富營養(yǎng)化綜合防治調(diào)控指標探討
李錦秀 廖文根
中國水利水電科學(xué)研究院水環(huán)境研究所
摘要：通過分析富營養(yǎng)化發(fā)生機理,提出富營養(yǎng)化防治的主要調(diào)控指標,在常規(guī)富營養(yǎng)化控制性水質(zhì)指標基礎(chǔ)上,引入了臨界水流流態(tài)概念.建議建立一套包括水質(zhì)和水流流態(tài)等富營養(yǎng)化綜合評價指標體系的設(shè)想,對湖泊水庫富營養(yǎng)化進行多目標防治研究.
關(guān)鍵詞：富營養(yǎng)化 營養(yǎng)鹽 臨界流態(tài) 綜合防治
前言
富營養(yǎng)化問題是當今世界面臨的最主要水污染問題之一,我國在經(jīng)濟持續(xù)高速增長的同時,所帶來的最大負效應(yīng)就是環(huán)境污染日益嚴重,大江大河及湖庫水環(huán)境質(zhì)量日趨惡化.國家環(huán)?？偩衷?八五"期間把我國的水污染治理重點放在三江、三湖,尤其是對兩大淡水湖泊太湖和滇池的富營養(yǎng)化治理過程中,從地方到中央極其重視,投入大量人力物力進行污染治理.但是,湖泊富營養(yǎng)化的治理成效不是十分理想.
湖泊富營養(yǎng)化化的發(fā)生、發(fā)展是多因素共同作用的結(jié)果,本文通過分析富營養(yǎng)化發(fā)生機理,提出富營養(yǎng)化防治的主要可調(diào)控指標,在常規(guī)營養(yǎng)鹽控制性指標的基礎(chǔ)上,引入了臨界水流流態(tài)概念.以期通過開展對富營養(yǎng)化發(fā)生的機理性判別指標進行深入研究,為富營養(yǎng)化綜合、有效防治措施的制定提供科學(xué)依據(jù).
1．富營養(yǎng)化發(fā)生機理初步分析
提到富營養(yǎng)化,普遍想到的就是營養(yǎng)鹽總磷、總氮超標.誠然,總磷總氮等營養(yǎng)鹽是發(fā)生富營養(yǎng)化的必要條件.如果水體中總磷總氮濃度很低,不可能發(fā)生富營養(yǎng)化；但是,反之則不然,水體中總磷總氮濃度的升高,并不一定能發(fā)生富營養(yǎng)化問題.富營養(yǎng)化發(fā)生發(fā)展是由于水體整個環(huán)境系統(tǒng)出現(xiàn)失衡,導(dǎo)致某種優(yōu)勢藻類大量繁殖生長的過程.因此,了解富營養(yǎng)化的發(fā)生機理和發(fā)生條件,實質(zhì)上需要了解的是藻類生長繁衍的過程.盡管對于不同的水域,由于區(qū)域地理特性、自然氣候條件、水生生態(tài)系統(tǒng)和污染特性等諸多差異,會出現(xiàn)不同的富營養(yǎng)化表現(xiàn)癥狀,也即出現(xiàn)不同的優(yōu)勢藻類種群,并連帶出現(xiàn)各種不同類型的水生生物種類的失衡.但是,富營養(yǎng)氧化發(fā)生所需的必要條件基本上是一樣的,最主要影響因素可以歸納為以下三個方面：
（1）總磷、總氮等營養(yǎng)鹽相對比較充足；
（2）緩慢的水流流態(tài)；
（3）適宜的溫度條件；
只有在三方面條件都比較適宜的情況下,才會出現(xiàn)某種優(yōu)勢藻類"瘋"長現(xiàn)象,爆發(fā)富營養(yǎng)化.其中的水流流態(tài)主要指以流速、水深為要素的水流結(jié)構(gòu).
富營養(yǎng)化的防治過程,實質(zhì)上就是通過調(diào)節(jié)誘發(fā)富營養(yǎng)化發(fā)生的主要控制性條件,遏止富營養(yǎng)化發(fā)生.由于溫度要素是大氣候形成的自然結(jié)果,目前尚無力通過人工措施調(diào)節(jié)局部水域的氣候條件,也就是說,只能通過對要素一營養(yǎng)鹽水平和要素二水流流態(tài)的調(diào)節(jié)來控制富營養(yǎng)化的發(fā)生.
