浅水型湖泊蓝藻水华预警监测工作的思考

浅水型湖泊蓝藻水华预警监测工作的思考（精选2篇）

浅水型湖泊蓝藻水华预警监测工作的思考 篇1

浅水型湖泊蓝藻水华预警监测工作的思考

浅水型湖泊的富营养化进程不断加快,呈现出蓝藻水华暴发现象是逐年增加的.太湖作为长江中下游地区典型的浅水型湖泊更因近年来蓝藻水华频发的态势引起了政府和社会的广泛关注.为确保太湖地区饮水安全,提高政府应对蓝藻水华的能力,对太湖蓝藻水华进行预警监测是判断其发展趋势以及制定相应对策的重要手段.着力分析和总结了太湖蓝藻水华预警监测工作的.主要内容,从预警监测工作的统筹、预警监测体系的建立、技术分析、预警监测的启动、分级与评价、预警信息的发布、预警监测的终止到预警监测的保障机制等,以利于同行们更好地应对浅水型湖泊蓝藻水华的发生.

作 者：李继影 徐恒省 翁建中 王亚超 Li Jiying Xu Hengsheng Weng Jianzhong Wang Yachao 作者单位：苏州市环境监测中心站,江苏,苏州,215004刊 名：环境科学与管理英文刊名：ENVIRONMENTAL SCIENCE AND MANAGEMENT年，卷(期)：34(4)分类号：X835关键词：浅水型湖泊 蓝藻水华 预警监测

浅水型湖泊蓝藻水华预警监测工作的思考 篇2

湖泊 (水库) 作为内陆淡水重要储库, 承担了全球可直接利用的80%淡水供应量, 是保障饮用水安全的重要基石。由于人类活动影响, 近年来我国许多湖泊 (水库) 水体富营养化, 蓝藻水华频发。漂浮的蓝藻水华在湖泊水源地附近堆积、腐烂从而恶化水质的状况时有发生, 直接威胁着饮用水供水安全。2007年5月发生的太湖饮用水危机事件, 直接原因就是太湖水体富营养化导致蓝藻水华暴发, 漂浮的蓝藻水华在水源地附近堆积、腐烂、分解, 污染了水源地。此外, 蓝藻分解释放的藻毒素对人体健康有直接的危害, 调查表明, 太湖周边地区饮用水藻毒素暴露等级与胃癌的发病率呈正相关。因此不仅要预防因蓝藻水华引起的突发性供水危机, 也要关注水源地堆积的蓝藻水华分解后威胁人类健康的潜在风险。但目前湖泊富营养化和蓝藻水华问题在短期内尚难从根本上得到解决, 因此, 构建蓝藻水华预测预警体系并进行智能拦截和高效清除是保障富营养化湖泊供水安全的优选方案。

针对湖泊水源地蓝藻水华灾害防控需求, 中国科学院南京地理与湖泊研究所开展了蓝藻水华监测预警及湖泊水源地保护关键技术研发及应用的项目研究, 开展了一系列研究工作。

二、研究进展

1. 揭示了大型湖泊蓝藻水华形成、迁移、成灾的过程和规律, 突破了蓝藻水华生消过程数值化与实时动态模拟的关键技术, 国内外首次创建了湖泊水源地蓝藻水华预测预警平台, 并实现了8年业务化运行

(1) 基于长期高频野外同步观测, 系统阐明了蓝藻水华形成的主导生态因子及其阈值, 为水华预测预警提供了理论基础与指标体系[1,2,3,4]。提出了蓝藻休眠、复苏、生长和上浮漂移形成水华的四阶段理论, 改变了蓝藻水华“暴发”难以预测的传统观点。以藻蓝素为检测指标, 成功解决了冬季蓝藻生物量低、细胞形态难以辨认的检测难题, 确定了蓝藻9-12℃的复苏温度阈值和小于3m/s上浮积聚形成水华的风速阈值, 构建了水华预测预警的指标体系。

(2) 构建了卫星遥感、自动监测和人工巡测的空地一体化监测网络, 开发了蓝藻水华数据同化系统, 提高了遥感反演数据的精度和时空连续性, 为水华预测预警模型提供了数据输入[5,6,7]。建立了18座自动在线监测站, 高频获取 (每15分钟1次) 水文、气象、叶绿素等参数并实现数据远距离自动传输;构建了复杂水体环境下 (水浅、水浑、风浪干扰强烈) 蓝藻水华形成不同阶段关键参数 (叶绿素、藻蓝素、表层水温) 的遥感定量反演模型;首次开发了以水动力模型为载体的湖泊蓝藻水华数据同化系统, 突破了恶劣气象条件下遥感数据缺失的技术难题, 提高了叶绿素和藻蓝素遥感数据的时空连续性。

