的预测、控制治理，缓解水体富营养化现状，促进水资源和生态环境的可持续性发展具有一定的理论意义和实用价值。1水体富营养化概述水体富营养化是指生物所需的氮、磷等无机营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等相对封闭、水流缓慢的水体，在适宜的外界环境因素综合作用下，引起水生生物尤其是藻类及其它浮游生物的迅速繁殖，从而引起水体溶解氧量急剧下降，水质恶化，鱼类及其它水生生物大量死亡的现象1。水体富营养化后,由于浮游生物大量繁殖,往往呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等。这种现象在江河湖泊中称为水华,在海中则叫做赤潮。富营养化一般分为天然富营养化和人为富营养化两种2。在自然条件下，水体富营养化形成过程十分缓慢，近年来，由于人类活动加剧，特别是在现代生产和生活中，人类对环境资源的开发利用日益频繁，工农业发展迅速，大量的营养物质进入水体并在其中积累，导致富营养化在短期内出现，水体富营养化问题面临越来越严峻的考验。2水体富营养化研究现状针对水体富营养化的问题，早于上世纪60年代联合国环境规划署(UNEP)、世界卫生组织(WHO)、国际经济合作与开发组织(OECD)等众多国际组织以及世界各国就相继开始了其形成机理及其防治对策的研究，进行了大量的试验、实践与探索，并已经取得了显著成效3。欧洲在统计的96个湖泊中有80%的湖泊不同程度地受到富营养化问题，如由于建造阿斯旺大坝使尼罗河水文发生变化而使开罗市的供水水源受到水体富营养化的影响；法国里昂下游地区的河流中叶绿素值极高，氮、磷的污染，呈现出富营养化状态4。大量的数据表明，我国国内的水体富营养化状况也逐渐严重。1978-1980年的调查显示，富营养化状态湖泊只占总调查面积的5.0%；到2005年，这一比例达到了60%5，从目前来看我国自南向北不同程度地都存在着水体富营养化的现象6。1992年，滇池首次发生大规模有毒蓝藻水华，第三自来水厂为此而关闭。1997年官厅水库由于富营养化严重被迫退出北京市生活水源。千岛湖在1998和1999年连续两年出现大面积蓝藻水华。2008年7月，南京玄武湖首次发生大面积以微囊藻为主要优势种群的蓝藻水华。2007年5月太湖水华相对往年提前暴发，引发公共饮用水危机。2005年和2006年，三峡水库香溪河库湾于春季连续暴发藻类水华。2005年2月中下旬，高岚河库湾发生拟多甲藻水华。2008年3月初，长江葛洲坝下游南岸的支流松滋河暴发水华，湖北省枝江市百里洲镇两千名村民出现饮用水困难7。3水体富营养化的危害富营养化带来的问题是恶性的，它对水体危害主要表现在二个方面:1、富营养化是湖泊等天然水体面临的最为严重的环境问题,它最终会导致水质恶化、水生生物大量死亡、水生生物群落结构改变、水生生态系统结构破坏和功能受损等一系列连锁效应,从而影响水资源的利用,给饮用、工农业供水、水产养殖、旅游以及水上运输等带来巨大损失8,9。2、富营养化水体底层堆积的有机物质在厌氧条件下分解产生的有害气体,以及一些浮游生物产生的生物毒素也会伤害水生动物。某些产毒藻类还能间接或直接危害人类的健康和生命安全。流行病学调查表明,我国江苏省海门市、启东市和广西省扶绥县的原发肝癌发病率高与当地居民长期饮用含微量微囊藻毒素的浅塘水或河流水有关10。4水体富营养化的形成机制面对富营养化问题所带来的巨大危害，研究其形成机理成为了重中之重，国际经济合作与开发组织对其开展了一系列的研究工作,最后确定氮、磷等营养物质的输入和富集是水体发生富营养化的最主要原因,大约80%的湖泊富营养化是受磷元素的制约,大约10%的湖泊与氮元素有关,余下10%的湖泊与其他因素有关。以下是国际上较为成熟的三个理论：1、食物链理论该理论认为,自然水域中存在水生食物链,如果浮游生物的数量减少或捕食能力降低,将使水藻生长量超过消耗量,平衡被打破,发生富营养化。2、生命周期理论这种理论认为,含氮和含磷的化合物过多排入水体,破坏了原有的生态平衡,引起藻类大量繁殖,过多地消耗水中的氧,使鱼类、浮游生物缺氧死亡,它们的尸体腐烂又造成水质污染。