水华成因分析与防治措施研究进展.pdf

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1、http:/-1-水华成因分析与防治措施研究进展水华成因分析与防治措施研究进展 李英1，2，蒋固政2 1 河海大学环境科学与工程学院，南京（210098）2 长江水资源保护科学研究所，武汉（430051）E-mail: 摘摘 要：要：水体富营养化是我国目前以及今后相当长一段时期内的重大水环境问题。水华是富营养化的一个突出表现。本文从营养盐因子、水文因子和气象因子三方面分析了水华形成的原因，得出营养盐因子是湖泊型水华的主控因子，水文因子是河流型水华的主控因子，并提出根据不同类型水体的特征采取针对性的水华防治措施，即通过减少氮、磷的浓度来控制湖泊型水华，通过水利调度改变流速来控制河流型水华。本文对

2、科学预测藻类水华的产生，并采取相应措施减少其带来的影响具有重要的理论指导意义。关键词：关键词：富营养化；水华；成因分析；防治措施 中图分类号中图分类号：X52 1 前言前言 近年来，水体富营养化现象日趋严重。水体富营养化导致藻类异常增殖形成水华，使水体腥臭难闻，溶解氧减少，大量鱼类死亡，严重影响了水体的功能，改变了水生态环境，危害到周围居民的身体健康，影响国家、社会、经济的可持续发展。我国的许多水体已受到富营养化的严重威胁，且水华的影响范围和程度有加重的趋势。因此，认识藻类水华的形成原因，并寻求有效的防治措施刻不容缓。2 水华形成的影响因素分析水华形成的影响因素分析 藻类水华的暴发涉及物理、化

3、学、生物因素。水华形成机理十分复杂，至今还在探索阶段。但相关学者普遍认为，促进水华发生的因子主要有充足的营养盐、缓慢的水流流态和适宜的气象条件。只有这三个方面条件都比较适宜的情况下，才会出现某种优势藻类疯长的水华现象1。水华从表观现象上看是瞬时的“暴发”，但是其本质是藻类生物量在水体中的逐渐增加的一个缓慢过程，而非藻类在短时间内连续的快速生长所致2。孔繁翔通过野外连续观测，现场捕捉到太湖梅梁湾蓝藻水华形成的全过程，并结合生态学理论，提出了“长江中下游富营养化湖泊中蓝藻水华形成的四阶段理论”假说。该假说认为蓝藻水华成因的四阶段理论假设：休眠、复苏、生物量增加、上浮及聚集等 4 个阶段。每个阶段中

4、蓝藻的生理特性及主导环境影响因子有所不同（见表 1-1）。表 1-1 藻类生长及蓝藻水华形成的主要阶段及主导影响因子3 月份 生理阶段 生命现象特征 主要控制因子 11-2 衰亡、休眠 代谢基本停止 低温、黑暗 3-4 复苏 生理、生化活性缓慢恢复，群体形成 温度、溶解氧、营养盐 4-9 生物量增加 光合作用、细胞增殖 光合作用需要的能量与物质 5-10 上浮、聚集 气囊与胶鞘 气象、水文条件 如上表所示，在每年的 11 月至次年 2 月，蓝藻处于下沉、死亡或休眠期，分布在底泥中国中国科技论文在线科技论文在线-2-表面，多为单细胞或小群体，其主导因子是低温、黑暗；3 至 4 月，蓝藻处于复苏期

5、，从底泥表面逐渐上浮到水体，生理生化活性缓慢恢复，群体形成，其主导因子可能是温度、溶解氧和营养盐等；4 至 9 月，蓝藻处于生物量增加期，在水体中悬浮，形成优势，通过光合作用细胞增殖，其主导因子是光合作用需要的能量与物质；5 至 10 月，蓝藻处于上浮、积聚期，可以到水体表面，其生命特征是气囊和胶鞘，主导因子可能是气象与水文。蓝藻水华有一个形成过程，“暴发”只是藻类在一定时间内飘浮与积聚，即位置改变的表观现象，而不是生物量的巨变。2.1 营养盐因子营养盐因子 一般来说，氮和磷营养盐是藻类生长和水华暴发中不可缺少的，国内外对此有大量的研究4。已有研究表明藻类细胞里的磷直接参加光合作用和呼吸、酶系

