朱廣偉,許 海,朱夢(mèng)圓,肖 曼,國(guó)超旋,鄒 偉,張運(yùn)林,秦伯強(qiáng)

(中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/湖泊與流域水安全全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210008)

水庫(kù)是人類(lèi)長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐中,為對(duì)抗自然變化而建造的水資源調(diào)控工程,對(duì)于保障人類(lèi)生產(chǎn)、生活具有極其重要的作用。我國(guó)是水庫(kù)大國(guó),截止2019年擁有大小水庫(kù)98112座,其中面積大于1 km2的水庫(kù)5156個(gè),是面積大于1 km2天然湖泊數(shù)量(2670個(gè))的近2倍[1]。當(dāng)前我國(guó)仍在使用的最古老水庫(kù)是安徽壽縣安豐塘,該庫(kù)始建于春秋中期(公元前613-公元前591),引淠河、澗河之水筑壩而成,現(xiàn)有面積34 km2,庫(kù)容0.9046×108m3,兼具灌溉、蓄澇、生態(tài)、航運(yùn)等多種功能,灌溉面積達(dá)450 km2[2]。近年來(lái),我國(guó)城市化發(fā)展快,人口及產(chǎn)業(yè)集聚地快速提高,對(duì)水資源供給的穩(wěn)定性、安全性要求越來(lái)越高。因此,越來(lái)越多的城市將水資源調(diào)蓄能力強(qiáng)的水庫(kù)作為水源地。如上海市在長(zhǎng)江口建設(shè)了青草沙水庫(kù)水源地,2010年10月通水[3];源于丹江口水庫(kù),惠及河南、河北、北京、天津4個(gè)省市24座城市1.1億人的南水北調(diào)中線工程,2014年12月正式通水[4];杭州市、嘉興市的千島湖引水工程2019年9月投入運(yùn)行[5]。截止2020年,我國(guó)340個(gè)縣級(jí)以上城市及55個(gè)百萬(wàn)人口以上大城市的1093個(gè)集中式飲用水源地中,屬于水庫(kù)或湖泊類(lèi)型的有444個(gè),屬于河流型的有336個(gè),屬于地下水型的有313個(gè)[6]。從供給人口占比看,湖庫(kù)型水源地供給最多,以北京、上海、天津、重慶、深圳、杭州、福州、青島、蘇州、香港10個(gè)典型城市為例,其湖庫(kù)供給人口占比為72.9%[6]。擁有大型水庫(kù)水源地在一定程度上成為該城市能否實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的要素之一。

與河流或天然湖泊相比,水庫(kù)一般深度大、顆粒沉降充分、水溫分層穩(wěn)定、底泥擾動(dòng)小[7-8],水質(zhì)相對(duì)更加優(yōu)良。然而,作為流域水資源的調(diào)蓄單元,水庫(kù)又往往具有流域匯水區(qū)面積大、水力停留時(shí)間短、水位波動(dòng)大、生態(tài)系統(tǒng)脆弱、水質(zhì)年際變化大等特點(diǎn)[9],水質(zhì)容易發(fā)生“突變”[10]。如貴陽(yáng)市水源地百花湖水庫(kù)1994年9月下旬發(fā)生低氧、黑臭、死魚(yú)的“黑潮”事件[11];長(zhǎng)春市水源地新立城水庫(kù)2007年7月在暴雨及罕見(jiàn)高溫疊加等因素影響下出現(xiàn)了大面積藍(lán)藻水華[12],導(dǎo)致供水中斷;秦皇島市水源地洋河水庫(kù)2007年7月突發(fā)卷曲長(zhǎng)孢藻(Dolichospermumspiroides)水華,引發(fā)水體土臭素(Geosmin)濃度高達(dá)7100 ng/L[13];韓國(guó)首爾水源地Paldang水庫(kù)2012年8月因放線菌滋生導(dǎo)致水體Geosmin濃度高達(dá)3157 ng/L[14]。因此,水源水庫(kù)又往往成為突發(fā)水危機(jī)事件的敏感水體。

本文基于調(diào)查研究,結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)研,對(duì)我國(guó)水源水庫(kù)面臨的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀、成因及預(yù)防對(duì)策進(jìn)行分析,以期為我國(guó)城市水源水庫(kù)的水質(zhì)安全保障提供參考。

1 我國(guó)水源水庫(kù)常見(jiàn)水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型

1.1 水質(zhì)異味

水質(zhì)異味是水源水庫(kù)水質(zhì)管理中經(jīng)常遇到的問(wèn)題。水庫(kù)中產(chǎn)生異味的物質(zhì)是一些揮發(fā)性有機(jī)物,最常見(jiàn)的異味物質(zhì)有3類(lèi):(1)萜類(lèi)化合物(terpenoids),如2-甲基異莰醇(2-MIB)、Geosmin等,一般由絲狀藍(lán)藻或放線菌等生物代謝產(chǎn)生;(2)類(lèi)胡蘿卜素衍生物(carotenoid derivatives),如β-環(huán)檸檬醛(β-cyclocitral)、β-環(huán)紫羅蘭酮(β-ionone)等,一般由原核生物、真核生物生長(zhǎng)或死亡代謝產(chǎn)生;(3)揮發(fā)性有機(jī)硫化物(volatile organic sulfur compounds),如二甲基硫(DMS:dimethyl sulfide)、二甲基二硫(DMDS)、二甲基三硫(DMTS)等,一般由有機(jī)質(zhì)腐敗過(guò)程中細(xì)菌分解代謝產(chǎn)生,也可由藍(lán)藻生長(zhǎng)產(chǎn)生[15]。

盡管從醫(yī)學(xué)角度看,多數(shù)異味有機(jī)物都沒(méi)有明確的毒性,但是卻能導(dǎo)致明顯的感官不悅。特別是人的嗅味閾值一般比口腔觸覺(jué)閾值靈敏幾個(gè)數(shù)量級(jí),一般濃度達(dá)到納克級(jí)的異味物質(zhì)就能被嗅覺(jué)捕捉到。尤其是在煮開(kāi)水、洗澡等對(duì)自來(lái)水加熱時(shí),由于異味物質(zhì)的揮發(fā)性,異味的感覺(jué)更為明顯,更容易引起受水用戶(hù)的投訴。

2-MIB及Geosmin是我國(guó)水源水庫(kù)中最常發(fā)生的異味物質(zhì)。生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB 5749-2022)中對(duì)2-MIB及Geosmin的限定值均為10 ng/L。而上海青草沙水庫(kù)在正式供水的第2年(2011年)起,每年夏季都出現(xiàn)2-MIB濃度升高或原水超標(biāo)問(wèn)題[3]。2007年7月9日至8月底,洋河水庫(kù)在魚(yú)腥藻與微囊藻混合種群暴發(fā)水華時(shí)持續(xù)50余天發(fā)生高濃度Geosmin問(wèn)題[13]。2017年5月8日,深圳水源地石巖水庫(kù)中檢測(cè)出12種異味物質(zhì),其中2-MIB濃度最高[16]。2009-2012年的每年秋季,密云水庫(kù)中均發(fā)生浮絲藻在次表層大量滋生問(wèn)題,導(dǎo)致局部水體2-MIB濃度超過(guò)100 ng/L[17]。2020年7-8月調(diào)查中發(fā)現(xiàn),溧陽(yáng)市水源地天目湖沙河水庫(kù)中2-MIB濃度超標(biāo),紹興市水源地湯浦水庫(kù)中Geosmin濃度超標(biāo)[18]。除了2-MIB及Geosmin以外,其他多種揮發(fā)性有機(jī)物產(chǎn)異味也有報(bào)道。如2011年12月-2012年2月期間,呼和浩特水源地金海水庫(kù)因硅藻(直鏈硅藻屬)、金藻(鐘罩藻屬)大量滋生發(fā)生了醛類(lèi)化合物異味問(wèn)題,異味物質(zhì)包括庚醛、2,4-庚二烯醛、2,4-癸二烯醛、2-辛烯醛和己醛等[19]。底泥釋放的條件模擬實(shí)驗(yàn)表明,水力擾動(dòng)、pH變化及溫度變化均能引起底泥釋放DMTS、雙(2-氯異丙基)醚(BCIE)等異味物質(zhì)釋放強(qiáng)度的明顯變化[20]。盡管水源地水體異味物質(zhì)濃度超標(biāo)并不意味著水廠的出水超標(biāo)(GB 5749-2022是要求出水達(dá)標(biāo)),但對(duì)水廠出水構(gòu)成巨大超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn),增加了原水的處理成本,需要高度重視。

