朱云,等:调水出湖对改善梅梁湖水环境的作用分析
添加时间:2024-01-08 09:47:22 作者:朱喜、朱云
来源:水利天下
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(1.无锡市水利工程管理中心,江苏无锡,214000;2.江苏省水文水资源勘测局无锡分局,江苏无锡,214000;3.无锡市水利学会,原无锡市蓝藻治理办公室,江苏无锡,214000)调水是以往太湖治理常用措施之一。有相当部分人提出:太湖调水究竟有无作用?实践证明,调水(包括引江济太和调水出湖)对太湖水环境均有相当大的作用。太湖调水是通过人工手段、建设相应工程改变自然水流的路径、水量、流速、水位等水文水动力因素,到达受水区,达到人们所希望的改善受水区或水源区水质和水生态的要求,实现人水和谐。太湖调水是现代社会为解决大中型湖泊水环境问题所采取的主要措施之一,也是提升太湖水质和减轻蓝藻爆发程度最早的典型案例。调好水或相对较好的水进入太湖,改善水环境。主要是“引江济太”调水入湖,其明显改善了贡湖(太湖北部的湖湾、148km2)水质、减轻了蓝藻爆发程度。而不是有些人认为的调水入湖升高了太湖TP浓度。将太湖中水质较差的水调出太湖,改善水环境。主要是梅梁湖泵站、大渲河泵站把较差的梅梁湖水调出太湖,改善水环境。本文主要论述此类调水。这主要是太湖中游河道如直湖港、武进港、梁溪河等3条入梅梁湖河道(以下简称3条入湖河道)和近十条入贡湖河道,在其入湖口门处建设控制水闸,阻挡河道污水入湖。梅梁湖系太湖北部湖湾,面积124.5km2,平均水深2.05m,容积2.55亿m3。主要有3条入湖河道。梅梁湖水面较为宽广,其南部与太湖湖心相邻,水交换频繁,在风力作用下,平均进出交换水量为120~150m3/s。湖周围为梅梁景区,景色优美,风景秀丽,山清水秀,是全国闻名风景区。以往梅梁湖是太湖中污染最重、污染发展速度最快的一个大型浅水湖湾。其蓝藻爆发和富营养化严重,水生态系统严重退化,湿地几乎全部消失殆尽。其水质20世纪70年代为Ⅱ类,90年代已达到劣于V类。1990年梅梁湖第一次蓝藻规模爆发后几乎年年爆发,爆发程度日益严重,每年夏秋季蓝藻在藻类中已占绝对优势。蓝藻密度大,年最大密度如1994年7月达到13亿个/L;梅梁湖水质一般较太湖湖心差1~2个类别。 在上个世纪末和本世纪初,梅梁湖时有发生突发性水污染事件,如1990~2007年共发生蓝藻爆发、规模“湖泛”等影响供水的水污染事件六次,影响全市数百万市民和游客的生活,每次的经济损失有数十亿元。直至2007年下半年开始实施调水出湖措施起梅梁湖水质才开始持续改善。⑴3条入湖河道把大量污染物带入湖中。如2003年3条河道入湖水量共6.7亿m3,入湖水质均劣于V类,把大量污染物带入湖中。⑵ 自来水厂尾水排入。原梅园水厂尾水每年排放入湖90万m3,原小湾里源水厂排放100余万m3,原马山水厂排放23万m3。后这3个自来水厂或源水厂均因为梅梁湖水污染而关闭。⑶ 底泥释放。经太湖局有关部门测量,梅梁湖原有淤泥总量1.05亿m3,南浅北深。淤泥大量释放N P等污染负荷和冬春季节存储大量蓝藻种源,已成为梅梁湖富营养化和蓝藻爆发的主因之一。梅梁湖淤泥释放率高,如2002年三山以北的N、P释放率分别达到48.6、3.2mg/(m2.d)。⑷ 蓝藻及其残体污染。蓝藻爆发时期,特别是刮偏南风时段,太湖湖心蓝藻大量吹进梅梁湖湖湾,蓝藻及其残体大量聚集堆积于湖湾特别是其北部,加重污染和第二年蓝藻爆发程度。⑹ 自然地理环境因素。梅梁湖形似口袋,污染物易进不易出,从湖心吹进的蓝藻和入湖河道的污染物一般在非汛期不易输出,马山圩又把原本微弱的湖流隔断;湖水浅,夏天高温易发生“湖泛”;入湖水量少,建闸挡污前3条入湖河道的年换水次数不足2次,而建闸挡污后的换水次数几乎为零,所以梅梁湖湾内的污染物不易得到净化。