荆州河网水系水华的应急监测和防控机制探讨

杨立群,刘 松

(荆州市环境监测中心站,湖北荆州434000)

易绍金

(长江大学化学与环境工程学院,湖北荆州434023)

荆州河网水系由长江干流、长江支流、内河水渠、天然湖泊构成,具有长江流域典型的水乡特征。近几年来,荆州境内松滋河、虎渡河、东荆河在枯水季节多次发生水华事件。水华是指在相对封闭性水域 (如湖泊)内,因水体富营养化而导致的浮游植物恶性增殖现象。发生水华事件一般应具备以下条件:①藻类总细胞数超过107个/L;②少数种类藻类细胞数所占比例急剧上升成为优势种群,水体中生物多样性指数大幅下降。荆州河网水系发生水华事件符合上述条件,监测表明主要为硅藻水华,优势种群为小环藻。由于发生水华事件严重影响沿岸居民饮用水源安全,因此,探讨荆州河网水系水华发生的原因,及时采取水华应急监测和防控措施显得尤为必要。

1 水华发生的原因

1.1 水质的影响

氮和磷的含量高在水华的形成过程中起着重要的作用,丰富的营养物质为浮游植物增殖提供了物质基础。以松滋河为例,近5年来其断面总磷的年平均浓度均保持在0.078mg/L以上,总氮的年平均浓度均保持在1.14mg/L以上,叶绿素a在6.4μg/L以上,三者都超过了湖泊富营养化的评判标准 (见表1)。

表1 湖泊富营养化评价参数

1.2 水文条件的影响

三峡水库三期蓄水和南水北调中线工程实施后,荆州境内的长江、汉江的分流河道水位下降、流量减少。每年2～4月长江三峡水库下泄流量减少,致使下游江段水位降低、水流减缓。松滋河、虎渡河均为长江南岸的分流河道,由于多年河道泥沙淤积,进洪口高程抬高,在长江水位下降的双重作用下,枯水期流量很小,松滋河近5年来最小流量为2.3m3/s,最小流速为0.27m/s,成为一段类似于湖泊的封闭性水体,为浮游植物快速增殖提供了良好的水域环境。

1.3 水温和光照的影响

荆州地区在1～3月常多晴少雨,光照充沛,气温逐渐上升,使水面温度升高;加上枯水期长江中下游水量减少,流速慢,泥沙下沉,水体表面透光性提高,为藻类的光合作用提供了良好的水温和光照环境。

2 监测响应机制

2.1 监测组织体系

饮用水源地水华的预警应急监测组织体系由政府统一指挥,成立领导小组,根据环保、水文和气象等部门提供的信息进行综合研判,必要时向专家组咨询,部署监测工作。建立由环保、水文和气象等部门联合组成的水华监测机构,整合监测资源,建立区域联动监测体系。环保部门负责饮用水水源地取水口的水质和生物监测,水文部门负责河流流速、流量的水文观测,气象部门负责卫星遥感监测及气象观测。成立由各部门专业技术人员和管理人员组成的专家咨询组,负责对水华暴发事件及其发展趋势进行专业性研判。建立信息共享平台,各部门及时将各自的监测数据上报至信息平台,以便领导小组和技术小组快速掌握藻类变化状况,及时采取应对措施。

2.2 例行监测

例行监测即由环境监测部门对水华发生地区的集中式地表水饮用水源地开展的常规水质监测。监测因子为水温、pH、溶解氧、高锰酸盐指数、总磷和总氮,监测频次为每月1次。对未纳入国控、省控和市控断面的乡镇饮用水源取水口应纳入市控监测断面[1]。

2.3 预警监测

每年11月至次年3月进行预警监测,对来年水华暴发的可能性进行预判。监测因子为水温、p H、溶解氧、总磷、总氮和叶绿素a等指标,每日上报1次监测数据,同时定期分析藻类密度和优势种。由于藻类的生物监测繁琐、费时,难以做到快速监测及时分析,可以采用其他相关因子作为指示因子[2]。藻类的生长和增殖除与水中氮、磷的浓度有关外,水体的水温、p H、溶解氧、色度等物理参数和流量、流速等水文参数都是重要的限制因子。这些参数的监测大都简便易行,不仅容易实现现场分析,也容易实施连续、自动监测。