1.2 藻類(lèi)水華及藻毒素問(wèn)題

藻類(lèi)水華是由于水體浮游藻類(lèi)大量滋生集聚在表層水體,明顯影響水色,甚至遮蔽水面的一種生態(tài)學(xué)現(xiàn)象。目前成為困擾我國(guó)南方地區(qū)水源水庫(kù)的一種常見(jiàn)水質(zhì)問(wèn)題。生態(tài)環(huán)境部頒布的“水華遙感與地面監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(試行)”(HJ 1098-2020)中建議,當(dāng)水體藻類(lèi)細(xì)胞密度大于1×107cells/L時(shí),則可能達(dá)到輕度水華;而當(dāng)細(xì)胞密度大于1×108cells/L時(shí),則可能達(dá)到重度水華。當(dāng)然,細(xì)胞數(shù)指標(biāo)僅僅是構(gòu)成藻類(lèi)水華是否發(fā)生的必要條件,還要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)感官狀況判別是否發(fā)生。近年來(lái),生態(tài)環(huán)境部遙感中心加強(qiáng)了對(duì)重點(diǎn)湖庫(kù)藻類(lèi)水華的監(jiān)測(cè)力度,提高了各地對(duì)水源水庫(kù)藻類(lèi)水華問(wèn)題的關(guān)注度。

形成水華的藻類(lèi)以藍(lán)藻門(mén)的一些常見(jiàn)種屬為主,如微囊藻(Microcystisspp.)、長(zhǎng)孢藻(Dolichospermumspp.)、束絲藻(Aphanizomenonspp.)、浮絲藻(Planktothrixspp.)、假魚(yú)腥藻(Pseudanabaenaspp.)、拉氏擬柱孢藻(Raphidiopsisraciborskii)等。偶爾也會(huì)發(fā)生硅藻門(mén)、甲藻門(mén)、綠藻門(mén)、裸藻門(mén)一些種屬的藻類(lèi)水華,如湯浦水庫(kù)2010年5月發(fā)生了鏈狀彎殼藻(Achnanthidiumcatenatum)為優(yōu)勢(shì)的硅藻水華[21]。山東濰坊戰(zhàn)略水源地峽山水庫(kù)2019年6月出現(xiàn)了以擬二叉角甲藻(Ceratiumfurcoides)為優(yōu)勢(shì)的甲藻水華,角甲藻生物量高達(dá)86.31 mg/L[22]。三峽水庫(kù)建成后,大寧河回水段2007年4、5月及2008年5月均發(fā)生了以波吉卵囊藻(Oocystisborgei)、小空星藻(Coelastrummicroporum)、實(shí)球藻(Pandorinamorum)等為主的綠藻水華[23]。2016年三峽庫(kù)區(qū)前置庫(kù)高陽(yáng)湖、漢豐湖、長(zhǎng)壽湖等均出現(xiàn)了空球藻(Eudorinaelegans)為主的綠藻水華[24]。裸藻門(mén)藻類(lèi)水華一般出現(xiàn)在淺水、有機(jī)質(zhì)濃度較高的水體中,在水庫(kù)中開(kāi)敞水域較少。但在庫(kù)尾濕地、水庫(kù)支汊回水區(qū)等能夠發(fā)生,如北京市海淀區(qū)上莊水庫(kù)的庫(kù)尾濕地2013年7月出現(xiàn)了血紅裸藻(Euglenasanguinea)為主的裸藻水華[25]。天目湖沙河水庫(kù)庫(kù)尾平橋河濕地在2021年10月也發(fā)生了裸藻水華?？傮w而言,從發(fā)生頻次、強(qiáng)度及危害看,藍(lán)藻門(mén)形成的水華都是最嚴(yán)重的,是水源水庫(kù)水華防控的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

藻毒素釋放是藍(lán)藻水華有別于其他門(mén)藻類(lèi)水華而備受關(guān)注的主要原因。藍(lán)藻門(mén)形成水華的常見(jiàn)藻類(lèi)大都能產(chǎn)生藻毒素,對(duì)水源水庫(kù)水質(zhì)安全產(chǎn)生更大挑戰(zhàn)。其中最常見(jiàn)的是微囊藻毒素(Microcystin,包括多種異構(gòu)體,簡(jiǎn)稱(chēng)MCs)。MCs是一類(lèi)多肽類(lèi)毒素,GB 5749-2022將飲用水中MC-LR(MCs多個(gè)異構(gòu)體中毒性最強(qiáng)的一種)濃度上限設(shè)為1 μg/L。據(jù)位慧敏等文獻(xiàn)分析,我國(guó)有文獻(xiàn)報(bào)道進(jìn)行MCs調(diào)查的水庫(kù)有37個(gè),其中22個(gè)水庫(kù)中檢出MCs,報(bào)道文獻(xiàn)中MCs總量(包括細(xì)胞內(nèi)MCs和細(xì)胞外MCs)超過(guò)1 μg/L的水庫(kù)有北京的官?gòu)d水庫(kù)、秦皇島的洋河水庫(kù)及福州的山仔水庫(kù),而胞外MCs濃度偶爾超過(guò)1 μg/L有山仔水庫(kù)、官?gòu)d水庫(kù)及貴陽(yáng)市的阿哈水庫(kù)[26]。蔡金傍等2005年對(duì)華北地區(qū)某水源水庫(kù)做了MCs的周年變化調(diào)查,發(fā)現(xiàn)藻類(lèi)死亡期的9-10月水庫(kù)胞外MCs濃度達(dá)到峰值,為1.73 μg/L[27]。這一發(fā)現(xiàn)具有普遍性,即發(fā)生藍(lán)藻水華的水源水庫(kù)中,藻細(xì)胞大量死亡期由于胞內(nèi)MCs的大量釋放,反而是MCs危害較大的關(guān)鍵期。此外,近年來(lái)隨著極端天氣、突發(fā)藻類(lèi)水華等事件頻發(fā),水源水庫(kù)中發(fā)生藻毒素超標(biāo)的問(wèn)題可能變得更加常見(jiàn)。

1.3 鐵錳超標(biāo)

鐵、錳均是地球化學(xué)性質(zhì)比較活躍的金屬元素,對(duì)環(huán)境條件中的氧化還原電位、酸堿度、溫度等較為敏感。還原條件下,水庫(kù)底泥中的鐵、錳能夠還原成溶解態(tài)的Fe2+、Mn2+離子,釋放到上覆水中,威脅水廠取水的水質(zhì)安全。而在氧化條件下,水體Fe2+、Mn2+則會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng),轉(zhuǎn)化成固體沉淀物而離開(kāi)水相。鐵錳還原溶解、氧化沉淀的多變性質(zhì)對(duì)水源地水質(zhì)、輸水管網(wǎng)、用水設(shè)施、人體健康等產(chǎn)生影響,比如堵塞輸水管道、形成鍋爐結(jié)垢等,甚至使自來(lái)水出現(xiàn)黃水、紅水的現(xiàn)象[28]。GB 5749-2022中規(guī)定,自來(lái)水中鐵、錳離子的達(dá)標(biāo)閾值分別為0.3和0.1 mg/L,而世界衛(wèi)生組織的《飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(第二版)中將錳的閾值設(shè)定為 0.5 mg/L。