6、统的活性化、能量转化，以及氮、碳水化合物和脂类化合物的交换等过程.而氮是藻类自身的组成元素。Stumn 根据对藻类化学成分进行的分析研究，提出了藻类的“经验分子式”为 Cl06H263O110N16P。这就是说，临界的氮磷比按元素计应为 16：1，按重量计应为 7.2：1。从理论上讲，如果氮磷比小于该值，氮将限制藻类的增长，如果氮磷比大于该值，则磷可认为是藻类增长的限制因素。同时，通过 Liebig 最小值定律可知磷可能成为藻类生长和水华暴发的限制性因子。大量实验结果都证实了这一结论。虽然氮磷是限制藻类增长的两个主要元素，但许多研究证明藻类生长同样需要微量元素。像铁、钼等微量元素可以单独或是与

7、氮或磷共同限制藻类的增长。例如在蓝藻固氮的过程中，所需要的铁量是其他藻类按相同速率增长的 10 倍5。这表明当藻类群落向以蓝藻为主导演替时，铁可能成为蓝藻增长的营养限制因素。2.2 环境因子环境因子 从国内一些湖泊水库富营养化调查资料来看，水库发生富营养化与气候变化关系很大，气候条件能促成藻类水华的发生6。藻类为中温性微生物。在环境因子中，水温、气温和光照是藻类进行光合作用的必要条件。已有研究表明，气候偏暖致使水温升高，充足的光照、温暖的水环境是引起水华发生的必要条件。2.2.1 光照光照 环境光照对藻类光合作用和水华暴发影响重大。有室内实验研究7发现，随着光照强度（10005000lx）的不

8、断增大，藻类生长的比增长率也加大。当光强从 1000lx 增加到 4000lx时，藻类数量增加较快，4000lx 以后渐趋平缓，在 5000lx 基本上达到最大值。在不同温度条件下，光强与藻类的关系不尽相同。在各温度下，10005000lx 的光强与藻类数量的增加可以用半对数或指数方程来表示。在 15的温度下，藻类数量与光强呈指数关系，说明在温度较低时光强对藻类生长的影响很显著，且有一定的补偿作用。光强太弱（500lx 以下）或太强（10000lx 以上）都不适于藻类的生长。一般认为 30004000lx 是水华藻类的最适宜光强。2.2.2 水温水温 在光照适宜、高营养盐的水体中，较高的温度对

9、铜绿微囊藻成为优势种有明显的促进作用，进而影响微囊藻水华的形成。美国生态学家研究了温度对蓝藻水华优势种微囊藻生长的作用，指出铜绿微囊藻生长的最适温度为 28.830.5，并在比增长率对数对温度作图的曲http:/ 中国中国科技论文在线科技论文在线-3-线中发现温度为 17.5时活化能突然降低，这与该藻在天然环境中形成水华时的水温相一致。国内室内模拟实验表明8，在 3035时微囊藻比增长率随水温的上升成指数增大，但生长达到最大后，比增长率急剧下降，微囊藻马上沉淀，绿色消退。徐宁等9研究发现：水温在水华的形成和消散过程中起着重要的作用；在水华潜伏期，适宜的水温是水华藻类快速生长、繁殖的必要条件；水

10、华一旦形成，维持水华藻的高种群密度也需要稳定、适宜的水温，此时如果水温发生剧烈变化，将会立刻打破水体中水华藻疯长的格局，引起水华藻类数量骤减，于是水华消失。另有室内实验表明，太湖微囊藻的最适生长温度为 3035，水库中的围隔实验证实当水温为 26时，最适宜于微囊藻的聚集、上浮而形成水华10。一般认为2530是水华藻类的最适宜生长温度。2.2.3 其他环境因素其他环境因素 其他环境因子如风速、风向、降雨、蒸发、降尘等也对藻类生长和水华暴发有直接或间接影响。如风向和风速改变藻类在水面上的分布，降雨可产生大量地表径流，携带面源污染物进入水体，为藻类生长提供营养物质，蒸发会减少水量、降低水温和气温；降