2．富營養(yǎng)化單目標污染控制進程緩慢
在以往的富營養(yǎng)化治理與防御過程中,人們在認識和觀念上,往往把主要側(cè)重點集中在對富營養(yǎng)化發(fā)生的第一要素,即控制水體營養(yǎng)鹽濃度上,而輕視了對其它要素的調(diào)控.在國內(nèi)外判別富營養(yǎng)化發(fā)生的條件中,也只有營養(yǎng)鹽、水生動植物和透明度等評判指標,并制定了國家或地方水質(zhì)標準和富營養(yǎng)化分級判別標準,以此作為水質(zhì)評價和水污染治理的唯一依據(jù).但對于富營養(yǎng)化發(fā)生的第二要素流態(tài),尚無定量化的判別標準和依據(jù).
無可否認,富營養(yǎng)化治理的最終目標,通過控制污染源,使水體中營養(yǎng)鹽濃度不超過優(yōu)勢藻類大量繁衍的臨界濃度,維持生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán).但是,由于我國湖泊或水域富營養(yǎng)化已經(jīng)十分嚴重,水體中的營養(yǎng)鹽濃度超過富營養(yǎng)化發(fā)生臨界濃度標準的幾倍以上的現(xiàn)象十分普遍,如果僅僅通過控制營養(yǎng)鹽污染源,降低湖庫營養(yǎng)鹽濃度來防治水體富營養(yǎng)化的發(fā)生,其過程將是相當漫長的,主要原因如下：
（1）營養(yǎng)鹽來源比較廣,短時段內(nèi)難以控制
湖泊水庫作為開放式系統(tǒng),湖庫周圍通常有大量農(nóng)田徑流或則河道徑流匯入,大量湖庫污染源調(diào)查資料顯示,面源是營養(yǎng)鹽的重要來源之一.由于面源分布廣,污染控制難度很大,目前,我國的水污染控制尚以控制點源為主.另外,對于大型湖泊如太湖、滇池等,底泥淤積比較嚴重,而底泥中通常含有大量的營養(yǎng)鹽,底泥污染治理難度較大.因而,在短時段內(nèi),營養(yǎng)鹽來源控制難度較大.
（2）河道與湖泊營養(yǎng)鹽控制標準差別很大
在地面水環(huán)境質(zhì)量標準中,對于營養(yǎng)鹽水質(zhì)指標如TP而言,同樣的三類水標準,河道中的標準濃度值為0.1mg/l,湖泊中的標準濃度值為0.025mg/l,河道中三類水標準濃度值比湖泊的相應(yīng)標準濃度值高四倍.即使在河道中通過污染源治理,水體濃度達到三類水標準濃度值,流入湖泊以后,也超過了湖泊的四類水水質(zhì)標準濃度值,更何況,在對河道進行污染源總量控制或功能區(qū)達標控制的污染源治理過程中,目前我國通常僅將有機污染指標COD和氨氮作為河道控制性水質(zhì)指標,很少考慮到控制營養(yǎng)鹽如TP濃度.
（3）水污染處理工藝復(fù)雜
受國內(nèi)外污水處理工藝技術(shù)限制,目前我國已經(jīng)建成運行或者正在規(guī)劃設(shè)計的城市污水處理廠,普遍只考慮有機污染指標的去除效果,以有機污染指標CODmn和BOD5去除效果作為水質(zhì)處理效果的評價指標,若要考慮脫氮脫磷,則處理工藝通常需要改進,處理成本也將成倍增加.
由于以上幾方面不利條件的影響,導(dǎo)致總磷總氮等污染源控制難度很大、進程十分緩慢,我國富營養(yǎng)化治理成效不大.
3．水流流態(tài)在富營養(yǎng)化治理與防治中的作用和地位
（1）臨界流態(tài)富營養(yǎng)化治理過程中的作用
目前,我國水體污染十分嚴重,即使在水質(zhì)比較好的長江江段,總磷總氮的濃度普遍比較高,如在長江中上游的三峽庫區(qū)江段及其重要支流嘉陵江和烏江,總體水質(zhì)良好,但是,斷面平均總磷濃度普遍在0.1mg/l-0.2mg/l左右,接近湖泊和水庫五類水質(zhì)標準,也就是說,水體中的營養(yǎng)鹽濃度水平已經(jīng)達到了湖庫發(fā)生富營養(yǎng)化的水平.之所以在長江干流尚未出現(xiàn)富營養(yǎng)化問題,主要是長江水流比較急,不能滿足湖泊富營養(yǎng)化發(fā)生的緩慢的水流流態(tài)條件.而初步分析2000年在長江一級支流烏江和漢江相繼發(fā)生富營養(yǎng)化的現(xiàn)象表明,烏江和漢江營養(yǎng)鹽含量常年比較高,遇到枯水季節(jié),隨著水流流態(tài)的改變,河道出現(xiàn)低流速區(qū),為富營養(yǎng)化發(fā)生發(fā)展提供有利的水流結(jié)構(gòu).因此,在判別富營養(yǎng)化發(fā)生的過程中,流態(tài)是一個十分關(guān)鍵的判別條件.
