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太湖蓝藻水华预警监测技术体系的探讨
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我国有66%的湖泊、水库处于富营养化水平,太湖、巢湖、滇池三大湖泊富营养化问题尤其突出。2007年5月28日“无锡太湖蓝藻致水危机”发生以后,太湖成了全球关注的焦点。太湖是重要的水源地,水质的好坏直接关系到几千万人口的饮水安全和质量。因此,有必要对水源蓝藻进行监测预警,为政府提供科学决策,提高应对蓝藻水华的能力以及通过监控水源水质的变化情况及时调整水厂的工艺运行,保证出厂水水质。


1蓝藻水华暴发过程
“水华”通常是指浮游植物的生物量显著高于一般水体中的平均值并在水体表面大量聚集,形成肉眼可见的藻类聚积体。在形成水华时,水体中叶绿素a的浓度一般在10mg/ma以上。“水华”已成为淡水生态系统主要的环境问题,目前太湖主要为微囊藻水华。目前人们对水华的认识大多是通过表观现象
得出的,认为水华是在很短时间内暴发、难以预测。但研究表明,这种突然出现的“水华”只不过是已存在、分散在水体中的藻类群体在适宜条件下的上浮、聚集、迁移至水面并为人们肉眼所见的过程,而非藻类在短时间内连续的快速生长所致。因此,从本质上看“水华”显然是一个缓慢、可以预测的过程。孔繁翔认为在四季分明、扰动剧烈的太湖,蓝藻的生长与水华的形成可以分为休眠、复苏、生物量增加、上浮和积聚形成水华等4个主要的阶段。在不同阶段中,微囊藻的生理特征及其主导生态因子完全不同。因此,监测部门应根据其不同的生理阶段,对蓝藻水华形成过程进行更有针对性的预警监测。