11、尘可输入营养盐、改变水体透明度（浊度）等。2.3 水文因子水文因子 水文因子主要有流量、流速和水位等。目前研究较多的是水流流速对藻类生长的影响，流量部分也有相应的研究，但不是很成熟。水体的水动力条件变化也对藻类的生长有影响。2.3.1 流速流速 大多数的学者研究认为，自然水体流速对藻类生长过程的客观影响普遍存在以下特点：当流速逐渐变小，接近零时，流速对藻类生长影响达到最大值；而当流速逐渐增大，藻的生长率将逐渐变小。然而，在实际的研究中发现，流速对藻类生长的影响可能并非如此简单。在对流水中的藻类研究中发现：除嫌流水藻类外，急流藻类和中流水藻类都可以在流水中生长，水流对藻类和中流水藻类都可以在流水

12、中生长，水流对藻类的生长和繁殖是有利的，因为水的运动而使藻类不断地得到新的营养物质供应11。钟成华在模拟长江天然流态下流速与藻类生长的关系的研究中发现，藻类只是在某一特定的流速下有显著的生长12。廖平安等人在流速对藻类生长的试验中也提出藻类生长可能存在临界流速，但控制水华发生的临界流速仍需要进一步试验13。2.3.2 流量流量 流量既影响水质，同时又是水体流速的决定因素。流量的增大有利于水中有机物、氮、磷等营养物质的稀释，从而藻类的比增长速度将会减小，有利于控制藻华的发生。现阶段有关水量对藻类生长的研究不多，多数都是模拟水量的变化对水质的研究 也就是限制藻类生长的营养盐因素的研究。2.3.3

13、水动力对藻类聚集的影响水动力对藻类聚集的影响 水动力对浮游生物的数量多少、分布的状态在浅水湖泊中影响更大。特别是在大型浅水湖泊中，动力的作用更加明显。针对太湖蓝藻水华而进行的围隔实验显示：随风漂移外来的微囊藻数量大大超过在该水域内生长的微囊藻，漂移微囊藻叶绿素 a 的浓度是该水域内生长的微囊藻叶绿素 a 的 5 倍14。风力导致的水动力条件变化影响了藻类的聚集状态。太湖梅梁湾水动力作用过程的研究表明，当湖流状况变化时，浮游动物数量也随之而变15。这样又http:/ 中国中国科技论文在线科技论文在线-4-间接影响了浮游植物数量的变化。2.4 其他因子其他因子 除上述三大因子外，水体 pH 值、沉

14、积物内源释放等因素也会影响藻类生长和水华暴发，对此也有一些相关研究16-18。张军19以广东某水库为研究对象，人工模拟藻类水华现象中pH 值的变化，发现水体 pH 值与藻类数量之间存在较好的相关性。刘春光20利用水族箱模拟微宇宙系统研究了藻类在不同 pH 值和曝气条件下的生长和种类变化，结果显示在 pH8.0-9.5 范围内，pH8.5 时藻类生长状况最好，pH9.5 时生长最差，人为改变 pH 值使其远离 8.5 能够抑制藻类生长。另外，曝气不能抑制水体中藻类的生长，昼间曝气甚至还有明显的促进作用。综上，可将水华暴发的影响因素以图 1-1 表示：图 1-1 水华暴发的影响因素 3 防治措施防

15、治措施 从长期的环保实践来看，水华的防治是一项复杂的系统工程，涉及到社会、经济、人文、地理、气象、水文、环境、生物、物理、化学等多学科，是水污染控制与治理中最为棘手而又代价昂贵的难题。综合水华成因分析，对水华的防治提出以下几个方面：3.1 营养盐浓度控制营养盐浓度控制 3.1.1 政策措施政策措施 严格控制水域周边兴建氮肥厂和磷肥厂及氮磷排放量大的其它化工企业。大力推广和应用生态农业技术，最大限度地防止水土流失。尽快出台禁用含磷洗涤剂的政策，以减少入库TP 排放。政府应该制定保护库区环境的优惠政策，鼓励发展库区环保产业，在税收、许可、政府投入等方面支持环保产业的发展，同时制定一些相应的环保科技