近年來,隨著我國湖泊富營養(yǎng)化的日趨嚴重,在太湖、滇池紛紛采取水利工程措施,通過引水, 調(diào)節(jié)湖庫出入水量,加速湖泊換水周期,控制湖泊富營養(yǎng)化,取得了一定成效.其實,調(diào)水的目的,一方面通過引入比較清潔的水體,增加湖泊的稀釋容量,另一方面,也是最主要的目的,是通過引水,意在改變湖泊原有不利的湖流流態(tài)結(jié)構(gòu),加速湖體水循環(huán)周期.如果在利用水利工程措施,進行湖泊調(diào)水試驗過程中,從湖泊富營養(yǎng)化發(fā)生的機理出發(fā),通過深入研究,提出不同營養(yǎng)鹽水平條件下,富營養(yǎng)化發(fā)生的臨界流態(tài)條件,以此作為湖泊引水調(diào)度時的參考依據(jù),想必將會取得事半功倍的效果.
（2）臨界流態(tài)在富營養(yǎng)化防治過程中的作用
由于湖庫富營養(yǎng)化問題通常呈現(xiàn)發(fā)展快、危害大、治理難等特點,對富營養(yǎng)化進行預(yù)防性研究是控制富營養(yǎng)化發(fā)生、發(fā)展的最有效辦法.以大型水利工程三峽水庫為例,水庫蓄水以后,改變最大的就是庫區(qū)水流流態(tài)結(jié)構(gòu).研究表明,三峽水庫建成以后,枯水期在蓄水位175m條件下,預(yù)測庫區(qū)斷面平均總磷總氮濃度在0.1mg/l-0.2mg/l,總氮濃度在3mg/l左右,與天然河道濃度含量相當.但是,水庫建成以后,壩前深水區(qū)斷面平均流速只有0.04m/s,比天然河道斷面平均流速減小將近5倍左右.在天然河道狀況下,由于河道流速比較大,三峽庫區(qū)江段盡管總磷總氮濃度比較高,尚未出現(xiàn)富營養(yǎng)化問題.水庫建成以后,隨著水流流態(tài)結(jié)構(gòu)的變化,庫區(qū)是否誘發(fā)富營養(yǎng)化,這也涉及到富營養(yǎng)化發(fā)生的臨界流態(tài)判別條件問題.三峽庫區(qū)一級支流烏江和漢江出現(xiàn)的富營養(yǎng)化現(xiàn)象,無不給人警示.如果通過大量機理性研究,找出在不同營養(yǎng)鹽水平條件下,富營養(yǎng)化發(fā)生的臨界流態(tài)判別條件,將為三峽水庫或其它水域的水流調(diào)度和富營養(yǎng)化防治研究提供關(guān)鍵性的科學(xué)依據(jù).
4．結(jié)論
綜合分析富營養(yǎng)化發(fā)生機理、發(fā)生條件,以及富營養(yǎng)化綜合治理與防治出發(fā),對富營養(yǎng)化發(fā)生的臨界流態(tài)進行深入研究,具有重大的理論意義和實用價值.在未來水域富營養(yǎng)化評價指標體系中,建議通過研究,給出不同營養(yǎng)鹽水平下,富營養(yǎng)化發(fā)生的臨界流態(tài)閥值,建立一套綜合反映富營養(yǎng)化發(fā)生、發(fā)展,包括營養(yǎng)鹽和水流流態(tài)等的臨界判別指標體系,結(jié)合以往以控制污染源為主要富營養(yǎng)化防治措施的基礎(chǔ)上,充分發(fā)揮水利工程調(diào)度優(yōu)勢,研究富營養(yǎng)化綜合防治對策,以期盡快遏止我國富營養(yǎng)化的發(fā)展態(tài)勢.