太湖湖区“黑水团”成因及危害分析

盛 东,徐兆安,高 怡

(1.河海大学水文水资源学院,江苏南京 210098;2.水利部太湖流域管理局水文水资源监测局,江苏无锡 214024)

太湖湖区“黑水团”成因及危害分析

盛 东1,徐兆安2,高 怡1

(1.河海大学水文水资源学院,江苏南京 210098;2.水利部太湖流域管理局水文水资源监测局,江苏无锡 214024)

跟踪观测太湖湖区“黑水团”形成过程,在室内对蓝藻死亡过程进行模拟试验。结果表明:①“黑水团”形成过程中,溶解氧迅速降低,最低值可为零,氨氮、化学需氧量均高于常值,发生剧烈的藻体分解矿化过程;②2008年太湖竺山湖湾及附近出现的“黑水团”与2007年引发无锡自来水供水危机的贡湖水源地“黑水团”特征基本一致;③蓝藻大规模聚集并堆积、死亡,在温度较高、风力较小、气压较低、复氧能力弱的条件下,蓝藻死亡后分解释放产生挥发性硫化物、二甲基三硫等硫醚类物质,硫化物与底泥中的重金属化合而形成致黑物质,在吸附凝聚过程中受湖泊风浪及水动力条件影响,悬浮而成“黑水团”。

水污染;黑水团;蓝藻死亡过程;高有机质底泥;太湖

近年来,太湖水环境污染越来越突出,湖泊污染和富营养化已成为制约社会和国民经济进一步持续发展的重要因素[1]。随着湖泊污染和富营养化程度的加剧,“黑水团”现象频发于太湖等湖泊水体,不仅带来水功能障碍,影响水产养殖和景观旅游,破坏水生生态乃至整个生态系统,甚至已严重威胁到无锡等城市的水源供水,已成为继藻类暴发现象后又一类湖泊灾害问题。

1 “黑水团”现象

根据2008年5月21日、22日的遥感影像分析,太湖宜兴沿岸带有大量蓝藻堆积,同时太湖流域管理局水文水资源监测局实地调查结果也表明,太湖宜兴段蓝藻分布明显,呈油漆状或稠密油漆状;5月25日宜兴林庄港附近水域蓝藻大量堆积,表层藻体干化发白,开始大规模死亡;5月26日遥感影像显示,太湖宜兴沿岸蓝藻带突然消失。5月27日太湖宜兴城东港至八房港段有一黑色污水带,宜兴段多处水域发生“黑水团”现象(图1)。5月31日,该区域“黑水团”湖面已无蓝藻水华,并有死鱼漂浮水面。2008年6月上旬,太湖西部宜兴近岸水域再次发现多个黑水团,水体呈酱褐色,黑水团中发现有湖鳅等死鱼;7月10日在太湖竺山湖湾发现有大面积暗黑色水团。

图1 2008年太湖湖区宜兴段水域“黑水团”示意图

太湖流域管理局水文水资源监测局2008年6月4日对出现“黑水团”的太湖湖区宜兴段林庄港水域进行水质和藻类监测,结果表明:出现“黑水团”的区域水质较差,ρ(DO)低至0.25mg/L;ρ(NH3-N)达11.2mg/L,ρ(CODMn)为 46.6 mg/L,ρ(COD)为 443 mg/L,ρ(TP)为 0.3mg/L,ρ(TN)为 21.3mg/L,电导率为774μ S/cm;微量有毒害有机物监测结果为,林庄港入湖口有1,1-二氯乙烯检出,苯系物未检出。中国科学院生态环境研究中心利用蒸馏萃取-气相色谱分析法对“黑水团”水样主要致嗅物质进行检测,检出二甲基三硫(DMTS,属硫醚类物质)、2-甲基异莰醇(MIB)、土嗅素(Geosmin)等物质,2-甲基异莰醇质量浓度66ng/L,土嗅素质量浓度30.2ng/L;二甲基三硫(DMTS)质量浓度为376 ng/L。与未发生“黑水团”现象时该区域水质对比,ρ(DO)明显下降,ρ(NH3-N)、ρ(COD)等指标明显上升(表1,表2)。太湖西部沿岸和竺山湖南部分别采用大浦、龙头两监测站点水质数据,具体位置见图1。

