東張水庫水華預(yù)警及應(yīng)急調(diào)度和處置措施

摘要：本文通過研究東張水庫藻類數(shù)量與富營養(yǎng)指標(biāo)的相關(guān)性，確定東張水庫水華爆發(fā)水質(zhì)指標(biāo)閾值，形成水華預(yù)警方案，提出了預(yù)防水華事件的相關(guān)應(yīng)急技術(shù)措施和建議。

關(guān)鍵詞：水庫;水華;預(yù)警;應(yīng)急調(diào)度和處置措施

中圖分類號(hào)：X830.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2019）10-0-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.10.089

Abstract：This paper studies the correlation between the number of algae and the eutrophication index in Dongzhang Reservoir， determines the water quality threshold of the water bloom in Dongzhang Reservoir， forms a water bloom warning scheme， and puts forward relevant emergency technical measures and suggestions for preventing water bloom events.

Keywords：Reservoir; Water bloom; Early warning; Emergency dispatch and disposal measures

1 東張水庫概況

東張水庫建于1957年，壩址以上集水面積200km2，多年平均徑流量1.992億m3。水庫正常蓄水位54.54m，汛限水位54.04m，校核洪水位55.92m（P=0.05%），死水位40.54m，總庫容2.06億m3，興利庫容1.55億m3，屬于大（二）型水庫，庫容系數(shù)80.3%，具有多年調(diào)節(jié)性能。水庫功能以供水為主，結(jié)合灌溉、防洪、發(fā)電。東張水庫現(xiàn)有灌區(qū)渠系由高低二條干渠和43條支渠組成，高干渠底板高程37.8m，設(shè)計(jì)流量20.7m3/s;低干渠底板高程31.0m，設(shè)計(jì)流量5m3/s。目前水庫通過高干渠向福清自來水廠、東張水庫第一供水廠（宏路）、第三供水廠（龍?zhí)铮┕?yīng)原水的任務(wù)，設(shè)計(jì)供水量為15萬t/d。

東張水庫為福清市飲用水源一級(jí)保護(hù)區(qū)，水質(zhì)要求達(dá)到地表水GB3838-2002Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。本研究將為預(yù)警水華的爆發(fā)并有效降低其危害提供可靠的理論依據(jù)， 為城鄉(xiāng)居民用水的安全供給提供技術(shù)支撐。

2 水庫藻類與水質(zhì)指標(biāo)的關(guān)系

2.1 東張水庫藻類分布情況

利用定量PCR技術(shù)檢測東張水庫庫尾及壩前藻類數(shù)量，如圖表1和圖1，壩前斷面藍(lán)藻數(shù)量范圍1.14×107個(gè)/L～3.83×108個(gè)/L，綠藻數(shù)量范圍0.431×107個(gè)/L～3.77×107個(gè)/L。東張水庫藻類以藍(lán)藻為主，并且在春夏4-7月季形成主要優(yōu)勢(shì)種，藍(lán)藻數(shù)量為7.27～38.3×107個(gè)/L。當(dāng)藍(lán)藻數(shù)量超過108個(gè)/L時(shí)，能明顯看到藻類團(tuán)聚現(xiàn)象，表明已發(fā)生輕微水華。因此基本可以判定，運(yùn)用定量PCR技術(shù)檢測藻類時(shí)，藍(lán)藻數(shù)量為108個(gè)/L可作為水華發(fā)生的閾值。如圖1所示，東張水庫2016年8月-2017年3月各斷面藍(lán)藻數(shù)量差別不大，4月壩前斷面藍(lán)藻數(shù)量突然升高。5月壩前斷面藍(lán)藻數(shù)量迅速下降，6-7月逐漸升高，7月再一次達(dá)到峰值，說明7月庫內(nèi)藍(lán)藻可能受到外源輸入的影響。

2.2 東張水庫藍(lán)藻與水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性

將監(jiān)測時(shí)段內(nèi)東張水庫表層藍(lán)藻總數(shù)與環(huán)境因子水溫（WT）、透明度（SD）、pH、溶解氧、總氮、總磷、硝酸鹽氮、氨氮、亞硝酸鹽氮、高錳酸鹽指數(shù)（IMn）以及氮磷比（N/P）進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，分析軟件使用IBM SPSS Statistics19（SPSS 19），結(jié)果如表2所示。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，藍(lán)藻總數(shù)與水溫、pH、高錳酸鹽指數(shù)、濁度呈極顯著正相關(guān)，與氮磷比呈顯著負(fù)相關(guān)，與溶解氧、總磷呈顯著正相關(guān)。其中pH的相關(guān)性最高，其次是濁度、水溫、高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧、氮磷比和總磷。

