富营养化湖泊开敞水域水质净化的生态工程试验研究

通过生态工程的方法,可以在短时间内迅速改善富营养化湖泊水源地的水质,这在全流域很难实现控源截污和全湖水质难以在短时间内迅速改善的情况下,具有快速见效的作用.以往之所以在开敞水域鲜有湖泊生态恢复成功的例子,原因是过于强调水生植物种植本身,而忽视水生植物及草型生态系统与外部环境条件的关系.影响水生植物恢复和草型生态系统培植的因素,既有物理方面的因素,也有化学和生物方面的因素.只有消除那些对水生植物生长不利的影响,创造有利的环境条件,才能够培植一个具有净化能力的草型生态系统.因此,生态修复应该遵循"先诊断,后治理"和"先环境改善,后生态修复"的技术路线.太湖梅梁湾水源地水质改善生态工程试验正是在这样的思想指导下实施的.本专栏所选录的论文就是这项工作的部分内容.     

太湖梅梁湾水源地水质改善工程效果验证与评价

简要介绍了国家"十五"重大科技专项中<太湖梅梁湾水源地水质改善技术>的项目研究内容、示范工程建设和第三方监督监测情况,采用大量的水质、生物等监测数据,全面系统地评价和验证项目实施效果和水质改善程度,并对存在的问题进行了分析,为湖泊生态修复和饮用水源改善提供借鉴.     

组合介质的微生物富集效果及其去除太湖水源水中微囊藻毒素的研究

采用组合介质进行改善太湖水源地水质的中试研究.应用定量PCR分析发现组合介质上富集了大量具有溶藻能力的假单胞菌和芽孢杆菌,表明组合介质对太湖土著溶藻细菌具有良好的富集效果.微生物的空间分布解析结果表明,细菌总数、硝化细菌及溶藻细菌(假单胞菌、芽孢杆菌)的分布具有显著特征,在反应装置纵向的中段、出水端及垂直方向的中层,组合介质上的溶藻细菌等特定微生物在密度及活性上处于相对优势,这与微生物的功能、生长所需的微环境及基质条件密切相关.组合介质通过富集微生物改善了太湖梅梁湾水源地的水质,对总藻毒素TMC、TMC-RR、TMC-LR、胞外藻毒外EMC、Chl-a的平均去除率为64.8%、72.7%、62.9%、55.4%、30.1%.     

环境科学学报第27卷2007总目次

第1期1富营养化湖泊开敞水域水质净化的生态工程试验研究秦伯强5太湖水源地水质净化的生态工程试验研究秦伯强,胡维平,刘正文,谢平,尹澄清,高光,谷孝鸿,徐在宽13改性沉积物除藻对水质改善的效果研究张木兰,潘纲,陈灏,田秉晖,高爽,袁宪正18沉积物再悬浮对沉水植物生长的影响研究     

浮游植物群落结构季节变化研究——以太湖梅梁湾和东太湖为例

为了解太湖浮游植物群落结构的特征,2017年7月至2018年6月对太湖梅梁湾(藻型湖区)和东太湖(草型湖区)浮游植物群落结构和理化因子进行了调查.结果发现:梅梁湾氮磷浓度显著高于东太湖,梅梁湾浮游植物年平均数量是东太湖4.94倍,梅梁湾浮游植物年平均生物量是东太湖的2.16倍;梅梁湾微囊藻数量占比为68.52％～99....     

人工介质对水源水中藻类去除特性研究

采用人工介质富集微生物净化太湖梅梁湾水源地水体中的藻类.中试结果表明：随着介质密度和水力停留时间的增加,对藻类的去除率有所提高,增加水流速度并未降低对藻类的去除效果.当介质密度为26.8%、水力停留时间为5 d时,人工介质对藻类密度、生物量和叶绿素a的去除率分别为96.3%、88.7%、86.1%,表明人工介质对富营养化水体中藻类有较好地去除效果,同时对透明度和水下光照度也有明显的改善效果.     

