太湖湖區(qū)“黑水團”成因及危害分析

盛 東,徐兆安,高 怡

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇南京 210098;2.水利部太湖流域管理局水文水資源監(jiān)測局,江蘇無錫 214024)

太湖湖區(qū)“黑水團”成因及危害分析

盛 東1,徐兆安2,高 怡1

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇南京 210098;2.水利部太湖流域管理局水文水資源監(jiān)測局,江蘇無錫 214024)

跟蹤觀測太湖湖區(qū)“黑水團”形成過程,在室內(nèi)對藍藻死亡過程進行模擬試驗。結(jié)果表明:①“黑水團”形成過程中,溶解氧迅速降低,最低值可為零,氨氮、化學(xué)需氧量均高于常值,發(fā)生劇烈的藻體分解礦化過程;②2008年太湖竺山湖灣及附近出現(xiàn)的“黑水團”與2007年引發(fā)無錫自來水供水危機的貢湖水源地“黑水團”特征基本一致;③藍藻大規(guī)模聚集并堆積、死亡,在溫度較高、風(fēng)力較小、氣壓較低、復(fù)氧能力弱的條件下,藍藻死亡后分解釋放產(chǎn)生揮發(fā)性硫化物、二甲基三硫等硫醚類物質(zhì),硫化物與底泥中的重金屬化合而形成致黑物質(zhì),在吸附凝聚過程中受湖泊風(fēng)浪及水動力條件影響,懸浮而成“黑水團”。

水污染;黑水團;藍藻死亡過程;高有機質(zhì)底泥;太湖

近年來,太湖水環(huán)境污染越來越突出,湖泊污染和富營養(yǎng)化已成為制約社會和國民經(jīng)濟進一步持續(xù)發(fā)展的重要因素[1]。隨著湖泊污染和富營養(yǎng)化程度的加劇,“黑水團”現(xiàn)象頻發(fā)于太湖等湖泊水體,不僅帶來水功能障礙,影響水產(chǎn)養(yǎng)殖和景觀旅游,破壞水生生態(tài)乃至整個生態(tài)系統(tǒng),甚至已嚴重威脅到無錫等城市的水源供水,已成為繼藻類暴發(fā)現(xiàn)象后又一類湖泊災(zāi)害問題。

1 “黑水團”現(xiàn)象

根據(jù)2008年5月21日、22日的遙感影像分析,太湖宜興沿岸帶有大量藍藻堆積,同時太湖流域管理局水文水資源監(jiān)測局實地調(diào)查結(jié)果也表明,太湖宜興段藍藻分布明顯,呈油漆狀或稠密油漆狀;5月25日宜興林莊港附近水域藍藻大量堆積,表層藻體干化發(fā)白,開始大規(guī)模死亡;5月26日遙感影像顯示,太湖宜興沿岸藍藻帶突然消失。5月27日太湖宜興城東港至八房港段有一黑色污水帶,宜興段多處水域發(fā)生“黑水團”現(xiàn)象(圖1)。5月31日,該區(qū)域“黑水團”湖面已無藍藻水華,并有死魚漂浮水面。2008年6月上旬,太湖西部宜興近岸水域再次發(fā)現(xiàn)多個黑水團,水體呈醬褐色,黑水團中發(fā)現(xiàn)有湖鰍等死魚;7月10日在太湖竺山湖灣發(fā)現(xiàn)有大面積暗黑色水團。