2水源地蓝藻水华预警监测的技术分析
从蓝藻生长和水华形成的主导影响因子来看,水华暴发是由水体的物理、化学和生物过程等多种因素共同作用的结果,而且各要素之间关系复杂。要准确、及时地对蓝藻水华进行预警,那将是一项庞大的系统工程,需要多项技术条件支撑。本文结合作者多年实践经验,以及国内外研究进展,分析了在预警监测过程中必须的几项技术条件。
2.1卫星遥感监测及气象观测
卫星遥感监测技术具有宏观、动态、成本低等显著特点,其在蓝藻水华监测上的应用,有着常规监测不可替代的优点。它既可以满足大范围蓝藻监测的需要,也可以动态跟踪蓝藻水华的发生、发展。Robert等用LandSat ETM+数据,就提前5周预报了微囊藻的暴发。因此,在预警监测过程中,可以利用EOS/MODIS遥感气象卫星影像资料进行解译,并运用光谱水质模型进行反演,结合太湖地区实时观测的风速、风向、光照、气温等资料,判断蓝藻移动方向、发生面积和离饮用水源地的距离。
2.2水质自动在线监测
当饮用水源地水体中出现可见的藻类颗粒以后,需要密切关注水质参数的变化,尤其是溶解氧。经实际观测,若溶解氧迅速上升,远远超过各种温度下饱和溶解氧值或者历史同期时,表明藻类颗粒在快速繁殖,此时为采取预警监测和引起高度重视阶段,应加强观测和监测;而当溶解氧急剧下降,甚至达到零时,此时为最高警戒水平,因为大量藻类死亡,藻毒素完全释放到水体。有研究也表明,叶绿素a浓度与溶解氧呈显著正相关关系。因此,在预警监测过程中,水质自动在线监测水温、浊度、pH、溶解氧、总磷、总氮、叶绿素a等指标,每4小时提供1次监测数据,重点关注溶解氧的昼夜变化,早晨6—8点若溶解氧量仍下降,应高度重视。还要分析天气变化、光线强度、沉水植物对溶解氧的影响。
2.3人工现场观测
人工现场观测看似最原始的监测方式,但也是最有效、最直观的监测方法。水华暴发的一个视觉特征是整个水体中有大量藻类颗粒聚集,藻类颗粒增大。水体颜色由清澈见底的碧绿色逐渐变成黄绿色、灰黄色。当可见水华现象暴发以后,整个湖面出现成片的厚厚的一层蓝藻。水华蓝藻暴发后,如果藻类开始死亡,水面成片藻类中间出现白色泡沫,此时还有一个明显的嗅觉特征是出现腥臭味。因此,在预警监测过程中,应对水源地取水口外5公里范围扇形布设监测点进行人工现场视觉和嗅觉观测,每周观测一次。同时,可以配备便携式水质监测仪器现场测定水质参数,如风速、风向、水文条件、水温、透明度、pH、溶解氧、蓝绿藻密度和叶绿素(在线蓝绿藻和叶绿素分析仪)。对出现异常的水样还需要采集水样,带回实验室进一步分析。
2.4实验室分析技术
(1)藻群落结构监测:太湖地区水华暴发后主要是微囊藻成为了优势种,而水华暴发前是隐藻等其它藻类为优势种,从藻类优势种所占的比例、叶绿素a和藻类总数量能进行蓝藻水华暴发预警。水体中产生异味的因素很多,从生物方面来说,其中有产生异味的藻类现在已知大约50余种。异味藻中不同的种类产生异味的强度也不同,如微囊藻、颤藻等蓝藻的异味较大,而隐藻等其它异味藻的异味一般较弱。所以主要以监测蓝藻门的异味藻为重点预警藻类。
(2)藻毒素的监测:水源水中的藻毒素有多种,从其毒性上可分为肝毒素、神经毒素和内毒素等。这些毒素都是由一些藻类产生的。在这些产生毒素的藻类中最常见最普遍的是蓝藻门的铜绿微囊藻。它既有霉腐味又产生损害肝脏的微囊藻毒素,所以对该藻的监测预警是非常必要的。现在国际组织和我国的饮用水标准中已经明确规定了该毒素的安全限值不得超过1μg/L。因此,可以藻毒素临界点为预警值。
(3)计算机模拟:大量实地监测数据能很好地表征水体蓝藻的特征,但是要更准确地预测蓝藻水华暴发的过程,还需要通过大量水质模型的运算和推测。目前主要运用的模型有QUAL一11、WASP、SALMO等水质生态模型。此外,人工神经网络和决策树方法也已经成功运用到蓝藻水华暴发的预测中。蓝藻水华监测部门也应该加强这方面的研究和运用,以便更好地对水华现象进行预测。