我國(guó)水源水庫(kù)發(fā)生季節(jié)性鐵、錳超標(biāo)的問(wèn)題較為普遍。由于深水水庫(kù)在熱分層期間普遍存在底層缺氧情況[29],此時(shí)如果分層期間下層水體缺氧嚴(yán)重,或者底泥中活性鐵錳含量較高,就會(huì)發(fā)生下層水體高濃度鐵、錳離子現(xiàn)象。因此,水溫分層穩(wěn)定、下層厭氧層厚度抵達(dá)取水口水層時(shí),鐵錳超標(biāo)問(wèn)題就會(huì)威脅水廠取水的水質(zhì)。洪繼華等1982年發(fā)現(xiàn)了天津水源水庫(kù)于橋水庫(kù)在水溫超過(guò)25℃時(shí)錳含量顯著增加[30];臺(tái)州水源地長(zhǎng)潭水庫(kù)2008-2013年夏季均出現(xiàn)水體鐵、錳濃度超標(biāo),最高值一般出現(xiàn)在8月,鐵和錳的最高值分別為2.42 和1.20 mg/L[31]。貴州六盤(pán)水市水源地雙橋水庫(kù)因大量枯枝落葉沉積到壩前,2017年夏季原水中錳濃度達(dá)到0.236 mg/L,通過(guò)底層排水1周后,才降至0.130 mg/L[32]。萍鄉(xiāng)市水源地山口巖水庫(kù)2018、2019年夏季下層水體中鐵、錳濃度達(dá)0.45、0.29 mg/L,對(duì)供水安全產(chǎn)生威脅[33]。廈門(mén)市新建水源地蓮花水庫(kù)受底泥高錳的影響,2018年下層水體中錳濃度為3.22 mg/L,達(dá)到中等污染程度[34]。由于流域大量種植桉樹(shù),南寧市水源地天雹水庫(kù)水體有機(jī)質(zhì)濃度高,加劇底層缺氧,引發(fā)了水體鐵、錳濃度超標(biāo),并成為取水口發(fā)生“黑水”的原因之一[35]。

1.4 有機(jī)質(zhì)偏高

水源水庫(kù)的流域工業(yè)污染控制一般較嚴(yán)格,有機(jī)有毒污染物的事件極少出現(xiàn)。但是許多水源水庫(kù)的流域植被茂盛,會(huì)出現(xiàn)天然有機(jī)質(zhì)含量偏高問(wèn)題。水源水庫(kù)中與有機(jī)質(zhì)相關(guān)的水質(zhì)指標(biāo)包括高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、總有機(jī)碳(TOC)、溶解性有機(jī)碳(DOC)及有色溶解性有機(jī)物(CDOM)等。由于TOC儀進(jìn)樣管孔徑的限制,TOC并不能包括所有顆粒有機(jī)碳,而天然水體中顆粒有機(jī)物的成分復(fù)雜,變化較大,穩(wěn)定性差,因此實(shí)際調(diào)查中常用DOC而非TOC。在檢測(cè)DOC時(shí),除了使用TOC測(cè)定儀直接測(cè)定外,還常用水體有機(jī)官能團(tuán)在254 nm波長(zhǎng)時(shí)的吸收峰強(qiáng)度UV254表征。GB 5749-2022中規(guī)定生活飲用水中的CODMn的濃度上限為3 mg/L。盡管對(duì)DOC濃度沒(méi)有確切的規(guī)定,但是近年來(lái)隨著對(duì)飲水中消毒副產(chǎn)物(disinfection by-products, DBPs)問(wèn)題的關(guān)注[36],水源地水體中高濃度有機(jī)質(zhì)需要去除,導(dǎo)致制水成本增高。因此,DOC濃度也逐漸成為考量原水水質(zhì)優(yōu)劣的參考指標(biāo)之一。

就全國(guó)而言,水源水庫(kù)中天然有機(jī)質(zhì)濃度過(guò)高問(wèn)題并不普遍。但是在流域植被好、環(huán)境溫度低、水體有機(jī)質(zhì)自然降解速率低的北方地區(qū),特別是東北地區(qū),該問(wèn)題較為普遍。如哈爾濱水源地磨盤(pán)山水庫(kù)冬季冰封期水體大量積蓄分子量介于5000～10000 D(1 D=0.9921 u)之間的大分子有機(jī)質(zhì),DOC濃度約為5～6 mg/L,UV254約為0.19 cm-1,導(dǎo)致制水工藝中加氯消毒時(shí)形成較高的三氯甲烷生成勢(shì)(trichloromethane formation potential, THMFP)及水合氯醛生成勢(shì)(chloral hydrate formation potential, CHFP)[37],威脅水廠出水水質(zhì)。南開(kāi)大學(xué)李堯等研究天津水源地于橋水庫(kù)水體有機(jī)質(zhì)對(duì)消毒副產(chǎn)物生成的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),盡管從水庫(kù)上游到下游水體DOC及氨濃度呈下降趨勢(shì)(DOC濃度介于3.03～11.88 mg/L之間),但是水體中比紫外吸收率(SUVA)強(qiáng)度(UV254吸收峰強(qiáng)度與DOC濃度比值)卻呈增加趨勢(shì),導(dǎo)致制水中鹵代乙酸、三鹵甲烷類(lèi)消毒副產(chǎn)物生成風(fēng)險(xiǎn)偏高[38]。宋武昌等調(diào)查了濟(jì)南市水源地引黃水庫(kù)鵲山水庫(kù)中有機(jī)質(zhì)組分與消毒副產(chǎn)物生成勢(shì)的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)水庫(kù)中DOC介于2.26～3.25 mg/L之間,年均值為2.32 mg/L,高值期出現(xiàn)在8-11月,但該水庫(kù)水仍具有較高的三氯甲烷類(lèi)DBPs生成勢(shì),與該水庫(kù)DOC中小分子有機(jī)質(zhì)占比高有關(guān)[39]。

相比較而言,南方水庫(kù)中難降解天然有機(jī)質(zhì)濃度可能較低,但會(huì)發(fā)生因藻類(lèi)瘋漲、生物量高而引起的有機(jī)質(zhì)偏高問(wèn)題。宋倩云等比較了金華市水源地金蘭水庫(kù)與太湖、錢(qián)塘江水源地水體有機(jī)質(zhì)的DBPs生成效應(yīng),發(fā)現(xiàn)DOC濃度與DBPs生成勢(shì)的關(guān)系密切,金蘭水庫(kù)DOC濃度僅為1.30 mg/L,而錢(qián)塘江九溪水廠取水口、太湖貢湖水廠取水口DOC分別為5.96和10.34 mg/L,后兩個(gè)水源地水體中DBPs風(fēng)險(xiǎn)顯著高于金蘭水庫(kù)[40],其中太湖的DOC高與太湖水體藻類(lèi)生物量高密切聯(lián)系。Hong等調(diào)查了東江源頭新豐江水庫(kù)、東江下游供水樞紐深圳水庫(kù)及香港4座供水水庫(kù)中天然有機(jī)質(zhì)濃度、藻類(lèi)狀況及其對(duì)水廠DBPs的影響,發(fā)現(xiàn)6個(gè)水庫(kù)中DOC濃度變化在很大程度受水體藻類(lèi)生物量的季節(jié)變化影響;天然有機(jī)質(zhì)中芳香烴占比對(duì)DBPs產(chǎn)生量影響最大[41]。因此,即使在一些外源有機(jī)質(zhì)不高的南方水源水庫(kù),也可能發(fā)生水體有機(jī)質(zhì)高引發(fā)的水質(zhì)問(wèn)題。

