我国城市水源水库水质风险成因及对策

我国城市水源中约40%为湖泊或水库,且大部分为水库,因此水源水库的水质状况对我国城市安全极其关键。本文综述了我国水源水库水质问题研究进展,分析了22个代表性水源水库的周年水质状况。结果发现,当前我国城市水源水库水质风险类型主要是异味问题、藻类水华、铁锰超标、有机质偏高、营养盐超标等。引发水源水库水质问题的主要原因包括流域开发强度过大、库底淤积及内源释放、生态系统结构失衡、气候与水文异常变化等。针对上述主要问题,提出了构建在线水质监测预警体系、控制流域土地开发强度、构建面源拦截及流域净化系统、疏浚底泥、优化生态系统结构、实施应急曝气与控藻工程、完善流域生态保护法律法规等多种水源水库水质安全保障技术措施。鉴于水源水库水质及水生态对暴雨、高温热浪等极端气象响应敏感而复杂,在当前极端天气事件频发、强度不断增加的气候背景下,还应加强水库生态学基础研究,以深入理解水源水库水质对气候变化的响应机制,提高水库水安全保障科技支撑能力,满足我国城市高质量发展的水资源需求。

南水北调东线沿线湖泊生态环境面临的挑战与保护对策

南水北调东线工程横跨长江、淮河、黄河和海河四大流域,通过京杭大运河和输水渠道自南向北连通了高邮湖、洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖和北大港水库等湖泊和水库,向黄淮海平原东部、胶东地区以及津冀地区提供生产生活生态用水。沿线调蓄湖泊是南水北调东线工程的关键节点和调蓄池,是改善输水水质的净化器和重要“绿肾”,对保障输供水安全至关重要。近年来,在生态文明建设和打好碧水保卫战的大背景下,南水北调东线沿线调蓄湖泊治理保护取得明显成效,水环境质量总体上呈改善趋势,但在快速气候变化和高强度人类活动的双重影响下,沿线湖泊流域水污染防控、水环境治理和水生态保护修复仍面临严峻挑战。本文从水量调蓄与水质净化、饮用水安全保障、农业灌溉与粮食安全、生物多样性保护、航运与大运河水文化等方面系统阐述了南水北调东线沿线湖泊的主要生态服务功能,深入剖析了水质超标风险、湖泊富营养化、藻类水华暴发以及草型生态系统退化等生态环境问题,提出了水环境质量持续改善以及水生态系统完整性、稳定性和持续性稳步提升的保护策略,助力南水北调东线水安全保障国家战略。

三峡水库小江回水区水华暴发期浮游植物群落结构及其与环境因子的关系

三峡水库蓄水以来,支流水华频发,尤以小江情况最为严重,给三峡库区的生态安全带来较大隐患。为探究支流水华暴发特征和主控因素,于20142021年小江水华暴发期间在小江高阳江段进行浮游植物及环境因子调查,并使用单因素方差分析、聚类分析、百分比相似性分析以及基于距离的线性模型等方法,对小江水华暴发期间浮游植物和环境因子在不同年份不同水层间的差异以及二者的关系进行研究。结果表明:小江水华暴发期内,浮游植物的种类数在43~70种之间,其中2015年蓝藻种类数明显减少,2018年以后硅藻种类数明显减少;采样期间浮游植物平均细胞密度在0.66×10^(6)~61.28×10^(6)cells/L之间,同期表层细胞密度明显高于中层和底层;各层水体间水华微囊藻、铜绿微囊藻、不定微囊藻等10种藻的密度存在明显差异,是主要差异种;显著影响表层、中层和底层浮游植物群落结构变动的环境因子是水位的日平均变幅;水位的日平均变幅与藻类优势种拟合关系显示,当日水位下降幅度在0.5 m以上时,浮游植物平均密度会呈指数级减少。研究结果可为三峡库区支流水华的防控提供数据支持。