圖1 2008年太湖湖區(qū)宜興段水域“黑水團”示意圖

太湖流域管理局水文水資源監(jiān)測局2008年6月4日對出現(xiàn)“黑水團”的太湖湖區(qū)宜興段林莊港水域進行水質(zhì)和藻類監(jiān)測,結(jié)果表明:出現(xiàn)“黑水團”的區(qū)域水質(zhì)較差,ρ(DO)低至0.25mg/L;ρ(NH3-N)達11.2mg/L,ρ(CODMn)為 46.6 mg/L,ρ(COD)為 443 mg/L,ρ(TP)為 0.3mg/L,ρ(TN)為 21.3mg/L,電導(dǎo)率為774μ S/cm;微量有毒害有機物監(jiān)測結(jié)果為,林莊港入湖口有1,1-二氯乙烯檢出,苯系物未檢出。中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心利用蒸餾萃取-氣相色譜分析法對“黑水團”水樣主要致嗅物質(zhì)進行檢測,檢出二甲基三硫(DMTS,屬硫醚類物質(zhì))、2-甲基異莰醇(MIB)、土嗅素(Geosmin)等物質(zhì),2-甲基異莰醇質(zhì)量濃度66ng/L,土嗅素質(zhì)量濃度30.2ng/L;二甲基三硫(DMTS)質(zhì)量濃度為376 ng/L。與未發(fā)生“黑水團”現(xiàn)象時該區(qū)域水質(zhì)對比,ρ(DO)明顯下降,ρ(NH3-N)、ρ(COD)等指標明顯上升(表1,表2)。太湖西部沿岸和竺山湖南部分別采用大浦、龍頭兩監(jiān)測站點水質(zhì)數(shù)據(jù),具體位置見圖1。

2007年5月28日至6月4日無錫貢湖水源地(南泉水廠取水口)曾出現(xiàn)“黑水團”,ρ(NH3-N)最大值達12.7mg/L(劣Ⅴ類),ρ(DO)下降到0mg/L,無錫市自來水惡臭,引發(fā)了無錫自來水供水危機[2]。中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心利用蒸餾萃取-氣相色譜分析法對主要致嗅物質(zhì)進行定量與系統(tǒng)分析,水中的腥臭味主要來自于硫醚類物質(zhì),在污水團和被污染的自來水中存在著高濃度的硫醚類物質(zhì),以二甲基三硫為主[2,4]。通過對2007年5月28日和2008年6月4日出現(xiàn)的“黑水團”現(xiàn)場觀察和采樣對比分析,兩次發(fā)生的“黑水團”均具有以下特征:感官特征為水體呈黑色或醬褐色,邊緣清晰,透明度較低,有明顯臭味;水化學(xué)特征表現(xiàn)為 ρ(DO)接近于0mg/L,氨氮質(zhì)量濃度異常升高,最大值可大于10mg/L,遠超過Ⅴ類水質(zhì)標準(2mg/L)[3]。生物特征表現(xiàn)為水華消散,藻類明顯減少,伴有魚類等水生動物死亡。二甲基三硫、2-甲基異莰醇、土嗅素3種致嗅物質(zhì)濃度較高,均超過其嗅味閾值。由此可見,2008年太湖西部沿岸、竺山湖南部和2007年貢湖等局部水域“黑水團”都具有低溶解氧、高氨氮、高化學(xué)需氧量、高硫化物,水華消散、藻類減少等特征,水色發(fā)黑,與周邊正常水體顏色明顯不同,且均含有二甲基三硫等致嗅物質(zhì)并散發(fā)出有刺激性的腥臭味。

2 “黑水團”發(fā)生區(qū)域的水環(huán)境特征

太湖湖岸形態(tài)大體分布為:南岸為典型的圓弧形岸線,東北岸曲折多灣,湖岬、湖蕩相間分布,湖泊水量補給系數(shù)很低,年平均入湖徑流量甚小,造成湖水換水周期長,同時太湖圍墾以及不合理的開發(fā)利用使水動力條件發(fā)生變化,如馬山圍墾,改變了梅梁湖和竺山湖的水動力條件,導(dǎo)致局部湖灣湖流破壞,影響湖灣水體交換[5]。太湖湖流以風(fēng)生流為主,水流緩慢,氮、磷濃度居高不下。

表1 “黑水團”水樣數(shù)據(jù)對比

表2 太湖宜興段龍頭、大浦夏秋季多年平均水質(zhì)指標

太湖地處亞熱帶北緣,具有明顯的亞熱帶季風(fēng)氣候特征,每年自5月中旬至10月中旬水溫多在20℃以上。由此可見,太湖具備大規(guī)模暴發(fā)藍藻水華的基本生境條件[6],藻類易于滋生和集聚于湖灣沿岸。太湖北部如竺山湖灣、梅梁湖和西部沿岸在季風(fēng)、溫度條件影響下,夏秋季藻類大量發(fā)生并積聚,濃度可處于極高水平,如2007年水華嚴重區(qū)域竺山湖灣口水體藻類質(zhì)量濃度高達234mg/L。

