生态修复的技术路线富营养化湖泊开敞水域水质净化的生态工程试验研究

生态修复的技术路线富营养化湖泊开敞水域水质净化的生态工程试验研究

中国是一个多湖泊的国家。全国共有2759个湖泊，总面积9129公里以上，占总面积的0.95%。其中，约三分之一是淡水湖，主要分布在东部沿海地区和长江以南的周边地区，占全国淡水湖泊总数的60%70%，大部分为浅湖（王素民等，1998）。由于经济快速发展和湖泊资源的过度利用，湖泊水污染加剧。根据水文部发布的调查报告，2003年对52座湖泊进行了水质评价。其中21个水质优于i级，5个湖泊中的水体受到污染，26个湖泊中的水体污染严重。其中，50%的湖泊质量在满足中、富营养化条件下非常严重。根据研究，太湖以北的梅良湾、五里湖和七连湖水质低于类，占太湖的8.2%。其他湖区水质为i级，占评估面积的75.3%。根据两者，水质为iv或iv的水域占整个太湖的83%。这些水域主要是氨氮、五天生化所需的氧气、总磷和镁的含量超标。更令人担忧的是，近年来湖泊水环境恶化的趋势仍在发展。根据中国科学院太湖生态系统研究站的观测，太湖以北严重污染的梅良湾、七连湖和贡湖水质指标在2001-2005年之间继续显著增加。太湖湖心脏藻类的钠含量也呈逐年上升趋势，2004年达到接近20gl-1的水平。结果表明，藻类的花芽从梅良湾延伸到湖心和东太湖。因此，太湖的环境恶化，富营养化趋势仍在发展中。湖泊作为一种与人类生存和发展密切相关的独特资源,在供水、防洪、航运、养殖、旅游及维系区域生态平衡方面发挥着巨大作用.特别是在我国,许多天然湖泊承担着向周边城镇供水的任务.湖泊的污染和富营养化所造成的直接后果就是水质性缺水在原本并不缺水的地区也变得日益严重.太湖在20世纪90年代的一次水华大爆发,导致数百家工厂停产,直接经济损失达上亿元.尽管湖泊水污染和富营养化已经引起从中央到地方各级管理部门的重视,治理的力度也得到增强.但是,由于我们所面临的许多富营养化湖泊是浅水湖泊,对于这种类型的湖泊,国际上也缺乏成功治理的先例.究其原因与浅水湖泊“水浅”的特性有关.我国的浅水湖泊绝大部分位于大江、大河的下游地区,是在洪泛平原或三角洲上发育起来的,洪水径流把上游各种营养物质输送到下游地区,在湖泊等低洼地区沉降和蓄积.使得这些湖泊从形成时起,就处于营养较高的状态(秦伯强等,2006a).这也是至今人们很难在这一地区发现贫营养型湖泊的原因所在.由于这些湖泊水深较浅,风浪很容易导致沉积物悬浮,并把蓄积在沉积物中的营养物质释放出来,不断补充到湖泊水体中去(朱广伟等,2005).因此,这些湖泊被污染和富营养化后,治理的难度比一般湖泊大,所需要的时间也要长得多.这意味着象太湖这样的富营养化浅水湖泊,要实现水质的根本性好转尚需时日.在全流域无法很快实现控源截污、全湖水质无法在短期内实现根本性好转的情况下,如何达到饮用水水源地的局部改善,确保周边人民群众的生活用水不受影响,是当前需要迫切解决的问题.这也是国家“十·五”“863”重大专项“太湖水污染控制与水体修复技术及工程示范”中的子课题“太湖梅梁湾水源地水质改善技术”需要解决的难题.通过生态工程,实施水生植物恢复等生物净化技术被广泛认为是湖泊富营养化治理的有效途径.实践表明,有水生植物生长的水域,水质清澈;反之,则沉积物容易悬浮,污染物质容易释放.但是,在以往的水生植物恢复研究试验中,多数都只限于在数十平方米的试验尺度上,工作的重点在水生植物的种植本身,鲜有在天然湖泊的开敞水域进行一定规模的试验并取得成功的报道.这样的一种状况也折射出我们对于湖泊富营养化治理的基础研究不足和技术储备不够.在湖泊富营养化所导致的水生植物消亡的机制没有搞清以前,在水生植物种植成功与否的原因不能予以明确的情况下,把工作的重点放在水生植物种植本身,是非常盲目的(秦伯强等,2006a).因此,对于湖泊水生植物恢复和生态修复,首先需要做的是研究水生植物生长所需要的环境,以及维持一个草型生态系统所需要的外部条件.