富营养化高原浅水湖泊持续多年生态修复工程效果分析——以滇池大泊口为例.pdf
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1、 (湖泊科学),():富营养化高原浅水湖泊持续多年生态修复工程效果分析 以滇池大泊口为例华映肖,潘继征,杜劲松,李 杨,杨 齐,徐 双,黄育红,(:中国科学院南京地理与湖泊研究所,湖泊与环境国家重点实验室,南京)(:中国科学院大学,北京)(:滇池湖泊生态系统云南省野外科学观测研究站,昆明)(:昆明市滇池高原湖泊研究院,昆明)(:苏州科技大学环境科学与工程学院,苏州)摘 要:大泊口位于滇池草海南部,水域面积 ,平均水深约 ,作为滇池草海重富营养化水域生态修复示范区,大泊口分别于 和 年开展了两期生态修复工程,经过近年来的系统治理,大泊口水生态治理效果初步显现。为分析探究成功修复湖区水质改善、生态
2、系统企稳向好的原因,本研究选择 年 月 年 月共 年的连续监测数据,根据工程开展情况以及水生态状况将大泊口水域划分为 个部分(水域),首先分析 个区域内主要的水质指标(悬浮物()、化学需氧量()、总磷()、总氮()和叶绿素()的变化趋势和相关性,其次探究不同类型生态工程的修复效果,最后与草海和外海水域进行对比,分析大泊口的治理效果。结果表明,治理后大泊口 水域的、和 稳定下降,分别降低、,分别降低、,分别降低、,具有较强的季节性波动,仅有东南部 水域表现出持续下降的趋势,平均下降 。通过相关性分析得出,、与 的相关性最强,和 可能是影响大泊口藻类生长的关键环境因子;大泊口开展的引水换水工程和微
3、滤净化(除藻)工程,降低了营养盐浓度、加速了水体交换,进而降低了藻类生物量以及发生藻源性污染的风险,再通过沉水植物修复工程进一步净化水质,为形成稳定的草型湖泊提供条件,并且认为沉水植物修复工程是上述工程中最为直接、经济和长效的手段措施;最后将大泊口典型水域的水质和草海、外海水质进行比较,可以认为在相同的地理及气候条件下,大泊口东南水域的生态修复取得了一定的成功。大泊口部分湖区可作为重度富营养化藻型湖区成功修复的案例,其生态修复经验对于持续推进大泊口、草海甚至整个滇池的生态环境修复具有重要的借鉴和参考价值。关键词:生态修复;水质改善;治理效果;滇池;大泊口 ,(:,)(:,)(:,)(:,)(:
4、,):,收稿;收修改稿。江苏省高校水处理技术与材料协同创新中心项目和滇池湖泊生态系统云南省野外科学研究观测站项目联合资助。通信作者;:;。(湖泊科学),(),(),(),(),()(),;,;,:;滇池是我国著名的高原浅水湖泊,其生态环境处于相当健康的状态。然而 开始,随着沿岸人类生活废水排放的增加,废水中氮、磷等营养元素逐渐超过了湖泊的自净容量,使滇池初步展现出富营养化的趋势。到了,富营养化程度达到顶点,沉水植物几乎消亡,蓝藻水华大面积暴发,生态系统健康状况不容乐观。年左右,滇池外源污染得到控制,水质有所改善,但仍然无法全年稳定维持在类水,湖泊生态系统亟需得到修复。从“七五”“八五”开始,政
5、府注意到了滇池所面临的生态环境问题,制定了相关的保护政策、开展了大量的治理工程措施,年水质稳定在类,但是由于缺少科学系统的认知,滇池生态用水量不足、流域面源污染负荷重、水生态受损等问题仍然突出。“十二五”国家重大水污染防治科技专项示范项目中,大泊口作为滇池草海典型的重度富营养化水域,被设为生态修复工程的示范区,在此开展了两期的生态修复工程。至 年,大泊口东部及南部水域水质出现明显改善,具有大面积稳定的沉水植物分布,形成稳定的草型湖区,湖泊生态环境得到了良好的恢复。因此,以大泊口水域作为研究对象,通过分析和对比各个湖区水质指标的变化,探究修复成功湖区的水质改善、生态系统企稳向好的原因,对于后续滇
