水體富營養化的監測及其防治研究進展

吳翠芬

摘要：水體富營養化是全球主要的水質問題。它既是由水污染產生的一種現象反過來又加劇了水污染。該現象出現很早，對經濟，生態和人體健康均有不利影響，目前仍是當今世界面臨的重大環境問題之一。而水富營養化的監測技術和防治技術也在不斷發展，本文將簡要敘述水體富營養化的成因和危害以及監測及防治技術的研究進展。

關鍵詞：富營養 ? 檢測技術 ? 防治 ? 成因 ? 水污染

富營養化主要指的是生物生長需要的營養物質，如氮與磷等，大量進入到水流較為緩慢或者是封閉的水體中，例如海灣與湖泊等，在受到一定外界環境因素的影響下，導致藻類與其他浮游生物在極短的時間內發生繁殖，進而會大幅度地減少水體的溶解氧量，會導致水質發生惡化，導致魚類與其他的水生生物發生大批量死亡的一種情況。水體富營養化是國際范圍內一個非常重大的水環境問題。通過相關調查研究發現，營養鹽會對藻類的生長、種群結構與生物量產生較大的影響。其中氮與磷會在很大程度上影響到藻類的生長，也是導致水體富營養化的重要限制因子。水體富營養化會在很大程度上破壞水體的生態系統，會減少水生植物的覆蓋率，降低水體的飲用以及景觀價值，會減少水體的溶氧含量，會導致物種更加多樣化等。因此，必須要加強研究與調查，采取有效的措施有效地防治水體的富營養化。

一、成因及危害

（一）成因

氮磷等營養物質大量進入緩流水體，藻類及其他浮游生物迅速繁殖且水質惡化，其他生物大量死亡，這種現象即水體富營養化，被廣泛認為是最重要的水質問題。富營養化現象早在19世紀20年代的瑞士就已被發現，當時莫爾登湖湖水由綠變紅的顏色變化引起了植物學家的注意，經研究發現是由一種紅色顫藻大量繁殖所引起，而這可能與畜牧業中大量施用肥料有關[1]。

富營養化分為兩種。若水體中的營養物質是由天然富集而成，則稱為天然富營養化，其營養物質濃度的變化即富營養化的進程十分緩慢。而由于現代生活的快速發展，大量的營養物質經人為的廢水排放或土地流失和淋濾進入水體，遠超過水體自凈能力，使水質在極短時間內惡化，稱為人為富營養化[2-3]。富營養化的成因十分復雜，形成機理通常有以下兩種解釋。

a）生命周期理論。這是大家廣泛接受的理論，由美國卡曼（A.K.Karman）于1966年提出，后來赫塞（Hersey）與布蘭查德（B1anchard）于1976年發展了這一理論。這一理論認為在水系統中的營養元素含量有限，當氮磷含量高的生活污水和化肥等工業廢水排入天然水體后，紅藻和藍藻大量繁殖，其他藻類和浮游生物逐漸死亡;需氧微生物的分解活動使水中溶解氧量下降，而厭氧微生物的分解活動會產生有害氣體（如H2S），因此而死亡的生物殘體在腐爛的過程中又釋放大量的氮磷等營養物質供新的一代藻類等生物利用，直至水體成為一潭死水。

b）食物鏈理論。該理論由荷蘭科學家馬丁·肖頓于1997年提出。它認為富營養化不僅僅只是因為營養物質負荷的增加。它指出自然水體中存在食物鏈，若某種原因使浮游生物數量減少或其捕食能力降低，使藻類的消耗量將小于生長量也會引起水體富營養化[4]。

（二）危害

發生富營養化的水體危害范圍大、涉及面廣，在經濟、水質、生態等方面均會造成較大影響。

對經濟方面造成影響。其中主要包括對漁業、養殖業以及供水、娛樂設施等造成嚴重的經濟損失。漁業養殖業方面， 由于富營養化影響，北美洲五大湖之一伊利湖中許多重要商業魚類的數量在幾十年內顯著下降，造成了嚴重的經濟損失[5]。中國滇池在1993年發生嚴重富營養化，水面完全被藻類覆蓋，昆明市第三水廠因此而停產43天，造成的經濟損失高達4000余萬元。同時因為水質變黑臭、渾濁，對旅游業、娛樂設施造成重大的經濟損失[6]。

