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富营养化

富营养化是一种氮、磷等植物营养物质含量过多所引起的水质污染现象。在自然条件下,随着河流夹带冲积物和水生生物残骸在湖底的不断沉降淤积,湖泊会从平营养湖过渡为富营养湖,进而演变为沼泽和陆地,这是一种极为缓慢的过程。但由于人类的活动,将大量工业废水和生活污水以及农田径流中的植物营养物质排入湖泊、水库、河口、海湾等缓流水体后,水生生物特别是藻类将大量繁殖,使生物量的种群种类数量发生改变,破坏了水体的生态平衡

富营养化的指标一般采用:水体中氮的含量超过0.2~0.33ppm,磷含量大于0.01~0.02ppm,生化需氧量大于10ppm,pH值7~9的淡水中细菌总数每毫升超过10万个,表征藻类数量的叶绿素-a含量大于10毫克/升。 [1]

在人类活动的影响下,生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体,引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖,水体溶解氧量下降,水质恶化,鱼类及其他生物大量死亡的现象。在自然条件下,湖泊也会从贫营养状态过渡到富营养状态,不过这种自然过程非常缓慢。而人为排放含营养物质的工业废水和生活污水所引起的水体富营养化则可以在短时问内出现。水体出现富营养化现象时,浮游藻类大量繁殖,形成水华。因占优势的浮游藻类的颜色不同,水面往往呈现蓝色、绿色、红色、棕色、乳白色等。 [2]

实际上,湖泊水库等水体的富营养化自然条件下也是存在的,不过进程非常缓慢,这就是地理学意义上的富营养化。然而一旦水体接受人类活动的影响,这种转变的速度会大大加快,特别是在平原区域,人口密集,工农业发达,大量污水进入水体,带入大量的营养物质,极大的加速水体富营养化进程。人们通常所说的富营养化是指这种在人为条件的影响下,大量营养盐输入湖泊水库,出现水体有生产能力低的贫营养状态向生产能力高的富营养状态转变的现象。 [3]

水体富营养化是一种有机污染类型,由于过多的氮、磷等营养物质进入天然水体而恶化水质。施入农田的化肥,一般情况下约有一半氮肥未被利用,流入地下水或池塘湖泊,大量生活污水也常使水体过肥。过多的营养物质促使水域中的浮游植物,如蓝藻、硅藻以及水草的大量繁殖,有时整个水面被藻类覆盖而形成“水华”,藻类死亡后沉积于水底,微生物分解消耗大量溶解氧,导致鱼类因缺氧而大批死亡。

1、工业废水排放

富营养化的水体中含有较多的氮和磷,它们首先来自工业废水。钢铁、化工、制药、造纸、印染等行业的废水中氮和磷的含量都相当高。近年来,工业排放的废水逐年递增。据报道,2001年全国工业废水排放量达201亿t。但由于技术与资金的原因,大部分工业废水只经简单处理甚至未经任何处理就直接排入江河等水体中,许多废水中所含的氮、磷等物质也就不断地在水体中累积了下来。

2、生活污水排放

人们在日常生活中也产生了大量的生活污水,2001年全国生活污水排放达227亿t,超过工业废水排放量。生活污水中含有大量富含氮、磷的有机物。其中的磷主要来自洗涤剂。据统计,2001年全年排放废水中化学需氧量(COD)排放总量为140615万t,比上年减少2.7-。其中工业废水中COD排放量607.5万t,比上年减少13.8-;生活枵水中COD排放量799万t,比上年增加8.0-。可见,生活污水已逐渐取代工业废水而成为水体富营养化的最大污染源。

3、化肥、农药的使用

现代农业生产中大量使用化肥、农药,人类在享受它们带来农业丰收的同时,在很大程度上污染了环境。农药、化肥在土壤中残留,同时不断地被淋溶到周围环境,特别是水体中,其中所含的氮、磷就导致了水体富营养化。此外,屠宰场和畜牧场也会有含有较多氮磷的废水进入水体等。 [4]

水体富营养化的发生也是逐步进行的:

水体在营养盐浓度较低,藻类和其他浮游植物的生物量随着营养盐浓度的增加而相应增加的时期,称为响应阶段,这类湖泊水库称为响应型水体,表明富营养化处于发展阶段;

当营养盐浓度超过一定的限度,浮游植物的生产量反而下降或者持平,称为非响应阶段,表明水体的富营养化过程己趋于极限。此时,营养盐浓度达到饱和,生物生产导致水体内部溶解氧浓度急剧减少,限制了生物生产过程。作为富营养化控制因子的氮、磷等,只有在富营养化的响应阶段才起作用。 [3]

