楊立群,劉 松

(荊州市環(huán)境監(jiān)測中心站,湖北荊州434000)

易紹金

(長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,湖北荊州434023)

荊州河網(wǎng)水系由長江干流、長江支流、內(nèi)河水渠、天然湖泊構(gòu)成,具有長江流域典型的水鄉(xiāng)特征。近幾年來,荊州境內(nèi)松滋河、虎渡河、東荊河在枯水季節(jié)多次發(fā)生水華事件。水華是指在相對封閉性水域 (如湖泊)內(nèi),因水體富營養(yǎng)化而導(dǎo)致的浮游植物惡性增殖現(xiàn)象。發(fā)生水華事件一般應(yīng)具備以下條件:①藻類總細(xì)胞數(shù)超過107個/L;②少數(shù)種類藻類細(xì)胞數(shù)所占比例急劇上升成為優(yōu)勢種群,水體中生物多樣性指數(shù)大幅下降。荊州河網(wǎng)水系發(fā)生水華事件符合上述條件,監(jiān)測表明主要為硅藻水華,優(yōu)勢種群為小環(huán)藻。由于發(fā)生水華事件嚴(yán)重影響沿岸居民飲用水源安全,因此,探討荊州河網(wǎng)水系水華發(fā)生的原因,及時采取水華應(yīng)急監(jiān)測和防控措施顯得尤為必要。

1 水華發(fā)生的原因

1.1 水質(zhì)的影響

氮和磷的含量高在水華的形成過程中起著重要的作用,豐富的營養(yǎng)物質(zhì)為浮游植物增殖提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。以松滋河為例,近5年來其斷面總磷的年平均濃度均保持在0.078mg/L以上,總氮的年平均濃度均保持在1.14mg/L以上,葉綠素a在6.4μg/L以上,三者都超過了湖泊富營養(yǎng)化的評判標(biāo)準(zhǔn) (見表1)。

表1 湖泊富營養(yǎng)化評價參數(shù)

1.2 水文條件的影響

三峽水庫三期蓄水和南水北調(diào)中線工程實施后,荊州境內(nèi)的長江、漢江的分流河道水位下降、流量減少。每年2～4月長江三峽水庫下泄流量減少,致使下游江段水位降低、水流減緩。松滋河、虎渡河均為長江南岸的分流河道,由于多年河道泥沙淤積,進(jìn)洪口高程抬高,在長江水位下降的雙重作用下,枯水期流量很小,松滋河近5年來最小流量為2.3m3/s,最小流速為0.27m/s,成為一段類似于湖泊的封閉性水體,為浮游植物快速增殖提供了良好的水域環(huán)境。

1.3 水溫和光照的影響

荊州地區(qū)在1～3月常多晴少雨,光照充沛,氣溫逐漸上升,使水面溫度升高;加上枯水期長江中下游水量減少,流速慢,泥沙下沉,水體表面透光性提高,為藻類的光合作用提供了良好的水溫和光照環(huán)境。

2 監(jiān)測響應(yīng)機(jī)制

2.1 監(jiān)測組織體系

飲用水源地水華的預(yù)警應(yīng)急監(jiān)測組織體系由政府統(tǒng)一指揮,成立領(lǐng)導(dǎo)小組,根據(jù)環(huán)保、水文和氣象等部門提供的信息進(jìn)行綜合研判,必要時向?qū)＜医M咨詢,部署監(jiān)測工作。建立由環(huán)保、水文和氣象等部門聯(lián)合組成的水華監(jiān)測機(jī)構(gòu),整合監(jiān)測資源,建立區(qū)域聯(lián)動監(jiān)測體系。環(huán)保部門負(fù)責(zé)飲用水水源地取水口的水質(zhì)和生物監(jiān)測,水文部門負(fù)責(zé)河流流速、流量的水文觀測,氣象部門負(fù)責(zé)衛(wèi)星遙感監(jiān)測及氣象觀測。成立由各部門專業(yè)技術(shù)人員和管理人員組成的專家咨詢組,負(fù)責(zé)對水華暴發(fā)事件及其發(fā)展趨勢進(jìn)行專業(yè)性研判。建立信息共享平臺,各部門及時將各自的監(jiān)測數(shù)據(jù)上報至信息平臺,以便領(lǐng)導(dǎo)小組和技術(shù)小組快速掌握藻類變化狀況,及時采取應(yīng)對措施。

