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。

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。

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。

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。

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。

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。

长江流域湖泊富营养化发展趋势与展望

随着国家对生态环境问题的重视和保护治理力度的加大,中国河流与湖泊水质状态的变化及控源截污等治理措施的成效,已日益成为关注焦点。通过收集不同行业、部门与科研单位对长江干流水质和流域内若干典型湖泊水质及富营养化的监测资料,分析发现在最近十余年时间内,长江流域乃至全国河流水质已显著改善,但湖泊水质的提升不明显,富营养化和蓝藻水华无明显改善,部分湖泊甚至还有所加重。造成这种状况的主要原因包括水体自身特性与外部驱动两个方面:①湖泊水流交换速度较河流慢,使污染物和营养盐更容易在湖泊中滞留,底部长期蓄积的氮磷等营养盐极易因风浪等扰动而再次释放产生内源污染,极大延缓或抵消了湖泊水质的恢复;②在全球气候变化的背景下,蓝藻水华暴发时间提前、持续时间延长、暴发频率增加,进一步加剧了富营养化湖泊蓝藻水华的产生强度。长江中下游地区浅水湖泊富营养化控制和蓝藻水华治理将是一个漫长而艰巨的任务。

洞庭湖出入湖氮磷通量特征及滞留效应研究

采用2013—2017年洞庭湖主要出入湖断面水质、水量监测数据,估算洞庭湖经由“四水”(湘江、资水、沅江、澧水)和长江“三口”(松滋口、太平口、藕池口)入湖及城陵矶出湖氮、磷通量,分析其时空变化特征及滞留效应。结果表明:时间上,2013—2016年“四水”“三口”年均入湖氮、磷通量总体呈增加趋势,但2017年受入湖水质改善、水量减小的同步影响,相比2016年入湖氮、磷通量分别减小了19.93%、23.14%,受水情影响,入湖氮、磷通量在年内分配不均,70%以上集中在4—9月;空间上,入湖氮、磷通量主要来源于“四水”水系,分别占78.48%和71.77%,其中湘江和沅江的贡献较大。“四水”受点、面源污染的综合作用,而“三口”的面源污染是其主要污染来源。此外,洞庭湖氮、磷滞留率很低,藻类浓度不高,但湖区氮、磷浓度(1.73、0.075 mg/L)仍远高于湖泊藻类暴发的临界值(0.20、0.02 mg/L)。为降低湖泊水华的发生风险,关键是保持湖泊的连通性,警惕长江“三口”区域总磷风险,并兼顾湖滨区污染物控制。

山仔水库环境因子与藻类群落生长的相互作用机制探究及应对建议

【目的】深入研究藻类群落与环境因子的演替关系及相关性,揭示山仔水库水华爆发机制。【方法】采用RDA和相关性分析的方法,对山仔水库2020—2021年的水温、pH值、DO、透明度和优势藻类等指标进行对应分析,探究该水库藻类群落季节性演替及垂向分布特点。同时,采用机器学习的方法建立相关环境因子与叶绿素a之间的关系。【结果】①山仔水库全年TN和TP营养盐平均质量浓度分别为(0.675±0.137)mg/L和(0.021±0.006)mg/L,长期处于Ⅲ类水体。②水库优势藻类以硅藻和蓝藻为主,硅藻爆发期为5—7月,主要在中温、弱光环境下;蓝藻爆发期在7—9月,造成水体pH值、DO和透明度下降;蓝藻与水温、pH值、浊度、TP显著正相关,R^(2)分别为0.71、0.77、0.65、0.74。③硅藻则与水温、pH值、浊度、TP等指标负相关,R^(2)介于-0.43~-0.37;GBDT机器学习算法拟合效果最优,R^(2)可达0.85。【结论】山仔水库不同种类藻类的爆发时期及爆发机制存在差异,根据其相关环境因子建立的机器学习模型适用性较好。