湖泊富营养化评价,就是通过与湖泊营养状态有关的一系列指标及指标间的相互关系,对湖泊的营养状态作出准确的判断。目前我国湖泊富营养化评价的基本方法主要有营养状态指数法(卡尔森营养状态指数(TSI)、修正的营养状态指数、综合营养状态指数(TII))、营养度指数法和评分法。

卡尔森指数法是美国科学家卡尔森在l977年提出来的,这一评价方法克服了单一因子评价富营养化的片面性,而是综合各项参数,力图将单变量的简易与多变量综合判断的准确性相结合。卡尔森指数是以湖水透明度( SD)为基准的营养状态评价指数。其表达式为:

式中:TSI为卡尔森营养状态指数;SD 为湖水透明度值(m);chla为湖水中叶绿素口含量(mg/m3);TP为湖水中总磷浓度(mg/m3)。

综合营养状态指数公式为 [5]

式中,TLI(Σ)表示综合营养状态指数;TLI(j)代表第j种参数的营养状态指数; wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重。

以chla作为基准参数,则第J种参数的归一化的相关权重计算公式为:

rij为第j种参数与基准参数chla的相关系数; 为评价参数的个数。

中国湖泊的chla与其它参数之问的相关关系

参数

chla

TP

TN

SD

CODmm

rij

1

0.84

0.82

-0.83

0.83

rij2

1

0.7056

0.6724

0.6889

0.6889

根据水体营养物质的污染程度,通常分成贫营养、中营养和富营养三种水平。营养状态分级为了说明湖泊富营养状态情况,采用0~100的一系列连续数字对湖泊营养状态进行分级:

TLI(Σ)< 30 贫营养(Oligotropher)
  30≤TLI(Σ)≤50 中营养(Mesotropher)

TLI(Σ)> 50 富营养(Eutropher)
  50<TLI(Σ)< 60 轻度富营养(light eutropher)
  60< TLI(Σ)≤70 中度富营养(Middle eutropher)

TLI(Σ)> 70 重度富营养(Hyper eutropher)
  在同一营养状态下,指数值越高,其营养程度越重。

从上个世纪初以来,社会经济长足发展,人口急剧增长,大量生活污水、工业污废水未经处理排入湖泊、水库,大大增加了水体中氮、磷营养物质含量。同时,农业中大量化肥农药的施用,也加快了湖泊、水库等水体富营养化进程。富营养化不仅使水体丧失应有的功能,而且使水体生态环境向不利于人类的方向演变,最终影响人民生活和社会发展,因而富营养化问题受到了越来越多的国家的关注和重视。

据联合国环境规划署(UNEP)的一项调查表明,在全球范围内30--40-的湖泊、水库存在不同程度的富营养化影响。世界上大部分湖泊、水库像贝尔加湖、苏必利湖、马拉维湖、大熊湖、大奴湖等影响较小,水质较好,而在气候干旱地区,水源以人工和半人工方式蓄积起来的水体,富营养现象十分严重。西班牙的800座水库中,至少有1/3的湖泊处于重富营养化状态,在南美、南非、墨西哥以及其它一些地方均有水体重富营养化的报道。加拿大湖泊众多,发生富营养化的水体主要集中在南部人口稠密的地区。美国环保总局在1972-1974年期间对全国大多数湖泊、水库进行一次大规模的、全面的调查和监测。结果表明,在调查的574个湖泊和水库中,按营养状态分类有77.8-的水体属于富营养化,贫营养水体仅占4.5-,其它17.7-的为中营养水体。这次调查结果使美国政府对富营养化问题更加关心和重视。进入90年代以后,水质富营养化问题变得尤为严重,在欧洲统计的96个湖泊水库当中仅有19个处于贫营养状态,80-的水已经处于富营养化状态,美国五大湖中伊利湖和安大略湖己经处于富营养化状态,形势十分严峻。亚洲湖泊污染比欧洲湖泊严重,仅日本的琵琶湖、台湾的日月潭和韩国的八堂湖污染较轻,其余湖泊一特别是东南亚发展中国家的湖泊污染较重。亚洲大部分尤其是南部水体的氮磷浓度偏高,受当地适宜的气候条件影响,存在着富营养化的隐患。

