整流幕在防控水庫水華中的應(yīng)用研究綜述

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(1.湖北工業(yè)大學(xué) 河湖生態(tài)修復(fù)與藻類利用湖北省重點實驗室，武漢 430068；2.長江科學(xué)院 生態(tài)修復(fù)技術(shù)中心，武漢 430010)

1 研究背景

近年來，水利工程建設(shè)后帶來的水環(huán)境問題正日益受到重視。許多水庫面臨著浮游植物異常增殖所引發(fā)的水華等水體富營養(yǎng)化問題，亟待采取有效措施解決[1]。在不能有效控制入庫污染物的情況下，根據(jù)水華成因，采用多種方法治理庫區(qū)水華是非常必要的[2]。現(xiàn)有的控藻方法雖各具優(yōu)勢，在實施過程中也逐漸顯現(xiàn)出一些問題?；瘜W(xué)方法短期除藻效果顯著，但受水域面積、水流特性限制，同時還存在二次污染的風(fēng)險；通過投放濾食性魚類控藻的生物技術(shù)，在水華難以控制時，魚類大量死亡，會造成環(huán)境污染；物理方法控藻較為直接，不會產(chǎn)生二次污染，但費用昂貴。除上述幾種方法外，水動力學(xué)方法也是近些年應(yīng)用較多的控藻方法，其主要應(yīng)用水動力學(xué)原理，通過改變水體流場，控制藻類及營養(yǎng)鹽的輸移擴散，并進一步限制光照、水溫等生境要素，達到控藻的效果[3]。該方法主要包括表層流場控制、選擇層取(泄)水、揚水曝氣、人工潮汐[4]等。其中，選擇層取(泄)水需結(jié)合水庫調(diào)度，并要考慮水庫庫容、下游航運和生態(tài)等條件，不易實施；揚水曝氣受水深和流速限制，也有可能造成底泥污染物釋放；人工潮汐主要適用于小型水庫；表層流場控制方法適用于大多數(shù)河道、湖庫等，應(yīng)用靈活，可依具體情況在不同河段實施[3]。目前來看，表層流場控制方法應(yīng)用前景較好，但相關(guān)研究甚少。

作為一種表層流場控制方法，整流幕已在國外的一些水庫成功應(yīng)用，但國內(nèi)關(guān)于整流幕控藻的研究還非常缺乏，為此，本文綜述了整流幕在國內(nèi)外的研究進展，針對國內(nèi)典型水庫水華發(fā)生機理，從整流幕防控水華的原理出發(fā)，研究整流幕技術(shù)的應(yīng)用方法，并對整流幕的發(fā)展研究進行展望。

2 整流幕研究進展

國外有關(guān)應(yīng)用整流幕防控水庫水華的研究始于20世紀90年代，日本的Terauchi水庫出現(xiàn)水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象，Asaeda等[5]提出了防控水庫水華的新技術(shù)——垂直帷幕，并將其應(yīng)用于Terauchi水庫。研究中利用2道塑料帷幕將水庫劃分為A，B，C 3個區(qū)，通過比較不同時期3個分區(qū)沿水深的葉綠素濃度、總磷濃度、溫度分布變化情況可知，靠近下游的湖庫區(qū)(C區(qū))控藻效果尤其明顯。而后Priyantha等[6]建立了Terauchi水庫生態(tài)系統(tǒng)物理子模型和生態(tài)子模型，研究比較了不同分區(qū)溫度分布、葉綠素分布的模擬值與實測值，同時也在下游分區(qū)設(shè)置不同帷幕高度，最終發(fā)現(xiàn)帷幕高度對下游分區(qū)的葉綠素濃度影響很大。Asaeda等[7]利用DYRESM模型對Terauchi水庫進行數(shù)值分析，比較了3個分區(qū)的表層葉綠素濃度的模擬值與實測值，以及下游分區(qū)表層溫度的模擬值與實測值，結(jié)果表明，春末及夏季，整流幕的設(shè)置會大量減少通過表水層向下游擴散的營養(yǎng)鹽。Chung等[8]采用立面二維水動力水質(zhì)模型CE-QUAL-W2模擬Daecheong 水庫的水質(zhì)和藻類生長情況，在水庫過渡區(qū)設(shè)置一道漂浮式整流幕，通過分析不同入流密度弗勞德數(shù)(Fri)下水庫中藻類的空間分布情況得到，整流幕的控藻效果與入流密度弗勞德數(shù)(Fri)密切相關(guān)，一旦Fri>3.0，整流幕控藻能力隨之減弱，甚至?xí)龠M藻類生長。Lee等[9]同樣利用CE-QUAL-W2模擬Daecheong水庫的水質(zhì)指標以及整流幕的作用，結(jié)果表明，不同位置、不同水文年，整流幕會呈現(xiàn)不同的控藻效果，但越靠近下游，效果越明顯。上述研究均是建立模型對整流幕的應(yīng)用進行數(shù)值模擬，通過比較相關(guān)指標的實測值與模擬值，分析整流幕的作用效果，其研究主要集中在模擬預(yù)測，卻沒有結(jié)合研究區(qū)域的水動力水質(zhì)條件對整流幕的作用機理進行深入分析。