全球水体微囊藻毒素分布特征及其潜在环境风险分析

由于气候变暖和氮磷等外源营养物输入居高不下,全球许多水体中蓝藻水华(CyanoHABs)事件频繁发生,甚至在一些水质已经恢复的区域出现了反弹。部分水华蓝藻(如铜绿微囊藻Microcystis aeruginosa、念珠藻Nostoc等)会产生微囊藻毒素(Microcystins,MCs),危害人体和水生态健康。利用Web of Science数据库调研了全球不同地区324个湖库(共1 291条数据)和15条河流(共96条数据)中MCs质量浓度;同时调查水温、pH、氨氮、硝酸盐氮、氮磷比等信息。结果表明,49.8%调查水体中胞外MCs质量浓度低于世界卫生组织标准(1μg·L^(-1))。相关性分析表明,水体中ΣMCs质量浓度与硝酸盐氮、氨氮、氮磷比等水环境因子指标存在显著相关性。基于美国环保署水生物毒性数据库,利用风险商法评估了MC-LR水生态风险,研究表明,17.5%调查水体具有较低风险(0.110)。在MCs毒害作用机制方面,应加强MCs对生物体已有疾病(如炎症、糖原动态平衡障碍)的作用机理研究以及MCs对线粒体的影响研究,并进一步研究MCs对PP1/2A酶的亚基蛋白影响机理。

太湖流域典型水源水库藻类水华的促发条件

藻类异常增殖引发的水华是威胁我国水源地水库的主要生态问题之一。探究水源水库中藻类异常增殖的促发因素是防控藻类水华水质问题的前提。本文以太湖流域两个大(Ⅱ)型中营养水库为例,通过周年浮游植物细胞密度、生物量及相关环境因子逐月监测,分析影响水库有害藻类生物量季节性异常增殖特征及其促发条件。结果表明,地处亚热带季风区的两个水源水库均存在蓝藻和硅藻阶段性异常增殖的风险,老石坎水库5月暴发了以曲壳藻为绝对优势种的重度硅藻水华现象,硅藻细胞密度达到6232×10^(4)cells/L,赋石水库则在6和9月均出现了蓝藻细胞数达到水华级别的异常增殖现象。冗余分析表明,总磷、水温和水位是影响水库硅藻、蓝藻异常增殖的关键因素。非线性回归等统计分析表明,两个水库中水体总磷浓度显著影响藻类异常增殖强度的临界值为0.024 mg/L,而水温高于16℃时,硅藻水华事件可能发生,硅藻水华发生的最佳温度为22℃水温高于20℃时,蓝藻水华事件可能发生,蓝藻水华发生的最佳温度为30℃持续低水位或水位快速波动过程中藻类水华暴发的风险较高。研究表明,太湖流域中营养水源水库藻类异常增殖或藻类水华的发生往往是营养盐与水文气象因素共同促发的结果,在水源水库藻类水华风险防控方面,除了加强营养盐外源输入控制力度外,还应密切关注极端天气现象,充分发挥水文调度、食物链调控及应急处置等技术手段。

流体切应力对铜绿微囊藻细胞活性的影响

为讨论流体切应力对铜绿微囊藻细胞活性的影响,本文研究了铜绿微囊藻在0.0,0.3,0.6,0.9Pa切应力作用下的生长情况,并分析了藻细胞生理指标以及藻液指标的变化情况.结果显示,低于0.6Pa的切应力能使藻细胞密度和光合色素含量不断增加,从而促进铜绿微囊藻的生长繁殖.其中0.6Pa对藻细胞生长最有利,此条件既能提高藻细胞光合作用强度和营养盐利用率,又未过度破坏细胞结构.但0.9Pa高切应力将通过对藻细胞结构的破坏来影响膜渗透性,进而抑制铜绿微囊藻生长与代谢.研究表明,流体切应力对铜绿微囊藻细胞的影响体现为“低促高抑”,即适度切应力能够增强铜绿微囊藻细胞的活性,而高切应力会抑制其生长.本文结果将为湖泊水库等水体铜绿微囊藻水华的预防和治理提供了新的思路和方案.

武汉南湖水华生消关键因子识别及临界值

识别水华生消关键影响因子及其临界值对湖泊水华防控具有重要意义。以武汉市南湖为研究区,基于水文、水质和气象监测数据,采用皮尔逊相关分析、灰色关联分析、主成分分析方法,筛选并确定与叶绿素a浓度相关性较大的关键环境因子,利用受试者工作特征(ROC)曲线法分析关键环境影响因子的临界值。结果表明,COD_(Mn)、总磷、总氮、水温、气温与叶绿素a浓度具有较强的相关关系,是水华暴发的关键因子,其临界值分别为6.25 mg/L、0.146 mg/L、0.725 mg/L、27.05℃、22.35℃。研究发现,ROC曲线法对COD_(Mn)、总磷、总氮等日变幅较小环境因子临界值的求解精度优于气温、水温等日变幅较大环境因子,在湖泊水华暴发的营养盐浓度临界值确定方面具有较大优势。