太湖出流河道藻颗粒变化及其水质效应

河湖连通是保障城市水体水生态健康的一种常用工程手段,但对于蓝藻水华严重的湖泊,湖泊出流携带的藻团颗粒会对河道水质产生明显的影响.为了分析富营养化湖泊引水对受水河道水质的影响程度,以太湖梅梁湾连通河道梁溪河为例,连续3a开展夏季河道蓝藻颗粒通量及其水质的高频监测,分析河道蓝藻水华颗粒物通量变化规律及其对河道水质的影响强度.结果表明：①梅梁湾藻情的好转及河道入口加压抑藻井运行显著降低了梁溪河的叶绿素a浓度与藻颗粒通量,2019年夏季河道叶绿素a浓度与通量均值分别为54.34 μg·L^-1和84.7 t·d^-1,显著低于2017年;②连通河道调水工程对改善受水水体的水质效果显著,除DTP外,梁溪河其余各形态氮、磷浓度2017~2019年整体呈下降趋势,说明调水工程将湖水外排后,对梁溪河水质有一定改善效果;③携带大量蓝藻水华颗粒物的湖水进入河道后,显著增加了河道颗粒态氮、磷等营养盐含量,2017~2019年梁溪河水体中氮、磷均以PN和PP为主,分别占TN和TP的62.5%和70.8%;④梅梁湾水体大量携带的藻颗粒未对连通的京杭大运河等其他河道产生水质影响,2019年8月京杭大运河水体中叶绿素a相较于6月下降了65%,说明蓝藻颗粒物未在运河中积累;⑤在湖泊藻情未能得到有效改观的前提下,调水携带的藻颗粒态会对连通河道局部河段水质和景观产生冲击.     

粘土原位除藻技术研究

对利用当地粘土治理水华蓝藻的原位除藻技术进行了研究.实验表明,经壳聚糖改性的当地不同类型粘土都能有效地絮凝除藻,改性粘土的矿物组成和有机质成分对絮凝除藻没有明显的影响.溶液中有机质(TOC≤40 mg/L) 的存在对壳聚糖改性粘土絮凝除藻有一定的负面影响.在太湖梅梁湾水域围隔中进行的原位除藻试验表明,采用经壳聚糖改性的当地粘土除藻效果明显,在用量仅为0.025 g/L (53 g/m²)时,除藻后SD透明度由15　cm提高至90　cm,叶绿素a的去除率达到98.6%.     

太湖湖滨带藻密度与水质、风作用的分布特征及相关关系

为研究太湖湖滨带水体藻密度、水质及风作用的时空分布特征,于2010年春、夏季调查了太湖湖滨带的水质、藻密度,同时结合风级、风向等数据,运用偏相关法分析了藻密度分布与水质、风作用的相关关系. 结果表明:春季湖滨带水体藻密度低于夏季,平均值分别为1.88×106、1.75×108 L-1,竺山湾、梅梁湾、西部沿岸藻密度较高. 太湖湖滨带水体ρ(TP)、ρ(TN)、ρ(NO₃--N)、ρ(NH₃-N)、ρ(COD_Mn)春季平均值分别为0.10、4.48、0.99、2.36、6.46mg/L ,夏季分别为0.16、2.09、0.60、0.43、6.73mg/L,其中高值主要分布在竺山湾、西部沿岸、梅梁湾湖滨带;在时间上,ρ(TN)、ρ(NH₃-N)、ρ(DO)春季较高;ρ(TP)、pH夏季较高. 太湖湖滨带春、夏季风作用均以向岸的正作用力为主,夏季和春季风力作用平均值分别为0.26和0.73.风作用值较高的区域出现在梅梁湾、贡湖、西部沿岸. 偏相关分析结果表明:春、夏季藻密度分布均与风作用值呈显著正相关;春季只有透明度与藻密度的分布显著相关,夏季藻密度分布与ρ(COD_Mn)、ρ(SS)呈显著性正相关,而与pH呈显著负相关. 在富营养化严重的太湖,N、P等营养盐已经不再是藻类暴发的限制因子,而风作用及与之密切相关的湖流,北部竺山湾、梅梁湾似口袋状的地理形态,是影响藻密度分布的重要因素;另外,入湖河流污染对北部、西北部湖滨带自生藻类的滋生,水生植物、浮游动物对藻类分布也会有不同程度的影响.      