“黑水團”發(fā)生區(qū)域底泥污染嚴重。太湖流域20世紀70年代起就向河湖水體排放大量污染物(如重金屬、有毒有機物和營養(yǎng)物等),這些污染物部分被蓄積到河湖底泥中,在適當?shù)臏囟群惋L(fēng)浪條件下,會釋放出來影響湖泊和河流水質(zhì)。根據(jù)太湖流域管理局2003年太湖底泥調(diào)查結(jié)果,太湖污染底泥主要集中在梅梁灣、竺山湖和西部沿岸區(qū),竺山湖和西部沿岸區(qū)底泥平均淤積厚度近0.9m,表層多為流泥,且氨氮、有機質(zhì)含量較高,竺山湖底泥有機質(zhì)質(zhì)量占干質(zhì)量的1.35%～3.29%,西部沿岸區(qū)有機質(zhì)質(zhì)量占干質(zhì)量的0.66%～1.47%。研究表明,全湖70%以上的底泥污染物釋放量來自于該區(qū)域,對湖體的藻類水華暴發(fā)起著重要的促進作用。該區(qū)域表層底泥均受重金屬污染,重金屬離子濃度明顯高于其他湖區(qū),對水體生態(tài)系統(tǒng)具有較大的危害性,同時在泥-藻殘體混合的高有機污染物中,與釋放出來的次生代謝物硫化物化合較易形成致黑物質(zhì)。

3 “黑水團”室內(nèi)模擬試驗

為進一步驗證太湖湖區(qū)“黑水團”成因,分析污染底泥對藍藻死亡分解過程中致嗅物質(zhì)生成的影響,太湖流域管理局水文水資源監(jiān)測局開展了藍藻死亡模擬試驗。

3.1 材料與方法

試驗裝置:有蓋有機玻璃圓桶,底部鋪上5 cm的太湖污染底泥,加入湖水和藻類。除湖水對照組外,添加底泥、藻類的3種條件均設(shè)平行樣,共需7只有機玻璃圓桶。在使用前用蒸餾水清洗圓桶,然后用湖水沖洗。

3.1.1 試驗材料

a.太湖污染底泥:在近期發(fā)生過黑水團事件的太湖西部宜興林莊港湖區(qū),采集表層污染底泥,共需約0.03m3。

b.太湖湖水:在采底泥樣的地點,采集湖水,現(xiàn)場經(jīng)25#浮游生物網(wǎng)濾除藻類后,裝入25L塑料桶帶回,共需0.15m3湖水樣。

c.藍藻藻體:用浮游生物網(wǎng)撈取太湖藍藻藻體3kg(濕質(zhì)量)。

3.1.2 試驗方法

在試驗裝置中按照4種模擬條件,加入相應(yīng)的試驗材料。

a.湖水:在編號為A1的圓桶中,加入濾除藻類的湖水至25cm高度。

b.底泥加湖水:在編號為 B1、B2的圓桶中,加入底泥至5cm厚度,再緩慢加入濾除藻類的湖水至25cm高度。

c.藍藻加湖水:在編號為C1、C2的圓桶中,加入湖水至 25 cm高度,再加入藍藻藻體200 g(濕質(zhì)量)。

d.底泥加藍藻湖水:在編號為D1、D2的圓桶中,加入底泥至5cm厚度,緩慢加入湖水至25cm高度,再加入藍藻藻體200g(濕質(zhì)量)。

在試驗材料加入裝置2h后、藻類死亡水體出現(xiàn)黑臭時、出現(xiàn)黑臭后36h分別取樣監(jiān)測。

3.2 試驗結(jié)果

編號為A1、B1、B2的圓桶中 ,無黑臭發(fā)生 ;編號為C1、C2的圓桶中,藻類死亡后有臭味但水色不變黑(加入藻類量較多,呈墨綠色);編號為D1、D2的圓桶中,藻類死亡后有腥臭味且水色變黑。