3 太湖水源地蓝藻水华预警监测体系的建立
3.1预警机制的建立与分工
蓝藻水华预警监测是一项庞大的系统工程,良好的组织体系是预警监测工作能否顺利实施的前提,是提高政府应对蓝藻能力的有效保证。因此,必须建立由环保、水利(务)、气象联合的蓝藻预警监测机构,整合预警监测资源,建立区域性联动监测体系。实行统一调配、统一指挥,使各个部门在同步知晓水华发生情况的同时,能够协调运转。成立水源地蓝藻水华预警监测领导小组,统一指挥预警监测工作。预警监测领导小组根据环保、水利(务)和气象信息,进行研判,必要时向专家组咨询,部署预警监测工作。由环保、水利(务)、气象各抽调1—2名技术人员组成预警监测技术小组,实行联合办公。主要职责为汇总各方信息,进行数据综合分析,为领导小组决策提供技术支持。此外,气象部门负责卫星遥感监测及气象观测;环保部门负责饮用水源地取水口(内线)水质、生物预警监测;水利(务)部门会同环保、气象部门负责饮用水源地湖体现场预警观测。组建由环保、水利(务)、气象三个部门共享的信息平台。成立由国内知名藻类防治专家,各部门的高级专业技术人员、高级管理人员组成的专家组,对蓝藻暴发事件的预警结果及其发展趋势进行专业性判断。
3.2监测时间的确立
根据国内外的研究情况并结合太湖的环境现状,以及蓝藻生长及水华形成的过程和主导因子,太湖饮用水源地蓝藻水华预警监测由常规监测和应急监测两部分构成。常规监测主要是11月一4月;应急监测主要是4月。11月,遇特殊区域,可适当提前或延长。应急预警监测分为常态预警监测和加密预警监测,常态预警监测每周监测一次,加密预警监测由预警监测领导小组根据监测(观测)信息研判决定。
3.3预警监测的启动
3.3.1常规预警监测
研究表明,当水环境温度达到7~8℃时,微囊藻群体在底泥中开始缓慢生长;微囊藻群体在15℃时,生长速率增大,并且开始少量迁移至水体中。水体中总氮总磷也会显著影响着浮游植物的种群组成和生长状况。因此,常规监测以自动监测为主,监测频次每日监测一次。同时实验室每月监测藻类密度和优势种。将监测数据与往年同期数据进行对比分析,尤其与蓝藻水华暴发年代的数据进行对比,对蓝藻水华的暴发进行预判断。
3.3.2应急预警监测
从每年4月开始启动常态监测,主要通过卫星遥感监测、气象观测、自动在线监测,实验室藻密度、优势种、叶绿素a监测。常态预警监测每周监测一次。加密预警监测由预警监测领导小组根据环保、水利(务)以及气象监测(观测)信息研判决定。采取加密预警监测措施的主要依据:(1)卫星遥感图片显示蓝藻大面积出现;(2)水面风速小于3m/s;(3)风向是西北或西风,温度偏高;(4)常态预警监测结果显示水质异常,水体中微囊藻数量急剧增加。应急预警监测范围自饮用水源地取水口起由内向外分三条线:内线为饮用水源地取水口;中线为饮用水源地湖体I至Ⅱ级保护区之间;外线为饮用水源地取水口外5公里一线。应急监测将全面启动遥感监测、气象监测、自动在线监测、人工现场观测、实验室分析,监测频次为每天一次,自动在线监测每2—4小时上报数据一次。
3.4预警信息的发布
预警监测技术小组及时通过内部共用信息平台共享最新的预警监测信息。预警监测工作人员发现数据异常时,要经过三个部门的统一协商,上报预警监测领导小组。领导小组会同专家组协商蓝藻暴发的预警结果及其发展趋势,并将判研结果汇报政府和自来水厂。政府负责对太湖蓝藻暴发事件的新闻媒体报道实施管理、协调和指导,对蓝藻暴发事件进行正确的舆论引导,及时向社会公开蓝藻暴发事件的相关信息,保障公民享有知情权,并有效引导舆论,尽可能减少因心理恐慌造成的负面影响,树立政府新形象。
3.5预警监测的终止
在采取一系列应急措施之后,根据预警组的跟踪监测结果,当结果显示饮用水源地水质达标,蓝藻水华的影响基本消除,由市应急工作小组或根据专家组意见作出决定,解除应急响应,恢复正常的常效管理。


4预警监测的保障机制
4.1资金和物资保障
政府应预先设立蓝藻水华监测的专项资金,以及时应对蓝藻水华的暴发。各部门预警监测所需的资金由政府有关部门提出,经市财政审核后,按规定程序列人年度财政预算。各级财政和审计部门要对应急保障资金的使用和效果进行监管和评估。借鉴国内外蓝藻监测的先进技术,及时更新监测仪器,以提高应对蓝藻暴发的监测能力。
4.2人才保障
蓝藻水华预警监测涉及环境、生物、化学、物理、气象、遥感、水文等多个学科,对专业技术人员的要求也较高,既要求扎实的专业基础知识,还要有丰富的实践经验。因此。对专业人才的培养显得尤为重要,也是科学预警的必要条件。可以通过引进来和送出去的方式对技术人员进行培训,引进在蓝藻监测方面有丰富经验的专家学者来对技术人员进行讲解和现场培训,或将技术人员送到科研院所进行系统的培训。
4.3技术保障
蓝藻水华暴发的机理目前在学术界尚未有统一的定论,蓝藻水华的研究工作也需要进一步深入。政府应该鼓励对蓝藻的机理和防治技术研究,以及对蓝藻监测新技术的研发。水质预警的模型现在已经有很多,但是真正能在监测部门中推广的却很少,因此,要针对预警监测的需要,开发出最合适的水源地蓝藻水华的预警模型和数据库,以提高监测部门的预警能力。

责任编辑: 安恒环境科技

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