滇池水體內(nèi)負(fù)荷控制與水質(zhì)綜合改善技術(shù)研究及工程示范（2012ZX07102—004）課題成果簡介

王圣瑞+焦立新+楊蘇文+鄭正+王壽兵+王志云+何佳+張志勇

【編者按】

在滇池外源污染逐步得到控制的條件下，研發(fā)和集成內(nèi)負(fù)荷控制技術(shù)顯得日益重要。有效削減滇池內(nèi)負(fù)荷，將進(jìn)一步減輕滇池的污染壓力，改善水質(zhì)，為恢復(fù)滇池健康生態(tài)系統(tǒng)創(chuàng)造條件。本課題系統(tǒng)勘測了滇池底泥儲量和污染分層，揭示了滇池全湖內(nèi)源氮磷釋放風(fēng)險(xiǎn)，闡明了滇池沉積物氮磷釋放主控因子，建立了沉積物內(nèi)源污染風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)分級體系，提出了滇池內(nèi)源污染近期、中期和遠(yuǎn)期治理的對策和建議；通過對滇池外源負(fù)荷和內(nèi)負(fù)荷系統(tǒng)評估，估算了滇池內(nèi)負(fù)荷總量，揭示了滇池內(nèi)負(fù)荷的來源，詮釋了滇池內(nèi)負(fù)荷形成的累積機(jī)制、釋放機(jī)制、周轉(zhuǎn)機(jī)制和生態(tài)因子驅(qū)動機(jī)制，定量了內(nèi)負(fù)荷對滇池水污染的貢獻(xiàn)，提出了基于內(nèi)負(fù)荷控制的滇池水污染治理對策建議；課題在滇池集聚區(qū)藻源內(nèi)負(fù)荷物理阻隔與富集技術(shù)、藍(lán)藻控制空間構(gòu)建技術(shù)、內(nèi)負(fù)荷原位控制及基于水生植物修復(fù)的內(nèi)負(fù)荷控制技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)上，形成了滇池內(nèi)負(fù)荷控制與水質(zhì)改善技術(shù)體系，并在滇池外海北岸0.25km2藍(lán)藻集聚區(qū)進(jìn)行了技術(shù)效果驗(yàn)證，技術(shù)示范區(qū)建成前后水體透明度平均提高了54cm，藻類生物量下降了84%，內(nèi)負(fù)荷削減了30%，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)示范區(qū)內(nèi)負(fù)荷有效控制，水質(zhì)明顯改善。研究成果被列入《滇池流域“十三五”水污染防治規(guī)劃》和《滇池草海生態(tài)修復(fù)方案》，并在“滇池草海生態(tài)治理工程”中得到了應(yīng)用，有力支撐了滇池的水污染控制和富營養(yǎng)化治理。

1 研究背景

在滇池外源污染逐漸得到控制的同時(shí)，滇池長期積累的過量營養(yǎng)物將逐漸成為影響其生態(tài)系統(tǒng)的主要原因。自1980年代以來，污染排放所累積的內(nèi)源污染已經(jīng)成為滇池水質(zhì)無法得到根本改善和驅(qū)動藍(lán)藻暴發(fā)的潛在因素。“十一五”期間，昆明市針對滇池內(nèi)負(fù)荷控制，同步啟動了底泥疏挖及處置二期工程、藍(lán)藻應(yīng)急處理設(shè)施和藻水分離示范、外海南部水葫蘆提取營養(yǎng)物質(zhì)及資源化示范等工作，但仍需要進(jìn)一步的技術(shù)支撐。

目前有關(guān)湖泊內(nèi)負(fù)荷的研究還非常零散，無論是研究的深度還是系統(tǒng)性等方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要。有關(guān)滇池內(nèi)負(fù)荷的時(shí)空分布特征、形成條件、形成機(jī)理、影響因素，以及輸移轉(zhuǎn)化過程和生態(tài)效應(yīng)等諸多科學(xué)問題尚未開展深入系統(tǒng)的研究，尚需開展湖泊內(nèi)負(fù)荷控制技術(shù)與工程示范等研究。

