伊利湖水華治理介紹

1、伊利湖水華治理介紹中國科學技術大學 地球與空間科學學院 黃衛(wèi)東/u/huangwd99/摘要：過去十年，伊利湖內總磷濃度上升，缺氧區(qū)增大，持續(xù)時間延長。流域水中總磷和溶解磷上升。湖內局部區(qū)域藍藻微囊藻(microcystis)和綠藻剛毛藻 （cladophora）超過了七十年代。藍藻lyngbya wollei,2006年在maumee湖灣大量生長，形成了厚厚的藻毯，在湖灘形成了大量污垢，直到冬天。研究認為，斑馬貝和條紋貝（zebra and quagga mussels）改變了食物鏈，改變了磷進入湖泊的形態(tài)，可能是湖泊水華問題的主要原因之一，對上

2、游監(jiān)測表明，進入伊利湖河水的溶解磷濃度增加，它們對藻類生長有直接影響。如何治理這個問題，兩國管理者通過廣泛研究，一致認為，控制營養(yǎng)鹽，特別是磷仍然是湖泊治理的主要目標。未來將評價湖邊和湖心營養(yǎng)鹽狀況，發(fā)展湖泊治理策略。增加的主要措施：控制合流污水直接排放，減少營養(yǎng)鹽磷等污染。一、伊利湖水華治理歷史簡要介紹伊利湖是五大湖中最淺的湖，春天和夏天溫度上升很快，秋天冷卻也很快，冬季大部分湖面結冰。生產力是五大湖最高的湖泊。分為西部、中部和東部三個部分，平均深度分別為7.4，18和24m，最大深度64米。中部和東部每年熱分層，但是西部分層時間很短。主要風向是西南風和東北風，產生很大波浪。在西部，常常涌上

3、湖岸。80水來自detroit河，11來自降雨。流域人口約1160萬，包括17個人口多于5萬人的城市。流域農業(yè)發(fā)達，侵蝕嚴重，帶來了大量沉淀物。西部湖區(qū)渾濁，很多沉淀物逐漸都轉移進入中部和東部湖區(qū)。沉淀物本身也是一種污染，由于伊利湖淺，湖底覆蓋的細小顆粒，容易被風浪攪動而上浮。圖1、伊利湖湖底地形1950s，伊利湖營養(yǎng)鹽負荷增加，生產力大幅度增加，導致嚴重的富營養(yǎng)化，藻類水華頻繁發(fā)生，水面充斥藍藻河綠藻，濁度增加，長而綠色的剛毛藻覆蓋糊灘。藻類死亡沉入水底，又引起湖底缺氧。中部湖底夏季分層，含氧低，容易缺氧。當溶解氧低于1mg/l時，缺氧環(huán)境改變了水底化學過程，磷容易從沉淀物中釋放出來，在水中

4、循環(huán)。富營養(yǎng)化在19501970s加速，中部湖區(qū)很多地方缺氧。磷過多是主要原因。美加兩國協(xié)議減少污水處理廠出水磷含量，減少洗滌劑中磷含量，治理農業(yè)面源污染中的磷。此外，1980s末外來斑馬貝明顯改變了湖內生態(tài)系統(tǒng)。斑馬貝是濾食動物，大量生長，估計（1995年）濾食了26的藻類，使水體透光深度增加77。到1980s中期，延續(xù)到1990s，伊利湖基本達到了美加兩國協(xié)議制定的控磷消除富營養(yǎng)化目標，溶解氧濃度一度達到1950s初水平。但是最近10年，湖內總磷濃度增加。雖然統(tǒng)計資料沒有顯示明顯的增加趨勢，但是，它顛覆了湖泊治理成功方案。大多數研究認為，斑馬貝和條紋貝改變了近岸區(qū)營養(yǎng)鹽動力學。通常磷沉降到