目前，國內(nèi)尚無整流幕在實際工程中的應(yīng)用，相關(guān)研究也較少。朱木蘭等[1]建立了水流-水質(zhì)-生態(tài)耦合數(shù)學(xué)模型，利用某一水庫的實測數(shù)據(jù)，對整流幕的水華防治效果進行模擬預(yù)測，結(jié)果表明，設(shè)置整流幕后，葉綠素濃度峰值明顯降低了。黃明海等[3]針對水體的運動特性，提出了通過整流幕調(diào)節(jié)表層水流流動來控藻的表層流場控制方法。黃茁等[2]探討了水華發(fā)生前抑制水華的預(yù)控制方法，并提到了一種整流幕除藻技術(shù)。此外，張琪等[10]在對淡水甲藻水華的研究中提到，整流幕可以防治甲藻水華。上述研究尚停留在初步探索階段且沒有實際運用案例，對整流幕的作用機理缺乏深刻的認識。

國內(nèi)外關(guān)于利用整流幕防控水華的研究較少，對于整流幕作用機理的分析更是缺乏，為此，本文結(jié)合國內(nèi)典型水庫的水文特征及水華發(fā)生機制，著重探究整流幕技術(shù)的控藻原理。水華的形成是多因素綜合作用的結(jié)果，包括營養(yǎng)鹽、光照、水溫和水動力特性等[11-14]，而水庫蓄水后出現(xiàn)的水溫分層和異重流現(xiàn)象使水動力特性復(fù)雜化，與水華生消密切相關(guān)[15]。水環(huán)境問題的日益加重，亟待開發(fā)更多更有效的整治措施，作為一種新型控藻技術(shù)，整流幕在國內(nèi)大型水庫中的應(yīng)用具有很大研究空間。

3 整流幕技術(shù)

3.1 水動力背景

整流幕應(yīng)用水動力學(xué)原理，通過調(diào)節(jié)水體流場以控制藻類生長。應(yīng)用整流幕前，首先需對研究區(qū)域的水流特性進行深入的分析。對于水深較大的水庫，水溫分層是常見的自然現(xiàn)象，是溫度差異引起的密度分層變化現(xiàn)象[16]，一般發(fā)生在溫差效應(yīng)足以克服自然混合進程的夏季和冬季[17]，如三峽水庫汛期時會出現(xiàn)明顯的水溫分層[18]。通常情況下，水溫分層是水庫由河道型水體轉(zhuǎn)化為湖泊型水體的典型特征，也是反映水庫生態(tài)系統(tǒng)演變的關(guān)鍵參數(shù)[19]，其與水動力過程密切相關(guān)，在水庫水質(zhì)及浮游植物動態(tài)演變過程中起到重要的作用[20-22]。水溫分層對水體溶解氧含量有很大影響。表層水體通過水氣交換及光合作用會保持較高的溶解氧水平，而底層水體紊動擴散較低，溶解氧補充很小，表層生物死亡后沉于庫底，分解作用又會消耗底層溶解氧，通常處于缺氧狀態(tài)。水溫分層會進一步阻礙上下水體間溶解氧的傳遞，加劇深水層的缺氧狀態(tài)[23]，在厭氧條件下，沉積物中氮、磷、鐵、錳等污染物向上覆水體釋放[24-25]，并在底部水體不斷蓄積，導(dǎo)致底層水體水質(zhì)嚴重惡化，當(dāng)水體自然混合時，底部受污染水體與上部水體混合，造成整個垂向水體水質(zhì)惡化[26]。另有研究[27-28]表明，水溫分層會促進藍藻水華的形成，藍藻對高溫及強光具有較強的耐受能力，可以很好地適應(yīng)分層導(dǎo)致的上部水體升溫，并可通過調(diào)節(jié)自身懸浮，從較深的水體獲得營養(yǎng)鹽。