综上所述,近年来世界各地湖泊水库的富营养化污染严重,并且有逐年加剧趋势,在人口密集,经济发达的地方表现尤为明显,水体富营养化已经成为全球关注的重大环境问题之一。 [3]

近20年来,我国湖泊富营养化发展速度相当快。多年以来的调查结果表明,富营养化湖泊个数占调查湖泊的比例由20世纪70年代末至80年代后期的41-发展到80年代后期的61-,至20世纪90年代后期又上升到77-。水库富营养化的问题也较严重。对全国39个大、中、小型水库的调查结果表明:在所调查的水库中,处于富营养状态的水库个数和库容分别占所调查水库的30.8-和11.2-,处于中营养状态的水库个数和库容分别占所调查水库的3.6-和83.1-。总体而言,水库水质是良好的,但是濒临城市和作为水源的水库也有不少出现了向富营养化演变的趋势,特别是邻近城镇的水库富营养化程度较高,如北京的官厅水库、天津的于桥水库、石河子市的蘑菇水库等几近达到富营养化程度。 [7]

水体富营养化会水体的水质造成影响,使水的透明度降低,阳光难以穿透水层,从而影响水中植物的光合作用,还可能造成溶解氧的过饱和状态,对水生动物构成危害,造成鱼类大量死亡等。同时,水体富营养化的水体表面会生长着以蓝藻、绿藻为优势种的大量水藻,形成一层“绿色浮渣”,致使底层堆积的有机物质在厌氧条件分解产生的有害气体和一些浮游生物产生的生物毒素也会伤害鱼类。再次,因为富营养化的水中含有硝酸盐亚硝酸盐,人畜长期饮用这些物质含量超过一定标准的水,也会中毒致病,水体富营养化会加速湖泊的衰退,使之向沼泽化发展。如果氮、磷等植物营养物质大量而连续地进入湖泊、水库及海湾等缓流水体,将促进各种水生生物的活性,刺激它们异常繁殖(主要是藻类),这样就带来一系列严重后果:

藻类在水体中占据的空间越来越大,使鱼类活动的空间越来越小;衰死藻类将沉积塘底。

藻类种类逐渐减少,并由以硅藻和绿藻为主转为以蓝藻为主,而蓝藻有不少种有胶质膜,不适于作鱼饵料,而其中有一些种属是有毒的。

藻类过度生长繁殖,将造成水中溶解氧的急剧变化,藻类的呼吸作用和死亡的藻类的分解作用消耗大量的氧,有可能在一定时间内使水体处于严重缺氧状态,严重影响鱼类的生存。水体富营养化影响水体的利用,水体富营养化现象一旦出现,水就不能被人畜直接利用。大量生物和有机物残体沉积于水的底层,在缺氧情况下,被一些微生物分解,产生甲烷硫化氢等有害气体。富营养化的水体中还存在能使人畜中毒受害的亚硝酸盐和硝酸盐物质。出现富营养化现象的水体,不仅影响水体的处理和利用,造成水生经济生物(如鱼类)的损失,而且恢复水体的清洁需要相当长的时间。1987年,巢湖水厂曾因大量藻类堵塞滤池被迫停止运转,造成近亿元经济损失。 [4]

蓝藻水华就像是湖泊的慢性疾病一样,完全“治愈”是非常困难的,但可以预防和控制相结合,把其危害减低到最小。水华暴发的预防主要通过控制和降低营养盐的浓度来控制水华蓝藻生长,还可以通过科学的监测预报来减小损失。

1、流域污染源控制

目的是减少湖泊和水库营养负荷的输入量,主要通过截污工程、污水脱氮除磷技术等来实现。对于上游未受到污染和轻度污染的水体,预防的思想非常重要,控制污染源也是可以实现的。对于已经严重富营养化的湖泊水库,减少部分废水的排放不会在短期内改变其富营养化现状。但从长远来看,要想从根本上控制水体的富营养化,就必须严格控制对水体的营养物质输入。

2、内源营养盐的消减

对于已经严重富营养化的湖泊,可以通过清淤来降低内源营养物质含量,不过对于像滇池、太湖等大型湖泊,清淤工程过于巨大,要耗费巨资,并不是很现实。另一种方法是通过植物净化或者良性藻类繁殖来降低湖水的营养盐浓度。有条件的情况下,可以考虑改善湖泊水库的水循环,加大活水流入量,改善水文条件和冲淡湖水的营养水平,从而抑制藻类的生长。