2007年5月28日至6月4日无锡贡湖水源地(南泉水厂取水口)曾出现“黑水团”,ρ(NH3-N)最大值达12.7mg/L(劣Ⅴ类),ρ(DO)下降到0mg/L,无锡市自来水恶臭,引发了无锡自来水供水危机[2]。中国科学院生态环境研究中心利用蒸馏萃取-气相色谱分析法对主要致嗅物质进行定量与系统分析,水中的腥臭味主要来自于硫醚类物质,在污水团和被污染的自来水中存在着高浓度的硫醚类物质,以二甲基三硫为主[2,4]。通过对2007年5月28日和2008年6月4日出现的“黑水团”现场观察和采样对比分析,两次发生的“黑水团”均具有以下特征:感官特征为水体呈黑色或酱褐色,边缘清晰,透明度较低,有明显臭味;水化学特征表现为 ρ(DO)接近于0mg/L,氨氮质量浓度异常升高,最大值可大于10mg/L,远超过Ⅴ类水质标准(2mg/L)[3]。生物特征表现为水华消散,藻类明显减少,伴有鱼类等水生动物死亡。二甲基三硫、2-甲基异莰醇、土嗅素3种致嗅物质浓度较高,均超过其嗅味阈值。由此可见,2008年太湖西部沿岸、竺山湖南部和2007年贡湖等局部水域“黑水团”都具有低溶解氧、高氨氮、高化学需氧量、高硫化物,水华消散、藻类减少等特征,水色发黑,与周边正常水体颜色明显不同,且均含有二甲基三硫等致嗅物质并散发出有刺激性的腥臭味。

2 “黑水团”发生区域的水环境特征

太湖湖岸形态大体分布为:南岸为典型的圆弧形岸线,东北岸曲折多湾,湖岬、湖荡相间分布,湖泊水量补给系数很低,年平均入湖径流量甚小,造成湖水换水周期长,同时太湖围垦以及不合理的开发利用使水动力条件发生变化,如马山围垦,改变了梅梁湖和竺山湖的水动力条件,导致局部湖湾湖流破坏,影响湖湾水体交换[5]。太湖湖流以风生流为主,水流缓慢,氮、磷浓度居高不下。

表1 “黑水团”水样数据对比

表2 太湖宜兴段龙头、大浦夏秋季多年平均水质指标

太湖地处亚热带北缘,具有明显的亚热带季风气候特征,每年自5月中旬至10月中旬水温多在20℃以上。由此可见,太湖具备大规模暴发蓝藻水华的基本生境条件[6],藻类易于滋生和集聚于湖湾沿岸。太湖北部如竺山湖湾、梅梁湖和西部沿岸在季风、温度条件影响下,夏秋季藻类大量发生并积聚,浓度可处于极高水平,如2007年水华严重区域竺山湖湾口水体藻类质量浓度高达234mg/L。

“黑水团”发生区域底泥污染严重。太湖流域20世纪70年代起就向河湖水体排放大量污染物(如重金属、有毒有机物和营养物等),这些污染物部分被蓄积到河湖底泥中,在适当的温度和风浪条件下,会释放出来影响湖泊和河流水质。根据太湖流域管理局2003年太湖底泥调查结果,太湖污染底泥主要集中在梅梁湾、竺山湖和西部沿岸区,竺山湖和西部沿岸区底泥平均淤积厚度近0.9m,表层多为流泥,且氨氮、有机质含量较高,竺山湖底泥有机质质量占干质量的1.35%～3.29%,西部沿岸区有机质质量占干质量的0.66%～1.47%。研究表明,全湖70%以上的底泥污染物释放量来自于该区域,对湖体的藻类水华暴发起着重要的促进作用。该区域表层底泥均受重金属污染,重金属离子浓度明显高于其他湖区,对水体生态系统具有较大的危害性,同时在泥-藻残体混合的高有机污染物中,与释放出来的次生代谢物硫化物化合较易形成致黑物质。

3 “黑水团”室内模拟试验

为进一步验证太湖湖区“黑水团”成因,分析污染底泥对蓝藻死亡分解过程中致嗅物质生成的影响,太湖流域管理局水文水资源监测局开展了蓝藻死亡模拟试验。

3.1 材料与方法

试验装置:有盖有机玻璃圆桶,底部铺上5 cm的太湖污染底泥,加入湖水和藻类。除湖水对照组外,添加底泥、藻类的3种条件均设平行样,共需7只有机玻璃圆桶。在使用前用蒸馏水清洗圆桶,然后用湖水冲洗。