2.2 例行監(jiān)測

例行監(jiān)測即由環(huán)境監(jiān)測部門對水華發(fā)生地區(qū)的集中式地表水飲用水源地開展的常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測。監(jiān)測因子為水溫、pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、總磷和總氮,監(jiān)測頻次為每月1次。對未納入國控、省控和市控斷面的鄉(xiāng)鎮(zhèn)飲用水源取水口應(yīng)納入市控監(jiān)測斷面[1]。

2.3 預(yù)警監(jiān)測

每年11月至次年3月進(jìn)行預(yù)警監(jiān)測,對來年水華暴發(fā)的可能性進(jìn)行預(yù)判。監(jiān)測因子為水溫、p H、溶解氧、總磷、總氮和葉綠素a等指標(biāo),每日上報1次監(jiān)測數(shù)據(jù),同時定期分析藻類密度和優(yōu)勢種。由于藻類的生物監(jiān)測繁瑣、費時,難以做到快速監(jiān)測及時分析,可以采用其他相關(guān)因子作為指示因子[2]。藻類的生長和增殖除與水中氮、磷的濃度有關(guān)外,水體的水溫、p H、溶解氧、色度等物理參數(shù)和流量、流速等水文參數(shù)都是重要的限制因子。這些參數(shù)的監(jiān)測大都簡便易行,不僅容易實現(xiàn)現(xiàn)場分析,也容易實施連續(xù)、自動監(jiān)測。

根據(jù)荊州河網(wǎng)水系的實際情況和藻類的增殖規(guī)律,確定水華預(yù)警監(jiān)測的指示值如下:流速＜0.5m/s、pH＞8.0、溶解氧＞12mg/L、色度＞15倍、水溫＞10℃。當(dāng)以上參數(shù)監(jiān)測結(jié)果多項達(dá)到此指標(biāo)或出現(xiàn)異常波動時,再參考常規(guī)監(jiān)測、藻類監(jiān)測和氣象觀測結(jié)果進(jìn)行預(yù)警。根據(jù)各種參數(shù)的情況,將水華的預(yù)警級別分為紅色預(yù)警、橙色預(yù)警和黃色預(yù)警,其中紅色預(yù)警為最高級別,為水華暴發(fā)的前兆。

2.4 應(yīng)急監(jiān)測

在水華暴發(fā)時,迅速啟動應(yīng)急監(jiān)測,全面開展人工現(xiàn)場觀測、實驗室分析、自動在線監(jiān)測、氣象監(jiān)測、遙感監(jiān)測等監(jiān)測技術(shù)工作。根據(jù)水華事件的影響范圍確定監(jiān)測范圍、監(jiān)測斷面、監(jiān)測項目、監(jiān)測頻次。按照常規(guī)方法,藻類監(jiān)測應(yīng)將樣品自然靜置24h,1個樣品的分析周期為48h,這不能滿足事件應(yīng)急需要。應(yīng)急監(jiān)測時可采用高速離心濃縮,縮短分析時間,1個樣品的分析周期為40min左右,與國家標(biāo)準(zhǔn)分析方法比對結(jié)果精度無顯著差異。水華事件發(fā)生初期應(yīng)按照盡量多的原則進(jìn)行監(jiān)測,根據(jù)水華事件的逐漸緩和和監(jiān)測結(jié)果的變化趨勢適當(dāng)調(diào)整監(jiān)測頻次和監(jiān)測項目。利用中分辨率成像光譜儀EOS/MODIS的數(shù)據(jù),對河網(wǎng)水系的葉綠素a濃度進(jìn)行遙感定量,運用光譜水質(zhì)模型進(jìn)行反演結(jié)合氣象和水文觀測結(jié)果,判斷硅藻水華發(fā)生河段長度、移動的速度和對飲用水源地的影響[3]。