根据荆州河网水系的实际情况和藻类的增殖规律,确定水华预警监测的指示值如下:流速＜0.5m/s、pH＞8.0、溶解氧＞12mg/L、色度＞15倍、水温＞10℃。当以上参数监测结果多项达到此指标或出现异常波动时,再参考常规监测、藻类监测和气象观测结果进行预警。根据各种参数的情况,将水华的预警级别分为红色预警、橙色预警和黄色预警,其中红色预警为最高级别,为水华暴发的前兆。

2.4 应急监测

在水华暴发时,迅速启动应急监测,全面开展人工现场观测、实验室分析、自动在线监测、气象监测、遥感监测等监测技术工作。根据水华事件的影响范围确定监测范围、监测断面、监测项目、监测频次。按照常规方法,藻类监测应将样品自然静置24h,1个样品的分析周期为48h,这不能满足事件应急需要。应急监测时可采用高速离心浓缩,缩短分析时间,1个样品的分析周期为40min左右,与国家标准分析方法比对结果精度无显著差异。水华事件发生初期应按照尽量多的原则进行监测,根据水华事件的逐渐缓和和监测结果的变化趋势适当调整监测频次和监测项目。利用中分辨率成像光谱仪EOS/MODIS的数据,对河网水系的叶绿素a浓度进行遥感定量,运用光谱水质模型进行反演结合气象和水文观测结果,判断硅藻水华发生河段长度、移动的速度和对饮用水源地的影响[3]。

3 防控措施

3.1 流域污染防治

三峡工程、南水北调中线工程和引江济汉工程的实施对长江中下游河道冲淤和水环境容量有重大影响,流域污染防治的主要目的是减少水体中磷、化学需氧量、氮的排放总量,根除水华产生的内因。流域污染防治工作是个系统工程,很难一蹴而就。针对水华的特点,除了要加强工业污染源监管外,流域防治应重点做好如下几方面工作:

1)制定更为严格的禁磷措施和标准 现阶段,我国禁磷的范围仅为国土面积的十分之一,而且禁磷的力度很小,特别是新发布的洗衣粉标准GB/T13171-2004,取消了无磷洗衣粉1997年标准中原规定的配方量化指标,增加了含磷洗衣粉的总五氧化二磷 (P2O5)含量,即 “HL-A普通型、HL-B浓缩型洗衣粉的总五氧化二磷 (P2O5)含量≥8.0%”。新标准的颁布导致增加三聚磷酸钠 (STTP)有效磷及其排放量,足以导致水体富营养化程度加重。因此,必须制定更为严格的禁磷措施和标准,从源头进行控制。

2)强化城市污水处理厂除磷能力 目前,全国的城市污水处理厂中具备化学除磷、生物除磷能力的比例不大,再加上当前的城市污水处理政策对污水处理厂磷的排放控制不很严厉 (如目前的排污收费制度对污水处理厂排放氨氮、总磷暂不收费),导致生活污水中磷的排放未得到有效控制,因而需要从政策上严格控制磷的排放,从技术上增强污水处理的除磷能力,以此来减少进入水体的营养物质污染负荷。

3)控制面源中磷的排放总量 对农业地区湖泊研究表明[4],农业面源污染负荷占的比例要高于工业与生活污染,尤其是氮、磷负荷。在畜禽饲料中添加的磷酸二氢钙、磷酸氢钙、骨粉等磷源,饲料中总磷40%～50%随动物粪便排出体外。相比点源污染,农业面源污染治理难度更大,因而需要国家出台相关政策严格控制大规模围栏水产养殖和畜禽养殖污染,环保、农业、渔业等部门应建立协同监管机制,限制投肥养殖和畜禽养殖废水直排。对一些污染严重的湖泊和水库开展底泥疏浚。底泥中一般都富集了大量的磷,只有定期开展底泥疏浚工作,种植大型水生植物,实施湖库生态恢复工程,才能更好更快地改善湖泊、水库的营养结构和生态结构。