2.3 藍(lán)藻與環(huán)境因子生長響應(yīng)范圍

2.3.1 水溫

水溫升高能促進(jìn)藻類的呼吸代謝和光。

合作用，但是超過適宜藻類生存的溫度后，水溫升高反而對(duì)藻類生長有抑制作用。以藍(lán)藻總數(shù)108個(gè)/L為水華爆發(fā)的閾值，對(duì)應(yīng)的水溫在23.7～32.4℃，與4-7月庫區(qū)水溫范圍一致，表明在此溫度范圍較適宜藍(lán)藻生長。

2.3.2pH

藻類密度較高時(shí)，強(qiáng)烈的光合作用消耗水中的CO2會(huì)引起pH上升，同時(shí)堿性環(huán)境有助于藻類捕獲大氣中的CO2，光合作用明顯大于呼吸作用，因此pH升高是藻類增殖的結(jié)果而不是主動(dòng)影響因子。對(duì)于東張水庫而言，水華發(fā)生時(shí)，pH升高至8.48～9.35，而水華未發(fā)生（藻數(shù)量<108個(gè)/L）時(shí)，pH基本處于6.5～8.0之間。因此基本可以判定，當(dāng)pH>8時(shí)，有可能已發(fā)生輕微藍(lán)藻水華。

2.3.3 溶解氧

一般情況下，在藻類繁殖的初期，光合作用產(chǎn)生大量溶解氧，水中溶解氧表現(xiàn)出升高的趨勢(shì)。當(dāng)藻類過量繁殖，藻細(xì)胞相互遮蔽導(dǎo)致光合作用效率降低，同時(shí)死亡的藻類或其他受影響而死亡的水生生物也需要氧氣分解，導(dǎo)致水中溶解氧下降。由于東張水庫水華程度比較輕微，因此藍(lán)藻數(shù)量與溶解氧成顯著正相關(guān)，當(dāng)藍(lán)藻總數(shù)超過108個(gè)/L時(shí)，其水中溶解氧的濃度升高至8.5～12.0mg/L。溶解氧濃度最高發(fā)生在4月，也是藍(lán)藻數(shù)量最多的時(shí)候，之后隨水溫升高，部分溶解氧從水中溢出，溶解氧呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。一般情況下，溶解氧與水溫應(yīng)呈負(fù)相關(guān)，這一規(guī)律在2016年8月-2017年3月藍(lán)藻數(shù)量較少時(shí)（低于107個(gè)/L）得到比較明顯的體現(xiàn)，也說明4月溶解氧突然升高是由于藍(lán)藻大量繁殖引起的。因此，當(dāng)溶解氧隨水溫升高而發(fā)生突然增加至>10mg/L時(shí)，預(yù)示著已出現(xiàn)輕微水華現(xiàn)象。

2.3.4 高錳酸鹽指數(shù)

根據(jù)圖5，4月當(dāng)高錳酸鹽指數(shù)驟升至2.5mg/L時(shí)，發(fā)生輕微藍(lán)藻水華，當(dāng)水華過后藻數(shù)量下降時(shí)，高錳酸鹽指數(shù)仍持續(xù)升高，待到7月藍(lán)藻水華再一次發(fā)生時(shí)，高錳酸鹽指數(shù)下降至2.5mg/L左右。藍(lán)藻細(xì)胞壁外側(cè)具有膠質(zhì)鞘，是由糖類多聚體等有機(jī)物組成組成，是藻類代謝的副產(chǎn)物。這也解釋和高錳酸鹽指數(shù)與藍(lán)藻數(shù)量呈極顯著正相關(guān)的原因。同時(shí)藍(lán)藻在死亡后藻細(xì)胞破裂，藻細(xì)胞中的有機(jī)物隨之釋放，說明高錳酸鹽指數(shù)升高基本上是藻類繁殖的結(jié)果。但有機(jī)物的持續(xù)輸入污染也是藍(lán)藻水華的誘因之一。說明高錳酸鹽指數(shù)在2.5mg/L左右時(shí)可能已發(fā)生輕微水華。

2.3.5 營養(yǎng)鹽

藍(lán)藻數(shù)量與總氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氨氮相關(guān)性不顯著，說明氮源對(duì)藍(lán)藻的單獨(dú)影響作用并不明顯。藍(lán)藻數(shù)量與總磷呈顯著正相關(guān)，與氮磷比呈顯著負(fù)相關(guān)，說明磷是東張水庫內(nèi)藍(lán)藻的限制性生長因子。如圖6所示，藍(lán)藻數(shù)量較高時(shí)，N/P主要集中在20～40之間，說明N/P在此范圍內(nèi)適宜藍(lán)藻生長。