5、湖底，使水中磷減小，但湖底沉淀物中磷增加。貝類活動使近岸湖底磷循環(huán)，進入水中，增加了水中磷濃度。此外，過去幾年發(fā)生的幾次強降雨，增加了流域雨水徑流中磷。過去十年，排入伊利湖西部主要河流污染物濃度的監(jiān)測結果顯示，溶解磷濃度明顯增加。二、排入伊利湖中西部主要河流磷監(jiān)測結果監(jiān)測河流和自動取樣站點位置設置如下表1，站點設在美國地質調查局（usgs）流量監(jiān)測站內，通常每天取三次樣，大流量時分析三個樣，正常流量時分析一個樣，每年每個站點約分析樣品400450個，主要分析懸浮物，營養(yǎng)鹽，主要離子和殺蟲劑等。根據監(jiān)測流量和監(jiān)測濃度換算得到負荷。表1 伊利湖西部流域監(jiān)測點位置1、流量監(jiān)測結果：污染物負荷是污染物

6、濃度和流量的乘積，負荷趨勢可能是流量引起，也可能是濃度引起，還可能兩者共同引起。同時濃度上升會被流量下降所掩蓋。提供流量趨勢變化可以用來解釋負荷趨勢。自2000年以后，所有河流，除maumee河，均大幅度增加了流量。它們都導致了負荷的增加。maumee河流量變化較小。2、懸浮固體監(jiān)測結果：懸浮固體ss本身是湖泊、港口和海灣的主要污染物之一，許多污染物吸附在懸浮固體上。特別是磷和某些狀態(tài)的氮。因此，根據ss的變化趨勢，可以識別其他污染物趨勢的原因。主要河流maumee顯示強烈下降趨勢。圖2、伊利湖西部流域流量變化 19752004 （ft3/s)圖3、伊利湖西部流域ss排放量1975-2004（

7、t/day)圖4、伊利湖西部流域tp 排放量 （t/day)圖5、伊利湖西部流域溶解磷 排放量（t/day）3、總磷tp監(jiān)測結果:是指示伊利湖修復效果的參數，表征了湖泊的營養(yǎng)狀態(tài)。對湖泊管理非常重要。大多數tp與ss相關，但是這種相關比例隨河流和季節(jié)發(fā)生變化。tp負荷與ss負荷基本一致，尤其對sandusky和grand河。除maumee河的tp（計算濃度約66ppt）負荷上升趨勢不明顯外，其他河流都明顯增加。4、溶解性磷監(jiān)測結果：溶解性磷容易被生物吸收利用，是富營養(yǎng)化管理中非常重要的參數。溶解性磷增加對伊利湖生態(tài)系統(tǒng)影響很大。最近十年，溶解性磷負荷持續(xù)增加，雖然它們與流量增加相關，但是也存在

8、濃度明顯增加，表明流域內存在某種變化。5、趨勢分析表 2是主要污染物日排放負荷變化，1995前和后主要根據ancova法分析，1995年前后負荷變化趨勢見表2，1995年之前顯示改善的總體趨勢（污染負荷減少），1995以后，則是負荷增加，環(huán)境變差。采用其他方法分析，同樣得到這種變化趨勢，達到每10年超過10。最明顯的是溶解性磷，到2004年，超過了開始記錄的最高水平。其他三種水質參數，1995年之前12個趨勢中11個是下降，而1995年之后有11個增加。雖然流量增加是負荷增加的重要原因，但是濃度也顯示增加趨勢。可能原因包括，人口變化，大量增加的牲畜飼養(yǎng)量，減少使用傳統(tǒng)耕作方法，地表營養(yǎng)鹽濃度增

9、加。識別這些原因需要大量數據，同時需要發(fā)展高度復雜的模型，包括將流域、湖泊和生物過程相互連接起來。三：水華與營養(yǎng)鹽現狀1、營養(yǎng)鹽和食物鏈，伊利湖營養(yǎng)狀態(tài)研究美國環(huán)保局資料顯示，從19832000年，伊利湖營養(yǎng)指數不斷下降，每年總磷濃度約下降0.2ppt，但是，最近十年，最早1995年，在春季，營養(yǎng)鹽反而呈現上升趨勢。這個變化與最近幾年進入湖泊磷的數量增長有關，其原因可能是暴雨增加，帶來的洪水和侵蝕。數據顯示，最近幾年，從niagara河出水中帶走的磷比上游河流進入伊利湖的磷多。很長時間內就觀察到，水的濁度在春季發(fā)生了變化。浮游植物細胞比1980s時代小，但數量增多。浮游動物不與以前豐富。199