1.5 營(yíng)養(yǎng)鹽超標(biāo)

在水源水庫(kù)的水環(huán)境保護(hù)中,管理上最常遇到的問(wèn)題是營(yíng)養(yǎng)鹽超標(biāo)。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)的規(guī)定,水源地的二級(jí)保護(hù)區(qū)(湖庫(kù)水源地的二級(jí)保護(hù)區(qū)水域一般以取水口為圓心、半徑1500 m范圍內(nèi)的水域)內(nèi)至少應(yīng)達(dá)到Ⅲ類(lèi)水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),相應(yīng)的典型水質(zhì)指標(biāo)總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)和CODMn濃度上限值分別為0.050、1.0、1.0和6 mg/L;而取水口為一級(jí)保護(hù)區(qū)(湖庫(kù)水源地的一級(jí)保護(hù)區(qū)水域一般為以取水口為圓心、半徑500 m范圍內(nèi)的水域)的水質(zhì)要求為Ⅱ類(lèi),相應(yīng)的TP、TN、NH3-N和CODMn濃度上限分別為0.025、0.5、0.5和4 mg/L。目前在湖庫(kù)水源地管理中經(jīng)常遇到的水質(zhì)問(wèn)題是TP、TN的超標(biāo)問(wèn)題。表1列舉了中國(guó)科學(xué)院野外站聯(lián)盟項(xiàng)目(KFJ-SW-YW036)收集與調(diào)查中獲得的22個(gè)水源水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度等水質(zhì)指標(biāo)狀況。

表1 我國(guó)典型水源水庫(kù)水體營(yíng)養(yǎng)鹽狀況*Tab.1 Nutrients concentrations in typical reservoirs used as drinking water sources in China

從表1可以看出,我國(guó)多數(shù)水源水庫(kù)的TP處于Ⅲ類(lèi)水水平,一些優(yōu)良水庫(kù)年均值能達(dá)到Ⅱ類(lèi)水,極個(gè)別能夠達(dá)到I類(lèi)水,淺水水庫(kù)或河流特征明顯的水庫(kù)甚至處于Ⅳ類(lèi)水濃度范圍(TP>0.05 mg/L),如鹽龍湖、青草沙水庫(kù)、富春江水庫(kù)等,表明部分水源水庫(kù)的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度達(dá)標(biāo)面臨挑戰(zhàn)。對(duì)TN而言,大多數(shù)水庫(kù)的年均濃度超過(guò)1.0 mg/L,處于Ⅳ類(lèi)水水平,部分水庫(kù)能到Ⅲ類(lèi)水水平(0.5～1.0 mg/L之間),幾乎沒(méi)有能達(dá)到Ⅱ類(lèi)水的,這導(dǎo)致目前在水質(zhì)考核上沒(méi)有將TN的達(dá)標(biāo)狀況納入考核要求。所有調(diào)查的水源水庫(kù)中,氨氮濃度都優(yōu)于Ⅱ類(lèi)水,且絕大多數(shù)達(dá)到Ⅰ類(lèi)水。而對(duì)于CODMn而言,絕大多數(shù)水庫(kù)能達(dá)到Ⅱ類(lèi)水要求。

按照《地表水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》(SL395-2007)中的TP指標(biāo)單因子劃分,22個(gè)水體中只有東江水庫(kù)處于貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)(TP<0.010 mg/L),17個(gè)水庫(kù)處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)(TP<0.050 mg/L),鹽龍湖、青草沙水庫(kù)、富春江水庫(kù)及豐滿水庫(kù)4個(gè)換水周期快的河流型水庫(kù)則處于富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。而依據(jù)SL395-2007中Chl.a指標(biāo)的單因子劃分,絕大多數(shù)水源水庫(kù)處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)(Chl.a<0.026 mg/L),大沙河水庫(kù)、龍王山水庫(kù)的年均值處于富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)(Chl.a≥0.026 mg/L)。需要注意的是,對(duì)于Chl.a指標(biāo)而言,年平均值會(huì)大大低估水庫(kù)的富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)樗畮?kù)中Chl.a濃度存在極大的季節(jié)差異,盡管年均值Chl.a濃度不高,但許多水源水庫(kù)都存在春季、夏季階段性Chl.a濃度陡然升高、甚至出現(xiàn)藻類(lèi)水華的富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。

2 我國(guó)水源水庫(kù)水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)成因分析

盡管我國(guó)水源水庫(kù)的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)有多種表現(xiàn)形式,但是往往存在相互聯(lián)系,如藻類(lèi)水華與營(yíng)養(yǎng)鹽問(wèn)題、水質(zhì)異味等密切聯(lián)系,存在“一因多果”“多因一果”。總的來(lái)說(shuō),水庫(kù)水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的成因大都與外源營(yíng)養(yǎng)鹽入庫(kù)負(fù)荷過(guò)高、內(nèi)源污染物的累積過(guò)度、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能失衡及氣候水文等自然條件突變有關(guān)。異味問(wèn)題、藻類(lèi)問(wèn)題、鐵錳問(wèn)題、有機(jī)質(zhì)問(wèn)題及營(yíng)養(yǎng)鹽問(wèn)題等大都與營(yíng)養(yǎng)鹽及污染物的內(nèi)外源負(fù)荷過(guò)大有關(guān),本質(zhì)上與人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大有關(guān)。而氣候、水文因子也常常成為水質(zhì)問(wèn)題突發(fā)的促發(fā)因素。歸納起來(lái),目前我國(guó)水源水庫(kù)水質(zhì)問(wèn)題的成因主要可分如下4方面。

2.1 流域開(kāi)發(fā)強(qiáng)度過(guò)大

盡管流域地球化學(xué)元素背景能對(duì)湖庫(kù)水質(zhì)產(chǎn)生一定的影響[43],但影響水庫(kù)水質(zhì)的外界壓力大都來(lái)自流域及水庫(kù)中的人類(lèi)活動(dòng),特別是水庫(kù)流域的土地利用方式及其強(qiáng)度。水庫(kù)流域的土地利用方式中,一般將建筑用地、農(nóng)牧業(yè)用地、茶果園用地等人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度大、面源污染負(fù)荷高的類(lèi)型稱(chēng)為“開(kāi)發(fā)”用地,開(kāi)發(fā)用地的占比稱(chēng)為流域“開(kāi)發(fā)強(qiáng)度”。盡管目前還沒(méi)有全國(guó)尺度開(kāi)發(fā)強(qiáng)度與水庫(kù)水質(zhì)之間的精準(zhǔn)關(guān)系,但大量研究發(fā)現(xiàn),對(duì)具體水庫(kù)而言,開(kāi)發(fā)強(qiáng)度越高,水庫(kù)水質(zhì)就越差。史鵬程等調(diào)查了江蘇省17個(gè)水源水庫(kù)的異味物質(zhì)狀況,發(fā)現(xiàn)蘇南水庫(kù)流域植被好于蘇北,與蘇南地區(qū)水源水庫(kù)水質(zhì)更好的現(xiàn)象一致[44]。Rose等調(diào)查了美國(guó)華盛頓州、俄勒岡州52個(gè)湖泊和水庫(kù)的水華強(qiáng)度相關(guān)因子,發(fā)現(xiàn)湖庫(kù)藍(lán)藻水華強(qiáng)度與流域裸地、建設(shè)用地的占比呈顯著正相關(guān),而與常綠林地的面積占比呈顯著負(fù)相關(guān)[45],說(shuō)明流域開(kāi)發(fā)強(qiáng)度越大,湖庫(kù)中的藍(lán)藻水華風(fēng)險(xiǎn)越高。