本課題立足于解決我國高原大型富營養(yǎng)化湖泊治理面臨的關(guān)鍵科學(xué)問題和技術(shù)難點(diǎn)，系統(tǒng)探明滇池藻源和泥源內(nèi)負(fù)荷總量、來源、時(shí)空動態(tài)變化規(guī)律及其對水質(zhì)與水生態(tài)系統(tǒng)的影響機(jī)制；研發(fā)泥源內(nèi)負(fù)荷多手段控制技術(shù)和藻源內(nèi)負(fù)荷控制物理阻隔與富集導(dǎo)流以及生態(tài)空間構(gòu)建等技術(shù)；集成滇池水體內(nèi)負(fù)荷控制綜合技術(shù)，形成滇池水體內(nèi)負(fù)荷控制和水質(zhì)改善綜合技術(shù)體系，選擇滇池典型水域作為工程示范區(qū)，建設(shè)示范工程，可有效控制示范區(qū)內(nèi)負(fù)荷，明顯改善水質(zhì)，建立可全湖推廣的滇池內(nèi)負(fù)荷控制與水質(zhì)改善技術(shù)。通過上述內(nèi)負(fù)荷綜合調(diào)查研究、內(nèi)負(fù)荷控制技術(shù)的研發(fā)與示范應(yīng)用，結(jié)合相關(guān)依托工程，可控制滇池內(nèi)負(fù)荷，改善其水質(zhì)，最終實(shí)現(xiàn)恢復(fù)滇池健康水生態(tài)系統(tǒng)的目標(biāo)，可為滇池流域的綜合治理提供技術(shù)支撐和工程經(jīng)驗(yàn)。

2 研究成果

（1）系統(tǒng)詮釋了滇池內(nèi)源污染特征，闡明了滇池沉積物氮磷釋放風(fēng)險(xiǎn)，提出了滇池內(nèi)源污染治理的對策建議

全面勘測了滇池底泥儲量和污染分層，揭示了滇池全湖內(nèi)源氮磷釋放風(fēng)險(xiǎn)，闡明了滇池沉積物氮磷釋放主控因子，建立了沉積物內(nèi)源污染風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)分級體系，提出了滇池內(nèi)源污染近期、中期和遠(yuǎn)期治理的對策和建議。受入湖河道的影響，草海淤泥淤積較為嚴(yán)重，滇池外海北部區(qū)域淤泥量較大，其次為外海南部區(qū)域。全湖底泥污染分層結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

污染層：滇池全湖底泥污染層平均厚度為0.29m；，其中草海污染層平均厚度為0.44m；外海污染層平均厚度為0.28m；

過度層：全湖底泥過渡層平均厚度為0.77m，其中草海過渡層平均厚度為1.33m，外海過渡層平均厚度為0.79m；

湖底層：全湖底泥湖底層平均厚度為5.73m，其中草海湖底層平均厚度為1.39m，外海湖底層平均厚度為5.94m。

在系統(tǒng)詮釋滇池全湖內(nèi)源污染及沉積物氮磷釋放風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上，采用Arcgis中natural break法對滇池內(nèi)源污染進(jìn)行分區(qū)，并以此為依據(jù)，提出滇池內(nèi)源污染治理對策建議。

近期治理：草海、螳螂川出湖口以及南岸主要河流入湖口區(qū)域，沉積物無論氮磷含量，還是氮磷釋放強(qiáng)度都相對較高，對滇池水體污染嚴(yán)重，建議優(yōu)先治理。

中期治理：西山沿岸以及滇池北部主要入湖河流入湖口，區(qū)域內(nèi)沉積物氮磷含量相對較低，但其具有較高的釋放強(qiáng)度，對滇池水體有直接威脅，建議在近期治理工程完成后，進(jìn)行治理。

遠(yuǎn)期治理：滇池南部古城河入湖口，區(qū)域內(nèi)的沉積物雖然氮磷含量較高，但其釋放強(qiáng)度相對較低，暫時(shí)不會對滇池水體造成嚴(yán)重的污染，建議待其他區(qū)域治理完畢后再采取相應(yīng)措施。

（2）定量了滇池內(nèi)負(fù)荷對水污染貢獻(xiàn)，提出了基于內(nèi)負(fù)荷控制的滇池水污染治理對策建議

本課題估算了滇池內(nèi)負(fù)荷總量，揭示了滇池內(nèi)負(fù)荷的來源，詮釋了滇池內(nèi)負(fù)荷形成的累積機(jī)制、釋放機(jī)制、周轉(zhuǎn)機(jī)制和生態(tài)因子驅(qū)動機(jī)制，定量了內(nèi)負(fù)荷對滇池水污染的貢獻(xiàn)，提出了基于內(nèi)負(fù)荷控制的滇池水污染治理對策建議。

滇池溶解態(tài)生物有效性濕沉降入湖氮負(fù)荷為309噸，溶解態(tài)生物有效性河流入湖氮負(fù)荷為5200噸，溶解態(tài)生物有效性泥源性氮負(fù)荷為2451噸，藻源性氮負(fù)荷為1642噸。