水源地藻类及藻毒素同时去除的效果及机制分析

利用组合载体对太湖梅梁湾水源地水体中藻类及藻毒素的同时去除试验表明:检测水源地水体中藻量、Chl-a、TMC的含量各为(31.67～78.27)×106个.L-1、32.58～102.67μg·L-1、1.79～11.97μg·L-1.在水力停留时间为7d、组合载体的密度为13.1%的条件下,组合载体AP对藻量的平均去除率达到了59.78%,对Chl-a的平均去除率达到了80.82%,对TMC-LR、TMC-RR、EMC-LR、EMC-RR的降解率最高能达到99.73%、97.10%、100%、75.44%.对其去除机制的研究表明,组合载体AP对总细菌的富集能力达到了8.3×1011～35.6×1011cells.g-1,比湖水本底值中细菌的总数高出了8～9个数量级.对除藻及藻毒素过程中的优势菌种,经过培养、分离,考察其形态、生理生化特性,利用聚合酶链反应(PCR)、16S rRNA序列分析技术,经鉴定确认该优势菌株为假单胞菌属(Pseudomonas sp.)和芽孢杆菌(Bacillussp.).组合载体AP上富集的大量微生物,它们的协同降解作用是去除藻及藻毒素的主要作用机制.     

风场对太湖梅梁湾水华及营养盐空间分布的影响

为了解风场对湖泊表层蓝藻水华及营养盐空间分布的影响,以太湖梅梁湾为例,在蓝藻水华期间开展表层粒子漂流实验,研究风场对水体表层物质的推移规律,并开展全水域水体表、中、底层密集布点采样,测定水体藻类叶绿素a、氮、磷、高锰酸盐指数、溶解性有机碳、溶解氧等水质指标,探讨风场驱动下大型浅水湖泊蓝藻水华及营养盐时空分布特征.结果表明,在平均风速1. 9 m·s~(-1)和2. 3 m·s~(-1)的情况下,表层粒子的平均漂移速度分别为3. 0 cm·s~(-1)和5. 0 cm·s~(-1);风场对表层水体蓝藻水华的空间分布具有决定性影响,能够引起蓝藻水华在空间上较高的异质性;蓝藻水华物质的空间变化对水体颗粒态氮、磷、有机质和溶解氧等水质指标产生较大影响,表、中、底层颗粒态氮和磷、高锰酸盐指数与叶绿素a浓度的空间分布一致,而溶解态氮、磷浓度及溶解性有机碳的分布与叶绿素a浓度分布不尽相同;蓝藻水华物质在风场作用下的再分配对水体溶解氧产生复杂的影响,底层溶解氧平均值低于表层与中层,可能对沉积物营养盐释放产生影响;依据高密度布点调查估算,仅表层20 cm,梅梁湾水域的蓝藻干物质赋存量约396 t,远大于蓝藻打捞工程的清除量.研究表明,鉴于水华期间风场作用下对蓝藻水华漂移的巨大影响,在湖泊水质调查采样方法及数据分析时应充分考虑蓝藻水华漂移的影响因素;防控湖泛灾害的蓝藻打捞作业对湖体蓝藻水华赋存量的清除能力有限,只能对岸边带湖泛的预防产生影响.     

2004年夏季太湖梅梁湾席状漂浮水华风力漂移入湾量计算

太湖北部重度水华暴发时,在夏季盛行风推动下,漂浮的席状水华可由大太湖漂移进入位于太湖北部的梅梁湾,使湾内的水华加剧.本文通过室内风箱水槽实验和野外观测,对水华的风力漂移作了定量研究,建立了风速与水华漂移速度的指数相关方程.并据此对2004年夏季太湖北部发生席状水华的6d分别计算了水华风力漂移入湾量.6d中,只有2004-07-31水华漂移是由湾内向大太湖输出,且量很小,只有0.05 km²;其余5d水华漂移进入梅梁湾的面积占整个梅梁湾面积的3.7%～13.3%,进入量最大的是2004-06-11,达17.4km²,最少的是2004-07-30,为4.8 km².     