流域開(kāi)發(fā)強(qiáng)度一旦過(guò)大,多數(shù)水庫(kù)的良好水質(zhì)難以穩(wěn)定維持。美國(guó)中部密蘇里州32個(gè)不同營(yíng)養(yǎng)水平的水庫(kù)調(diào)查發(fā)現(xiàn),貧營(yíng)養(yǎng)水庫(kù)(n=5)的流域林地占比介于42%～97%之間(均值61%),牧場(chǎng)占比均值為20%,農(nóng)田占比為0,其余為裸地;中營(yíng)養(yǎng)水庫(kù)(n=13)的流域林地占比均值為63%,牧場(chǎng)占比均值為27%,農(nóng)田占比為2%,其余為裸地;富營(yíng)養(yǎng)水庫(kù)(n=12)的流域林地占比均值為33%,牧場(chǎng)占比均值為40%,農(nóng)田占比為17%,其余為裸地;而重富營(yíng)養(yǎng)水庫(kù)(n=2)的流域林地占比均值僅為6%,牧場(chǎng)占比均值為28%,農(nóng)田占比高達(dá)53%[46]。如果將牧場(chǎng)及農(nóng)田定義為開(kāi)發(fā)用地,貧營(yíng)養(yǎng)、中營(yíng)養(yǎng)、富營(yíng)養(yǎng)及重富營(yíng)養(yǎng)水庫(kù)流域的開(kāi)發(fā)用地占比分別為20%、29%、57%及81%。因此,就美國(guó)中部水庫(kù)水質(zhì)保護(hù)經(jīng)驗(yàn)可以推斷,若要維持水庫(kù)貧營(yíng)養(yǎng),流域開(kāi)發(fā)強(qiáng)度不宜超過(guò)20%,若要維持中營(yíng)養(yǎng),則不宜超過(guò)30%。當(dāng)然,具體的占比比值還與土地開(kāi)發(fā)的結(jié)構(gòu)(空間距離)及開(kāi)發(fā)管理模式(水肥管理、種養(yǎng)殖類(lèi)型等)有很大關(guān)系,此值僅供參考。

我國(guó)水庫(kù)開(kāi)發(fā)強(qiáng)度與水質(zhì)關(guān)系的分析也體現(xiàn)出二者的密切關(guān)聯(lián)。吳一凡分析了紹興水源地湯浦水庫(kù)流域不同土地類(lèi)型的氮磷產(chǎn)出負(fù)荷,發(fā)現(xiàn)單位面積耕地、園地、林地和建設(shè)用地的年均總氮入河量分別為17.76、21.58、3.16和2.20 kg/hm2,年均磷入河量分別為5.06、1.42、0.67和0.75 kg/hm2[47];該水庫(kù)流域2019年的耕地、園地、林地、建設(shè)用地和水域面積占比分別為11.03%、16.15%、65.48%、3.24%和4.10%,開(kāi)發(fā)強(qiáng)度為30.42%,該水庫(kù)的確也面臨著富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)[47]。2017年溧陽(yáng)市水源地沙河水庫(kù)流域土地利用格局為林地54%、農(nóng)田16%、茶園10%、濕地9%、建設(shè)用地7%、水庫(kù)4%,開(kāi)發(fā)強(qiáng)度為33%,該水庫(kù)同樣存在季節(jié)性富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn);其中外源磷負(fù)荷中,農(nóng)田及茶園貢獻(xiàn)了61%,建設(shè)用地貢獻(xiàn)了18%[48]。

2.2 底泥淤積與內(nèi)源釋放

水庫(kù)是人為改變河流流態(tài)及物質(zhì)時(shí)空滯留過(guò)程的產(chǎn)物,具有顯著高于天然湖泊的底泥淤積速度。據(jù)鄧安軍等統(tǒng)計(jì),截止到2018年,我國(guó)水庫(kù)的平均淤損率達(dá)11.27%,其中黃河流域?yàn)?6.76%,長(zhǎng)江流域?yàn)?.25%,年均淤損率為0.41%～0.49%[49]。Rahmani等調(diào)查了美國(guó)中部大平原地區(qū)堪薩斯州24個(gè)州管水庫(kù)的淤損情況,發(fā)現(xiàn)這些平均年齡為52年的水庫(kù)淤損率均值為17%,最大淤損率達(dá)到45%,年均淤損率最大為0.84%[50]。鄭丙輝等用210Pb及137Cs計(jì)年法測(cè)定發(fā)現(xiàn)沈陽(yáng)市水源地大伙房水庫(kù)中心庫(kù)區(qū)的沉積速率為0.75 cm/a[51]。史鵬程等采用沉積物捕獲器收集顆粒沉降物的方法估算了流域植被良好的千島湖淤損情況,年淤損率約為0.07%[8]。隨著流域物質(zhì)在庫(kù)底的快速淤積,大量有機(jī)質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)鹽被埋藏到水庫(kù)深水區(qū),熱分層期間底層易形成缺氧環(huán)境,營(yíng)養(yǎng)鹽、鐵、錳等物質(zhì)則會(huì)溶解釋放,重新進(jìn)入水相形成內(nèi)源,高有機(jī)質(zhì)及厭氧的表層底泥環(huán)境還能引起放線菌等的大量滋生,代謝產(chǎn)生2-MIB、Geosmin、DMTS等異味物質(zhì),成為水源水庫(kù)的水質(zhì)問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)源。因此,許多水庫(kù)隨著庫(kù)齡延長(zhǎng),底泥淤積增多,水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)變大。

貴陽(yáng)市水源地百花湖1990s發(fā)生的“黑水”事件[11],溧陽(yáng)市水源地天目湖2005年4月發(fā)生的水質(zhì)異味,溫嶺水源地太湖水庫(kù)2015年5月發(fā)生的水質(zhì)異味現(xiàn)象等,都與壩前底泥中有機(jī)質(zhì)大量蓄積及溫躍層形成后的腐爛分解過(guò)程有關(guān)。我國(guó)水庫(kù)中普遍存在的夏季水體錳超標(biāo)問(wèn)題也大都與底泥中有機(jī)質(zhì)過(guò)度積累有關(guān)。大連市水源地碧流河水庫(kù)底泥內(nèi)源釋放是冬季取水口中上層水體錳超標(biāo)的原因之一[52]。孫傳喆等通過(guò)泥柱培養(yǎng)估算了天津市水源地潘家口水庫(kù)底泥營(yíng)養(yǎng)鹽釋放通量,發(fā)現(xiàn)夏季和冬季平均每天溶解性活性磷(SRP)釋放通量分別為5.28和2.30 mg/m2,而溶解性無(wú)機(jī)氮(DIN)的夏季、冬季日均釋放通量則分別為-0.66 及44.04 mg/m2[53],該水庫(kù)面積為72 km2,這意味著內(nèi)源釋放磷的平均負(fù)荷可達(dá)102 t,對(duì)水庫(kù)的水質(zhì)達(dá)標(biāo)及夏季藻類(lèi)水華風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生不容忽視的影響。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)失衡