局部降温对输水渠道水华抑制的影响分析

南水北调中线工程自通水以来,发挥着巨大的社会和经济效益,已成为京津地区的主力水源。中线工程输水的水质理化指标相对稳定,但局部渠段存在藻类异常增殖现象,有水华爆发的风险。针对出现的藻类异常增殖问题,在通冷风这一改变局部气象条件的工程措施基础上,建立了澎河—沙河渡槽段平面二维水动力和水质模型,研究了通风位置、通风温度和通风时长等因素对输水渠道水温和藻类的影响。研究表明:水温和叶绿素a浓度均与通风位置、通风温度和通风时长有关,通风温度越低、通风时长越长,平均水温和叶绿素a浓度下降幅度越大,平均水温最高可下降约2℃,叶绿素a浓度最大可降低约54.5%,且仅上游和全渠段通风均可有效降低水温和抑制藻类生长,仅下游通风对水温和藻类的影响较小。因此,采取局部降温的方式可以起到一定的降低叶绿素a浓度的作用,综合考虑藻类抑制效果和工程成本,在水华易爆发渠段的上游通冷风是行之有效的工程措施。

典型水污染事故应急处置实用技术探究

当前水污染事故频发多发态势仍未改变,且突发水污染事故处置有预案、缺技术、少装备的问题依然突出。为满足我国水污染事故应急处置需求,综合考虑应急处置技术的去除、稳定性、设备化、机动化、可操作性和适应性等关键因素,重点探讨了水体藻华、重金属和有机物以及水面油类等污染的实用处置技术,优选出移动式藻华高效打捞脱水一体化处置船、化学絮凝耦合超磁分离技术、集约式一体化快速生化污水处理技术、异相催化氧化等高效处置技术,研究成果可为今后突发水污染事故应急处置提供有效支撑。

2019-2021年中国近海有毒有害微藻和藻毒素分布数据集

中国近海包括渤海、黄海、东海和南海,海洋资源丰富,对国家经济发展有着重要战略意义。近年来,藻类及藻类产生的藻毒素造成的水体安全问题日益严重,中国近海有害藻华的发生频率和规模不断增加。本数据集汇总整理了2019-2021年中国近海有毒有害微藻和藻毒素调查数据,包括3429条微藻数据、33240条微藻分子物种数据、489条浮游植物中藻毒素数据、76条海水中藻毒素数据和440条经济物种体内藻毒素数据。提供数据的各研究团队通过项目内部和国际互校确保检测数据的准确性。为展示中国近海有毒有害微藻和藻毒素的分布情况,提供了115幅微藻分布图和29幅藻毒素分布图。本数据集可以为中国近海有毒有害微藻和藻毒素的时空分布规律研究、有害藻华的预防预警及防治等提供数据支撑。

南水北调中线工程水源地水质安全问题与对策思考

南水北调中线工程是我国水资源优化配置的战略性基础工程,水源地水质安全保障工作至关重要。当前中线工程水源地水质状况总体良好,但水源地依然存在常规水质超标、富营养化、藻类异常增殖及尾矿库渗漏或溃坝等风险,需高度关注。系统梳理了水源地水质现状,总结了水质安全面临的主要风险,并从人为因素、工程因素、自然因素和管理因素等方面分析了影响因素,从产业发展、污染防治、监测监控、风险防范、科学研究、水质管理等方面总结了水源地水质安全保障管理现状及存在问题。基于现状和问题分析,提出构建水质综合管理体系框架,包含工业-农业-服务业生态产业与环境耦合协调的发展体系、源头减排-过程控制-末端治理的全过程水污染防治体系、全要素-全天候-全覆盖的现代化监测监控体系、识别评估-监测告警-预测预警-应急响应的全链条风险防控体系、理论研究-技术研发-平台建设-人才发展的全方位科学技术支撑体系、立法引领-机构健全-机制完善-规范建设-能力突出的全面化管理体系,为确保“一泓清水永续北上”提供强有力的管理策略与科学参考。