10、12000年期間，伊利湖中部水底bod幾乎全年保持不變，但沉積物bod在夏季增加。水的澄清度增加，夏季的光線能進入水下深處，藻類現在在西部和中部湖區(qū)水下深處生長。剛毛藻，一種絲狀綠藻，在多巖石的湖岸底部生長。水下深處細菌活性大，但近岸淺水處藻類很少，而貝類數量很大。斑馬貝已從東部和中部湖底消失，但條紋貝大量繁殖。貝類總密度比前幾年略有減少，也許是蝦虎魚數量增多的緣故。自從1970s調查以來，無脊椎動物，特別是浮游和石蠶等在湖岸波浪大的區(qū)域，數量和類別大大減少。蝦虎魚數量比兩年前略有減少，但仍然很多。它們大都在湖底靠近岸邊的石頭和砂石地區(qū)生活。它們已似乎成為大眼獅鲇的主要食物。證據表明，貝類活動

11、，導致營養(yǎng)鹽內部循環(huán)更充分，促進了湖內磷的利用。導致中部湖區(qū)缺氧區(qū)范圍和頻率增加。春季濁度增加，原因包括，秋季和冬季暴雨帶來的更多顆粒物，超過夏季沉降數量，春季和冬季水溫低，顆粒物沉降速度慢。2002和2003年水溫是歷史上最低記錄。2藍藻近來，藍藻水華在局部和某些季節(jié)又重新成為顯著的污染事件。某些藻會產生有毒有害物質，其他一些會產生感觀危害，改變水的氣味，從而影響生產自來水和娛樂。1960s和1970s，藍藻爆發(fā)在伊利湖很常見。在溫暖的8月和9月，岸邊常堆積藻華，湖心也充滿大量藍藻。隨著五大湖水質協(xié)議的執(zhí)行，在1980s和1990s，磷濃度不斷下降，接近預定目標，大湖也有了明顯的響應，藍藻水

12、華最終消失。令人難以想到的，藍藻水華突然又在1995年出現在西部湖區(qū)。主要是不能固氮的，能夠產生肝毒素的微囊藻。過去水華主要是能固氮的項圈藻和束絲藻毒素。主要原因可能是磷的上升，貝類帶來的生態(tài)系統(tǒng)變化和p/n比改變。微囊藻在1996和1997年沒有爆發(fā)，但到1998年又出現，直到2001年每年都出現，2003年又嚴重爆發(fā)，不僅在西部湖區(qū)，而且延伸到中部湖區(qū)。東部湖區(qū)的藍藻數量也增加了。藻華數量近年來發(fā)生變化，湖心水華面積不斷增大，伴隨缺氧區(qū)在中部湖區(qū)增加，顯示伊利湖營養(yǎng)狀態(tài)增加。伴隨微囊藻分泌的肝毒素增加，其他有毒化合物數量也不斷增加。藍藻帶來的味道，氣味和生物量問題同時發(fā)生。2006和200

13、7年，水底生長的藍藻lyngbya wollei在maumee湖灣大量爆發(fā)，這種藻以前在伊利湖很少，顯示伊利湖生態(tài)系統(tǒng)劇烈變化。這種藻被沖上湖岸后，導致植被被覆蓋，在積累的湖灘上，產生惡劣的氣味 。3 剛毛藻剛毛藻是一種絲狀綠藻，主要生長在巖石上，最早在1848年在西伊利湖發(fā)現。剛毛藻在五大湖無處不在，歷史上剛毛藻藻害與磷過多密切相關。剛毛藻大量生長，會產生毯狀物漂浮在水中。它們會纏結在漁網上，導致漁網捕魚效率下降，清理污染物時間增多，還會危害游泳者安全，阻塞污水處理格柵，增加維護費用，嚴重時導致設備關閉。湖岸積累的剛毛藻腐爛，釋放大量有毒氣味，減小湖岸價值，使旅客數量減少。byappanah