在合适的光照、温度、pH值、硅以及其它营养物质充分的条件下,藻类光合作用的总反应式:106CO2+16N O3-+HP O24-+122H2 O+18H+能量+微量元素C106H263O110N16P(藻类原生质)+138O2根据Leibig最小因子定律,植物的生长取决于外界供给它们养分最少的一种或两种,从藻类原生质C106H263O110N16 P可以看出,生产1 kg藻类,需要消耗碳358 g,氢74 g,氧496 g,氮63 g,磷9 g,显然氮磷是限制因子。3、湖泊热分层对富营养化的影响温带气候地区的湖泊,水温由于受季节变化的影响而引起湖水分层和对流。由于热分层效应,使湖泊水体表层水在夏季光照充足,温度较高,若供给水体的营养物质充分,藻类光合作用便随之加强,生长旺盛,发生水华现象。水体的底层往往处于缺氧状态,加速底泥磷的释放,导致湖水磷浓度增高。秋季湖水对流,底层的内源性磷对流到了湖表层,提高了表层水的磷浓度,为第二年藻类大量繁殖提供了充足的营养物质,使湖泊继续保持富营养状态4扰群,芮孝芳.富营养化机理及数学模拟研究进展J.水文,2001,21(2):15-24.。5水体富营养化的评价用于描述水体富营养化状态的常用指标变量有总磷(TP) 、总氮(TN) 、叶绿素(chla) 、透明度(m)、生化耗氧量(BOD,mg/L) 、化学耗氧量(CODcr,mg/L)。常用的富营养状态指数法有修正的卡森指数法(TSIM)、加权平均指数法(TLI)、营养度指数法(AH P PCA) 、神经网络评价法5齐孟文,刘凤娟.城市水体富营养化的生态危害及其防治措施J.环境科学动态,2004,(1):44-46. 。常用的富营养化判别标准有沃伦威德负荷量标准、捷尔吉森判别标准等，而目前国际上通行的富营养状态湖泊的磷负荷标准为0.02 mg/L。3.1 修正的卡森指数法1 修正的卡森指数法是以叶绿素a ( Chla)为基准来确定TSIM指数，然后可以得到评价营养状态指数的数值(0-100)，在实际应用中只需对照已确定的营养分级标准，即可判定水体富营养化程度。【杨扬, 刘明清, 吴振斌, 等. 亚热带水体营养状态定量评价及预测研究J. 水生生物学报, 2001, 25(3): 232.】 一般需要测定如下儿个评价因子:Chla，SD，TP，TN，COD的值。而营养程度划分为，极度贫营养(1-10)，贫营养(10-30)，贫中营养(30-40)，中营养(40-50)，中富营养(50-60)，富营养化(60-70)，重富营养化(70-80)，异富营养化( 80-100)这几个等级。通过测定的评价因子和相关的营养等级来综合评价水体的富营养化程度。该方法已用于滇池等地表水体的富营养化程度的评价，取得了较好的效果。【张英慧, 张玉红, 邝爱玲, 等. 水体富营养化防治述评J. 工业安全与环保, 2007, 33(8): 23-24.】3.2 物元分析法 物元分析法是近年来提出的一种新方法，将此方法用于水体的富营养化评价，可为设计高水平的智能水体规划模型创造条件。 3.3 数学模式判断法当化学耗氧量( ug/ L) *无机( 10- 6 ) * 无机氮( ug / L)大于等于1 时, 则可认为水体已达到富营养化程度。Chau27 Chau K W. Calibration of Flow and Water QualityModeling Using Genetic AlgorithmJ. Lecture Nodesin Artificial Intelligence,2002,2 557:720-720.采用遗传算法确定水流水质模型的合理参数,并基于珠江野外调查数据校准和验证参数,效果较好3.4 多样性指数判断法式中: Pi = Ni/No ，Ni 为第i 属的藻类细胞数； No为全部藻类的细胞数；n为藻类属细胞数。3.5 磷负荷的判断法Cp = L ( 1- R) / ( Z*P )式中: Cp 为湖泊稳态时的磷浓度, g/ m3 ; L 为磷的面积负荷, g/( m3 a) ; Z 为湖泊的平均水深, m; R 为磷的输出量与输入量之比; P 为溢流率, 年排放量湖泊容量, 单位为1 a。6水体富营养化的防治对策4.1 消减外源是治理富营养化的根本措施湖泊水质恶化主要是外界输入的大量营养物质在水体中富集造成的，切实控制外源性营养物质的输入，是湖泊水体生态修复的重要前提。流域内污水的集中处理实现流域内污水的达标排放，从根本上截断外部输入源，使水体失去营养物质富集的可能性。