汛期水库调度对小江水华的影响

为研究三峡水库汛期调度对支流水华的抑制效果,于2022年6月24日—7月3日,跟踪监测三峡水库调度前期、调度期、调度后期代表性支流小江的藻类群落结构与水体理化因子,采用Kruskal-Wallis秩检验分析调度前后的水环境变化,采用Pearson相关分析和逐步回归分析探究藻类与环境因子的关系,采用RDA分析探究不同环境因子对藻类群落结构变化的贡献度,构建结构方程模型解析水库调度对水华的影响。结果显示,调度前期小江常年回水区发生蓝藻水华,以叶绿素a浓度表征的藻类生物量最高达到58.33μg/L;通过调度水位抬升后,藻类生物量降至6.41μg/L。回水区水温、pH值、总氮(TN)浓度降低,总磷(TP)浓度、硝酸盐(NO_(3)^(-)N)浓度升高(p<0.01);逐步回归分析结果表明藻类生物量受水位变化过程中的TN、NO_(3)^(-)-N、磷酸盐(PO_(4)^(3-)-P)、水温、电导率(Cond)和化学需氧量(COD)的影响,共解释了79%的生物量变化。结构方程模型表明,水位抬升能降低COD浓度,显著降低支流水体的叶绿素a含量。研究结果表明通过适当的水库调度能够有效抑制三峡支流水华,这可为水库生态环境管理和保护提供依据和新的解决方案。

基于Sentinel-2数据的山仔水库水华遥感监测

山仔水库位于福建省福州市连江县,利用Sentinel-2高分辨率多光谱遥感影像,结合多种水体提取算法和藻类水华识别方法,对山仔水库2019—2023年间的水华进行了时空分析。研究结果表明:1)在水体提取方面,NDWI在研究区域内表现最佳,能够有效识别水体边界。2)在水华反演方面,通过NDVI和FAI的阈值法以及随机森林(RF)、支持向量机(SVM)、梯度提升树(GBT)等监督分类方法的对比分析,结果显示RF方法在分类准确性上表现最佳,提取精度达到了95.75%。3)山仔水库的水华爆发具有显著的季节性和年际波动特征,春季(3—4月)为主要爆发时段,秋季(9—10月)次之,而夏季和冬季的水华强度较低且分布较为分散。随着气温下降与降水量增加,水华的面积在2021—2023年间持续回落。4)在空间分布方面,水华高发区集中在水库北部狭窄水道和东南、西南部弯曲支流区域,而中部开阔水域因水体流动性强,水华频率相对较低。本研究为山仔水库的藻类水华监测提供了有效的遥感技术支持,可为水生态环境管理和水华预警提供科学依据。

大洋硅藻席沉积与冰期旋回中的碳-氮循环

成席硅藻勃发与沉积埋藏过程链接了海洋有机碳生成-输出-埋藏以及大洋深部溶解无机碳的生成与储存的全过程,该过程及其对大洋碳-氮循环的潜在重大影响正引起学术界的关注。通过搜集整理一系列文献及数据,对成席硅藻在细胞层面的特殊功能、勃发机制以及硅藻席沉积物的时空分布特征进行了总结,尝试讨论硅藻席沉积对轨道时间尺度上全球碳-氮循环的潜在影响。由于成席硅藻具有一系列特点,包括在弱光条件下生存、利用大液泡来存储营养盐和调控浮力、与固氮蓝细菌共生、尿素循环等,导致成席硅藻在寡营养的层化水体中或者大洋锋面处容易获得生存竞争优势并发生勃发。根据沉积记录,在第四纪冰期,热带-亚热带大西洋以及热带西太平洋-东印度洋出现大规模的Ethmodiscus rex硅藻席勃发并向海洋内部输出大量有机碳。有机碳中的绝大部分都在水柱中发生降解,只有少部分保存到海底沉积物中。推测硅藻席勃发贡献了冰期深海内部“呼吸碳库”的增长以及大气二氧化碳浓度的降低。由于E.rex勃发加快了海洋上层营养盐的周转速率,因此也可能促进了冰期海洋氮储库的扩张。此外,氧同位素14/12期和4/2期间同时出现大洋无机碳碳同位素重值事件和热带-亚热带硅藻席勃发事件,二者之间可能存在机制上的关联。因此,成席硅藻是耦合大洋碳-氮循环的重要组成部分,进一步厘清地质历史时期硅藻席勃发规模及其在海洋元素循环中的作用,有助于解开冰期旋回尺度上的全球碳-氮循环之谜。