對A 、B、C、D圓桶水樣水質(zhì)指標數(shù)據(jù)分析,C、D中溶解氧變化相對A、B變化劇烈(圖2(a)),說明藍藻大量死亡及在藻體分解、礦化過程中,消耗大量氧氣,使得水體呈厭氧狀態(tài);C、D水樣在試驗過程中,氨氮濃度值明顯高于A、B(圖2(b)),說明僅有底泥的存在不足以引起水體有機物質(zhì)濃度的急劇升高,但藍藻死亡分解過程中與底泥共同作用后,產(chǎn)生高有機質(zhì)污染,藻類殘體中有機氮分解為氨氮。同時,在C、D水樣中檢出硫化物及二甲基三硫等含硫有機物,說明藻類殘體中的硫元素被還原并進一步生成二甲基三硫等含硫有機物,使得水體發(fā)出臭味。D水樣中檢出的重金屬濃度明顯高于其他試驗水樣,說明底泥中重金屬能與藻體釋放代謝物金屬硫化物。模擬試驗可以說明主要致嗅物質(zhì)應(yīng)是由大量有機體的厭氧腐敗所代謝的二甲基三硫為主的硫醚化合物,致黑主要因素應(yīng)是高有機質(zhì)底泥參與造成的。

圖2 藍藻死亡模擬試驗濃度變化

4 “黑水團”主要成因分析

根據(jù)藍藻死亡分解釋放營養(yǎng)鹽過程概念模型[7-9],藍藻死亡引起藻團分解,生成體積小的顆粒物和膠體,水體中存在一個顆粒物“分解釋放—凝聚沉淀”的動態(tài)平衡。隨著時間延續(xù),該平衡由“分解釋放大于凝聚沉淀”的過程逐漸達到“分解釋放等于凝聚沉淀”的過程,之后又因細顆粒和膠體物質(zhì)的增多使得平衡向“凝聚沉淀大于分解釋放”的過程發(fā)展。室外跟蹤調(diào)查監(jiān)測及對“黑水團”現(xiàn)象形成過程的跟蹤觀測與室內(nèi)藍藻死亡模擬試驗表明,“黑水團”現(xiàn)象產(chǎn)生有多個因素誘導(dǎo):①藍藻大規(guī)模暴發(fā)并堆積、死亡;②湖底有高有機質(zhì)的底泥存在;③溫度較高、風(fēng)力較小、氣壓較低,不利于水體復(fù)氧。即太湖藍藻暴發(fā)后一旦受到外源物質(zhì)、高有機質(zhì)底泥和氣候突變等因素影響,藍藻自然生長過程中新老交替的平衡被突然打破,藍藻大量堆積、死亡,下沉并分解,耗盡水中溶解氧,使得水-底泥界面進入?yún)捬鯛顟B(tài),高有機質(zhì)底泥和死亡藻類二者共同作用,在厭氧條件下產(chǎn)生揮化性硫化物、二甲基三硫等硫醚類物質(zhì),揮發(fā)性硫化物與底泥中的重金屬化合而形成致黑物質(zhì),在吸附凝聚過程中受湖泊風(fēng)浪及水動力條件影響,懸浮而成“黑水團”。

5 “黑水團”危害分析

5.1 飲用水安全及水環(huán)境危害

“黑水團”產(chǎn)生嚴重影響到周邊城市地區(qū)飲用水安全,2007年5月28日,無錫貢湖灣口南泉水廠發(fā)生“黑水團”進入水廠取水口惡化水源水質(zhì)事件,導(dǎo)致水廠停止供水近100h。有研究表明[10-12],堆積集聚的淡水藍藻釋放的毒素,其次生代謝產(chǎn)物通過“皮膚接觸、呼吸道吸入、血液透析、消化道攝入”等途徑,能損害肝臟,影響蛋白磷酸酶的活力,具有促癌效應(yīng),直接威脅人類的健康和生存。