16、发展政策，大力支持各种实体开展如水体富营养化生态修复技术、水库漂浮物的综合利用技术研究等一系列的库区环保科技攻关研究，确保三峡水库的长治久安，持续发展。3.1.2 规划措施规划措施 要从根本上遏制水质恶化意识，发挥工程长久效益，必须依靠法律手段加强管理，包括硅 交换周期、停滞时间 水位、流量、流速 水文因子 氮 营养因子 其他因素 磷 水华暴发 环 境 因 子降雨、降尘 风、蒸发 光照、气温 http:/ 中国中国科技论文在线科技论文在线-5-编制水环境保护条例和水土程保护条例，制定流域近期和长远规划，加强上游地区生态环境保护，加大宣传力度，增强流域内人们的法制意识、环保意识与节水意识，落实水

17、法、水土保持法、水污染防治法等各项法律法规，保证库区水质不受污染。3.1.3 点、面源污染控制点、面源污染控制 点源污染物质可以通过污水处理厂和一些生物化学处理手段降低氮磷含量。面源污染分为城市面源污染和农村面源污染，对于城市面源污染采取雨水分流工程，减少城市面源污染对汉江氮磷负荷的贡献率；农村面源污染的控制手段为鼓励和提倡使用有机肥，改进施肥技术，提高肥料利用率。3.2 水动力学控制水动力学控制 3.2.1 实施补水工程实施补水工程 对于河流型水库，当气象、水质预报条件符合水华发生的条件时，通过水利调度改变水体流速，限制藻类的生长，从而防止水华的发生。如在枯水期增加丹江口水库下泄流量或者减小

18、三峡水库同期下泄流量、引江济汉补水等，通过水库和汉江中下游的调节水量，避免或减轻其不利影响，减少汉江水华形成的水文因素，维持水体环境的正常功能，防止水华的发生。3.2.2 模型研究模型研究 水库富营养化的主要影响因素可分为营养因子、环境因子和水文因子三类。研究表明，水库的面积、容积、水深、岸线系数、入库径流补给系数、换水周期和水位变幅、出库径流、流速等与富营养化关系密切21。因此有必要进一步加强水文、气象等过程对藻类及其他水生生物时空格局影响的研究，在构建水库流场模型的基础上，叠加生态因子场22。如针对三峡水库及主要库湾在不同时段的水文、水生态特点，结合防洪、发电、下游航道管理、水库水环境保护

19、，合理进行基于生态系统管理23的水库生态调度，可能是控制或减缓三峡水库水华暴发的一种有效手段。3.3 生态修复生态修复 3.3.1 人工湿地人工湿地 湿地是由水、永久性或间歇性处于水饱和状态下的基质及大型水生高等植物（如芦苇）和微生物等所组成的、具有较高生产力和较大活性、处于水陆交界相的复杂生态系统。建造的湿地系统，利用自然地物理、化学、生物的协同作用，通过适时适量的收割附着或沉积有悬浮有机物、营养物的植物，同时依靠基质的吸附、植物吸收和微生物降解，完成午睡的净化过程，强化了自然湿地生态系统的净化能力。人工湿地作为一种低成本、低能耗、低技术要求的处理技术，近年来被较多地应用于湖泊营养化修复的研

20、究中24。3.3.2 生态浮床生态浮床 在外源污染得到有效控制的前下，利用生态浮床技术，采用浮床陆生植物作为先锋种植载于水面，利用它们对氮、磷营养物质的大量吸收，最终通过收割植物彻底去除水中过量的营养物质，使水体透明度增加，为水生高等植物的生长、繁殖提供条件，最终使水体系统得到全面修复。http:/ 中国中国科技论文在线科技论文在线-6-3.3.3 生物操纵生物操纵 利用生态系统食物链关系及生物间相生相克原理，通过调节水体中的生物群落，以控制并改善水质，恢复水域生态系统的平衡。目前治理理论主要包括：（1）通过捕获、毒杀浮游动物食性的鱼类，以增加浮游动物，（2）直接投放肉食性鱼类来控制食性鱼类，