3 防控措施

3.1 流域污染防治

三峽工程、南水北調(diào)中線工程和引江濟(jì)漢工程的實施對長江中下游河道沖淤和水環(huán)境容量有重大影響,流域污染防治的主要目的是減少水體中磷、化學(xué)需氧量、氮的排放總量,根除水華產(chǎn)生的內(nèi)因。流域污染防治工作是個系統(tǒng)工程,很難一蹴而就。針對水華的特點,除了要加強(qiáng)工業(yè)污染源監(jiān)管外,流域防治應(yīng)重點做好如下幾方面工作:

1)制定更為嚴(yán)格的禁磷措施和標(biāo)準(zhǔn) 現(xiàn)階段,我國禁磷的范圍僅為國土面積的十分之一,而且禁磷的力度很小,特別是新發(fā)布的洗衣粉標(biāo)準(zhǔn)GB/T13171-2004,取消了無磷洗衣粉1997年標(biāo)準(zhǔn)中原規(guī)定的配方量化指標(biāo),增加了含磷洗衣粉的總五氧化二磷 (P2O5)含量,即 “HL-A普通型、HL-B濃縮型洗衣粉的總五氧化二磷 (P2O5)含量≥8.0%”。新標(biāo)準(zhǔn)的頒布導(dǎo)致增加三聚磷酸鈉 (STTP)有效磷及其排放量,足以導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化程度加重。因此,必須制定更為嚴(yán)格的禁磷措施和標(biāo)準(zhǔn),從源頭進(jìn)行控制。

2)強(qiáng)化城市污水處理廠除磷能力 目前,全國的城市污水處理廠中具備化學(xué)除磷、生物除磷能力的比例不大,再加上當(dāng)前的城市污水處理政策對污水處理廠磷的排放控制不很嚴(yán)厲 (如目前的排污收費制度對污水處理廠排放氨氮、總磷暫不收費),導(dǎo)致生活污水中磷的排放未得到有效控制,因而需要從政策上嚴(yán)格控制磷的排放,從技術(shù)上增強(qiáng)污水處理的除磷能力,以此來減少進(jìn)入水體的營養(yǎng)物質(zhì)污染負(fù)荷。

3)控制面源中磷的排放總量 對農(nóng)業(yè)地區(qū)湖泊研究表明[4],農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷占的比例要高于工業(yè)與生活污染,尤其是氮、磷負(fù)荷。在畜禽飼料中添加的磷酸二氫鈣、磷酸氫鈣、骨粉等磷源,飼料中總磷40%～50%隨動物糞便排出體外。相比點源污染,農(nóng)業(yè)面源污染治理難度更大,因而需要國家出臺相關(guān)政策嚴(yán)格控制大規(guī)模圍欄水產(chǎn)養(yǎng)殖和畜禽養(yǎng)殖污染,環(huán)保、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)等部門應(yīng)建立協(xié)同監(jiān)管機(jī)制,限制投肥養(yǎng)殖和畜禽養(yǎng)殖廢水直排。對一些污染嚴(yán)重的湖泊和水庫開展底泥疏浚。底泥中一般都富集了大量的磷,只有定期開展底泥疏浚工作,種植大型水生植物,實施湖庫生態(tài)恢復(fù)工程,才能更好更快地改善湖泊、水庫的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)和生態(tài)結(jié)構(gòu)。

3.2 工程治理措施

目前,國內(nèi)外在水體藻類治理的方法上,大體可歸納為物理法、化學(xué)法和生物法。這些方法各有優(yōu)點,同時也均具有一些局限性。考慮到荊州河網(wǎng)水系的特點和沿岸居民的飲用水安全保障,采取水力學(xué)工程和生物控制相結(jié)合的手段,控制、去除水源地區(qū)水體中的藻類。