與水溫分層密切相關(guān)的異重流對于整流幕的應(yīng)用同樣具有重要的影響。2種密度相差不大、可以相混的流體，因密度差異而發(fā)生的相對運動稱為異重流[29-30]。在明顯的水溫差異水域容易發(fā)生異重流現(xiàn)象，比如三峽水庫干支流不同水體在支流庫灣形成的分層流動現(xiàn)象，其中包括倒灌異重流及順坡異重流[31]。異重流主要受干支流水溫差異、上游入流以及水位波動的影響[32]。異重流的存在，一方面使支流水體強迫分層，而且呈現(xiàn)靠近河口的深水分層較弱、遠離河口的淺水區(qū)分層較強的特殊分層狀態(tài)[33]；另一方面，倒灌異重流持續(xù)攜帶干流營養(yǎng)鹽補給支流水體，同時，緩慢水流使得泥沙迅速沉降導(dǎo)致水體透明度增大，真光層變深[34]。

3.2 控藻機理

水庫的富營養(yǎng)化過程更多的是水利工程建設(shè)導(dǎo)致的藻類生境條件的演變，這種演變的核心是水動力背景的改變[35-39]。整流幕的應(yīng)用便是從富營養(yǎng)化形成的水動力背景出發(fā)，改變水庫內(nèi)利于藻類生長繁殖的水動力條件，使能量交換、水團混合、水體分層等過程發(fā)生變化，進而改變影響藻類生長及演替的主要生境要素，如光照、水溫和營養(yǎng)鹽等，從而防控水華[40-43]。

水溫分層使水體上下混合作用微弱，有助于藻類懸浮在透光區(qū)迅速繁殖而形成水華[44-45]。在層化水體中，表層水體受風(fēng)力作用，紊動較為活躍，形成混合層，層內(nèi)溫度分布較均勻[33]?；旌蠈由疃仍酱?，藻類接受有效光強的幾率越小，根據(jù)“臨界層理論”[46-47]，當(dāng)水庫水體混合層深度大于臨界層深度時，藻類生長受到抑制。一方面，整流幕的設(shè)置會攔截營養(yǎng)鹽濃度較高的上游來流，使水流流速在整流幕附近大大降低，水體滯留時間變長，透明度升高，藻類在整流幕上游側(cè)表層水域快速增殖[48]，消耗來流中的大量營養(yǎng)鹽，其余營養(yǎng)鹽在整流幕的作用下，隨水流導(dǎo)向藻類難以生長的無光、低水溫的下層。水面的附著性藻類大量繁殖又進一步遮蔽表面光照，減弱向下傳播的可見光[49]，同時，也會快速消耗表層營養(yǎng)鹽，終因營養(yǎng)鹽不足而無法繼續(xù)生長，此外，藻類在整流幕上游側(cè)表層水域大量繁殖也有利于進行集中除藻。另一方面，整流幕的設(shè)置會影響水體流場，上游來流在與整流幕接觸后，會在整流幕附近形成紊流。水體中擾動強度的不同，適應(yīng)的種群個體也不同[50]，擾動將會影響不同藻類對光照的吸收，一般來講，小規(guī)模的水流擾動對藻類的生長和繁殖是有利的，可以增加藻細胞與周圍介質(zhì)的營養(yǎng)、代謝產(chǎn)物的交換速率，減少光照波動，從而增加光合作用效率[51-52]，在這種情況下，微囊藻會成為優(yōu)勢藻種[53-54]。但由于整流幕一般會設(shè)置在水庫的上游段，入庫的上游來流很快便與整流幕接觸發(fā)生強烈的沖擊，形成較大的擾動，而在強擾動環(huán)境下，水體透明度顯著降低，真光層深度減小[55]，光合有效輻射衰減加強。垂向摻混作用會將藻類帶到真光層以下，影響藻類生長的光照條件[56]，大部分藻類因不適應(yīng)該環(huán)境而消亡。此外，表層擾動也會不斷產(chǎn)生向水體底層擴散的水團，挾帶藻類向下層運動[49]，強擾動還會引起表層沉積物再懸浮，懸浮物在沉降中對藻類有吸附作用，微囊藻被膠體沉降物裹挾時便喪失浮力而沉降[57]。

整流幕通常垂直設(shè)置在河流或水庫回水段的橫斷面的表層，如圖1所示。為了取得較好的防治效果，可以考慮設(shè)置2道或多道整流幕，靠近上游的第1道整流幕將入流強制導(dǎo)向下層流動，如果入流溫度較高，通過整流幕后往往會由于水溫的影響而再度上浮，并隨表層水繼續(xù)向下游流動，此時，第2道整流幕便可再次將水流強制導(dǎo)向下層，從而減少對下游的營養(yǎng)鹽供給[1]。