21、借此促进大型浮游动物的发展，以控制浮游植物的大量发生，（3）通过植食性鱼类影响浮游植物，以控制藻类的过度生长，提高水质（4）通过人工饲养、直接添加方法，建立合适的浮游动物种群，控制浮游植物的大量发生。生物操纵技术因其修复效果好，成本低，无二次污染，并可收获水产品，而受到越来越多的重视。3.4 增加环保意识，加强管理增加环保意识，加强管理 加强流域的环保政策与法规的制定、实施和监管力度，提高民众的环境意识，建立有权威性的统一指挥和协调机构，保证各项治理措施得以有效实施；加强流域的监测工作，根据水文、气象、水质预报和预测，预计水华可能发生的时间，建立富营养化与水华预测预报系统，为水华及富营养化的治

22、理提供科学的决策依据。3.5 强化富营养化控制的公众参与机制强化富营养化控制的公众参与机制 强化责任和监督管理 构建广泛的环境保护科普教育体系。向公众普及湖泊富营养化的发生、危害、控制途径等知识。提高公众参与环境保护的意识，建立有效的公众参与制度，制定鼓励和促进湖泊环保自愿者宣传湖泊治理和监督治理者的行为的激励制度，提高公众在湖泊富营养化控制过程的积极性、主动性和参与力度；科学建立考核机制，投资保障、跨省界湖泊地区的省级人民联防治污、预警、应急等方面的协调机制。参考文献参考文献 1 林启才，刘德富，黄钰铃.河流水华爆发成因分析及其生态恢复研究初探J.人民长江，2007，38（11）:126.2

23、 Steiberg C E W and Hartmann H M Planktonic bloom forming cyanobacteria and the eutrophication of lake and riversFreshwater Bio1.1988,20：279287.3 孔繁翔,高光.大型浅水富营养化湖泊中蓝藻水华形成机理的思考J.生态学报,2005,25(3):589-595.4 陈琼.氮磷对水华发生的影响J.生物学通报,2006,41(5):12-15.5 牛晓君.富营养化发生机理及水华暴发研究进展J.四川环境,2006,25(3):73-76.6 洪一平，叶闽，臧小平

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27、科技论文在线-7-20 刘春光,金相灿,孙凌等.水体 pH 和曝气方式对藻类生长的影响J.环境污染与防治,2006,28（3）:161-163.21 Wagner M Efect of hydrological patterns of tributaries on biotic processes in a lowlan d reservoir-consequences for restoration Ecologicd Engineering200016：79 90.22 Zhao B and Cai Q。C,eostatistical Analysis of Chlorophyll a i

28、n Fresh water Ecosystems。Journal of Freshwater Ecology，2004，19(4)：613 621.23 Tang T，Qu XD，Cai QH，et al。River ecosystem managementa case study of Xiangxi River。Resources and Environment the Yangtze Basin，2004，13(6)：594598.24 金相灿，稻森悠平，朴俊大，等。湖泊和湿地水环境生态修复技术与管理指南M。北京：科学出版社，2007.Research Progress of Water

29、 Bloom Cause and Preventive Measures Li Ying1,2,Jiang Guzheng2 1.Department of Environmental Sciences and Engineering,Hohai University,Nanjing(210098)2.Institute of Changjiang Water Resource Protection,Wuhan(430051)Abstract Eutrophication in China is a major water-environmental problem at present an

30、d in the future for a long period.Algal Bloom is one of the outstanding performance on the water eutrophication.In this paper,through analysis of three aspects of the water bloom,which are nutrient factors,hydrological and meteorological factors,we get that nutrients is the main control factor in la

31、ke water bloom and hydrological is the main control factor in river water bloom.According to the characteristics of the algal bloom in different types of water bodies,we take appropriate preventive measures.That is in the lake,we reduce the concentrations of nitrogen and phosphorus to control water

32、bloom and in the river,we change the water velocity.Studing on the reasons and the formation of water bloom has important theoretical guidance for scientific forecast production of algal bloom and appropriate measures to reduce their impact.Keywords:Eutrophication;Water Bloom;Analysis of the Formation;Prevention and Control Measures 作者简介：作者简介：蒋固政，男，1955 年 10 月生，湖北武汉人，现任长江水资源保护科学研究所总工程师，教授级高级工程师，河海大学博士生导师。http:/ 中国中国科技论文在线科技论文在线