5.2 生態(tài)危害及社會經(jīng)濟影響

從2008年5月31日室外調(diào)查情況得知,有大量死魚漂浮水面,其主要原因為大面積的“黑水團”在湖區(qū)水域中形成,阻隔水體的光合作用及其與大氣的交換,使水中溶解氧濃度迅速降低,水中溶解氧接近零,造成沉水植被難以生存、湖底水生動植物大量死亡的生態(tài)危害。水生態(tài)與環(huán)境的惡化影響又進一步對周邊城市的社會經(jīng)濟(如投資業(yè)、水產(chǎn)業(yè)、旅游業(yè))產(chǎn)生嚴重破壞,如城鄉(xiāng)供水安全受到威脅、水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量與效益大幅度下降、旅游業(yè)凋敝、公眾的心理恐慌等連鎖反應(yīng)導(dǎo)致更深層次的社會矛盾。

6 結(jié)論與建議

太湖湖區(qū)大面積“黑水團”現(xiàn)象出現(xiàn)為太湖藍藻水華危害新的表征,對水源的影響和危害較之藍藻暴發(fā)更為嚴重。對其成因初步研究表明:“黑水團”現(xiàn)象仍是以藍藻大規(guī)模暴發(fā),聚集堆積死亡及高有機質(zhì)底泥為其基本要素,即太湖藍藻暴發(fā)后受到外源物質(zhì)、高有機質(zhì)底泥和氣候突變等因素影響,藍藻大規(guī)模聚集堆積,其自然生長過程中新老交替的平衡被突然打破,藍藻大量死亡下沉并分解,耗盡水中溶解氧,使得水-底泥界面進入?yún)捬鯛顟B(tài),高有機質(zhì)底泥和死亡藻類在厭氧條件下產(chǎn)生揮發(fā)性硫化物及二甲基三硫等硫醚類致嗅物質(zhì),硫化物與底泥中的重金屬與揮發(fā)性化合而形成致黑物質(zhì),在吸附凝聚過程中大片懸浮而成“黑水團”。

針對“黑水團”成因,筆者建議:①加強藍藻的實時監(jiān)控及預(yù)警,科學(xué)除藻,預(yù)防藍藻大規(guī)模積聚堆積;②沿岸湖區(qū)底泥進行生態(tài)疏浚,減少內(nèi)源誘因;③嚴格執(zhí)行污染排放總量控制,減少源頭污染物質(zhì)進入;④實施太湖流域水環(huán)境綜合整治方案,加快上游湖泊、河流的生態(tài)環(huán)境保護與修復(fù);⑤進一步加強“黑水團”監(jiān)測與分析,進行更為深入的研究。

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Cause and impact analysis of black water cluster in Taihu Lake

SHENG Dong1,XU Zhao-an2,GAO Yi1
(1.College of Hydrology and Water Resources,Hohai University,Nanjing210098,China;2.Monitoring Bureau of Hydrology and Water Resources,Taihu Basin Authority,Wuxi214024,China)

The formationof black water clusterwas observed through field investigation and indoor simulation experiments on the course of death and decomposition of blue algae.The results showed the following:(1)During formation of black water cluster,the DO content reduced rapidly,the lowest value was nearly 0 mg/L,the contents of N-N,CODwere greater than the normal values,and the process of the decomposition and mineralization of the dead blue algae occurred intensively.(2)The characteristics of black water cluster in the bay of Zhushanhu Lake in 2008were in line with those in the Gonghu Lake in 2007.(3)A large number of blue algae were accumulating and dying under conditions of high water temperature,slow wind,low air pressure,and weak reoxygenation capacity.Thioethers substances like volatile sulfide and dimethyltrisulfidewere released after the decomposition of dead blue algae,the sulphide and heavy metal from sediments were combined chemically,and colored matter was formed.Furthermore,the phenomenon of black water cluster occurred during the process of agglomeration in response to wind,waves,and hydrodynamic conditions.

water pollution;black water cluster;process of death of blue algae;rich organic sediment;Taihu Lake

X524

B

1004-6933(2010)03-0041-04

盛東(1979—),男,湖南衡陽人,博士研究生,研究方向為水資源及水環(huán)境演變。E-mail:shengdong1979@163.com

徐兆安,男,高級工程師,E-mail:xuzhaoan@sina.com.cn

2008-11-02 編輯:高渭文)