4.2 消除内源 水生高等植物通过促进湖水含磷物质的沉降和抑制表层沉积物的再悬浮而起到促进磷沉积，从而降低了水体磷含量，水生植物将湖水中的氮传输到底泥中，促其进入地球化学循环的功能，这对于降低湖水中的氮含量，防止湖泊富营养化有积极意义。由于常年自然沉积，湖泊底部聚积了人量淤泥，富含可观的营养盐类，其释放也可能形成湖泊富营养化和水华暴发，将底泥从湖体中移出，是减少内源的直接有效措施。4.3 生态恢复 控制外源和内源技术会使营养物质浓度长期减少，但对于恢复水体的生态功能往往还不够。各国经过长期的和人规模的研究，研究出许多有利于水体生态恢复的技术。4.3.1 生物控制 采取特殊的有机体以控制藻类或其他食物链中的有机组成部分的生长。如利用浮游动物控制浮游植物，角类控制人型植物，生物控制在经济上是可行的，一般不会导致环境恶化。但是用于防治物种逃逸或入侵的风险必须充分考虑美国西雅图的华盛顿湖是个成功的范例，但佛罗里达州提供的却是教训。4.3.2 藻类去除方法4.3.2.1 超声波蓝绿藻去除技术超声波除藻系统利用超声波辐射破坏藻类的液胞，从而使它们沉入湖底而被细菌分解。该系统适用十发生水华或富营养化的中小型湖泊。我国已利用了该项技术。4.3.2.2 利用有益微生物去除丝状蓝绿藻技术 丝状蓝绿藻不但会增加湖水的COD值及浊度，还能产生一种降低絮凝效果的物质，从而会阻碍固液分离的实现。日本研发了一种生物过滤器，其内部填充了人量的有益微生物，当污水流经该过滤器时有益微生物能捕食和分解丝状蓝绿藻，从而可达到净化水质的目的。由于这一系统的成本及能耗都较低，故较适用于发展中国家。4.4 水体富营养化治理的发展趋势4.4.1 运用人文治理理念 以人为本，每个人都应该积极参与环境保护工作。在治理富营养化的过程中，建立完整的教育体制，培养环境方而的人才，加强宣传教育工作，提高公众环保意识，促进公众参与，树立一个保护环境的“理念”。同时政府要行政参与，制定合理政策，保证各个层而上的转变规律有序运作。以生态学为基础，以人与自然为核心，根据科学家的生态学理论，规范人们的生产和生活活动，来逐步恢复富营养化，缓解环境几力，构建和谐社会。4.4.2 实施数字化监测与管理4.4.2.1 CIS技术 在流域范围内确定重要污染区的检索程序，CIS媒体和预测营养损失的数学模型的相互作用，确定投资效益，提出可持续的消除污染的最佳管理措施。4.4.2.2 RS技术 运用遥感成像技术监测淡水中叶绿素a的技术研究，例如小型航空光谱仪(CASI)收集超高频数据，Landsat Thematic测绘仪收集多频数据用于湖泊水质成像。1997年瑞典的Erken湖较好估测了叶绿素浓度2郭培章,宋群.中外水体富营养化治理案例研究.西安:中国计划出版社,2003.4.4.2.3 BP 神经网络技术Recknagel4Recknagel F. ANNA Artificial Neural Network Modelfor Predicting Species Abundance and Succession ofBlue-green AlgaeJ. Hydrobiologia, 1997, 349(1):47-57.利用神经网络,构造了层叠结构的BP神经网络模型预测日本Kasumigaura湖五种藻类的生物量,基于该湖19861993年的监测数据,有效预测了藻类水华的发生时间和强度。French等5French M, Recknagel F. Modeling of Algal Bloomsin Freshwaters Using Artificial Neural NetworksJ. Computational Mechanics, 1994: 87-94.应用BP神经网络从藻类生物量和环境控制因素的历史数据中学习水生态系统的行为模式,预测了藻类种群生物量的变化。1 王淑芳. 水体富营养化及其防治J. 环境科学与管理, 2005, 30(6): 63-65.袁志宇, 赵斐然. 水体富营养化及生物学控制J. 中国农村水利电, 2008, (3):57-592 尹真真. 国内外水体富营养化机理研究历史与进展J. 微量元素与健康研. 2006, 23(3): 46-47.1 蒋火华, 吴贞丽. 世界典型湖泊水质探究J. 世界环境, 2000, (4): 35-373 税永红, 杨景富, 蒋月. 景观水体富营养状况及水华防治技术研究J. 水土保持应用技术, 2008, (6): 40-43.4 曹正梅, 郎印海,刘荣.