水体富营养化的监测及其防治研究进展

吴翠芬

摘要：水体富营养化是全球主要的水质问题。它既是由水污染产生的一种现象反过来又加剧了水污染。该现象出现很早，对经济，生态和人体健康均有不利影响，目前仍是当今世界面临的重大环境问题之一。而水富营养化的监测技术和防治技术也在不断发展，本文将简要叙述水体富营养化的成因和危害以及监测及防治技术的研究进展。

关键词：富营养   检测技术   防治   成因   水污染

富营养化主要指的是生物生长需要的营养物质，如氮与磷等，大量进入到水流较为缓慢或者是封闭的水体中，例如海湾与湖泊等，在受到一定外界环境因素的影响下，导致藻类与其他浮游生物在极短的时间内发生繁殖，进而会大幅度地减少水体的溶解氧量，会导致水质发生恶化，导致鱼类与其他的水生生物发生大批量死亡的一种情况。水体富营养化是国际范围内一个非常重大的水环境问题。通过相关调查研究发现，营养盐会对藻类的生长、种群结构与生物量产生较大的影响。其中氮与磷会在很大程度上影响到藻类的生长，也是导致水体富营养化的重要限制因子。水体富营养化会在很大程度上破坏水体的生态系统，会减少水生植物的覆盖率，降低水体的饮用以及景观价值，会减少水体的溶氧含量，会导致物种更加多样化等。因此，必须要加强研究与调查，采取有效的措施有效地防治水体的富营养化。

一、成因及危害

（一）成因

氮磷等营养物质大量进入缓流水体，藻类及其他浮游生物迅速繁殖且水质恶化，其他生物大量死亡，这种现象即水体富营养化，被广泛认为是最重要的水质问题。富营养化现象早在19世纪20年代的瑞士就已被发现，当时莫尔登湖湖水由绿变红的颜色变化引起了植物学家的注意，经研究发现是由一种红色颤藻大量繁殖所引起，而这可能与畜牧业中大量施用肥料有关[1]。

富营养化分为两种。若水体中的营养物质是由天然富集而成，则称为天然富营养化，其营养物质浓度的变化即富营养化的进程十分缓慢。而由于现代生活的快速发展，大量的营养物质经人为的废水排放或土地流失和淋滤进入水体，远超过水体自净能力，使水质在极短时间内恶化，称为人为富营养化[2-3]。富营养化的成因十分复杂，形成机理通常有以下两种解释。

a）生命周期理论。这是大家广泛接受的理论，由美国卡曼（A.K.Karman）于1966年提出，后来赫塞（Hersey）与布兰查德（B1anchard）于1976年发展了这一理论。这一理论认为在水系统中的营养元素含量有限，当氮磷含量高的生活污水和化肥等工业废水排入天然水体后，红藻和蓝藻大量繁殖，其他藻类和浮游生物逐渐死亡;需氧微生物的分解活动使水中溶解氧量下降，而厌氧微生物的分解活动会产生有害气体（如H2S），因此而死亡的生物残体在腐烂的过程中又释放大量的氮磷等营养物质供新的一代藻类等生物利用，直至水体成为一潭死水。

b）食物链理论。该理论由荷兰科学家马丁·肖顿于1997年提出。它认为富营养化不仅仅只是因为营养物质负荷的增加。它指出自然水体中存在食物链，若某种原因使浮游生物数量减少或其捕食能力降低，使藻类的消耗量将小于生长量也会引起水体富营养化[4]。

（二）危害

发生富营养化的水体危害范围大、涉及面广，在经济、水质、生态等方面均会造成较大影响。

对经济方面造成影响。其中主要包括对渔业、养殖业以及供水、娱乐设施等造成严重的经济损失。渔业养殖业方面， 由于富营养化影响，北美洲五大湖之一伊利湖中许多重要商业鱼类的数量在几十年内显著下降，造成了严重的经济损失[5]。中国滇池在1993年发生严重富营养化，水面完全被藻类覆盖，昆明市第三水厂因此而停产43天，造成的经济损失高达4000余万元。同时因为水质变黑臭、浑浊，对旅游业、娱乐设施造成重大的经济损失[6]。

影响供水系统水质。富营养化会严重降低水的透明度，影响水质。同时在供水系统中藻类的溶解性有机物在加氯后可氧化转化为三氯甲烷等致癌物质，严重影响饮水的安全性，危害人体健康。藻类本身也会产生藻毒素，如铜绿微囊藻（出现频率最高的肝毒素种类）、甲藻（海洋赤潮中出现）等，可导致严重中毒甚至死亡。

破坏生态平衡。大规模生长的藻类会使水变浑浊，影响水中植物的光合作用，降低水中氧的溶解度;同时其他水生物残体的分解也大量消耗氧气使溶解氧浓度严重下降。当水体中的溶解氧浓度不足1mg/L时，鱼类浮游生物等便会窒息而死亡[7]。这些都严重的破坏了生态平衡。