水庫(kù)中藻類(lèi)水華問(wèn)題、水質(zhì)異味問(wèn)題的本質(zhì)都是水生態(tài)結(jié)構(gòu)失衡問(wèn)題。在相對(duì)健康的湖泊生態(tài)系統(tǒng)中,藻類(lèi)、水草等初級(jí)生產(chǎn)者與浮游動(dòng)物等初級(jí)消費(fèi)者、不同食性魚(yú)類(lèi)等消費(fèi)者,乃至底棲動(dòng)物、細(xì)菌等消費(fèi)者和分解者之間物質(zhì)傳遞及能量流動(dòng)處于相對(duì)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡,有害藻類(lèi)不易過(guò)度增殖而形成危害。湖庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)成熟度的表征包括多個(gè)指數(shù)[54-55],如總初級(jí)生產(chǎn)量(total primary production,TPP)與總呼吸量(total respiration,TR)的比值TPP∶TR,該值越接近1,表明生態(tài)系統(tǒng)越成熟,大于1則表明該系統(tǒng)還在發(fā)育中;又如聯(lián)結(jié)指數(shù)(connectance index,CI)和雜食指數(shù)(system omnivory index,SOI),這兩個(gè)指數(shù)也是越接近1表明生態(tài)系統(tǒng)越成熟,生態(tài)系統(tǒng)的自我平衡能力就越強(qiáng),低于1則表明生態(tài)形態(tài)的自我循環(huán)效率不高,成熟度低;此外還包括Finn’s循環(huán)指數(shù)(finn cycling index,FCI)和Finn’s平均路徑長(zhǎng)度(Finn’s mean path lenth,FMPL)以及生態(tài)營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)化效率(efficient of ecological nutrient transfer,EE)等。水庫(kù)構(gòu)建之后對(duì)原河流水生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)收支及能量流動(dòng)均產(chǎn)生巨大的影響,將河流異養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成湖泊自養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)[56]。水庫(kù)本身具有的水量變化大、消落帶水位落差大、總體初級(jí)生產(chǎn)力偏低,使得水庫(kù)中生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,食物鏈單一,季節(jié)變化大,生態(tài)系統(tǒng)脆弱,藻類(lèi)水華、水質(zhì)異味等問(wèn)題在物質(zhì)傳遞與能量流動(dòng)受阻過(guò)程中容易偶發(fā)。

澳大利亞水源水庫(kù)中藍(lán)藻水華問(wèn)題多發(fā),可能與水庫(kù)中浮游動(dòng)物食性的小型魚(yú)類(lèi)密度過(guò)大有關(guān)。Hunt等通過(guò)圍隔實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究了食浮游動(dòng)物的澳大利亞蓋氏黃黝魚(yú)(Australian gudgeonHypseleotrisspp.)種群密度與藍(lán)藻密度之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)黃黝魚(yú)種群大小能顯著改變橈足類(lèi)浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu),進(jìn)而影響橈足類(lèi)浮游動(dòng)物對(duì)藍(lán)藻生長(zhǎng)的壓制作用,黃黝魚(yú)密度與藍(lán)藻水華強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)[57]。Lazzaro等調(diào)查分析了13個(gè)巴西水庫(kù)的食物鏈結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)魚(yú)類(lèi)結(jié)構(gòu)與藍(lán)藻水華風(fēng)險(xiǎn)關(guān)系密切:藍(lán)藻密度與雜食性魚(yú)類(lèi)(omnivorous fish,OM)密度呈正相關(guān),與肉食性魚(yú)類(lèi)(facultative piscivores, FP)密度呈負(fù)相關(guān),而與草食性魚(yú)類(lèi)(herbivorous fish)密度關(guān)系不大,葉綠素濃度及絲狀藍(lán)藻密度與FP∶OM比值呈顯著負(fù)相關(guān)[58]。這表明水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)平衡與否對(duì)一些水源水庫(kù)的水質(zhì)影響甚大。

我國(guó)既是水庫(kù)大國(guó),也是水庫(kù)漁業(yè)大國(guó),從水庫(kù)興建之初就大力發(fā)展水庫(kù)漁業(yè)[59]。漁業(yè)養(yǎng)殖對(duì)水庫(kù)食物鏈及水質(zhì)有著深刻的影響。過(guò)多的鰱、鳙投放量對(duì)中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)或貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的水庫(kù)水質(zhì)保障有負(fù)面的影響。劉其根等采用Ecopath模型分析了本世紀(jì)初鰱、鳙參與下千島湖的食物網(wǎng)特征,認(rèn)為該生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)出了高生產(chǎn)力非穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)的一些特征,但在精準(zhǔn)管理鰱、鳙生物量的情況下,也表現(xiàn)出了穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)的特征[60],藻類(lèi)生產(chǎn)與魚(yú)類(lèi)消費(fèi)逐漸達(dá)到基本平衡。于佳等基于2016年千島湖的食物鏈調(diào)查數(shù)據(jù),再次進(jìn)行Ecopath模型分析發(fā)現(xiàn),千島湖生態(tài)系統(tǒng)中藻類(lèi)的EE值為0.37,高于碎屑的生態(tài)轉(zhuǎn)化效率(EE值為0.13),牧食食物鏈的占比明顯大于碎屑食物鏈;千島湖的TPP/TR為6.51,遠(yuǎn)高于1,CI值為0.26,SOI為0.13,FCI為5.27%,生態(tài)系統(tǒng)處于不成熟狀態(tài),說(shuō)明近年來(lái)千島湖生態(tài)系統(tǒng)總體規(guī)模增大,穩(wěn)定性和復(fù)雜性增強(qiáng),但營(yíng)養(yǎng)交互關(guān)系變?nèi)?系統(tǒng)抵抗外界干擾能力低,初級(jí)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化效率低,食物網(wǎng)簡(jiǎn)單[61],存在藍(lán)藻水華等生態(tài)災(zāi)變風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 氣候與水文變化

近年來(lái)以增溫、極端天氣增加為主要特征的氣候變化幅度增加,成為我國(guó)水源水庫(kù)水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的重要驅(qū)動(dòng)力。水庫(kù)中以藻類(lèi)為主的初級(jí)生產(chǎn)力不僅受營(yíng)養(yǎng)鹽濃度影響,還在很大程度上受到溫度、光照、來(lái)水過(guò)程等氣候與水文因子的影響。增溫是湖泊藍(lán)藻水華的催化劑[62],也能加快湖庫(kù)中有機(jī)碳的分解[63],提高微生物反硝化脫氮速率[64],加劇底層缺氧而增加底泥磷釋放[54]。李淵等基于遙感反演的湖體水質(zhì)變化研究發(fā)現(xiàn),近30年千島湖流域氣溫增高明顯,水體藻類(lèi)生物量同步增高,氣候?qū)W上的增溫是30年來(lái)千島湖透明度下降的重要貢獻(xiàn)因子[65]。李慧赟等模擬了未來(lái)氣候場(chǎng)景下千島湖的熱分層變化,發(fā)現(xiàn)未來(lái)增溫加劇將導(dǎo)致千島湖溫躍層拐點(diǎn)深度變淺[66],藻類(lèi)生長(zhǎng)層將更加集中在表層,通過(guò)濃縮效應(yīng)增大藻類(lèi)水華風(fēng)險(xiǎn)。

暴雨過(guò)程能夠在短期內(nèi)對(duì)水庫(kù)的溫度場(chǎng)、水下光場(chǎng)、營(yíng)養(yǎng)鹽及藻類(lèi)種源等水環(huán)境產(chǎn)生脈沖式改變,為藻類(lèi)水華或者水質(zhì)“突變”提供契機(jī)[67]。受東亞季風(fēng)影響、熱分層明顯的大型水庫(kù)中,夏季暴雨往往能帶入大量磷,高磷水團(tuán)首先進(jìn)入水庫(kù)的底層滯水層與上層混合層之間,而在暴雨之后這些磷逐漸擴(kuò)散到上層水庫(kù)混合層中,刺激藻類(lèi)生長(zhǎng),引起藍(lán)藻水華,被稱(chēng)為“季風(fēng)水華”(monsoon blooms)[68]。在西安市水源地金盆水庫(kù),季風(fēng)往往帶來(lái)秋汛,在9月發(fā)生降雨量大于50 mm/d的暴雨,攜帶流域大量有機(jī)物進(jìn)入水庫(kù),水庫(kù)底層缺氧加劇,溫躍層遭破壞,下層水體中高濃度磷通過(guò)混合作用大量進(jìn)入上層水體,表層水體的TP甚至可達(dá)0.224 mg/L[69-70],造成短期水質(zhì)災(zāi)變。