基于620 nm藻蓝蛋白特征吸收峰提取蓝藻水华光谱指数的方法研究

湖库蓝藻水华为全球性水生态环境问题之一,藻蓝蛋白是蓝藻水华的特征标志物,在620 nm处具有明显吸收的特性,为此利用620 nm波段开展湖库蓝藻水华提取方法研究具有重大意义。本研究基于Sentinel-3数据,利用余弦定理计算光谱曲线上第7波段(中心波长为620 nm)与相邻波段反射率的夹角,构建出新型蓝藻水华光谱指数-PCAI(Phycocyanin Angle Index),并应用于太湖和大通湖蓝藻水华的提取,同时与NDVI、PCI、MCI等指数法的蓝藻水华提取结果、藻密度实测浓度、藻蓝蛋白反演浓度进行比对,研究PCAI指数法提取蓝藻水华的可行性和适用性。结果表明:①本研究构建的光谱指数PCAI,能够准确表征藻蓝蛋白的生物量和水华程度,以角度的形式表示水华程度,较其他指数更加形象、直观。②从太湖和大通湖水华分布、强度和面积来看,PCAI指数法与PCI指数法的蓝藻水华提取结果基本相当,与NDVI指数法仅部分甚至极少部分结果相当或接近,与MCI指数法较为接近,但其非水华区域MCI值相对较高。③采用PCAI指数法提取蓝藻水华,克服了NDVI指数法对较重水华过饱和、对轻度或轻微水华识别极不灵敏的问题,避免了MCI指数法易受富营养化水体中叶绿素a影响的问题,较PCI指数法更易于判定蓝藻水华程度。④PCAI与藻密度、蓝藻密度的相关性最强,因其不受叶绿素a影响在水华定性方面较NDVI、PCI和MCI指数法更具优势。研究显示,PCAI构建原理简单,方法独特,提取蓝藻水华的结果较为可信,可推广使用。

鄱阳湖流域典型水源水库水华暴发成因及氮污染溯源

富营养化导致的藻类水华是水源地水库面临的主要生态问题之一。探究水源水库中水华暴发成因并开展污染物溯源研究,是预防水华暴发的重要前提。本文选择鄱阳湖流域赣江水系吉安市某典型水源水库为研究对象,通过分析无水华期和水华暴发期水环境特征及其演变规律,探讨了水华暴发的成因及其促发条件,并针对识别出的主要污染因子,开展了同位素溯源研究。结果表明:(1)水库水华暴发的主要原因为水体总氮浓度显著升高(由0.77 mg/L升高至1.57 mg/L),超出了国际公认的水华暴发总氮阈值(0.5~1.2 mg/L),加之夏季高温(32℃)、水库库容量较低,促进了水华暴发;(2)无水华期,水库表层水总氮主要赋存形态为硝酸盐氮(占比>90%),水华暴发期,表层水总氮主要赋存形态由硝酸盐氮转变为有机氮(占比~86%),氮赋存形态转化的主要原因为藻类同化吸收作用;(3)硝酸盐氮、氧同位素示踪结果表明,水库硝酸盐氮主要来源于上游稻田流失的氮肥(负荷贡献率64.45%),其次为上游山区土壤氮流失(14.08%)、大气沉降(12.35%)和农村生活污水(9.12%),因此水库总氮优先控制污染源为上游稻田流失的氮肥。