2007年下半年起无锡市采取综合性措施治理梅梁湖,取得较好效果。⑴ 建闸挡污。3条入湖河道在1990年起的几年中先后建设控制水闸(节制闸和船闸),全年实施关闸挡污,河道污水几乎不入湖。⑵ 调水增容和带走蓝藻。梅梁湖泵站(50m3/s)和大渲口泵站(30m3/s)先后建成投入运行,自2007年起实施调水出湖常态化运行。⑶ 生态清淤。至2022年实施多次清淤,主要清除蓝藻爆发和“湖泛”严重水域的淤泥,合计清淤面积26.6km2、清淤数量632万m3。清除底泥中蓝藻,有效降低淤泥N P释放率,清除有机质、消除“发生湖泛”的基础物质。⑷生态修复。实施梅梁湖小湾里水源地生态修复面积7km2;2008~2009年十八湾北部进行生态修复;在原梅园水厂水源地、马山附近水域等处进行多次生态修复、恢复湿地工程;项目验收时均有改善水质的良好效果。 ⑸ 打捞蓝藻。2007~2022年梅梁湖打捞蓝藻水752万m3。打捞蓝藻主要为打捞调水主水流不经过水域的水面蓝藻,减轻蓝藻爆发和消除蓝藻堆积现象,降低蓝藻在藻类中所占比重。⑹ 控制渔业污染。控制湖周围鱼池污染和2020年10月起实施太湖禁捕。⑺ 绿化措施。梅梁湖沿岸陆域全面建设绿化带或湿地,减少地面径流污染。自2007年5•29太湖供水危机的第2天5月30日起实施梅梁湖泵站调水出湖。因为泵站原设计为非长年持续运行,为确保泵站能全年持续运行安全,2009年在梅梁湖泵站附近建设大渲河泵站,2个泵站轮流运行。2007-2022年2个泵站调水出湖共123亿m3,年均调水7.68亿m3,平均流量为24.35m3/s(表1)。单位:水量亿m3,水质mg/L,重量.t,蓝藻密度万个/L
2007年发生太湖5•29供水危机的实质是发生“湖泛”、形成黑水臭气,其重要条件之一是水源地水体静止或相对静止。自2007年5月30日梅梁湖泵站开始调水出湖后,打破了贡湖水源地(贡湖为梅梁湖的相邻水域)水体相对静止的状态,所以梅梁湖泵站调水是解决贡湖5•29供水危机的主要措施之一。⑴ 梅梁湖水质得到明显改善。2022年较调水以前的2006年TP、TN浓度分别下降69%、81.1%。⑵ 2022年与2006年比较,梅梁湖水质改善速度明显快于湖心。2006年梅梁湖、湖心的TP分别为0.226、0.1mg/L,2022年分别为0.07、0.065 mg/L,分别下降69%、35%,梅梁湖较湖心下降幅度多34个百分点;2006年TN分别为6.1、2.67 mg/L,2022年分别为1.15、1.1 mg/L,分别下降81.1%、58.8%,梅梁湖较湖心下降幅度多22.3个百分点。⑶2007-2022年平均值比较,梅梁湖水质改善速度明显快于湖心。梅梁湖与湖心16年(2007-2022)平均值比值:TP=0.085/0.069=1.23 ,TN=2.03/1.8=1.128;2006年比值TP=0.226/0.1=2.26 ,TN=6.1/2.67=2.28。说明16年梅梁湖水质TP TN的改善速度均较湖心快1倍多,16年来总体均得到明显改善。以图1、图2二组曲线进行分析,其中梅梁湖与湖心两者水质之比值设为B。① 1987-2006年。图1、图2中,1987年梅梁湖与湖心的TP或TN两者的距离均较近,表示B值均较为接近,B(TP)=0.045/0.035=1.29(倍),B(TN)=1.72/1.33=1.29;2002年,TP TN两者的距离最大,B值均较大,B(TP)为3.3,B(TN)为2.9;2006年,B(TP)为2.26,B(TN)为2.29。