圖7表示了各站點(diǎn)TP、TN逐月變化與藍(lán)藻數(shù)量之間的關(guān)系。2017年4月壩前總磷濃度達(dá)到峰值（0.06mg/L），此時(shí)藍(lán)藻數(shù)量超過108個(gè)/L，但入庫斷面藍(lán)藻數(shù)量為9.52×107個(gè)/L仍處于較低水平，說明4月份水華藍(lán)藻可能來自庫內(nèi)。5-7月庫內(nèi)斷面總磷濃度持續(xù)下降，7月總磷濃度為0.026mg/L，但庫內(nèi)藍(lán)藻數(shù)量仍表現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，與入庫斷面藍(lán)藻數(shù)量的變化趨勢(shì)一致，說明5-7月水華藍(lán)藻可能是來自外源輸入。總氮與藍(lán)藻數(shù)量而關(guān)系并未表現(xiàn)出明顯的趨勢(shì)，此現(xiàn)象進(jìn)一步說明總磷是影響藍(lán)藻生長的重要環(huán)境因子。當(dāng)總磷濃度大于0.025mg/L 時(shí)，預(yù)示著可能已發(fā)生輕微水華。

2.4 東張水庫水華預(yù)警

根據(jù)全年及水華爆發(fā)期間的水質(zhì)監(jiān)測成果東張水庫水華爆發(fā)水質(zhì)全因子指標(biāo)閾值分別為：水溫在23.5～32.5℃條件下，pH=8，溶解氧10mg/L，高錳酸鹽指數(shù)2.5mg/L，總磷0.025mg/L。當(dāng)水庫水質(zhì)參數(shù)超過水華爆發(fā)閾值時(shí)，發(fā)出預(yù)警。

3 水庫水華應(yīng)急調(diào)度和處置措施

（1）加強(qiáng)東張水庫水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)水庫水質(zhì)參數(shù)達(dá)到水華爆發(fā)閾值時(shí)，發(fā)出預(yù)警，在保障供水的前提下，高干渠發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷發(fā)電，最大水量泄流，提高水庫流動(dòng)性，降低水庫藻類爆發(fā)的可能性。（2）除高干渠發(fā)電放水外，還應(yīng)利用低干渠放水，把水庫底層水泄放出去，減少庫區(qū)營養(yǎng)負(fù)荷。（3）水華爆發(fā)期間，水庫加設(shè)小氣泡的曝氣設(shè)備，采用機(jī)械除藻、過濾除藻、氣浮除藻和活性炭吸附等;使用物理手段直接或間接殺死水體中的藻，主要方法有遮光處理、電解除藻、紫外線照射、超聲波處理等。（4）在取水口處增設(shè)濾網(wǎng)或圍隔，將大部分藻細(xì)胞隔離在取水口外，使局部水域藻濃度下降。（5）水廠要加大投放消毒劑，如投放液氯、次氯酸鈉可用于控制地表水源的高濃度藻。目前普遍使用的是鋁和鐵的化合物凝聚劑。

4 結(jié)語

目前，國內(nèi)外對(duì)水華藻類的檢測技術(shù)主要分是顯微鏡檢測法，即利用顯微鏡對(duì)特定體積的樣品進(jìn)行直接計(jì)數(shù)定量這種方法對(duì)采樣的要求較高，而且方法的誤差也較大。而常規(guī)指標(biāo)監(jiān)測法，這些指標(biāo)包括pH，溶解氧（DO），總氮，總磷，高錳酸鹽指數(shù)，透明度，葉綠素a等。藻類的數(shù)量劇增時(shí)，其代謝活動(dòng)將導(dǎo)致水體的常規(guī)指標(biāo)發(fā)生明顯變化，因此定期監(jiān)測以上的指標(biāo)因子，能夠在一定程度上監(jiān)測水華的發(fā)生。由于常規(guī)指標(biāo)的檢測技術(shù)已經(jīng)相對(duì)較為成熟，因此該方法可操作性較強(qiáng)。

根據(jù)分析東張水庫藍(lán)藻總數(shù)與水溫、pH、高錳酸鹽指數(shù)、與氮磷比、溶解氧、總磷相關(guān)性較好，日?？梢酝ㄟ^這幾個(gè)指標(biāo)的監(jiān)測結(jié)果對(duì)水庫水華進(jìn)行預(yù)警，及時(shí)采取應(yīng)急措施，減少水華對(duì)水廠供水水質(zhì)影響。

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收稿日期：2019-07-02

作者簡介：陳輝（1965-），女，本科學(xué)歷，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榄h(huán)境影響評(píng)價(jià)、水資源論證、環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)理、環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)。