1)水力學(xué)工程方法 引水沖刷是減少和稀釋地表水體營養(yǎng)物質(zhì)的有效方法,其前提是要有清潔的水源,同時保證一定的流量,使得藻類來不及生長。一般硅藻水華發(fā)生時的水流速度在0.3m/s以下。因此,應(yīng)對松滋河、虎渡河的分流河口和河床進(jìn)行疏浚,加大長江的分流量,同時在枯水期對東荊河由長湖引水濟(jì)河。

2)生物控制方法 在圍隔中投入大麥桿等植物體,通過其在水體中分解過程中產(chǎn)生的抑藻物質(zhì),去除水體中的藻類。同時大量大麥桿的投入還會影響藻類的生態(tài)空間,加大其 “擁擠度”降低光能的利用效率。從生物控制的角度出發(fā),大麥桿除藻能更好的恢復(fù)和保持環(huán)境原有的面貌,將人為破壞影響降低到最小水平。

3)化學(xué)處理方法 自來水廠對高藻水的處理能力是城鎮(zhèn)居民飲用水安全的重要保障,高藻水在處理過程中除會消耗大量的混凝劑和堵塞濾池減少出水外,其分泌物大多為消毒副產(chǎn)物的前致物,會產(chǎn)生對包括人類有毒副作用的藻毒素,并有明顯的嗅味,這些嗅味物質(zhì)是藻類代謝產(chǎn)物,一般是土味素和2-甲基異冰片等,嚴(yán)重影響水的感官性能。發(fā)生水華時,由于藻類還具有活性,因而一般先滅藻后除藻。常用的滅藻方法是投加大量的氯氣,而一些中、小型水廠多用制藥機(jī)消毒,發(fā)生水華時,無法大量提高制藥量,很難開展滅藻工作。濾前預(yù)加氯對水中產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物THMS有直接的促進(jìn)作用,O3和CLO2等消毒劑對藻類均有比較理想的殺藻效果,在適當(dāng)氧化劑投加量的情況下,消毒副產(chǎn)物少 (三鹵甲烷和鹵乙酸之和)。常見的除藻工藝如加CuSO4殺藻劑、加大絮凝劑投加量、加快濾池反沖洗頻率、增加氣浮池等,對除藻效果也比較明顯,但對藻腥味的去除卻不理想。對于比重較輕的藍(lán)藻和綠藻,可采用混凝氣浮除藻,對于硅藻常用絮凝沉淀的方法去除。在足夠投加量的情況下,粉末活性炭對藻類的應(yīng)急去除也有較好效果,其中木質(zhì)活性炭對藻類的吸附去除率為60%～80%。對有一些條件較差的、取水點易發(fā)生水華的中、小型水廠采用砂濾作為應(yīng)急措施也可以取得一定的除藻效果。

4 結(jié) 語

由于水體富營養(yǎng)化、水文、氣象條件等因素的影響,未來幾年內(nèi)荊州河網(wǎng)水系水華暴發(fā)的概率很大。通過建立水華預(yù)警應(yīng)急監(jiān)測體系,能夠在水華高發(fā)季節(jié)進(jìn)行預(yù)警;在水華暴發(fā)后,迅速開展應(yīng)急監(jiān)測,消除公眾的恐慌心理。從水華產(chǎn)生的內(nèi)因和外因著手,通過開展流域污染防治和工程治理措施,能夠盡可能的減少水華的發(fā)生概率,保障城鎮(zhèn)居民的飲用水安全。

[1]國家環(huán)境保護(hù)總局,《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].第4版.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2002.

[2]國家環(huán)保總局,《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會.水生生物監(jiān)測手冊[M].南京:東南大學(xué)出版社,1993.

[3]胡尊英,于海燕,周斌.MODIS波段比值算法在太湖藍(lán)藻水華預(yù)警及應(yīng)急監(jiān)測中的應(yīng)用[J].濕地科學(xué),2009,7(2):169-174.

[4]賈瑞寶,周善東.城市供水藻類污染控制研究[M].濟(jì)南:山東大學(xué)出版社,2006.