影響供水系統水質。富營養化會嚴重降低水的透明度，影響水質。同時在供水系統中藻類的溶解性有機物在加氯后可氧化轉化為三氯甲烷等致癌物質，嚴重影響飲水的安全性，危害人體健康。藻類本身也會產生藻毒素，如銅綠微囊藻（出現頻率最高的肝毒素種類）、甲藻（海洋赤潮中出現）等，可導致嚴重中毒甚至死亡。

破壞生態平衡。大規模生長的藻類會使水變渾濁，影響水中植物的光合作用，降低水中氧的溶解度;同時其他水生物殘體的分解也大量消耗氧氣使溶解氧濃度嚴重下降。當水體中的溶解氧濃度不足1mg/L時，魚類浮游生物等便會窒息而死亡[7]。這些都嚴重的破壞了生態平衡。

二、監測

（一）傳統檢測方法

傳統的監測方法是以典型斷面的水質監測及水生生態調查為主，分為定性監測和定量監測。定性監測研究包括對低營養和富營養水域浮游生物和底棲生物性質的研究。某些生物已被建議作為富營養化的指標，其中最常用的是藍綠藻、顫藻，但這些生物的存在能表明水體中存在富營養化條件，而不能提供預警作用來實施防止進一步惡化的措施。定量方法評價富營養化程度包括定期測定水的凱氏氮、氮氮、有機氮、總磷、溶解性磷酸鹽、溶解氧含量、耗氧量、生物生產力、透明度和營養水平等。

（二）自動高頻監測技術

盡管傳統的監控程序實用性較強，但采樣的離散特性也會造成一定誤差或無法預測的事件。采樣不足的問題在微生物驅動的大多數生物地球化學過程中尤其普遍，因為微生物的產生時間通常從幾小時到幾天，遠遠短于每月或半個月的采樣方案。又因為富營養化管理一般以長期監測方案為基礎，低頻率采樣不足以識別出潛在威脅，如短暫時間的水華藍藻爆發和水質變化。

使用自動高頻監測（AHFM），在頻率上收集足夠的數據，以捕捉一個或多個采樣點的現象，使克服這些限制成為可能。雖然AHFM在湖泊中的科學和應用可以追溯到上世紀60年代，但最近的技術發展增加了使用AHFM監控的變量和水生系統的數量。傳感器技術在過去的20年已經從探針關注變量相關的物理環境（如水溫、電導率、環境光、濁度）為探針，發展到可用于監控化學環境（如溶解氧、pH值、光合色素），再到從原位熒光光譜測定法和流式細胞儀數據記錄估計目標生物實體功能群。這些發展為管理提供了前所未有的監測目標。此外，傳感器和數據基礎設施技術在過去十年的改進提高了所生成信息的穩健性和可靠性。

（三）遙感技術

遙感技術作為一種重要的監測技術，可從長時間和全空間角度來監測水體富營養化的變化趨勢。該技術主要通過SPOT影像、氣象衛星等進行探測，大家已廣泛認同由其發展的藻類色素遙感反演算法，其具有相當的可靠性。國內國外研究人員在該方面已有相關研究。吳傳慶等人利用多個時相的TM影像對太湖的懸浮物、葉綠素等水質參數的濃度和分布進行了遙感反演，進而分析了太湖水華的成因、發展程度、影響因素等[8]。謝杰、林飛娜等也利用不同的遙感數據，采用不同的波段比值和方法模型，反演了水體中葉綠素濃度，與實際情況擬合效果較好[9-10]。除了用于水質監測數據的反演，遙感技術也可和景觀格局分析相結合更好的分析富營養化的成因和其關鍵因素。