二、监测

（一）传统检测方法

传统的监测方法是以典型断面的水质监测及水生生态调查为主，分为定性监测和定量监测。定性监测研究包括对低营养和富营养水域浮游生物和底栖生物性质的研究。某些生物已被建议作为富营养化的指标，其中最常用的是蓝绿藻、颤藻，但这些生物的存在能表明水体中存在富营养化条件，而不能提供预警作用来实施防止进一步恶化的措施。定量方法评价富营养化程度包括定期测定水的凯氏氮、氮氮、有机氮、總磷、溶解性磷酸盐、溶解氧含量、耗氧量、生物生产力、透明度和营养水平等。

（二）自动高频监测技术

尽管传统的监控程序实用性较强，但采样的离散特性也会造成一定误差或无法预测的事件。采样不足的问题在微生物驱动的大多数生物地球化学过程中尤其普遍，因为微生物的产生时间通常从几小时到几天，远远短于每月或半个月的采样方案。又因为富营养化管理一般以长期监测方案为基础，低频率采样不足以识别出潜在威胁，如短暂时间的水华蓝藻爆发和水质变化。

使用自动高频监测（AHFM），在频率上收集足够的数据，以捕捉一个或多个采样点的现象，使克服这些限制成为可能。虽然AHFM在湖泊中的科学和应用可以追溯到上世纪60年代，但最近的技术发展增加了使用AHFM监控的变量和水生系统的数量。传感器技术在过去的20年已经从探针关注变量相关的物理环境（如水温、电导率、环境光、浊度）为探针，发展到可用于监控化学环境（如溶解氧、pH值、光合色素），再到从原位荧光光谱测定法和流式细胞仪数据记录估计目标生物实体功能群。这些发展为管理提供了前所未有的监测目标。此外，传感器和数据基础设施技术在过去十年的改进提高了所生成信息的稳健性和可靠性。

（三）遥感技术

遥感技术作为一种重要的监测技术，可从长时间和全空间角度来监测水体富营养化的变化趋势。该技术主要通过SPOT影像、气象卫星等进行探测，大家已广泛认同由其发展的藻类色素遥感反演算法，其具有相当的可靠性。国内国外研究人员在该方面已有相关研究。吴传庆等人利用多个时相的TM影像对太湖的悬浮物、叶绿素等水质参数的浓度和分布进行了遥感反演，进而分析了太湖水华的成因、发展程度、影响因素等[8]。谢杰、林飞娜等也利用不同的遥感数据，采用不同的波段比值和方法模型，反演了水体中叶绿素浓度，与实际情况拟合效果较好[9-10]。除了用于水质监测数据的反演，遥感技术也可和景观格局分析相结合更好的分析富营养化的成因和其关键因素。

（四）一种新的便携式传感器检测水华毒素技术

藻类产生的毒素会危害人体健康，甚至引发中毒甚至死亡。而毒素检测通常是基于实验室方法，收集样品，包装，运输，测试等繁琐的步骤使人们需要一种快速便携的实时监测HAB毒素系统。Bickman等人于2018年开发了一种创新的简单易用的便携式生物传感器系统（MBio），用于同时且快速的检测淡水中的多种蓝细菌毒素[11]。

MBio系统是一种多功能的基于多路复用场的氰毒素检测工具，未来的分析物扩展包括蛤蚌毒素，腥藻毒素和海洋生物毒素等。该系统核心技术是基于便携式阅读器上分析的简单一次性墨盒。检测试剂为荧光标记的两种藻毒素抗体的冻干混合物，与样品再水合。检测时将样品混合物释放到流体通道下，读取器将自动执行化验。在样品中没有毒素的情况下，抗体与表面的共轭点结合，在芯片上产生亮点;当存在毒素时，抗体与共轭点的结合受到竞争性抑制，荧光信号降低。自定义软件执行所有的点和图像分析，并将图像数据转换成定量输出，以此检测水中的藻华毒素。该研究演示了一步法，它可与一个简单的便携式机械溶解法相结合，可现场快速检测或溶解毒素。

三、防治

（一）技术手段

外部营养物的输入控制。外部营养物质的输入是控制富营养化的首要措施。其具体措施有：1）严格按照营养物质的排放标准控制营养物输入。2）制订磷排放量的逐年削减和分配排放磷的总量控制办法。同时严格执行行政管理措施，严控日常生活洗涤剂、化肥农药等的使用。3）实施截污工程，污水分流。这基本可以从根本上消除人为的营养物外源性输入。4）控制水土流失和地表径流等面源污染，改善生态环境，合理使用土地，如建设绿化带，合理设置排流系统，集中收集处理家禽粪便等。

内部营养物的负荷控制。水体内部的氮磷浓度是富营养化的关键因素，因此要有效的控制内部的氮磷富集。控制措施要视不同情况，采用不同方法。1）工程性防治，如清除底泥沉积物、水底曝气、注水冲稀以及在底泥表面敷设塑料等[12]。2）化学防治，即化学除藻、沉淀剂除磷等。常用的除藻剂有硫酸铜（浓度一般须大于1.0mg/L，须谨慎使用）、二氧化氯（可分解水中还原性污染物质）[13]。3）生物防治，如水生植物处理、微生物修复、水生动物处理、人工湿地处理、人工生物浮床技术等。其中人工浮床（又称人工浮岛）是以人工建造的、浮于水面的生物浮床为载体，为动植物和微生物提供生活产所吸收水体中过多的氮、磷等营养元素，从而达到改善水体的目的。该技术因高效、环保、经济等优点逐渐成为水体治理研究的热点[14]。