就现有的认知而言,影响水生植物恢复的主要因素包括物理环境(如风浪、光照和透明度、悬浮物浓度等)、化学环境(如营养盐浓度,氨氮浓度,根部的还原环境强弱等)以及生物环境(如鱼的牧食,浮游植物浓度和有无水华等)(秦伯强等,2006b).有些环境条件是根本性的,决定了某一水域能否生长水生植物,如风浪的影响.实际上,利用水生植物来净化水质就是利用草型生态系统所具有的消化吸收污染物质、承受一定的环境胁迫的能力来实现的(Schefferetal.,2001).但是,当营养盐浓度过高或胁迫过大,超越了草型生态系统能够承受的极限,此时草型生态系统必然趋于崩溃,代之以更有竞争力的浮游植物占优势的生态系统,这就是我们通常所看到的蓝藻水华.荷兰Veluwe湖的观测结果表明,在浅水亚富营养化湖泊中,当营养盐浓度逐步升高时,湖泊中的水生植物会大范围地消亡(Meijer,2000);反过来,需要恢复水生植物时,营养盐需要降低到较水生植物消亡时的临界浓度还要低.这表明对于富营养化水域,利用水生植物的恢复(这里是指沉水植物)来净化水质是不现实.在这种情况下,必须采用不受营养盐浓度限制的其它水生植物,如漂浮植物或浮叶植物来代替.但是,这2种水生植物对于风浪很敏感,后者还受制于水深的影响.因此,在开敞水域进行漂浮植物和浮叶植物的恢复,首先需要消除风浪等环境因素的影响.在营养盐浓度过高、无法恢复沉水植物情况下,还需要在富营养化水域放置仿水生植物的人工介质.拦截颗粒悬浮物和富集附着生物.总之,实施生态修复需要“先诊断、后治理”,“先环境改善,后生态修复”.正是在这样的思想指导下,在国家科技部、江苏省和无锡市政府的支持下,在太湖梅梁湾牵龙口水厂取水口附近实施了综合生态工程试验,即通过基础环境改善,达到修复生态系统、改善水厂水源地水质的目的.在实施生态工程之前,调查发现试验区风浪较大、蓝藻富集严重、透明度较低、底泥分布很少、几乎没有水生植物生长,水质指标显示该水域属V类或劣V类.根据这种情况,提出了改善基础环境、恢复水生植物、引导生态系统向草型生态系统方向发展、达到净化水质的目的这样的技术路线.建立了以水生植被恢复、健康生态系统重建技术为核心,以安全高效的消浪与围隔技术为基础,以微量有毒有害物质去除技术为辅助,以鱼控藻、贝控藻和机械、絮凝除藻技术为补充,以水生生物的资源化处理和生态恢复的长效管理技术为保障的综合集成的技术体系.本专栏所收录的6篇文章,是关于这个项目的部分工作成果.其中“太湖水源地水质净化的生态工程试验研究”(秦伯强等,2007)对这个试验工程进行了总体介绍,侧重于叙述总体的技术路线和基础环境改善技术,包括生态消浪和围隔档藻技术;“改性沉积物除藻对水质改善的效果研究”(张木兰等,2007)介绍了利用原位黏土改性后进行杀藻除藻的技术,该技术是综合除藻控藻集成技术中的一项创新性技术.在环境改善的基础上,本项目进行了生态修复和水生植物恢复的研究,重点是研究环境条件与水生植物生长之间的关系,为此,本专栏选用了探讨沉水植物与透明度(光照)关系的论文“沉积物再悬浮对沉水植物生长的影响研究”(谢贻法等,2007)和湖滨带挺水植物生长与湖滨带基础环境特征的关系的论文“湖滨带氧化还原环境的时空变化及其环境效应(王洪君等,2007).针对饮用水水源地的微量有毒有害物质的污染,急需开发相关的去除和净化技术,“组合介质的微生物富集及去除太湖水源水中微囊藻毒素”(李先宁等,2007)是这项工作的一个缩影.最后,针对试验工程运行后产生了大量水生植物的情况,为使该示范工程能够长效运行,开展了有关水生植物资源利用方面的研究,论文“水生植物固体发酵提高蛋白含量研究“(杨柳燕等,2007)就是这方面工作的介绍.虽然,在太湖梅梁湾水源地开展的水质改善生态工程试验已经完成,但是,围绕着湖泊富营养化治理、生态恢复以及水源地的水质改善工作远没有结束.在太湖地区,有关饮用水水源地的污染和富营养化问题,正逐步从北太湖的无锡等地区,扩展到东太湖的苏州和浙江的杭嘉湖地区,并进一步影响到上海等地区.此外,除了太湖地区,在巢湖等其它湖泊也面临着相似的问题.总