（四）一種新的便攜式傳感器檢測水華毒素技術

藻類產生的毒素會危害人體健康，甚至引發中毒甚至死亡。而毒素檢測通常是基于實驗室方法，收集樣品，包裝，運輸，測試等繁瑣的步驟使人們需要一種快速便攜的實時監測HAB毒素系統。Bickman等人于2018年開發了一種創新的簡單易用的便攜式生物傳感器系統（MBio），用于同時且快速的檢測淡水中的多種藍細菌毒素[11]。

MBio系統是一種多功能的基于多路復用場的氰毒素檢測工具，未來的分析物擴展包括蛤蚌毒素，腥藻毒素和海洋生物毒素等。該系統核心技術是基于便攜式閱讀器上分析的簡單一次性墨盒。檢測試劑為熒光標記的兩種藻毒素抗體的凍干混合物，與樣品再水合。檢測時將樣品混合物釋放到流體通道下，讀取器將自動執行化驗。在樣品中沒有毒素的情況下，抗體與表面的共軛點結合，在芯片上產生亮點;當存在毒素時，抗體與共軛點的結合受到競爭性抑制，熒光信號降低。自定義軟件執行所有的點和圖像分析，并將圖像數據轉換成定量輸出，以此檢測水中的藻華毒素。該研究演示了一步法，它可與一個簡單的便攜式機械溶解法相結合，可現場快速檢測或溶解毒素。

三、防治

（一）技術手段

外部營養物的輸入控制。外部營養物質的輸入是控制富營養化的首要措施。其具體措施有：1）嚴格按照營養物質的排放標準控制營養物輸入。2）制訂磷排放量的逐年削減和分配排放磷的總量控制辦法。同時嚴格執行行政管理措施，嚴控日常生活洗滌劑、化肥農藥等的使用。3）實施截污工程，污水分流。這基本可以從根本上消除人為的營養物外源性輸入。4）控制水土流失和地表徑流等面源污染，改善生態環境，合理使用土地，如建設綠化帶，合理設置排流系統，集中收集處理家禽糞便等。

內部營養物的負荷控制。水體內部的氮磷濃度是富營養化的關鍵因素，因此要有效的控制內部的氮磷富集。控制措施要視不同情況，采用不同方法。1）工程性防治，如清除底泥沉積物、水底曝氣、注水沖稀以及在底泥表面敷設塑料等[12]。2）化學防治，即化學除藻、沉淀劑除磷等。常用的除藻劑有硫酸銅（濃度一般須大于1.0mg/L，須謹慎使用）、二氧化氯（可分解水中還原性污染物質）[13]。3）生物防治，如水生植物處理、微生物修復、水生動物處理、人工濕地處理、人工生物浮床技術等。其中人工浮床（又稱人工浮島）是以人工建造的、浮于水面的生物浮床為載體，為動植物和微生物提供生活產所吸收水體中過多的氮、磷等營養元素，從而達到改善水體的目的。該技術因高效、環保、經濟等優點逐漸成為水體治理研究的熱點[14]。

數學建模預測。浮游動物和魚類是水體富營養化的指標之一，運用數學建模方法可基于浮游動物和魚類密度來進行模擬預測，從而在富營養化水體中建立適當的恢復策略。國外有研究人員開發了一種富營養化模型，由收集的水庫數據建立模型進行模擬，能夠很好地描述在穩定的非生物條件下生態系統中的行為。模型結果使我們能夠預測魚類捕食在不同食物條件下擾亂水蚤動態的程度。 國內有吳瓊等人基于尋烏縣九曲灣水庫的數據建立了二維水量水質耦合模型，預測了在一場典型降雨后水庫總氮、總磷的濃度分布，分析了大氣濕沉降對水庫富營養化的影響，總結出了該水庫富營養化的主要成因，為水庫的富營養化治理提供參考[15]。 這說明了數學模型在水生態系統管理中的潛在應用和有用性。