14、alli等研究還認為，剛毛藻內大腸桿菌存活時間長，濃度大，表明利用大腸桿菌作為致病菌的指示物已經不恰當。剛毛藻需要生長在巖石等堅硬湖底。它主要出現在東部湖區(qū)，中部南岸湖區(qū)和西部小島周圍。howell和higgins等系統(tǒng)調查了剛毛藻（19952002），主要出現在東部湖區(qū)。在東部湖區(qū)的北岸，96巖石上生長剛毛藻，不僅僅出現在營養(yǎng)鹽排放區(qū)域，例如河口，或污水排放點。估計重量約11000噸。7和8月常在湖岸積累大量剛毛藻，產生嚴重氣味，當地居民常常抱怨。東部湖區(qū)南部也有嚴重泛濫的報道。圖6 伊利湖底剛毛藻生長照片，拍照地點grant point，水深2米，時間2003年7月在中部湖區(qū)，發(fā)現剛毛藻的

15、報道包括安大略的rondeau湖灣，cleveland，賓州湖岸。西部湖區(qū)，主要生長在小島周圍的巖石湖底。分布深度與光的穿透深度有關，在東部湖區(qū)可達15米，當前剛毛藻在5米深以內的分布量接近1960s和1970s（176g 干/m2)水平。深處數量更大，與大量貝類濾食作用提高水的清澈度有關。canale等提出剛毛藻生長模型，在伊利湖東部進行了標定。模型預測，剛毛藻生長速度與溶解性磷密切相關，減少磷濃度會降低剛毛藻問題。模型結果與實測初夏剛毛藻組織內磷濃度迅速降低到臨界水平是一致的。使用瓊脂緩慢釋放營養(yǎng)鹽證明剛毛藻生長速率受磷限制。lowe和pillsbury等研究顯示貝類活動增加了剛毛藻數量。

16、目前，正在通過模型估計斑馬貝和條紋貝對東部湖區(qū)剛毛藻生長的影響。四、重視溶解性磷的增長趨勢在1980s，人們將湖內水質與排入伊利湖外來磷負荷的關系定義為總磷負荷。雖然點源排放的磷可以被生物直接利用，然而，非點源污染中磷很大部分不能被生物直接利用。因此，總磷不是控制湖泊營養(yǎng)鹽負荷最好的參數。面源污染中磷大都存在于懸浮固體中，僅有2530磷能被藻類利用。這部分磷被生物利用后，通過死亡沉降到湖底，而溶解性磷能夠完全被藻類利用，能夠被傳輸到湖內。最近對ohio流域內排入伊利湖的磷負荷顯示，溶解性磷的負荷特點與顆粒態(tài)磷負荷特點顯著不同。面源治理通過控制侵蝕，使用緩沖帶沉降等方式，著重減少顆粒態(tài)磷，它們在

17、減少顆粒態(tài)磷方面效果較好。溶解性磷在1990s中期之前也得到較好控制。但那以后，溶解性磷迅速增加，達到1970s末和80s初水平。而伊利湖內藻類趨勢于溶解性磷趨勢非常一致，勝于與總磷或顆粒態(tài)磷的關系。2007年3月ohio州建立伊利湖磷任務組，研究和識別潛在磷來源，推薦政策或管理措施，有效減少排入伊利湖的溶解性磷。由于農業(yè)是ohio州主要土地用途，任務組首先研究農業(yè)來源的影響。包括磷如何從土壤進入天然水體，通過討論，顯示需要大量數據理解農業(yè)雨水徑流如何釋放土壤中磷。目前缺少很多資料，如肥料加到土壤中營養(yǎng)鹽變化，土壤本地資料，分層資料，雨水徑流化學成分資料，預計2008年報告研究結果。五大湖保護基金資助heidelberg學院水質研究中心研究農業(yè)面源溶解性磷增加的原因，減少徑流中溶解性磷從sundusky河流域進入伊利湖。在農業(yè)面源污染治理，減少顆粒態(tài)磷的同時，溶解性磷卻增加。雨水中增加溶解性磷的原因之一是未耕種和部分耕種的莊稼地減少了顆粒磷，但溶解磷增加。沒有耕種期間，土壤表