太湖东部湖湾大型水生植物分布对水质的影响

调查了太湖东部湖湾(贡湖湾、光福湾、渔洋湾)秋季沉水与浮叶植物的种类组成、覆盖度及水体理化性质,分析了大型水生植物的生长与分布对湖水总氮、总磷、透明度与叶绿素(Chl-a)等水质因子的影响.结果表明,太湖东部不同湖湾大型水生植物的分布状况具有明显差异,其分布频度在4.8%~95.2%,并以马来眼子菜分布频度最高.大型水生植物的生长对水体营养盐含量、理化因子等具有较为明显的影响,水生植物生长区湖水不同形态营养盐含量均低于无水生植物生长区,其总氮与总磷平均含量分别低约39%与51%.此外,蓝藻水华首先会在有水生植物生长的区域堆积,且沉水植物生长优势区蓝藻水华堆积程度要高于浮叶植物生长优势区,表现为该区域Chl-a平均浓度最高,达11.15mg/L,而浮叶植物区Chl-a平均浓度为9.98μg/L,无水生植物区的水华堆积程度最低,其Chl-a平均浓度为7.19mg/L.因此,针对不同水生植物生长区,其水体富营养化治理策略亦不同.     

太湖蓝藻水华期间水体和底泥中产毒微囊藻与非产毒微囊藻种群丰度研究

运用实时荧光定量PCR(Quantitative real-time PCR,QPCR)技术研究了太湖蓝藻水华期间不同湖区水体和底泥中产毒微囊藻与总微囊藻种群丰度.结果表明,湖区间产毒微囊藻种群和总微囊藻种群丰度明显不同:在水体中,竺山湾(N5)和梅梁湾(N2)产毒微囊藻和总微囊藻种群丰度高于贡湖湾(N4)和湖心(S4...     

太湖北部水体溶解性氨基酸分布特征及其环境意义

为探讨溶解性氨基酸(DAAs)在太湖水体中作为指示有机质来源及降解特征生物标记物的可能性,对太湖北部不同水域2种分子量级(胶体态:1kDa~0.5mm;真溶解态:<1kDa)的DAAs的空间分布、分子量分布、组成变化及对DOM的相对贡献等方面进行了调查研究.结果表明,太湖水体DAAs大多数以真溶解态存在,平均占DAAs的90%.不同湖区DAAs的含量及分子量组成不同,梅梁湾污染河口区、中心区、湾口区及太湖湖心区DAAs的含量分别为14.5, 34.7, 59.8, 24.0nmol/L,其中真溶解态的比例分别为94%, 88%, 89%及90%. DAAs的空间分布说明太湖的浮游生物内源是太湖DAAs的主要来源.组氨酸、精氨酸、赖氨酸、丝氨酸、酪氨酸是现存的主要氨基酸.氨基酸的成分变化能反映有机质从高分子量向低分子量转变的降解趋势,可作为指示溶解性有机质(DOM)降解的生物标记物.氨基酸碳(AA-C)与溶解性有机碳(DOC)的比值可以作为DOM生物降解性的评价参数,反映湖泊水体中与生物活性相关的DOM动态变化.     

贡湖生态修复区水质净化模拟与净化能力

利用三维水质模型,对藻类生长以及沉水植物（穗花狐尾藻、菹草、苦草）的生长和分布进行模拟,探讨春、夏不同季节情况下,贡湖生态修复区对流域内流入的氮、磷污染负荷的净化效果,旨在进一步定量地揭示沉水植物对富营养化水体净化的重要作用.结果表明贡湖生态修复区夏季（7~9月）出水口IV类水水质达标率略优于春季（3~5月）,主要体现在春季氮、磷污染负荷流入,刺激藻类生长,叶绿素a浓度较高;夏季沉水植物生长旺盛,能够与藻类竞争营养盐,从而抑制藻类生长.考虑氮磷污染物流入湖体的后续效应,180d内春季贡湖生态修复区总氮、总磷平均稀释净化效率分别为74.76%和71.00%,180d内夏季贡湖生态修复区总氮、总磷平均稀释净化效率分别为73.20%和64.65%.修复区最大净化能力估算结果为加强生态修复区的管理,保障清水还湖水质提供了参考依据.     