3.1.1 试验材料

a.太湖污染底泥:在近期发生过黑水团事件的太湖西部宜兴林庄港湖区,采集表层污染底泥,共需约0.03m3。

b.太湖湖水:在采底泥样的地点,采集湖水,现场经25#浮游生物网滤除藻类后,装入25L塑料桶带回,共需0.15m3湖水样。

c.蓝藻藻体:用浮游生物网捞取太湖蓝藻藻体3kg(湿质量)。

3.1.2 试验方法

在试验装置中按照4种模拟条件,加入相应的试验材料。

a.湖水:在编号为A1的圆桶中,加入滤除藻类的湖水至25cm高度。

b.底泥加湖水:在编号为 B1、B2的圆桶中,加入底泥至5cm厚度,再缓慢加入滤除藻类的湖水至25cm高度。

c.蓝藻加湖水:在编号为C1、C2的圆桶中,加入湖水至 25 cm高度,再加入蓝藻藻体200 g(湿质量)。

d.底泥加蓝藻湖水:在编号为D1、D2的圆桶中,加入底泥至5cm厚度,缓慢加入湖水至25cm高度,再加入蓝藻藻体200g(湿质量)。

在试验材料加入装置2h后、藻类死亡水体出现黑臭时、出现黑臭后36h分别取样监测。

3.2 试验结果

编号为A1、B1、B2的圆桶中 ,无黑臭发生 ;编号为C1、C2的圆桶中,藻类死亡后有臭味但水色不变黑(加入藻类量较多,呈墨绿色);编号为D1、D2的圆桶中,藻类死亡后有腥臭味且水色变黑。

对A 、B、C、D圆桶水样水质指标数据分析,C、D中溶解氧变化相对A、B变化剧烈(图2(a)),说明蓝藻大量死亡及在藻体分解、矿化过程中,消耗大量氧气,使得水体呈厌氧状态;C、D水样在试验过程中,氨氮浓度值明显高于A、B(图2(b)),说明仅有底泥的存在不足以引起水体有机物质浓度的急剧升高,但蓝藻死亡分解过程中与底泥共同作用后,产生高有机质污染,藻类残体中有机氮分解为氨氮。同时,在C、D水样中检出硫化物及二甲基三硫等含硫有机物,说明藻类残体中的硫元素被还原并进一步生成二甲基三硫等含硫有机物,使得水体发出臭味。D水样中检出的重金属浓度明显高于其他试验水样,说明底泥中重金属能与藻体释放代谢物金属硫化物。模拟试验可以说明主要致嗅物质应是由大量有机体的厌氧腐败所代谢的二甲基三硫为主的硫醚化合物,致黑主要因素应是高有机质底泥参与造成的。

图2 蓝藻死亡模拟试验浓度变化

4 “黑水团”主要成因分析

根据蓝藻死亡分解释放营养盐过程概念模型[7-9],蓝藻死亡引起藻团分解,生成体积小的颗粒物和胶体,水体中存在一个颗粒物“分解释放—凝聚沉淀”的动态平衡。随着时间延续,该平衡由“分解释放大于凝聚沉淀”的过程逐渐达到“分解释放等于凝聚沉淀”的过程,之后又因细颗粒和胶体物质的增多使得平衡向“凝聚沉淀大于分解释放”的过程发展。室外跟踪调查监测及对“黑水团”现象形成过程的跟踪观测与室内蓝藻死亡模拟试验表明,“黑水团”现象产生有多个因素诱导:①蓝藻大规模暴发并堆积、死亡;②湖底有高有机质的底泥存在;③温度较高、风力较小、气压较低,不利于水体复氧。即太湖蓝藻暴发后一旦受到外源物质、高有机质底泥和气候突变等因素影响,蓝藻自然生长过程中新老交替的平衡被突然打破,蓝藻大量堆积、死亡,下沉并分解,耗尽水中溶解氧,使得水-底泥界面进入厌氧状态,高有机质底泥和死亡藻类二者共同作用,在厌氧条件下产生挥化性硫化物、二甲基三硫等硫醚类物质,挥发性硫化物与底泥中的重金属化合而形成致黑物质,在吸附凝聚过程中受湖泊风浪及水动力条件影响,悬浮而成“黑水团”。