基于GOCI数据的太湖蓝藻垂向迁移特征及关键影响因素

蓝藻水华频繁暴发是太湖面临的主要环境问题之一,蓝藻聚集上浮是表层水华形成的前提。为探究蓝藻垂向迁移与水华日变化之间的关系,阐明蓝藻垂向迁移的关键影响因素,基于20152020年地球静止海洋彩色成像仪(GOCI)数据,分析了太湖不同湖区蓝藻水华日变化过程,发现太湖蓝藻水华垂向迁移的日变化主要呈现上升、下降、先上升后下降三种类型,且不同湖区存在差异。统计分析和偏最小二乘法结构方程模型(PLS-SEM)结果表明,水环境因子对蓝藻垂向迁移过程影响较小,累积光辐射是驱动蓝藻垂向迁移的主要气象因子。气温升高有利于蓝藻持续维持上浮能力,前一天风速较大且当天风速较小会加速蓝藻上浮。相较于沿岸湖区,湖心区受累积光辐射、风速的影响更大,蓝藻水华日变化过程更剧烈。本研究水环境因子数据为逐月数据,为深入探究水环境因子对蓝藻垂向迁移的影响后续还需进行高频监测研究。本文结果有助于探明浅水湖泊蓝藻水华形成机制,为富营养化湖泊蓝藻水华预测预警及治理提供理论支撑。

仙女湖重金属污染事件后水体环境质量和藻类水华风险研究

近年来,越来越多的水体受到富营养化和重金属污染的双重胁迫,已成为水环境治理面临的重要问题。以江西省仙女湖为例,基于2016年突发重金属污染事件,开展了湖区及入湖河流富营养化、重金属污染特征及浮游藻类群落结构研究,分析了流域重金属的污染来源并评估了水体藻类水华的风险。结果表明:1)仙女湖流域总氮污染严重,平均质量浓度为1.88 mg·L^(–1),氨氮和总磷达到地表水Ⅱ类—Ⅲ类标准,水体整体处于轻度富营养化水平。2)2016年突发重金属污染事件的特征污染物Cd、TI和As在湖区表现为轻度污染,在河流区表现为中度或重度污染,事件后的丰水期和枯水期水体不受特征污染物的影响;但流域重金属Fe和Mn的浓度较高,与环境本底污染相关。3)仙女湖流域浮游藻类河流区以硅藻门和甲藻门为主,湖区以蓝藻门和隐藻门为主,且在丰水期(夏季)湖区蓝藻门占绝对优势,蓝藻细胞密度维持在10~7个·L^(–1)数量级,暴发蓝藻水华的风险较高。4)CCA分析结果表明,浮游藻类的数量受到重金属特征污染物的短期影响显著,但随着时间推移,重金属的影响减弱,氮磷营养盐仍是主要影响因素。5)加强仙女湖流域矿区的环境保护和治理,控制流域外源营养负荷输入,积极发展科学的生态养殖是防治流域水环境恶化,恢复生态系统平衡的有效措施。

2012—2023年哈素海富营养程度变化分析和水华防治探讨

本文通过对2012—2023年哈素海的水质特征指标(高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量、总氮、氨氮、总磷、叶绿素a)进行分析,结果表明:总磷、叶绿素a总体呈现增长趋势,哈素海的其余各项水质指标整体比较稳定,呈现波动状态。针对每年7—8月(丰水期)水华高发期间,对历年水华特征评价指标(高锰酸盐指数、总氮、氨氮、总磷、叶绿素a)进行富营养程度探讨。结果表明:哈素海各项水质指标整体比较稳定,水体富营养化指标为轻度富营养化,但是个别年份为中度富营养化。通过对主要影响因子的分析,为进一步提高哈素海污染防治水平以及水华防治的针对性提供数据支撑,从而实现良好的生态环境。