太湖悬浮物分布的现场监测研究

于2005年8月25日至8月28日对太湖进行现场监测,得到了太湖梅梁湾到大太湖的悬浮物、浊度数据,分析得出:(1)光照强度较高时,对应于微囊藻峰值的出现,浊度在水深0.5m处出现最高值,光照强度较弱时,浊度的分布在垂直方向上趋于均匀;(2)悬浮物浓度与浊度具有较高的相关性,悬浮物浓度值可以用浊度的测定值换算得到;(3)河流流入、风浪条件和湖内藻类繁殖等影响着太湖悬浮物的垂直和纵向空间分布,出现梅梁湾到大太湖不同的悬浮物垂直和纵向分布。     

淀山湖入湖水质净化的生态工程实践研究

作为上海境内最大的天然淡水湖泊以及黄浦江上游重要的水源保护地,淀山湖的水质状况对上海市饮用水水源安全起着举足轻重的作用。文章运用生物治理与工程措施相结合的手段,在淀山湖大朱厍港实施了净化人湖水质的生态工程试验。研究表明工程示范区域存在风浪大、水位较深、水流较急等特点,是水生植被尤其是沉水植物恢复的重要限制因素。通过选择...     

两种漂浮植物的生长特性及其水质净化作用

采用自主研发的漂浮水槽,对两种常用于水体净化与修复的漂浮植物（凤眼莲和水浮莲）在水质净化效果和生长特征等进行了比较研究.结果表明,水浮莲对水体氮磷浓度有更高的要求,对水体中浮游藻类和叶绿素a去除率分别高达94.38%和95.06%,优于凤眼莲;凤眼莲对水体TN的去除率（82.08%）以及其叶片净光合速率（20.28～27.90μmol CO₂/（m²·s））和叶绿素a含量（1.05～1.08mg/g鲜重）均显著高于水浮莲（分别为71.82%、8.64～16.50μmol CO₂/（m²·s）和0.25～0.31mg/g鲜重）（P<0.05）.与凤眼莲共存情况下,水浮莲有更强的扩繁能力,但后者在实际工程应用中更具逃逸风险.为使两种漂浮植物的优势得到充分发挥,我们提出了基于这两种水生植物水体净化的“三明治”模式,为今后选用水生植物进行水体净化与修复的工程实践提供借鉴.     

太湖梅梁湾理化指标分层的空间分布特征

为了解大型浅水湖泊水体理化指标的空间分异特征,在太湖梅梁湾布设62个采样点,垂向分为3层,调查水体中Chla、TN、TDN(溶解性总氮)、TP、TDP(溶解性总磷)的质量浓度及SD(透明度)、DOS(溶解氧饱和度)等水体理化指标,统计分析了夏季太湖水体理化指标空间分布特征及影响因素. 结果表明:①梅梁湾水体理化指标垂向时空变幅不同,垂向相对变幅平均值ρ(TN)为68.0%,ρ(TDN)为40.1%,ρ(TP)为138.0%,ρ(TDP)为35.7%,ρ(Chla)为66.0%,DOS为79.0%,营养盐总量的垂向差异比溶解态大;②平面上,水华堆积区ρ(TN)、ρ(TDN)、ρ(TP)、ρ(TDP)、ρ(Chla)、DOS平均值分别为梅梁湾平均值的4.45、2.45、6.45、4.74、2.08、1.02倍,比垂向差异大;③风场驱动下蓝藻堆积对水体各理化指标空间分布的影响巨大;④ρ(Chla)垂向分层明显,ρ(Chla)的垂向变幅表层0.2m处显著高于下层,可达89.7μg/L. 浅水湖泊的水体理化指标时空变异大,受气象条件、水动力条件等因素的影响,故在监测点位布设及数据分析时,应考虑垂直分层采样、滨岸带采样并详细记录采样条件.