5 “黑水团”危害分析

5.1 饮用水安全及水环境危害

“黑水团”产生严重影响到周边城市地区饮用水安全,2007年5月28日,无锡贡湖湾口南泉水厂发生“黑水团”进入水厂取水口恶化水源水质事件,导致水厂停止供水近100h。有研究表明[10-12],堆积集聚的淡水蓝藻释放的毒素,其次生代谢产物通过“皮肤接触、呼吸道吸入、血液透析、消化道摄入”等途径,能损害肝脏,影响蛋白磷酸酶的活力,具有促癌效应,直接威胁人类的健康和生存。

5.2 生态危害及社会经济影响

从2008年5月31日室外调查情况得知,有大量死鱼漂浮水面,其主要原因为大面积的“黑水团”在湖区水域中形成,阻隔水体的光合作用及其与大气的交换,使水中溶解氧浓度迅速降低,水中溶解氧接近零,造成沉水植被难以生存、湖底水生动植物大量死亡的生态危害。水生态与环境的恶化影响又进一步对周边城市的社会经济(如投资业、水产业、旅游业)产生严重破坏,如城乡供水安全受到威胁、水产养殖产量与效益大幅度下降、旅游业凋敝、公众的心理恐慌等连锁反应导致更深层次的社会矛盾。

6 结论与建议

太湖湖区大面积“黑水团”现象出现为太湖蓝藻水华危害新的表征,对水源的影响和危害较之蓝藻暴发更为严重。对其成因初步研究表明:“黑水团”现象仍是以蓝藻大规模暴发,聚集堆积死亡及高有机质底泥为其基本要素,即太湖蓝藻暴发后受到外源物质、高有机质底泥和气候突变等因素影响,蓝藻大规模聚集堆积,其自然生长过程中新老交替的平衡被突然打破,蓝藻大量死亡下沉并分解,耗尽水中溶解氧,使得水-底泥界面进入厌氧状态,高有机质底泥和死亡藻类在厌氧条件下产生挥发性硫化物及二甲基三硫等硫醚类致嗅物质,硫化物与底泥中的重金属与挥发性化合而形成致黑物质,在吸附凝聚过程中大片悬浮而成“黑水团”。

针对“黑水团”成因,笔者建议:①加强蓝藻的实时监控及预警,科学除藻,预防蓝藻大规模积聚堆积;②沿岸湖区底泥进行生态疏浚,减少内源诱因;③严格执行污染排放总量控制,减少源头污染物质进入;④实施太湖流域水环境综合整治方案,加快上游湖泊、河流的生态环境保护与修复;⑤进一步加强“黑水团”监测与分析,进行更为深入的研究。

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Cause and impact analysis of black water cluster in Taihu Lake

SHENG Dong1,XU Zhao-an2,GAO Yi1
(1.College of Hydrology and Water Resources,Hohai University,Nanjing210098,China;2.Monitoring Bureau of Hydrology and Water Resources,Taihu Basin Authority,Wuxi214024,China)

The formationof black water clusterwas observed through field investigation and indoor simulation experiments on the course of death and decomposition of blue algae.The results showed the following:(1)During formation of black water cluster,the DO content reduced rapidly,the lowest value was nearly 0 mg/L,the contents of N-N,CODwere greater than the normal values,and the process of the decomposition and mineralization of the dead blue algae occurred intensively.(2)The characteristics of black water cluster in the bay of Zhushanhu Lake in 2008were in line with those in the Gonghu Lake in 2007.(3)A large number of blue algae were accumulating and dying under conditions of high water temperature,slow wind,low air pressure,and weak reoxygenation capacity.Thioethers substances like volatile sulfide and dimethyltrisulfidewere released after the decomposition of dead blue algae,the sulphide and heavy metal from sediments were combined chemically,and colored matter was formed.Furthermore,the phenomenon of black water cluster occurred during the process of agglomeration in response to wind,waves,and hydrodynamic conditions.

water pollution;black water cluster;process of death of blue algae;rich organic sediment;Taihu Lake

X524

B

1004-6933(2010)03-0041-04

盛东(1979—),男,湖南衡阳人,博士研究生,研究方向为水资源及水环境演变。E-mail:shengdong1979@163.com

徐兆安,男,高级工程师,E-mail:xuzhaoan@sina.com.cn

2008-11-02 编辑:高渭文)