数学建模预测。浮游动物和鱼类是水体富营养化的指标之一，运用数学建模方法可基于浮游动物和鱼类密度来进行模拟预测，从而在富营养化水体中建立适当的恢复策略。国外有研究人员开发了一种富营养化模型，由收集的水库数据建立模型进行模拟，能够很好地描述在稳定的非生物条件下生态系统中的行为。模型结果使我们能够预测鱼类捕食在不同食物条件下扰乱水蚤动态的程度。 国内有吴琼等人基于寻乌县九曲湾水库的数据建立了二维水量水質耦合模型，预测了在一场典型降雨后水库总氮、总磷的浓度分布，分析了大气湿沉降对水库富营养化的影响，总结出了该水库富营养化的主要成因，为水库的富营养化治理提供参考[15]。 这说明了数学模型在水生态系统管理中的潜在应用和有用性。

实现综合治理。为了可以更好地防治水体富营养化，那么就需要加强对河道与湖泊等的综合治理以及生态修复。对此，可以采取以下措施：1）定期对底泥进行疏浚，对清淤的深度进行科学的确定;2）积极地建设人工湿地，对流入河流与湖泊的水质进行净化;3）实现对沿湖湿地、沟渠与河道的绿化建设，要积极地建设生态缓冲区域。构建多元化的生态岸线，将水生植物、水生动物与乔木等多种动植物发展为一个整体，构建科学完善的水体生态循环系统。

（二）政策手段

加强预防宣传教育。水体富营养化可在短时间内就形成，但其恢复时间消耗长、技术难度大、代价昂贵。以滇池的治理为例，近两年昆明市正全力推进实施107个“十三五”滇池治理项目，规划投资159.24亿元，截至2018年2月底，有28个项目完成建设，3个项目调试，52个项目正在实施，20个项目开展前期工作，累计完成投资45.73亿元。可见其治理之艰难，损失之严重。因此要加强群众和企业的宣传教育，禁止乱排乱放，在富营养化发生之前就做好预防工作。

政策与措施长期协调。政府下发的政策和具体实施措施应协调起来，经济、行政、法律和教育等政策方法各有优劣，任何单一的方法和工程措施都不可能产生理想的效果（如我国滇池、东湖等水体的治理实例）。水体富营养化的治理是一个复杂的系统工程，是环境问题中形成容易治理难的难题，涉及到众多部门和利益主体以及实施步骤，因此需要充分调动各部分的积极性，建立起良好的协调机制，长期执行和措施协调一致的切实可行的综合对策。

优化产业结构。为了可以进一步地改善生态环境，那么就要优化产业结构，要改变经济发展模式，努力地实现工业企业的转型升级，全面地贯彻落实生态农业理念，进而最大限度地发展第三产业，尽可能地减少污染物的排放总量。对此，可以从以下三个方面入手：第一方面，进一步转变工业生产方式，积极地发展污染性更小、效益更高，并且对于物质资源消耗更少的新型工业企业，要积极地开展清洁生产，努力地构建绿色环保的工业园区;第二方面，进一步优化农业结构，积极地发展与创新生态农业，在种植方面要采用更加科学有效的技术与手段，提升种植效率与种植效果;第三方面是要积极、快速地发展第三产业。

建立科学的水价机制。在对水污染防治计划进行制定的时候，要对水价进行科学的分析，确保所制定的方案更加科学合理。要制定科学的水价机制，遵循以下基本原则：即在使用水资源时要花钱，如果对水资源使用的较多就要付出更多的金钱;在排污的时候要花钱，而大量排污就要花更多的钱。要对用水的定额进行科学的确定，从而全面地贯彻落实节水制度，从而使得工业、农业以及城镇等用水更加节约、更加合理，从而使得水资源能够得到有效的重复利用，能够有效地提高污水资源化率。

建立科学的污水治理收费标准。要全面地贯彻落实国家现有的污水治理收费政策，要充分地重视征收以及管理工作，并且采取有效的措施做好相关工作。要积极地实现污水治理的产业化，能够进一步地提高在水污染治理方面的融资能力，要使得更多的国内外资金都可以投入到水污染治理项目中，进而使得治理工作获得充足的资金支持，提高治理的整体效果。除此以外，在落实水污染防治项目时，要实现对成本效益以及运行机制等的统筹规划，要实现工程建设以及管理工作的有机融合，从而使得水污染防治项目得到全面、有效的贯彻与落实。

四、结语

在水资源日益匮乏的今天，水富营养化的问题不容小窥。我国作为工业农业迅速发展的国家，应做好监测和预防工作，减少富营养的发生;同时对于已发生富营养化的水体要做好治理工作，既要防好也要治好。政府和相关部门机构要大力支持水富营养化的研究，鼓励创新。

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（作者单位：河南省开封市尉氏县环境保护局）