6、池全湖生态修复乃至其他类型富营养化浅水湖泊的生态修复都具有重要意义。研究方法 研究区域概况大泊口水域(,)位于滇池草海南部,水域面积 ,约占草海面积的,平均水深约 ,全年主导风向为西南风,平均风速 ,其北部有透水堤岸与草海相通,南部与外海仅有海埂相隔,属于半封闭水域。根据昆明市滇池高原湖泊研究院的记载和调查,末以来,大泊口因作为养殖鱼塘,水体开始出现不同程度的富营养化,水质甚至达到劣 类,逢夏秋季节,以蓝藻门和绿藻门为主的浮游植物迅速增殖,水体呈现绿色,透明度较低,转化为重度富营养化的藻型水体。因此,将大泊口作为滇池治理的“缩影”,在大泊口开展生态修复具有现实意义和必要性。经过工程前期调查发现
7、,大泊口的主要污染来源有 个:草海补给水、内源底泥污染释放以及大泊口西侧生活污水和面源污染排放。草海是大泊口唯一的补给水源,大泊口水质受草海影响很大,重富营养化的华映肖等:富营养化高原浅水湖泊持续多年生态修复工程效果分析 以滇池大泊口为例草海给大泊口带来了大量的污染负荷,草海每给大泊口补水 万,将带来 负荷 ,总氮负荷,总磷负荷 。大泊口东部底泥淤积厚度约 ,西部厚度约 ,氨氮为释放的主要污染物。西侧的生活污水和地表面源污染虽然水量较小,但是污染负荷高,负荷约 ,负荷约 ,并且在雨季(月)会对大泊口水质产生较明显的冲击。大泊口生态修复的主要难点包括生境破坏严重、依靠沉水植物种子库自然恢复困难、
8、水体营养盐浓度过高、水华现象严重和受外草海水质影响大等,同时藻类易进难出,带来了大量污染负荷,主要污染物为总氮、总磷和。针对上述生态修复的难点,在大泊口开展了生态修复示范工程的一期和二期工程,具体工程内容详见表。在两期工程规划以外,根据水生态状况陆续设置了围隔(包括二期工程的围隔),即一期工程开展之后,在大泊口东南部分沉水植物大量生长的水域增设围隔(图 红色围隔)并逐步扩大(至图 蓝色和紫色围隔),二期工程增设围隔(图 绿色围隔),同时将紫色段围隔沉入水中。图 大泊口采样点分布及工程实施示意图 点位设置大泊口水质数据来源于昆明市滇池高原湖泊研究院。大泊口自 年实施专项治理工程开始至 年期间,水
9、质和水生态监测采样点虽发生 次变化,但点位分布均能够反映大泊口水域的总体水质状况。本研究通过大泊口夏季沉水植物分布情况判断是藻型或草型湖区,进而以沉水植物现状及演替情况为标准,并结合工程布局(图)划分了 个水域:分别为(藻型湖区)、(草藻过度湖区)、(草藻过度湖区)和(草型湖区)。由于 年的点位并未覆盖到 水域,且工程开展前期大泊口水质空间变化较小,因此以 水域中靠近 的南部点位代表 的水质情况。从 年 月 年 月,持续对大泊口水质进行监测,监测指标包括 值、透明度()、悬浮物()、生化需氧量()、化学需氧量()、总磷()、总氮()、氨氮()、叶绿素()、溶解氧()及水文指标等。由于监测计划变
10、动,在 年时间尺度上连续完整监测的指标为、和,其中,浓度采用重量法测定,浓度采用重铬酸盐法测定,浓度采用钼酸铵 (湖泊科学),()表 大泊口生态修复工程主要措施及时间节点 阶段工程措施目的及主要内容建设时间运行时间一期截污及污染源阻断工程为控制外源污染,截流西岸的散排生活污水及初期雨水至西岸截污管,溢流雨水排入大泊口;在北岸建设两条长度分别为 和 的蓝藻隔离带,隔离草海蓝藻和高浓度水体。年 月 年 月至今引水换水工程为提高透明度、提升营养盐循环及削减能力,使用龙门村藻水分离站出水,从西南部引入大泊口,设计引水流量为 万 ,运行时间为每年 月,每天运行 。年 月 年 月 年 月至今微 滤 净 化
