荊州河網水系水華的應急監測和防控機制探討

楊立群,劉 松

(荊州市環境監測中心站,湖北荊州434000)

易紹金

(長江大學化學與環境工程學院,湖北荊州434023)

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

1 水華發生的原因

1.1 水質的影響

氮和磷的含量高在水華的形成過程中起著重要的作用,豐富的營養物質為浮游植物增殖提供了物質基礎。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化的評判標準 (見表1)。

表1 湖泊富營養化評價參數

1.2 水文條件的影響

三峽水庫三期蓄水和南水北調中線工程實施后,荊州境內的長江、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境。

1.3 水溫和光照的影響

荊州地區在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境。

2 監測響應機制

2.1 監測組織體系

飲用水源地水華的預警應急監測組織體系由政府統一指揮,成立領導小組,根據環保、水文和氣象等部門提供的信息進行綜合研判,必要時向專家組咨詢,部署監測工作。建立由環保、水文和氣象等部門聯合組成的水華監測機構,整合監測資源,建立區域聯動監測體系。環保部門負責飲用水水源地取水口的水質和生物監測,水文部門負責河流流速、流量的水文觀測,氣象部門負責衛星遙感監測及氣象觀測。成立由各部門專業技術人員和管理人員組成的專家咨詢組,負責對水華暴發事件及其發展趨勢進行專業性研判。建立信息共享平臺,各部門及時將各自的監測數據上報至信息平臺,以便領導小組和技術小組快速掌握藻類變化狀況,及時采取應對措施。

2.2 例行監測

例行監測即由環境監測部門對水華發生地區的集中式地表水飲用水源地開展的常規水質監測。監測因子為水溫、pH、溶解氧、高錳酸鹽指數、總磷和總氮,監測頻次為每月1次。對未納入國控、省控和市控斷面的鄉鎮飲用水源取水口應納入市控監測斷面[1]。

2.3 預警監測

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

根據荊州河網水系的實際情況和藻類的增殖規律,確定水華預警監測的指示值如下:流速＜0.5m/s、pH＞8.0、溶解氧＞12mg/L、色度＞15倍、水溫＞10℃。當以上參數監測結果多項達到此指標或出現異常波動時,再參考常規監測、藻類監測和氣象觀測結果進行預警。根據各種參數的情況,將水華的預警級別分為紅色預警、橙色預警和黃色預警,其中紅色預警為最高級別,為水華暴發的前兆。

2.4 應急監測

在水華暴發時,迅速啟動應急監測,全面開展人工現場觀測、實驗室分析、自動在線監測、氣象監測、遙感監測等監測技術工作。根據水華事件的影響范圍確定監測范圍、監測斷面、監測項目、監測頻次。按照常規方法,藻類監測應將樣品自然靜置24h,1個樣品的分析周期為48h,這不能滿足事件應急需要。應急監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,與國家標準分析方法比對結果精度無顯著差異。水華事件發生初期應按照盡量多的原則進行監測,根據水華事件的逐漸緩和和監測結果的變化趨勢適當調整監測頻次和監測項目。利用中分辨率成像光譜儀EOS/MODIS的數據,對河網水系的葉綠素a濃度進行遙感定量,運用光譜水質模型進行反演結合氣象和水文觀測結果,判斷硅藻水華發生河段長度、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、南水北調中線工程和引江濟漢工程的實施對長江中下游河道沖淤和水環境容量有重大影響,流域污染防治的主要目的是減少水體中磷、化學需氧量、氮的排放總量,根除水華產生的內因。流域污染防治工作是個系統工程,很難一蹴而就。針對水華的特點,除了要加強工業污染源監管外,流域防治應重點做好如下幾方面工作:

1)制定更為嚴格的禁磷措施和標準 現階段,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,特別是新發布的洗衣粉標準GB/T13171-2004,取消了無磷洗衣粉1997年標準中原規定的配方量化指標,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%”。新標準的頒布導致增加三聚磷酸鈉 (STTP)有效磷及其排放量,足以導致水體富營養化程度加重。因此,必須制定更為嚴格的禁磷措施和標準,從源頭進行控制。

2)強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除磷、生物除磷能力的比例不大,再加上當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格控制磷的排放,從技術上增強污水處理的除磷能力,以此來減少進入水體的營養物質污染負荷。

3)控制面源中磷的排放總量 對農業地區湖泊研究表明[4],農業面源污染負荷占的比例要高于工業與生活污染,尤其是氮、磷負荷。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,農業面源污染治理難度更大,因而需要國家出臺相關政策嚴格控制大規模圍欄水產養殖和畜禽養殖污染,環保、農業、漁業等部門應建立協同監管機制,限制投肥養殖和畜禽養殖廢水直排。對一些污染嚴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,實施湖庫生態恢復工程,才能更好更快地改善湖泊、水庫的營養結構和生態結構。

3.2 工程治理措施

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

1)水力學工程方法 引水沖刷是減少和稀釋地表水體營養物質的有效方法,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。一般硅藻水華發生時的水流速度在0.3m/s以下。因此,應對松滋河、虎渡河的分流河口和河床進行疏浚,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生的抑藻物質,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,大麥桿除藻能更好的恢復和保持環境原有的面貌,將人為破壞影響降低到最小水平。

3)化學處理方法 自來水廠對高藻水的處理能力是城鎮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物的前致物,會產生對包括人類有毒副作用的藻毒素,并有明顯的嗅味,這些嗅味物質是藻類代謝產物,一般是土味素和2-甲基異冰片等,嚴重影響水的感官性能。發生水華時,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消毒,發生水華時,無法大量提高制藥量,很難開展滅藻工作。濾前預加氯對水中產生消毒副產物THMS有直接的促進作用,O3和CLO2等消毒劑對藻類均有比較理想的殺藻效果,在適當氧化劑投加量的情況下,消毒副產物少 (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急去除也有較好效果,其中木質活性炭對藻類的吸附去除率為60%～80%。對有一些條件較差的、取水點易發生水華的中、小型水廠采用砂濾作為應急措施也可以取得一定的除藻效果。

4 結 語

由于水體富營養化、水文、氣象條件等因素的影響,未來幾年內荊州河網水系水華暴發的概率很大。通過建立水華預警應急監測體系,能夠在水華高發季節進行預警;在水華暴發后,迅速開展應急監測,消除公眾的恐慌心理。從水華產生的內因和外因著手,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生概率,保障城鎮居民的飲用水安全。

[1]國家環境保護總局,《水和廢水監測分析方法》編委會.水和廢水監測分析方法[M].第4版.北京:中國環境科學出版社,2002.

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

[3]胡尊英,于海燕,周斌.MODIS波段比值算法在太湖藍藻水華預警及應急監測中的應用[J].濕地科學,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].濟南:山東大學出版社,2006.