實現綜合治理。為了可以更好地防治水體富營養化，那么就需要加強對河道與湖泊等的綜合治理以及生態修復。對此，可以采取以下措施：1）定期對底泥進行疏浚，對清淤的深度進行科學的確定;2）積極地建設人工濕地，對流入河流與湖泊的水質進行凈化;3）實現對沿湖濕地、溝渠與河道的綠化建設，要積極地建設生態緩沖區域。構建多元化的生態岸線，將水生植物、水生動物與喬木等多種動植物發展為一個整體，構建科學完善的水體生態循環系統。

（二）政策手段

加強預防宣傳教育。水體富營養化可在短時間內就形成，但其恢復時間消耗長、技術難度大、代價昂貴。以滇池的治理為例，近兩年昆明市正全力推進實施107個“十三五”滇池治理項目，規劃投資159.24億元，截至2018年2月底，有28個項目完成建設，3個項目調試，52個項目正在實施，20個項目開展前期工作，累計完成投資45.73億元?？梢娖渲卫碇D難，損失之嚴重。因此要加強群眾和企業的宣傳教育，禁止亂排亂放，在富營養化發生之前就做好預防工作。

政策與措施長期協調。政府下發的政策和具體實施措施應協調起來，經濟、行政、法律和教育等政策方法各有優劣，任何單一的方法和工程措施都不可能產生理想的效果（如我國滇池、東湖等水體的治理實例）。水體富營養化的治理是一個復雜的系統工程，是環境問題中形成容易治理難的難題，涉及到眾多部門和利益主體以及實施步驟，因此需要充分調動各部分的積極性，建立起良好的協調機制，長期執行和措施協調一致的切實可行的綜合對策。

優化產業結構。為了可以進一步地改善生態環境，那么就要優化產業結構，要改變經濟發展模式，努力地實現工業企業的轉型升級，全面地貫徹落實生態農業理念，進而最大限度地發展第三產業，盡可能地減少污染物的排放總量。對此，可以從以下三個方面入手：第一方面，進一步轉變工業生產方式，積極地發展污染性更小、效益更高，并且對于物質資源消耗更少的新型工業企業，要積極地開展清潔生產，努力地構建綠色環保的工業園區;第二方面，進一步優化農業結構，積極地發展與創新生態農業，在種植方面要采用更加科學有效的技術與手段，提升種植效率與種植效果;第三方面是要積極、快速地發展第三產業。

建立科學的水價機制。在對水污染防治計劃進行制定的時候，要對水價進行科學的分析，確保所制定的方案更加科學合理。要制定科學的水價機制，遵循以下基本原則：即在使用水資源時要花錢，如果對水資源使用的較多就要付出更多的金錢;在排污的時候要花錢，而大量排污就要花更多的錢。要對用水的定額進行科學的確定，從而全面地貫徹落實節水制度，從而使得工業、農業以及城鎮等用水更加節約、更加合理，從而使得水資源能夠得到有效的重復利用，能夠有效地提高污水資源化率。

建立科學的污水治理收費標準。要全面地貫徹落實國家現有的污水治理收費政策，要充分地重視征收以及管理工作，并且采取有效的措施做好相關工作。要積極地實現污水治理的產業化，能夠進一步地提高在水污染治理方面的融資能力，要使得更多的國內外資金都可以投入到水污染治理項目中，進而使得治理工作獲得充足的資金支持，提高治理的整體效果。除此以外，在落實水污染防治項目時，要實現對成本效益以及運行機制等的統籌規劃，要實現工程建設以及管理工作的有機融合，從而使得水污染防治項目得到全面、有效的貫徹與落實。

四、結語

在水資源日益匱乏的今天，水富營養化的問題不容小窺。我國作為工業農業迅速發展的國家，應做好監測和預防工作，減少富營養的發生;同時對于已發生富營養化的水體要做好治理工作，既要防好也要治好。政府和相關部門機構要大力支持水富營養化的研究，鼓勵創新。

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（作者單位：河南省開封市尉氏縣環境保護局）