高溫?zé)崂思婢吡烁邷睾蛷?qiáng)光的雙重影響,并常常伴隨持續(xù)靜風(fēng),能夠顯著改變藍(lán)藻異常增殖的環(huán)境條件[71],促進(jìn)藍(lán)藻水華快速發(fā)生。近年來(lái)高溫?zé)崂说陌l(fā)生頻次、持續(xù)時(shí)間及強(qiáng)度都呈增加趨勢(shì)[72],成為湖庫(kù)藻類(lèi)水華頻發(fā)的重要因素。黃群芳等發(fā)現(xiàn)2016年8月千島湖庫(kù)尾入湖口藍(lán)藻水華與高溫?zé)崂耸录?lián)系緊密[73]。國(guó)超旋等發(fā)現(xiàn)2016年8月“澇旱急轉(zhuǎn)”后的持續(xù)高溫晴熱是富春江水庫(kù)藍(lán)藻水華“突發(fā)”的重要促發(fā)因素[74]。

極端干旱能導(dǎo)致水庫(kù)容量急劇下降甚至接近干涸,生態(tài)系統(tǒng)崩潰或發(fā)生突變,污染物緩沖能力降低,往往對(duì)水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生劇烈影響,導(dǎo)致水質(zhì)災(zāi)害。在2015年極端干旱背景下,Rego等調(diào)查了巴西西北部半干旱區(qū)5個(gè)水源水庫(kù)藻類(lèi)對(duì)極端干旱的響應(yīng),發(fā)現(xiàn)當(dāng)水量降至庫(kù)容10%時(shí),多種水華藍(lán)藻細(xì)胞密度均大幅增高,包括阿氏浮絲藻(Planktothrixagardhii)、銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)、浮游魚(yú)腥藻(Anabaenaplanktonica)及拉氏擬柱孢藻(Cylindrospermopsisraciborskii)[75],水庫(kù)水華的風(fēng)險(xiǎn)大增。Hwang等分析了2012-2015年的干旱事件對(duì)首爾水源地Paldang水庫(kù)的影響,發(fā)現(xiàn)干旱導(dǎo)致水庫(kù)缺氧加重,磷濃度上升,水華風(fēng)險(xiǎn)增加[76]。2022年我國(guó)長(zhǎng)江流域的極端干旱也引起了鄱陽(yáng)湖流域、錢(qián)塘江流域的多個(gè)河流型水庫(kù)暴發(fā)藍(lán)藻水華,給一些具有水源地功能的水庫(kù)水質(zhì)帶來(lái)了顯著的影響。

3 水源水庫(kù)水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)策略

水源水庫(kù)的水質(zhì)安全事關(guān)城市基本生存安全,必須高度重視。技術(shù)策略上,應(yīng)對(duì)水源水庫(kù)的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn),要從水庫(kù)流域的整體系統(tǒng)考慮,制定基于水庫(kù)水質(zhì)目標(biāo)的流域管理方案,協(xié)調(diào)人與自然矛盾,探尋綠色發(fā)展與高質(zhì)量保護(hù)協(xié)調(diào)的途徑。具體技術(shù)上,建議構(gòu)建從流域到庫(kù)體、從監(jiān)測(cè)到修復(fù)的技術(shù)體系,包括水源水庫(kù)監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)、流域污染削減與攔截技術(shù)、水庫(kù)內(nèi)源控制技術(shù)、生態(tài)調(diào)控技術(shù)等。具體的技術(shù)方案如圖1。

圖1 水源水庫(kù)水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)的技術(shù)策略Fig.1 Technical strategy of water quality risk prevention in reservoirs using as drinking water sources

3.1 構(gòu)建監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

構(gòu)建在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是快速掌握水庫(kù)水質(zhì)變化趨勢(shì)、實(shí)施精準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)防控的前提。本世紀(jì)初國(guó)家生態(tài)環(huán)境部門(mén)構(gòu)建了以流域跨界監(jiān)督為主要目標(biāo)的岸基棧房式自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),如千島湖上游新安江的街口自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。但該系統(tǒng)是通過(guò)延伸至水體浮臺(tái)的取水泵抽水進(jìn)入岸基自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備,對(duì)水質(zhì)實(shí)施定期監(jiān)測(cè)的。早期的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在取樣代表性差、易污染等問(wèn)題。2004年,在美國(guó)自然基金會(huì)資助下,以美國(guó)威斯康辛大學(xué)Trout湖生態(tài)站及臺(tái)灣中央研究院鴛鴦湖生態(tài)浮標(biāo)為基礎(chǔ),發(fā)起了全球湖泊生態(tài)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)(Global Lake Ecological Observatory Network, GLEON)[77],在全球湖庫(kù)生態(tài)研究領(lǐng)域推廣投放在湖庫(kù)中心、依賴(lài)太陽(yáng)能供電、水層剖面監(jiān)測(cè)自動(dòng)化運(yùn)行、數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)設(shè)施能夠遠(yuǎn)程控制的浮標(biāo)式水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),使得生態(tài)浮標(biāo)技術(shù)在全球快速發(fā)展。近年來(lái),隨著水質(zhì)傳感器技術(shù)、信息無(wú)線傳輸技術(shù)、大數(shù)據(jù)綜合診斷分析技術(shù)等軟、硬件技術(shù)的不斷進(jìn)步,水源水庫(kù)的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)也發(fā)展迅速。我國(guó)自主研發(fā)的湖體生態(tài)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)技術(shù)日漸成熟,湖庫(kù)水源地的自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)浮標(biāo)已出現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化趨勢(shì)[78]。

基于高光譜遙感水質(zhì)監(jiān)測(cè)原理的高光譜近感水質(zhì)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)開(kāi)始出現(xiàn),有望克服我國(guó)在水質(zhì)傳感器設(shè)備發(fā)展滯后的問(wèn)題。盡管我國(guó)在湖庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)的支撐件、數(shù)采系統(tǒng)、剖面機(jī)械動(dòng)力、遠(yuǎn)程傳輸?shù)确矫娴募夹g(shù)日漸成熟,但在水質(zhì)浮標(biāo)的核心配件傳感器探頭方面的進(jìn)展仍相對(duì)滯后。目前市場(chǎng)上穩(wěn)定可靠的水質(zhì)探頭還是大量依賴(lài)進(jìn)口。近年來(lái),基于高光譜遙感水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)的設(shè)備與原理,我國(guó)多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了高光譜近感水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀,通過(guò)布設(shè)在近水面的高光譜信號(hào)采集設(shè)備,輔以水位、光合有效輻射等相關(guān)信息的自動(dòng)監(jiān)測(cè),構(gòu)成水面多信息同步采集系統(tǒng),結(jié)合后臺(tái)的各種水質(zhì)反演算法開(kāi)發(fā)與不斷優(yōu)化,能夠?qū)崿F(xiàn)水質(zhì)斷面Chl.a、TN、TP、CODMn、CDOM、透明度、水溫等多指標(biāo)的連續(xù)采集,還大大降低設(shè)備的維護(hù)成本[79]。

開(kāi)發(fā)基于水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)能為水源水庫(kù)水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)防范提供有力的技術(shù)保障。Zhang等基于密云水庫(kù)入庫(kù)河流古北口水質(zhì)斷面的高頻監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),開(kāi)發(fā)了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,構(gòu)建了密云水庫(kù)水體溶解氧(DO)、CODMn、NH3-N等指標(biāo)時(shí)空變化的預(yù)測(cè)模型[80]。Wang等開(kāi)發(fā)了基于混沌理論的非線性經(jīng)驗(yàn)動(dòng)力學(xué)模型EDM,能夠依據(jù)水溫、pH、透明度、光照強(qiáng)度、藍(lán)藻生物量等水庫(kù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)日本水源地Kamafusa水庫(kù)中的2-MIB濃度實(shí)施短期預(yù)測(cè)[81]。李慧赟等應(yīng)用三維水動(dòng)力生態(tài)模型AEM3D等,開(kāi)發(fā)了基于高頻自動(dòng)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)支持下的千島湖關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)及水華風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng),實(shí)施千島湖水體未來(lái)7天Chl.a、TP、TN、DO等指標(biāo)的逐日空間場(chǎng)的自動(dòng)預(yù)測(cè)[82],并通過(guò)“秀水衛(wèi)士”水環(huán)境管理平臺(tái)實(shí)施在線運(yùn)行,為千島湖水質(zhì)安全保障提供了技術(shù)支撐。