(3) 研发了基于无结构网格的浅水湖泊三维水动力学模型和湖泊环境动态模拟技术, 耦合了湖泊水动力、营养盐分布和蓝藻生消过程模型, 开发了蓝藻水华预测预警系统, 实现了系统快速、实时、连续运行[8,9]。基于遥感、自动监测和人工巡测数据输入与同化处理, 采用环境空间动态模拟技术将未来24-72小时的风速、风向、降雨和气温以及水温等诱发蓝藻水华发生的参数按照网格空间离散, 进行蓝藻水华过程数值模拟, 利用湖泊水动力学模型和蓝藻水华漂移通量公式, 构建蓝藻水华空间扩散模型, 实时模拟运算蓝藻水华在不同湖区的运动和分布状态, 构建了蓝藻水华预测系统, 实现每周二次湖泊水源地未来24-72小时蓝藻水华发生概率和分布区域的预测预报, 预测准确率达80%以上。

2. 原创了可隐没式围隔、气幕挡藻和鳃式过滤除藻技术, 突破了大流量藻水分离技术难题, 并研制了大型仿生式水面蓝藻清除设备, 实现了基于预警信息的水华蓝藻智能拦截和高效无害去除

(1) 蓝藻智能拦截——可隐没式围隔和气幕挡藻技术

为有效拦截漂移进入水源地的蓝藻, 该项目仿效鱼漂原理。可隐没式围隔采用带状气囊浮体, 通过比重配置和远程智能操控控制其沉浮, 实现快速浮现 (2m/s) 和自动隐匿, 其隔离效果优于固定式围隔, 且不影响湖泊景观;气幕挡藻技术是将微量曝气管道系统布设于水下1-2m, 由低压风机供气, 沿管线形成上升水-气幕, 切断风生层流, 将随风漂移的蓝藻拦截在上风一侧, 实现水面无障碍挡藻, 克服了传统固定围隔破坏湖泊自然景观以及阻断水流的缺点。

(2) 首创大流量、低能耗、无污染藻水分离技术——鳃式过滤技术

仿效鲢鱼鱼鳃滤食浮游藻类原理, 原创“鳃式过滤器”, 突破了大流量、低能耗、无污染藻水分离的重大技术难题。创新之处在于科学地设计了由数十 (百) 片高度密集且斜立的筛网板, 叠加组成鳃式过滤装置, 布水方向与斜立筛网板的相对角度使得水流可直接冲击分布在筛网表面的蓝藻, 克服了蓝藻群体的胶体特性, 实现了大面积无堵塞动态过滤分离蓝藻。处理量最大可达6000m3/h, 费用<0.10元/吨, 产水率达95%, 是迄今为止最为安全、高效、节能、经济的原水除藻技术。为及时清除水源地自身生长及拦截后积聚的大量蓝藻, 突破了导致大流量、快速、藻水分离难的重大技术瓶颈。避免了添加絮凝剂分离的高成本和高风险。

(3) 水源地水华蓝藻高效清除——大型仿生式水面蓝藻清除设备

针对水源地无污染高标准控藻技术需求, 集成自主研发的宽幅分离铲、汲藻泵管系统、鳃式过滤器、叠层式振动筛和潜水电推进器组, 研制了大型仿生式水面蓝藻清除设备。作业幅宽10m, 通过分支泵管系统以1000m3/h流量汲取高浓度藻水, 送入面积600m2鳃式过滤器进行藻水分离, 每小时清扫湖面3-5公顷。与国内外同类设备相比, 单机效率提高40倍, 能耗降低90%以上, 极大地提升了湖泊水源地蓝藻水华灾害防控能力, 保障了水源地供水安全。

3. 项目应用情况

基于水源地的蓝藻水华减灾防灾需求, 项目组研创了“预测预警-智能拦截-高效清除”成套技术与设备, 并成功推广应用于太湖、巢湖以及其他湖泊和水库, 为保障湖泊水源地供水安全提供了科技支撑, 并获得了显著的社会效益和经济效益。

(1) “预测预警-高效打捞”成套技术成功化解了巢湖水源地供水危机, 关键设备用于水源地功能恢复的补水工程

2010年6月中旬, 巢湖东部饮用水源地受其它湖区漂移来的蓝藻水华影响, 自来水厂面临停水危机, 引起居民及广大群众恐慌。应地方政府要求, 项目组研发的大型仿生式水面蓝藻清除设备进入水源地工作, 确保了自来水厂每天4万吨的取水安全。该设备已广泛应用于天津市于桥水库水源地、常州市滆湖、云南玉溪市星云湖等蓝藻水华控制以及合肥市塘西河生态补水及水源地功能恢复工程。此外, 项目成果“大型仿生式水面蓝藻清除设备”参加了“十一五”国家重大科技成就展, 并成功进行了产业化, 目前已向社会提供设备十余台, 合同金额2600万。