11、(除 藻)工程为了清除蓝藻并提高透明度,改变营养盐循环途经,在东南角设 台固定抽滤机,处理量为 万 ,西部设 台移动式除藻船,处理量为 万 。年 月 年 月 年 月至今生态修复工程为促进水生植被重建,促进南部、东部和北部种质资源萌发,恢复约 的沉水植物;在南岸近岸带引种菹草 、金鱼藻 、黑藻,间种马来眼子菜、苦草、海菜花共 株;西岸引种漂浮和浮叶植物,约 ;建设人工浮岛;投放枝角类浮游动物,投放底栖动物土著螺类、瓣鳃类、萝卜螺等。年 月 年 月二期围隔工程为保护围隔内沉水植物恢复,建设非永久性的柔性防水围隔,长度累积约 。年 月 年 月 年 月至今微 滤 净 化(除 藻)工程为清除蓝藻,改善水
12、动力条件,设一台移动式微滤除藻设备,处理量为 万 ;西北死角区水域配置水平推流器。年 月 年 月 年 月至今沉水植物恢复工程为促进水生植被重建及大泊口的草藻转换,种植穗状狐尾藻 、金鱼藻 、黑藻,播种菹草 ,引种南部水域沉水植物至自然恢复区适合生长的水域,约 。年 月 年 月分光光度法测定,浓度采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定,浓度采用丙酮分光光度法测定。分析方法突变分析采用 等开发出一套自动监测时间序列中多个变化点的工具,该方法不需要对稳态转换的时间点进行原假设,待检测的时间尺度主要由截止长度 控制,该工具以 宏的形式面向使用者。使用 、和 对数据进行统计分析及制图。结果与分析 悬浮物
13、浓度变化及均值突变大泊口、和 水域的 浓度在研究期间有明显季节性波动,表现出春冬低、夏秋高的特征;水域没有明显的季节性变化,总体表现出波动下降的趋势(图)。大泊口一期工程的实施完毕后,其生态效益逐渐体现,水域的 浓度发生的第一次均值突变均在 年,均值突变前 浓度均没有表现出明显的空间差异(),突变后 浓度均值分别为、。由于 水域水位最深,无沉水植物分布,悬浮物不易沉降,水下光照环境恶劣;水域有引水工程的入水口,水力冲击华映肖等:富营养化高原浅水湖泊持续多年生态修复工程效果分析 以滇池大泊口为例会引起一定程度的扰动;水域有较多鱼类活动,因此 水域 浓度均值第一次突变后未能维持低浓度,其中 水域
14、浓度均值在 年 月升高至 ,年 月再一次升高至 ;和 水域的 浓度均值分别在 年 和 月升高至 和 。水域的 浓度均值第一次突变后总体维持在较低浓度。图 大泊口悬浮物浓度变化及均值突变 化学需氧量变化及均值突变大泊口 水域的 浓度在 和 年有明显的季节变化,而 年 月后较为平稳(图)。年以前,有大量高污染负荷的生活废水经沟渠从大泊口西岸排入水体。一期工程中最先实施的西岸截污工程,有效减少了高 浓度废水的排入,外源污染得到控制。随后 片水域在 年底发生第 次 浓度均值突变,分别从、和 降低至、和 ,且均在较低浓度保持了 年以上。长久高污染负荷的外源废水使得大泊口水域 不断累积,因此即使在第 次均
15、值突变发生后,水域的 浓度依旧不满足 类水标准。内源 的释放,使后续削减效果不明显,水域的 浓度均值在 年 月小幅恶化,升高至 ;和 水域的 浓度在 年发生第 次均值突变,浓度进一步降低至 和 ,虽然在 年小幅回弹,但 浓度(分别为 和 )并未高于第一次均值突变后的 浓度。水域由于其具备稳定沉水植物群落,有机物削减能力远超其余 个水域,其 浓度均值于 年 月再次突变降低至 。总氮浓度变化及均值突变大泊口 片水域的 浓度没有明显的变化趋势,年 月的 浓度均为最大值,且均在 年 月、年 月和 年秋季出现峰值,其他时间段内波动幅度较小(图)。片水域的 浓度在 年 月发生第一次均值突变,分别从、和 降