圖1 整流幕控藻過程(庫區(qū)支流)Fig.1 Process of algae control by curtain weirs (tributaries in the reservoir area)

水庫的形態(tài)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致庫區(qū)自上游至壩前存在縱向梯度，在生境上表現(xiàn)為由激流環(huán)境過渡到靜水環(huán)境[58]，應(yīng)用整流幕前，一般將庫區(qū)劃分為3段，分別是水庫入口處的上游、中游以及靠近大壩的下游[59-60]。上游既窄又淺，上游入流攜帶大量營養(yǎng)鹽，但水流流速快，透明度低，藻類生物量及生長率均相對較低。中游水流流速減緩，透明度升高，同時該區(qū)營養(yǎng)鹽的含量仍相對較高，因而藻類的生物量及生長率是水庫中最高的區(qū)域。下游寬而深，易出現(xiàn)垂向分層現(xiàn)象，但不穩(wěn)定，該區(qū)的藻類生長主要受營養(yǎng)鹽限制[61]。通過河流分區(qū)，可以有針對性地開展整流幕應(yīng)用方案。已有研究[5-6,62-64]表明，改變河岸區(qū)和過渡區(qū)的水力流態(tài)在一定程度上能夠減少輸移到下游湖庫區(qū)的營養(yǎng)鹽，從而達到控藻的效果。

圖2 不同類型整流幕示意圖Fig.2 Schematic diagram of different types of curtain weirs

3.3 類型及適用條件

如圖2，根據(jù)整流幕在河流橫斷面的位置不同，可將其可分為表層、中層和底層整流幕。表層整流幕的頂部為水表面；中層整流幕的頂部和底部不為水表面或河床；底層整流幕的底部為河床。3種類型整流幕的作用位置和作用效果有所不同，在實際工程中，依據(jù)水流特性，可以在不同位置合理地設(shè)置整流幕以達到防控水華的效果。已知的實際應(yīng)用中，尚無中層整流幕和底層整流幕的應(yīng)用，以上控藻機理的分析也主要是針對表層整流幕，后期研究可以通過比較單獨設(shè)置這3種類型整流幕的控藻效果，來確定最終的整流幕設(shè)置方案。如果需要的話，更可以結(jié)合3種類型整流幕，發(fā)揮三者的作用，達到最佳的效果。

整流幕適用于狹長型河流，尤其適用于水深較大，流速緩慢的河道、水庫，但對河寬沒有限制要求，可以根據(jù)水位變化垂向移動。整流幕可以長期固定，也可以短期設(shè)置。在有通航要求的河段，還可以做成分段升降式，以減少對航運的影響[3]。

4 結(jié)論與展望

(1)整流幕應(yīng)用水動力學(xué)原理控藻，通過攔截營養(yǎng)鹽濃度較高的上游來流，將藻類限定在整流幕上游側(cè)表層水域，便于集中除藻，同時，藻類在該水域消耗大量營養(yǎng)鹽，并遮蔽表面光照，減弱向下傳播的可見光；上游來流與整流幕接觸后會形成強擾動，真光層深度減小，形成的垂向摻混作用會將藻類帶到難以生長的真光層以下區(qū)域，強擾動還會引起水團向下擴散以及表層沉積物再懸浮，對藻類有吸附作用。

(2)整流幕設(shè)置前，通常將庫區(qū)劃分為上游、中游及下游，上游水流流速大，透明度低，營養(yǎng)鹽濃度高；中游水流流速減緩，透明度升高，藻類繁殖最快；下游水流流速和營養(yǎng)鹽濃度達到最低，透明度最高。通過將庫區(qū)分段可以針對性地開展整流幕方案。此外，為了取得更好的效果，可以考慮設(shè)置多道整流幕。

(3)整流幕分為表層、中層和底層整流幕，適用于狹長深水型水體，可針對不同水庫的水流特性，選用合適的類型，目前尚無中層和底層整流幕的實際應(yīng)用。整流幕能夠很好地根據(jù)具體情況進行調(diào)節(jié)，以應(yīng)對全年不同時段的水流變化。

國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在整流幕的理論探索和方法應(yīng)用上都有了良好的嘗試，但總體來看，相關(guān)研究較少，在實際工程中的應(yīng)用更是罕見。目前，整流幕的研究尚處于初級階段，應(yīng)用整流幕防控水庫水華是亟待科研工作者探索和研究的重要課題?？傊鳛橐环N新型控藻技術(shù)，整流幕在防控水庫水華中具有較好的應(yīng)用前景。