说明此阶段由于没有采取调水等措施,1987年起梅梁湖污染开始日益加重,蓝藻开始小规模爆发,其水质TP TN与湖心的差距均逐步加大,污染日益重于湖心,差距至2002年达到最大。 ② 2007-2010年。图1、图2中梅梁湖与湖心的TP、TN两组曲线各年份的距离均较近,B(TP)或B(TN)均较为接近,一般均在1.2-1.9之间。表示2007年实施调水出湖等措施后,梅梁湖的水质开始逐步得到改善,且其改善速度快于湖心。③ 2011-2022年。图1、图2中,梅梁湖与湖心TP TN两组曲线均非常接近,有时甚至交叉。此阶段的B(TP)或B(TN)在0.8-1.2。说明此阶段由于调水5年后梅梁湖水质TP TN均得到稳定改善,逐步接近湖心,甚至TN在2011、2015、2020年,TP在2012、2018年优于湖心。
调水出湖带走大量蓝藻,降低藻密度,是减轻蓝藻爆发程度的主因之一。① 2022年较2017年梅梁湖降低藻密度幅度大于湖心。梅梁湖2022年藻密度7500万个/L,较太湖蓝藻爆发最严重的2017年的藻密度最大值24800万个/L,降低69.8 %;湖心同期仅降低51.7%。 ② 梅梁湖藻密度平均值降低速度快于湖心。2009-2022平均值,梅梁湖与湖心藻密度的比值为1.379;2009年的比值为4.895。说明此期间,虽然太湖藻密度快速增加,但梅梁湖藻密度的增加速度较湖心慢3倍多,说明16年来梅梁湖的藻密度的发展由于调水出湖等措施得到有效控制。由于调水出湖改善了水质,降低富营养化程度,降低了藻密度,及清淤和打捞蓝藻等措施的作用,使蓝藻爆发程度得到减轻。4.5 有效改善梁溪河和京杭运河及中心城区河道水质梅梁湖调水出湖的线路为梅梁湖→梁溪河→京杭运河,因为梅梁湖改善后的水质明显优于梁溪河、京杭运河,所以调水出湖线路经过水域的水质得到明显改善。其中2022年较2007年,梁溪河水质(河道标准)由劣Ⅴ类改善为Ⅲ类。梁溪河进入京杭运河及中心城区河道后也使其水质得到相当程度改善。梅梁湖的多项治理措施均发挥一定的不可相互替代的作用。在控制外源的基础上,治理湖体污染的调水、清淤和打捞蓝藻三项措施中,对削减P N、提升水质各有不等的贡献。⑴ 清淤632万m3,清除的底泥中含TP、TN分别为6130 t、10491t;清淤16年(以平均8年计)相当于减少TP、TN释放量分别为248t、3776t。⑵ 打捞蓝藻水752万m3,相当于清除TP、TN分别为340 t、3350 t。⑶ 调水123亿m3,直接带走水体中TP、TN分别为1049t、25477t;带走水中蓝藻干物质59040t,折合TP、TN分别为501 t、3953 t,调水合计分别带走TP1550 t、TN29430t。⑷ 调水、清淤和打捞蓝藻三者合计削减TP负荷为2038t,占比分别为71.1、12.2、16.7%;三者合计削减TN36559t,占比分别为80.5、10.3、9.2%。三者中,调水出湖在削减P N、提升水质方面的贡献率最大(表2)。目前,3条入湖河道均已实施建闸挡污,基本无河道污染负荷入湖,调水出湖是能够改善梅梁湖水质的主要原因,具体分析如下:⑴ 调水带走大量污染物。带走底泥释放的和水体中存在的污染负荷,带走本水域产生的和湖心吹来的蓝藻。调水16年来共带走水体中营养物质TP1550t,TN29430t,并带大量蓝藻,可直接提升梅梁湖水质和减轻蓝藻爆发程度。⑵ 梅梁湖调水出湖引进较好的湖心水。1987-2010年,湖心水域水质一直优于梅梁湖,2011-2022年的大部分年份湖心水域水质仍然优于梅梁湖,所以调湖心优质水进入梅梁湖,能够直接改善梅梁湖水质。⑶增加换水次数和提高湖体自净能力。2个泵站16年来调水出湖123亿m3,使梅梁湖年换水次数较建闸挡污的初期平均增加3次,并增加相应的环境容量,提高水体流动性、增氧,提高湖体自净能力,提高湖体自净能力,加快净化水体和提升水质。 表2 2007-2022年梅梁湖调水清淤和打捞蓝藻减少TP TN贡献率