16、低至、和 。一期工程的实施使大泊口水域逐渐从氮汇转变成为氮源,且沉水植物是影响 浓度均值突变的重要因素。和 水域维持较低 浓度均值不足两年,在 年 月分别升高至 和 ,此后 水域 浓度继续升高,而 水域有好转趋势。和 水域维持了第一次均值突变后的 浓度。在沉水植物生长情况最好的 水域,水体中的 浓度削减程度最大,且在高 浓度的 年,表现出较高的调节能力。在 年实施的二期工程中,沉水植物加强了 和 水域的自净能力,不适宜沉水植物生长的 水域 仍然有较大幅度的波动升高。而在 年 月,水域的 浓度均出现恶化,可能与同期草海 浓度升高有关。(湖泊科学),()图 大泊口化学需氧量变化及均值突变 图 大泊
17、口总氮变化及均值突变 总磷浓度变化及均值突变大泊口 个水域的 浓度总体呈现波动下降的趋势,并且最大值都出现在 年 月(图)。外源污染的控制以及人工引种水生植物能够降低水域的 浓度,年下半年 片水域 浓度发生第一次均值突变,分别从、和 降低至、和 。二期工程开展之前,、和 水域的 浓度有上升的趋势,原因可能是重污染底泥中释放的磷以及水生植物残体释放的营养物质,二期工程的开展及时维持并强化了一期工程的成果,围隔工程和人工引种水生植物加强和巩固了大泊口水域的净化能力,浓度得以进一步降低。最终各水域的 浓度均值分别为、和 。叶绿素 浓度变化及均值突变大泊口 水域的 浓度变化趋势有明显的区别,其中 的
18、浓度波动幅度较大,在 年 月和 年 月出现两个明显的峰值;和 的 浓度总体呈现出波动下降的趋势;水域总体呈现下降趋势(图)。研究期间,水域 浓度均值仅发生一次突变,从 降低至 华映肖等:富营养化高原浅水湖泊持续多年生态修复工程效果分析 以滇池大泊口为例图 大泊口总磷变化及均值突变 ,浓度没有明显的改善;和 水域在 年连续发生 次均值降低突变,均从 分别降低至 和 ,但在 年 和 月出现均值升高突变,分别升高至 和 。水域的 浓度发生了 次均值降低突变,从 降低至 ,且 浓度波动幅度逐年减小。与环境指标不同,各水域的 浓度均值突变没有表现出同步性,原因可能是 浓度与浮游藻类生物量相关,而藻类生物
19、量本身就是各个因素共同作用的结果。滤藻工程的开展及水体营养盐浓度的下降对于浮游植物生物量的影响很大。因此,对于水环境条件改善程度最不明显的 水域,其 浓度没有显著的降低,而与之对比明显的 水域,在工程开始前初始浓度相似的情况下,由于较好的水环境本底条件,各个环境因子企稳向好,浓度也稳步降低。图 大泊口叶绿素 变化及均值突变 讨论 环境因子间的相关性对大泊口的各个环境因子进行相关性分析(表),、和 与 浓度呈显著正相关,且 (湖泊科学),()表 各水域环境指标间的相关性 水域指标 表示,表示。个区域之间、和 与 的相关性差异与水质状况有一定关系,水质越好相关性越强。水质较差的藻型湖区 水域,其各
20、个因子与 之间的相关性不强,表明藻类的增殖不受单一环境要素的影响,更多的是综合作用,故不能通过单一的控磷或控氮实现 浓度的大幅降低。水质稍好的 和 水域,各个环境因子与 的相关性较强,尤其是、与 的相关性,这与先前的研究结论一致,即在水质得到一定程度改善时,继续降低水体的和 浓度可以较好地控制湖泊中的藻类密度。有稳定沉水植物生长的 水域则表现出、和 之间显著的强正相关,此时藻类浓度随营养盐浓度变化而变化,如 异常升高会直接导致藻类生物量增加。但是由于在水质较好的湖泊中,藻类生物量的初始值较低,所以异常高营养盐负荷的来水不易导致草型生态系统的崩溃。在 个水域中,、与 的相关性系数均高于、与 的相
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