3.2 工程治理措施

目前,国内外在水体藻类治理的方法上,大体可归纳为物理法、化学法和生物法。这些方法各有优点,同时也均具有一些局限性。考虑到荆州河网水系的特点和沿岸居民的饮用水安全保障,采取水力学工程和生物控制相结合的手段,控制、去除水源地区水体中的藻类。

1)水力学工程方法 引水冲刷是减少和稀释地表水体营养物质的有效方法,其前提是要有清洁的水源,同时保证一定的流量,使得藻类来不及生长。一般硅藻水华发生时的水流速度在0.3m/s以下。因此,应对松滋河、虎渡河的分流河口和河床进行疏浚,加大长江的分流量,同时在枯水期对东荆河由长湖引水济河。

2)生物控制方法 在围隔中投入大麦杆等植物体,通过其在水体中分解过程中产生的抑藻物质,去除水体中的藻类。同时大量大麦杆的投入还会影响藻类的生态空间,加大其 “拥挤度”降低光能的利用效率。从生物控制的角度出发,大麦杆除藻能更好的恢复和保持环境原有的面貌,将人为破坏影响降低到最小水平。

3)化学处理方法 自来水厂对高藻水的处理能力是城镇居民饮用水安全的重要保障,高藻水在处理过程中除会消耗大量的混凝剂和堵塞滤池减少出水外,其分泌物大多为消毒副产物的前致物,会产生对包括人类有毒副作用的藻毒素,并有明显的嗅味,这些嗅味物质是藻类代谢产物,一般是土味素和2-甲基异冰片等,严重影响水的感官性能。发生水华时,由于藻类还具有活性,因而一般先灭藻后除藻。常用的灭藻方法是投加大量的氯气,而一些中、小型水厂多用制药机消毒,发生水华时,无法大量提高制药量,很难开展灭藻工作。滤前预加氯对水中产生消毒副产物THMS有直接的促进作用,O3和CLO2等消毒剂对藻类均有比较理想的杀藻效果,在适当氧化剂投加量的情况下,消毒副产物少 (三卤甲烷和卤乙酸之和)。常见的除藻工艺如加CuSO4杀藻剂、加大絮凝剂投加量、加快滤池反冲洗频率、增加气浮池等,对除藻效果也比较明显,但对藻腥味的去除却不理想。对于比重较轻的蓝藻和绿藻,可采用混凝气浮除藻,对于硅藻常用絮凝沉淀的方法去除。在足够投加量的情况下,粉末活性炭对藻类的应急去除也有较好效果,其中木质活性炭对藻类的吸附去除率为60%～80%。对有一些条件较差的、取水点易发生水华的中、小型水厂采用砂滤作为应急措施也可以取得一定的除藻效果。

4 结 语

由于水体富营养化、水文、气象条件等因素的影响,未来几年内荆州河网水系水华暴发的概率很大。通过建立水华预警应急监测体系,能够在水华高发季节进行预警;在水华暴发后,迅速开展应急监测,消除公众的恐慌心理。从水华产生的内因和外因着手,通过开展流域污染防治和工程治理措施,能够尽可能的减少水华的发生概率,保障城镇居民的饮用水安全。

[1]国家环境保护总局,《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法[M].第4版.北京:中国环境科学出版社,2002.

[2]国家环保总局,《水和废水监测分析方法》编委会.水生生物监测手册[M].南京:东南大学出版社,1993.

[3]胡尊英,于海燕,周斌.MODIS波段比值算法在太湖蓝藻水华预警及应急监测中的应用[J].湿地科学,2009,7(2):169-174.

[4]贾瑞宝,周善东.城市供水藻类污染控制研究[M].济南:山东大学出版社,2006.