由此計(jì)算得出，外源氮負(fù)荷對水污染的貢獻(xiàn)率為57%，藻源性氮負(fù)荷對水污染的貢獻(xiàn)為26%，泥源性氮負(fù)荷對水污染的貢獻(xiàn)為17%。相反，以顆粒態(tài)難利用形式輸出的氮負(fù)荷包括氮埋藏負(fù)荷647噸/年，漁業(yè)捕撈、藍(lán)藻清除及河流出湖負(fù)荷為2176噸/年，通過反硝化作用輸出的氮負(fù)荷為5989噸/年。

滇池溶解態(tài)生物有效性濕沉降入湖磷負(fù)荷為17.3噸，溶解態(tài)生物有效性河流入湖磷負(fù)荷為152噸，溶解態(tài)生物有效性泥源性磷負(fù)荷為21.8噸，藻源性磷負(fù)荷為93.4噸。由此計(jì)算得出，外源磷負(fù)荷對水污染的貢獻(xiàn)率為60%，藻源性磷負(fù)荷對水污染的貢獻(xiàn)為33%，泥源性磷負(fù)荷對水污染的貢獻(xiàn)為8%。相反，以顆粒態(tài)難利用形式輸出的磷負(fù)荷包括磷埋藏負(fù)荷310噸/年，漁業(yè)捕撈、藍(lán)藻清除及河流出湖負(fù)荷為142噸/年。endprint

對滇池水質(zhì)和水華情勢認(rèn)識：僅當(dāng)藻密度降低到拐點(diǎn)關(guān)鍵閾值之下，水質(zhì)營養(yǎng)濃度降低可直接與水華規(guī)模減小線性響應(yīng)；滇池水質(zhì)營養(yǎng)濃度遠(yuǎn)高于藻類限制閾值，短期內(nèi)水華爆發(fā)風(fēng)險(xiǎn)較大，控制藻類水華需要一個(gè)長期的過程；對于氮內(nèi)負(fù)荷控制藻源性內(nèi)負(fù)荷和泥源性內(nèi)負(fù)荷同等重要，對于磷內(nèi)負(fù)荷控制以藻源性內(nèi)負(fù)荷控制為主，泥源性內(nèi)負(fù)荷控制為輔。

在滇池藻源性內(nèi)負(fù)荷控制方面，充分利用經(jīng)典和非經(jīng)典生物操縱技術(shù)的協(xié)同作用，進(jìn)一步加大藍(lán)藻水華作為“內(nèi)、外共生污染源”的直接控制力度；食藻動物的投放和其他控藻工程必須高度集中于藍(lán)藻易于集聚和可能率先爆發(fā)的“熱點(diǎn)區(qū)域”，并且要高度重視目前的排藻工程對下游河道的負(fù)面影響。

在滇池泥源內(nèi)負(fù)荷控制方面，不建議采取大面積環(huán)保疏浚工程措施，對于藻源物質(zhì)堆積嚴(yán)重，氮磷和有機(jī)質(zhì)較高湖區(qū)采取底泥環(huán)保疏浚工程措施，并配合水生植被修復(fù)工程措施。對于滇池全湖應(yīng)根據(jù)泥源內(nèi)負(fù)荷空間分區(qū)分級結(jié)果，采取界面控制與水生植被修復(fù)相結(jié)合的工程措施。

（3）構(gòu)建了高原重污染湖泊內(nèi)負(fù)荷控制與水質(zhì)改善技術(shù)體系，支撐了滇池藻類堆積區(qū)內(nèi)負(fù)荷控制和生態(tài)修復(fù)

課題在滇池集聚區(qū)藻源內(nèi)負(fù)荷物理阻隔與富集技術(shù)、藍(lán)藻控制空間構(gòu)建技術(shù)、內(nèi)負(fù)荷原位控制及基于水生植物修復(fù)的內(nèi)負(fù)荷控制技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)上，形成了滇池內(nèi)負(fù)荷控制與水質(zhì)改善技術(shù)體系。技術(shù)體系圍繞控制水體內(nèi)負(fù)荷、提高水體透明度、修復(fù)水體生態(tài)結(jié)構(gòu)和完善水體生態(tài)功能，以水體內(nèi)負(fù)荷控制的生態(tài)空間構(gòu)建為核心技術(shù)，突破了重度富營養(yǎng)化大型湖泊藍(lán)藻早期控制和水華爆發(fā)后難以高效去除的技術(shù)瓶頸，對傳統(tǒng)藍(lán)藻易集區(qū)域的藻源內(nèi)負(fù)荷控制具有重要作用，具有控源、集藻、除藻、除污和消浪的功能。輔助技術(shù)包括水生植物種植和藍(lán)藻導(dǎo)流富集及物理清除新技術(shù)，設(shè)置在“生態(tài)空間構(gòu)建”技術(shù)示范區(qū)外圍，旨為核心技術(shù)“生態(tài)空間構(gòu)建”提供合適的水質(zhì)、透明度、藍(lán)藻密度以及湖體風(fēng)浪等水體生境條件。

