水体富营养化的成因和防治措施

水体富营养化是一个全球性的水环境问题。由于其发展快、危害大、处理难以及恢复慢等特点,受到全球高度重视。自20世纪70年代起,富营养化问题一直是水生态与水环境领域的前沿研究课题之一,尽管国内外已经开展了许多研究,但是水体富营养化也一直是尚未很好得到解决的世界难题。

目前有关富营养化方面的重点研究内容可以分为富营养化机理、富营养化模拟预测、以及富营养化防治等方面。在机理方面,重点研究内容包括“水华”形成机理、底泥营养盐释放机制、富营养化的水动力条件、藻毒素危害等;在模拟研究方面,研究重点主要是模型开发及其在规划与治理工程中的实际运用;在防治方面,研究内容涉及生物除藻技术与效应、生态修复技术、遥感监测技术应用、富营养化标准等。

(1)机理研究方面。大量研究表明,磷是水体富营养化最主要限制因子。底泥磷作为水体磷的主要来源之一,其释放机制受到科学家高度重视。湖泊沉积物与水体之间的磷交换过程包括磷的生物循环、含磷颗粒的沉降与再悬浮、溶解态磷的吸附与解吸、磷酸盐的沉淀与溶解等,这些物理、化学、生物过程交织在一起,增加了研究的难度,因此,如何模拟底泥和水体界面的营养盐(主要是磷)交换是营养盐模型研究的重点。

目前有关湖泊(水库)沉淀物和水体交换的研究工作进展主要体现在以下几个方面:①沉淀物的动力学过程的研究:应用红外遥感等新技术模拟颗粒磷的沉降与再悬浮等物理过程;②P以外的营养盐(N、Si、有机碳等)的循环过程研究;③沉淀物中的化学反应过程研究:应用C和N 的稳定同位素追踪有机元素,以更深入地了解沉淀物中的化学过程;④在研究沉淀物和水体营养盐交换的基础上,提出了很多通过底泥的疏浚、营养盐的管理等改善水体富营养化状况的方法。

大量研究表明,适宜的水流条件是水体富营养化形成的必要条件之一。针三峡库区及其主要支流,我国一些学者对三峡水库建库初期和建库后富营养化发生的主要诱发因子及可能性进行了研究,在常规以营养盐为富营养化控制性水质指标的基础上,引入临界水流流态概念,并建议建立一套包括水质和水流流态在内的富营养化综合评价指标体系。有关水流条件与富营养化之间关系的定量研究值得关注,其成果对水利工程符合生态需求的运行调度具有指导意义。

不少藻类能够产生致各种鱼类、水鸟、家禽及牲畜中毒死亡的毒素,因而引起科学家的高度重视。对于藻类水华的发生及其毒素的防治,目前世界上尚未有有效的积极控制手段。当今主要的应对措施包括:①建立和完善快速、灵敏的检测方法;②对饮用水、娱乐用水以及贝类、鱼类等水产品制定合理的安全标准;③将藻类毒素的检测和分析与常规水质监测相结合,探索毒素产生的规律及控制方法;④运用化学方法大规模提纯毒素,纯毒素不仅可以作为检测分析的标准,还可以作为药物进行开发利用。

此外,针对我国太湖、滇池、巢湖、三峡水库等主要湖泊、水库的富营养化问题,近年来我国多渠道启动开展了一系列重大攻关研究,其中的机理研究内容包括富营养化影响因子及主要成因,水华形成机理及除藻相关基础理论,面源控制、生态修复、生物治理及引水调控理论与方法等方面。

(2)模拟研究方面。数学模型手段作为水体富营养化研究的一个重要手段,在近几十年来的研究中得到迅速发展。韩菲等对富营养化模型的发展情况进行了系统的总结,并将当今常用的富营养化模型划分为三类,即:

1)单一营养物质负荷模型。假定水体混合均匀、稳定、限制性营养物质惟一,所以数学式简单,所需数据少,使用方便,在世界各地曾得到广泛应用。但是,由于不能模拟水体中多种限制因子并存、多种养分的相互影响及其对生态系统的综合影响以及湖泊生态系统的动态发展过程等,该类模型的应用受到诸多限制。

2)浮游植物与营养盐相关模型。该类模型主要通过三种方式建立浮游植物生长与和营养盐之间的关系来预测水体富营养化的变化,一是藻类生物量与磷负荷量之间的相关经验模型;二是使用限制因子假定来模拟浮游植物的生长;三是根据光合作用的相关因素来估算浮游植物的初级生产力。由于直接反映了人们所关心的营养盐浓度和藻类浓度,该类模型目前在国内外得到了广泛运用。

3)生态动力学模型。该类模型以水动力学为理论依据,以对流I扩散方程为基础建立模型;同时,在生态系统水平上,对生态系统进行结构分析,研究生态系统内子系统间相互作用过程,综合考虑系统外部环境驱动变量,建立微分方程组,运用数值求解方法,来研究生态系统状态变化。该类模型能够更准确地模拟水体富营养化;但是,由于诸多生态参数难以确定,该类模型在实际应用中受到一定限制。(www.xing528.com)