3、水华暴发的监测预报

监测包括水华蓝藻及其毒素产生的监测,预报需要藻类生态学和气候学知识的科学综合分析。卫星遥感在湖泊藻类的监测预报方面可以起到重要的作用。水华暴发的科学监测和准确预报可以帮助当地政府和水产经营者做好应急决策,从而尽最大程度减小损失。 [8]

水体富营养化的形成原因包括无机营养盐和有机物大量输入,水交换能力减弱,水滞留时间延长,摄食压力下降以及二氧化碳等温室气体排放等。其根本原因是营养物质的增加。一般认为主要是磷,其次是,可能还有碳、微量元素维生素等。受控生态系统装置和试验湖区的研究结果表明磷是主要“限制因子”。等关于磷负荷和初级生产关系的研究也表明磷的重要性。在氮磷比低于时,或在某个季节,氮也可能成为限制因子。

人们在对富营养化的治理上采取了很多措施,明确了这些措施对改善水质的作用,但对其作用的程度以及对湖泊利用的影响等方面差异较大。主要有废水处理、排水改道、土地利用、工业产品改进、疏浚、凝聚沉淀处理、深层排水、底泥曝晒与干燥、湖底覆盖、曝气循环、物理方法水位升降、土壤改良、化学方法杀藻剂、除草剂、生物学方法生态系统控制、生物利用等。这些技术措施,可归纳为以下几大类:

控制水体营养盐浓度是传统的富营养化防治措施。对于外源性污染物采取截污、污水改道、污水除磷等措施,而对于内源性污染物可采取清淤挖泥、营养盐钝化、底层暴气、稀释冲刷、调节湖水氮磷比、覆盖底部沉积物及絮凝沉降等措施,控制包括含营养盐、有毒有害化学品等污染物的各类废水进入水体,是水体富营养化防治和管理的重要措施,尤其是有毒有害化学品,根据湖泊水体的功能以及湖泊生态系统的生态学特征,制订切实可行的污染控制方案是富营养化防治的重要措施。

用化学药品如硫酸铜控制藻类可能是最古老原始的方法。化学药品可快速杀死藻类,但死亡藻类所产生二次污染及化学药品的生物富集和生物放大对整个生态系统的负面影响较大,而且长期使用还会产生抗药性。这种方法只有局部治标作用,而且还要考虑残毒问题,因此除非应急和健康安全许可,化学杀藻一般不宜采用。

由于过去对富营养化的防治措施都集中在理化方法和工程措施,对利用生态学方法,即从生态系统结构和功能的调整来进行治理很少引人注意。20世纪70年代以来,不少学者强调了生物的作用,还提出了生物调控这一名词,或称生物操纵,这种观点强调的是整个生态系统的管理,从营养物质循环环节来控制富营养化。生物调控是通过重建生物群落以得到一个有利的响应,常用于减少藻类生物量,保持水质清澈并提高生物多样性。主要是采用鱼类种群的下行调控,如增加食鱼性鱼类或减少食浮游动物或食底栖动物鱼类,以保证有充分的浮游动物等来控制藻类,也有直接利用食藻鱼控制蓝藻水华。

越来越多的研究显示位于水体和陆地生态系统之间的生态交错带具有过滤功能、缓冲器功能,它不仅可吸附和转移来自面源的污染物、营养物,改善水质,而且可截留固定颗粒物,减少水体中的颗粒物和沉积率,同时湿地可以提供生物繁育生长栖息地,对于保护生物多样性、减少洪水危害、保持水土等具有重要意义,而且在湖泊周边建立和修复水陆交错带,是整个湖泊生态系统恢复的重要组成部分。

生态工程是修复富营养化湖泊生态系统的重要工具,用生态工程可以改善富营养化湖泊的局部水质,修复局部生态系统。但是全湖治理富营养化、控制藻类爆发、恢复健康的湖泊生态系统,仍然是一个世界性难题,尤其是对于大湖,全面恢复健康的生态系统需要相当长的时间。

对污水进行三级处理(包括物理学、化学和生物学方法)的效果也不错,但其费用较高,在发展中国家广泛采用还有困难;而对于非点源污染,采用土地利用(包括氧化塘处理、土地处理等)是一个比较经济的方法,但要求有土地条件。当水源比较充足有合理水源可利用时,可进行换水、稀释,带出氮磷物质以及藻类,但这种方法只是转移了污染源,而没有进行实质性治理。在这些技术措施中,还可以结合工艺改革、改进产品等,减少废水中磷的含量。如改用磷酸盐的代用品,农业上合理控制施肥。 [9]

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