(2) “湖泊水源地蓝藻水华预测预警平台”应用于太湖水源地的安全管理

自运行8年以来, 为地方政府进行太湖日常管理及总体调度提供了重要支撑。自2007年以来, 项目组每年负责向地方政府发送夏季蓝藻水华预测预警报告 (每周2次, 每年43次, 截止2014年底年共344次) , 对太湖水源地及观光风景水域24-72 h蓝藻水华发生概率进行预测, 为地方政府日常调度和及时组织打捞蓝藻, 实现太湖“两个确保”湖泊治理阶段目标提供了科技支撑, 避免了太湖供水危机的发生。提交的3份咨询报告, 得到时任国务院总理温家宝以及江苏省领导的批示, 相关建议在保护太湖水源地的决策部署中得到了充分体现。无锡市《开展治理太湖保护水源6699行动的决定》以及国务院批复的《江苏省太湖流域水环境综合治理实施方案》, 均将蓝藻水华预测预警、保障水源地安全作为重要任务, 每年地方政府的《太湖应急防控工作实施方案》均委托该项目具体实施预测预警, 并在江苏省政府每年春季召开的“太湖安全度夏应急防控工作会议”上, 发布太湖蓝藻水华情势预测报告。

蓝藻水华监测预警及湖泊水源地保护关键技术应用于江苏省太湖水污染防治办公室、水利部太湖流域管理局、安徽省环境保护厅、合肥市环境保护局等十余家地方政府部门, 获得了地方政府部门的高度认可和肯定, 认为该成果在湖泊管理中发挥了重要支撑作用, 在有效减少蓝藻危害、保证饮用水安全、维护社会稳定方面发挥了巨大的作用。项目共获核心授权发明专利9项, 软件著作权14项, 出版专著2部, 发表论文180余篇, 获得国家和省部级领导批示和应用证明14份。

三、我国湖泊水源地保护工作中面临的问题和建议

湖泊流域是人类活动的集聚地, 随着人口增长和经济发展, 湖泊水体TP和TN等营养盐普遍有增加的趋势。据调查, 在东部平原、东北平原与山地、云贵高原等片区的面积大于10平方公里的湖泊85%已经富营养化[10]。这意味着作为重要饮用水源地的湖泊, 蓝藻水华灾害将普遍和长期存在。如何构建安全的湖泊水源地成套保护技术将是一个急需解决的科技问题, 目前项目组在构建预测预警平台及蓝藻拦截去除技术方面虽有所突破, 但由于湖泊的水文、地形、湖流、生态环境的复杂性, 往往每个湖泊、每个水源地都有一些特殊的情况, 需要特定的应对方案。因此, 仍需要进一步的工作使该项成果进一步完善进一步优化:

1. 在预测预警模型方面, 是否能筛选更加简洁有效的指标, 减少模型输入参数, 减轻指标监测的工作量, 使平台运用更加实用。

2. 在预测预警模型模块的固化方面, 仍需要开展进一步的工作, 模型模块的固化有助于蓝藻预测预警平台的产品化, 有助于预测预警平台的广泛应用, 在运用到其他湖泊时, 只要进行参数的率定就能快速应用。

3. 在平台的用户体验方面, 是否可以进一步细化, 可以根据用户的不同需求, 提供不同的用户界面和需要, 当然, 这同时也需要模型精度的进一步提高。

4. 在蓝藻水华的拦截去除方面, 虽然项目组原创了可隐没式围隔、气幕挡藻、大型仿生式水面蓝藻清除设备等智能化拦截与打捞技术, 但这些都是应急性应对性的技术, 还需进一步研发或配套长效的水源地水质净化技术, 真正避免水源地水质灾害的发生。

上述成果是当前我国湖泊普遍富营养化新常态背景下研发的应急技术。要从根本上解决问题, 还需要实施湖泊污染控制, 强化湖泊水环境治理和生态修复, 增强湖泊生态系统结构功能等一系列综合措施, 由此维护天然湖泊的洁净水质。

参考文献

[1]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.

[2]孔繁翔, 马荣华, 高俊峰, 等.太湖蓝藻水华的预防、预测和预警的理论与实践[J].湖泊科学, 2009, 21 (3) :314-328.

[3]Wu, X.D., Kong, F.X., 2009.Effects of Light and Wind Speed on the Vertical Distribution of Microcystis aeruginosa Colonies of Different Sizes during a Summer Bloom.Int.Rev.Hydrobiol.94, 258-266.

[4]Wu, X.D., Kong, F.X., Chen, Y.W., Qian, X., Zhang, L.J., Yu, Y., Zhang, M., Xing, P., 2010.Horizontal distribution and transport processes of bloom-forming Microcystis in a large shallow lake (Taihu, China) .Limnologica 40:8-15.

[5]Zhang, M., Kong, F.X., Wu, X.D., Xing, P., 2008.Different photochemical responses of phytoplankters from the large shallow Taihu Lake of subtropical China in relation to light and mixing.Hydrobiologia603, 267-278.

[6]马荣华, 孔繁翔, 段洪涛, 等.基于卫星遥感的太湖蓝藻水华时空分布规律认识[J].湖泊科学, 2008, 20 (6) :687-694.

[8]黄佳聪, 吴晓东, 高俊峰, 孔繁翔.蓝藻水华预报模型及基于遗传算法的参数优化[J].生态学报, 2010, 30 (4) :1003-1010.

[9]李未, 秦伯强.太湖梅梁湾富营养化主要驱动因子的多时间尺度分析[J].湖泊科学, 2012, 24 (6) :865-874.