由于不同水域富营养化发生的机理不尽相同,选取何种类型的模型应视具体的实际情况确定。由于国内主要湖泊、水库普遍缺乏足够的基础监测数据,目前我国学者在开展应用模拟研究时,普遍在对有关生物学、生态学过程作出一定简化假定的基础上,开发针对特定水域的富营养化模型。

随着计算机、遥感、监测等技术手段的不断改进和对富营养化过程与机理认识的深化,未来富营养化模型在生态系统水平研究将持续深入,水动力学模型、生态模型以及物理模型相结合的耦合模型将得到推广和应用。

(3)防治研究方面。水体富营养化防治应用基础方面的重点研究包括生物操纵技术与效应、生态修复技术、遥感监测技术应用、富营养化标准等方面。

生物操纵技术是通过利用水生生物吸收利用氮和磷等营养元素、进行代谢活动这一自然过程,达到去除水体中氮、磷等营养物质的目的。自20世纪60年代以来,生物操纵技术在国外得到应用,而我国则是从在80年代开始尝试生物操纵技术在湖泊富营养化治理中的应用。但是,在多年的实践过程中,由于众多试验出现负面生态效果,水生生物领域的科学家一直对该技术应用的前景存在不同的看法并持谨慎的态度。Denner R.W.等对63篇公开发表的文章或书籍中的41个生物操纵的试验进行了分析,发现只通过投放肉食性鱼类的生物操纵的有效率为28.6%;投放肉食性鱼类并清除原有部分鱼类的有效率为60.0%;只清除部分鱼类的有效率为90.0%;完全清除鱼类的有效率为40%;完全清除鱼类之后又投放鱼类的有效率为66.7%。61%的生物操纵措施得到了长期稳定的改善水质的效果,特别是对小型、浅水湖泊(面积<25hm2,平均深度<3m);而14.6%的生物操纵措施没有任何效果。

郑有刚等对国内外生物操纵技术的应用研究情况进行总结后认为:通过控制草食性、滤食性鱼类密度的生物操纵措施,同时控制营养物质输入,对于恢复浅水湖泊的水草、改善水质,一般在短期内是有效的,但如不及时对水草进行收割,或清除过厚的底泥,结果往往不够稳定;水体富营养化趋势最终由营养物质的输入和输出决定,水体的生态结构通过影响水体营养物质的输出和沉积速度,决定水生系统的稳定性和发展方向。

水体富营养化生态修复技术一直是国际热点研究课题,围绕水体富营养化生态修复技术的应用基础研究近年来也呈现蓬勃发展趋势。在国内,不同水生植物的净化效果是共同关注的问题,如有学者研究了萱草、石菖蒲、鸭跖草、空心菜、灯心草等不同植物在不同光照条件下吸收水体中营养盐的效果,发现鸭跖草耐阴性强,宜用作光照较差的环境中净化用植物;灯心草为喜阳性物种,在强光照条件下净化能力好;而空心菜受光照影响小,在重度和轻度富营养化水体中均有很好净化效果;有学者对浮床香根草进行研究后发现其对总氮、总磷的去除率分别高达80%和83%左右;还有不少学者对寒冷冬季水生高等植物的净化效果、富营养化水体中肥沃底质对沉水植物生长的胁迫作用等开展了研究。综合分析这些成果可以发现,此类研究存在共同的问题:即试验的条件普遍未考虑实际水环境中水动力条件、水环境背景条件及气候条件等的动态变化,因而试验效果较好,但实际效果较差。

遥感技术的迅猛发展使其在众多领域得到广泛应用,如土地覆盖种类与面积监测、植物蒸腾、蒸发监测等。但是,遥感技术在水体富营养化监测评价方面的运用目前尚不多见。近年来,国内已经开始进行这方面的探索性应用研究。张海林等应用遥感方法对武汉东湖等8个湖泊的富营养化进行了评价并与地面监测评价进行了对比,发现利用一元回归模型的评价值,除一个湖泊评价结果相差较大外,其余7个湖泊评价结果很接近;利用多元回归模型的评价结果,有5个湖泊评价结果一致,1个湖泊评价结果偏低较多,2个湖泊评价结果稍偏低。从遥感技术本身的角度考虑,导致少数湖泊偏差较大的因素包括:①TM 图像的获取时间与地面监测的时间有所出入,其结果必然会受到一定的影响;②反映在TM 影像上的地物信息较多,泥沙、(非藻类)水生植物等一定程度上对结果产生干扰;③湖泊的水深和底质等状况对结果存在一定的影响。

由于遥感技术可以对水的富营养化状态进行快速高效、大范围、周期性的监测,对于全面及时地掌握湖泊、水库的富营养化状况进而更有效地采取保护对策有着重大现实意义,因此遥感技术在富营养化管理中应用研究将是今后应用基础研究的一个重点。

此外,近一些年来国内不少学者对水体环境质量标准与水体富营养化防治的相互关系也开展了相关研究,富营养化的分级标准、河道型水库的富营养化分区标准以及入湖河道营养性污染物浓度标准等是受到广泛关注的内容。