实施调水前,梅梁湖水体流动,主要依靠本水域内风浪运动及与太湖湖心水域一定量的水交换。由于水体运动,及微生物、鱼类和植物等生物的作用,使梅梁湖有一定的自我净化能力。梅梁湖水质的改善过程经历以下阶段:⑴ 20世纪80年代-2006年,梅梁湖内源污染的增速明显大于其自我净化能力,导致梅梁湖污染日益严重,其水质TP TN明显劣于湖心,且差距日益加大。其原因:① 河道入湖污染负荷多。20世纪80年代-1990年,入湖河道均未建闸挡污,大量河道污染负荷入湖及积存与底泥;1990年后,3条入湖河道先后建闸挡污,河道污染负荷入湖逐步减少、直至接近为零;② 蓝藻污染。1990年起梅梁湖本水域产生和湖心吹进的蓝藻日益增加;③ 日益增加并大量积存的湖底淤泥释放大量污染负荷。⑵ 2007-2011年,由于调水等措施使梅梁湖外源入湖和内源负荷日益减少,梅梁湖自我净化能力逐步增加、接近内源负荷的增速。使梅梁湖TP TN浓度由大幅度差于湖心改善为逐步接近湖心。其原因:① 2007年实施调水后增加了湖体的流动性和自我净化能力,带走大量蓝藻,带走底泥释放的和水体中存在的污染物;② 调水水流不断带走底泥释放的污染负荷后,使底泥释放污染负荷速度有所减少;③ 调水后使湖心较好的水进入梅梁湖,直接改善梅梁湖水质。⑶ 2012-2022年,由于调水等措施使梅梁湖的内源负荷得到逐步削减,内源负荷增速基本与其自我净化能力持平,致梅梁湖水质持续接近湖心水质,有时达到或优于湖心。其原因:① 调水5年以后,调水进一步增加梅梁湖水体的自我净化能力,带走蓝藻和水中污染负荷及底泥释放的污染负荷;②底泥污染负荷释放速度继续减慢;③ 调水后使湖心较好的水继续改善梅梁湖水质。⑷ 2022年后,2012-2022年改善梅梁湖水质的3个原因继续存在,且由于将深入治理梅梁湖,生态修复恢复湿地,治理污染和蓝藻,梅梁湖自我净化能力继续有所增强,其水质会与湖心持平,并保持稳定。⑴ 调水出湖是人工治理(修复)梅梁湖水环境的主要措施,其削减P N提升水质的作用大于清淤和打捞蓝藻,同时可带走蓝藻和消除2007年529类型的供水危机。但三者各有其不可相互替代的作用:清淤主要可以快速削减实施清淤水域底泥的有机物质,消除“湖泛”的基础物质,也可削减一定的P N和蓝藻;打捞蓝藻可以消除水面蓝藻的堆积,直接改善感观效果和生活、旅游环境,也可削减一定的P N。 ⑵ 人工调水(调水入湖或出湖),只要有条件,均可在一定范围内改善水质,且是一个较为长期的可以治理太湖及其他类似湖泊的主要措施。⑶ 人工修复(人工治理)与自然修复结合,人工修复促进自然修复,促进自然界自我修复生态系统的能力,使自然修复能力逐步大于污染负荷入湖速度,于是使梅梁湖水质继续得到改善,并与湖心水质持平,且保持稳定。结语。今后继续调水的基础上,进一步加大治理梅梁湖的力度:一是加大上游控源截污力度,继续做好3条入湖河道关闸挡污工作,全面控制点源和面源污染;二是尽快实施污水厂提标至地表水湖库标准Ⅲ类,现在完全可以做到,其中高速离子气浮技术、固载非有机碳源硫自养反硝化工艺能够分别使TP、TN提标至地表水湖库标准Ⅰ-Ⅲ类,已在全国推广,且投资不多和费用低;三是采取水土蓝藻三合一治理技术,同时消除水体、底泥污染,消除水面水体和水底的蓝藻,其中包括原位清除淤泥污染,不占用土地资源;四是通过改善生境,在梅梁湖的沿岸水域和中间水域,生态修复恢复湿地,使湿地面积达到水面积25%;最后是配合科学禁捕,合理养殖水生动物。以上措施可以提高治理效率,加快治理梅梁湖速度,使水质全面持久达到Ⅲ类及消除蓝藻爆发,使成为全国大中型湖泊治理污染和蓝藻爆发的典范。