該技術(shù)體系首先利用擋藻軟圍隔和生態(tài)消浪帶將待恢復(fù)的湖體區(qū)域與外面的大湖區(qū)隔離開來，減少外湖區(qū)水華藍(lán)藻的侵入和風(fēng)浪；在工程區(qū)上、下風(fēng)向靠岸一側(cè)設(shè)置排藻門，借助自然風(fēng)力的作用，將內(nèi)部自身增殖和外部侵入的藍(lán)藻及時(shí)外排，富集的藍(lán)藻采用過濾性裝置，結(jié)合撈藻船及時(shí)清理。水生植物種植包括挺水植物種植和飄浮性植物種植，在岸邊淺水區(qū)種植抗逆性強(qiáng)、景觀效果好的挺水植物，在擋藻軟圍隔區(qū)外側(cè)種植浮葉植物，起到生態(tài)消浪和削減水體營養(yǎng)鹽的功能。

作為技術(shù)體系的核心技術(shù)，“生態(tài)空間構(gòu)建”技術(shù)原理是在湖泊水體垂直空間上從表層至底層構(gòu)建抗逆性較強(qiáng)，具有資源與空間競爭力，以水生植物和微生物為主的生物群落，以搶占藍(lán)藻生存的物理空間和資源空間（光照、營養(yǎng)物質(zhì)等），達(dá)到控制藻源內(nèi)負(fù)荷的目的。技術(shù)內(nèi)容主要包括表層設(shè)置生態(tài)浮床，種植適生性較強(qiáng)的挺水植物，如美人蕉、菖蒲、旱傘草、水芹等功能性去污植物，在植物根系、微生物等協(xié)同作用下，削減水體中營養(yǎng)鹽含量；在水體中層設(shè)置“生態(tài)水母”，以種植沉水植物如狐尾藻為主，旨在通過沉水植物的生物作用，逐漸減少水體中懸浮物含量，增加水體透明度，創(chuàng)造沉水植物生長的生境條件；在底泥之上通過“生態(tài)覆膜”內(nèi)的填料、微生物以及底棲動物，阻止底泥中營養(yǎng)鹽的釋放，并降低底泥中的污染物含量。

在滇池外海北岸0.25km2對課題形成的技術(shù)體系進(jìn)行了技術(shù)效果驗(yàn)證。第三方監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，示范工程穩(wěn)定運(yùn)行后（2014年12月-2015年6月）比建成前（2012年1月）透明度平均提高了54cm，藻細(xì)胞數(shù)量迅速降低，由2014年9月的237480萬cell/L，降低到2014年11月-2015年5月的平均數(shù)40392萬cell/L，藻細(xì)胞數(shù)量下降了84%，內(nèi)負(fù)荷削減達(dá)到了30%以上。

3 成果應(yīng)用

（1）滇池內(nèi)負(fù)荷特征研究成果被列入《滇池流域“十三五”水污染防治規(guī)劃（2016-2020）》

滇池全湖內(nèi)源污染和內(nèi)負(fù)荷特征，內(nèi)負(fù)荷對滇池水污染貢獻(xiàn)及其控制的對策建議等部分研究成果被列入《滇池流域“十三五”水污染防治規(guī)劃（2016-2020）》，有力支撐了滇池水污染治理和富營養(yǎng)化控制的目標(biāo)。

（2）滇池內(nèi)負(fù)荷控制關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)成果被列入《滇池草海生態(tài)修復(fù)方案》，并應(yīng)用于“滇池草海生態(tài)治理工程”

滇池藍(lán)藻生態(tài)空間構(gòu)建技術(shù)研發(fā)成果被列入《滇池草海生態(tài)修復(fù)方案》，并在“滇池草海生態(tài)治理工程”中得到了應(yīng)用，有力支撐了滇池水質(zhì)改善和生態(tài)修復(fù)的目標(biāo)。endprint