大连市典型湖库水华与温度、光照条件的关联性分析

分析了大连市典型湖库A水库水华与温度光照等自然条件的关联原因,为政府水华生态管控规划提供依据。以哨兵2号卫星数据为基础,通过ENVI软件得到归一化植被指数(NDVI)判定典型湖库水华面积比例,构建灰色关联模型与温度、光照条件进行关联分析。结果表明:大连市典型湖库A水库水华面积比例与光照条件均为较强关联,与温度条件均为中等关联,关联度比较为:日均紫外辐射强度(0.68)>小时紫外辐射强度(0.66)=日照时数(0.66)>平均温度(0.54)>日最高气温(0.53)>小时温度(0.45)。指出了未来大连市湖库水华防控应在持续多日强光照的秋季关注水华暴发。

MBR膜工艺在湖水净化中的应用研究

MBR膜技术是一种活性污泥法与膜分离相结合的水处理技术,具有优越的耐冲击负荷能力,产水水质清澈而稳定,对污染物的降解能力明显优于传统活性污泥法。本文以江苏某大学校园景观湖水治理为例,简要阐述MBR膜工艺处理污水的应用,即通过采用好氧生化+MBR工艺对湖水进行循环净化,设计进水量为5000m³/d,产水水质指标稳定达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅳ类水标准。夏季藻类爆发期间,通过调整MBR运行模式、增加水反洗,采用低剂量多频次的维护性清洗模式,辅以絮凝剂的投加改善絮体性状,并强化排泥,使膜系统跨膜压差增长速率得到控制,系统得以平稳运行。

琼江支流蟠龙河水质状况及高时间分辨率下典型月份水质趋势分析

水环境问题关乎人类和生态安全,近年来部分河流富营养化水华现象引发关注。选取四川琼江支流蟠龙河为研究区域,采用单因子评价法、改进的内梅罗污染指数法和主成分分析法分析“十四五”以来蟠龙河水质状况,并利用藻类数据与水质同步监测数据,在高时间分辨率下分析典型月份水质趋势。结果表明:蟠龙河2021年、2022年整体水质较好,氮磷对水质影响最大,2022年4月出现蓝藻水华,上游段元坝子水质受影响较重,Ad、chla、COD_(Cr)和TP呈极强的正相关性。同年12月中游段跑马滩水质受影响较重,更可能受到藻类衰亡等内源性污染释放影响。研究表明:当前限制蟠龙河水质进一步改善的因素已由点源污染、面源污染转变为河流富营养化藻类水华所致的水生态问题。氮磷输入增加、径流量不足、高温少雨等多因素综合作用是形成水华的主要原因。蟠龙河水质现状更可能受制于藻类生长周期影响,不同河段水环境差异明显,流域治理需更具针对性。

贵州省某水库水质提升工程治理思路研究

根据贵州省某水库富营养化特征,采用外源氮磷污染物控制(入库河流污染+面源污染)、库区内氮磷污染物削减、水华应急处置与藻类群落结构调控、水华预警体系平台建设等思路,建设某水库水质提升工程,以期达到改善水体水质减缓水体富营养化趋势目的。工程实施后,将充分发挥水土保持、防洪和环境保护等综合效益,改善水质和生态环境,促进地区经济发展。同时,需要加强后期运维管理,发挥工程持续的功能作用。

淀山湖水质变化趋势分析及其对蓝藻水华暴发影响因素浅析

本研究基于2001年至2023年淀山湖气象和水质等数据,对淀山湖水质变化趋势及其对蓝藻水华暴发的影响进行了分析。在过去20年中,淀山湖的风速呈现低风速变化趋势,而气温、日照时数、降雨量无显著趋势变化。水质方面,水温无显著趋势变化,总氮、氨氮、高锰酸盐指数、化学需氧量的浓度呈显著下降趋势,而总磷浓度则经历了先下降后升高的趋势;淀山湖叶绿素a浓度总体呈先下降再上升趋势,蓝藻密度呈现先平稳上升,后显著上升的趋势。淀山湖的水质呈现逐步改善的趋势,但氮磷浓度依然较高,是利于藻类生长的藻型生境。既使气温、光照和风力等外部条件适宜,淀山湖发生藻华的可能性仍然存在。