3.2 加強(qiáng)流域土地開(kāi)發(fā)管控及污染源削減與攔截

清潔流域是水庫(kù)水質(zhì)安全的根本保障,是水源水庫(kù)水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)防范的首選技術(shù)途徑。從技術(shù)類(lèi)型上,水源水庫(kù)流域污染的源頭削減與攔截技術(shù)又可分為4個(gè)方面:(1)土地開(kāi)發(fā)管控技術(shù);(2)點(diǎn)源深度削減技術(shù);(3)面源削減與輸移攔截技術(shù);(4)河口濕地入庫(kù)屏障技術(shù)。

土地開(kāi)發(fā)管控是水源水庫(kù)水質(zhì)安全保障的治本之策。其核心思想是基于水源水庫(kù)的流域自然地理背景和水庫(kù)水質(zhì)保護(hù)目標(biāo),控制流域開(kāi)發(fā)強(qiáng)度,調(diào)整流域人類(lèi)活動(dòng)類(lèi)型和生產(chǎn)生活的污染物排放強(qiáng)度,從根本上實(shí)現(xiàn)流域高質(zhì)量發(fā)展與水源水庫(kù)高質(zhì)量保護(hù)之間的協(xié)同。在該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意如下幾點(diǎn):(1)控制土地開(kāi)發(fā)總強(qiáng)度。一個(gè)水源水庫(kù)應(yīng)守住林地、自然裸地等土地?cái)_動(dòng)極少用地類(lèi)型的占比底數(shù),一般應(yīng)保持在60%以上,可因流域自然地理特征和保護(hù)目標(biāo)適當(dāng)提高。(2)優(yōu)化土地利用狀況的空間結(jié)構(gòu)。流域污染物從發(fā)生到進(jìn)入水庫(kù),其輸移入庫(kù)占比與污染物發(fā)生點(diǎn)與水庫(kù)水體的空間距離、輸移線路密切聯(lián)系,距離越遠(yuǎn),入庫(kù)占比越低;發(fā)生點(diǎn)的水土保持越好,入庫(kù)占比也越低。應(yīng)優(yōu)先控制水庫(kù)臨湖面、入庫(kù)河流兩岸及河流源頭涵養(yǎng)區(qū)的土地開(kāi)發(fā)強(qiáng)度與開(kāi)發(fā)方式。(3)注意對(duì)茶園、果園、觀賞植物園等經(jīng)濟(jì)林開(kāi)發(fā)強(qiáng)度的控制。茶園、果園、觀賞植物園(如櫻花園、梅園)等雖然在植被類(lèi)型上屬于林地或灌木,在景觀上的綠化率較高、土地?cái)_動(dòng)強(qiáng)度較低,但此類(lèi)用地大都存在化肥、有機(jī)肥投放量大等問(wèn)題,不能混作人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度低的自然林。溧陽(yáng)市水源地天目湖的流域調(diào)查發(fā)現(xiàn),單位面積茶園氮、磷排放強(qiáng)度都明顯高于稻田等一般糧食作物用地,控制流域茶園開(kāi)發(fā)成為保障天目湖水質(zhì)的重要舉措[83]。

水源水庫(kù)流域一般不存在大的工業(yè)點(diǎn)源。如果存在污染較重、規(guī)模較大的工業(yè)點(diǎn)源,一般建議采用污水管網(wǎng)外排出流域等工程措施予以解決。對(duì)于生活污水的點(diǎn)源,應(yīng)根據(jù)水質(zhì)保護(hù)壓力適當(dāng)實(shí)施深度處理削減技術(shù),包括:(1)對(duì)于較大城鎮(zhèn)的污水處理廠,通過(guò)工藝調(diào)整,強(qiáng)化污水處理廠的脫氮除磷能力,實(shí)施更嚴(yán)格的污水廠排放的出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);(2)增加污水處理廠尾水的濕地深度處理及中水回用,避免尾水直接入河。點(diǎn)源污染深度削減技術(shù)方案往往需要與水環(huán)境保護(hù)立法工作相結(jié)合。

面源削減與輸移攔截是水庫(kù)流域營(yíng)養(yǎng)鹽控制的重要技術(shù)策略。在源頭削減方面,既要精準(zhǔn)施肥,控制施肥時(shí)間,又要注意耕地及茶果園的緩沖帶建設(shè),增加施肥后及土地耕作過(guò)程中面源污染的原位攔截率。此外,在入河、入庫(kù)區(qū)域,構(gòu)建湖岸線、河岸、田邊、村旁等陸水交錯(cuò)帶面源攔截帶十分重要。輸移過(guò)程的攔截主要依靠各種水利工程措施及濕地進(jìn)行。水庫(kù)流域的河流大都坡度大,來(lái)水不穩(wěn)定,與村鎮(zhèn)等人口稠密區(qū)聯(lián)系緊密。在河流上構(gòu)建滯水區(qū)、濕地斑塊等是非常有效的凈化措施。根據(jù)河流地貌及村鎮(zhèn)污染源分布,在河流的村莊段(具有較高的基礎(chǔ)設(shè)施)、陡坡段、緩流區(qū)等設(shè)置攔水壩,構(gòu)建儲(chǔ)水池及濕地系統(tǒng),能有效增加磷的沉降、氮的脫出及有機(jī)質(zhì)的降解。需要注意的是,河流濕地需要定期維護(hù),否則磷的攔截能力會(huì)下降。Audet等評(píng)估了丹麥?zhǔn)褂昧?～13年的濕地對(duì)氮、磷的凈化能力,發(fā)現(xiàn)氮的去除能力能保持穩(wěn)定(40～305 kg N/(hm2·a)),而磷的去除能力則隨濕地吸附能力飽和而下降(-2.8～10 kg P/(hm2·a)),濕地老化后甚至成為磷的源而非匯[84]。

河口濕地,或者水庫(kù)前置庫(kù),是流域營(yíng)養(yǎng)鹽入庫(kù)前最后一道攔截凈化屏障。根據(jù)水庫(kù)的地貌特征及防洪安全,前置庫(kù)可以靈活設(shè)置,如直接構(gòu)建攔河壩形成河流濕地區(qū),也可以拓寬河道,旁路引水構(gòu)建人工濕地,形成旁路凈化系統(tǒng)。溧陽(yáng)市水源地天目湖大溪水庫(kù)探索了河口濕地凈水效果,淺水區(qū)種植了香蒲、水蓼、燈芯草、蘆葦?shù)葷裆参?能將大量的磷蓄積在濕地底泥中,降低了水庫(kù)敞水區(qū)的磷負(fù)荷[85]。Kwun等在韓國(guó)忠清南道牙山市某水源水庫(kù)河流入口開(kāi)挖了深約3～4 m、庫(kù)容17萬(wàn)m3的沉積物捕獲槽,對(duì)河流來(lái)水中氮、磷削減效果明顯[86]。

3.3 控制內(nèi)源

從陸地生態(tài)系統(tǒng)中不同地貌單元的生態(tài)功能看,水庫(kù)是流域物質(zhì)的“匯”,存在功能逐漸 “老化”、自?xún)裟芰Σ粩嘞陆档娘L(fēng)險(xiǎn)。流域自然與人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的大量有機(jī)物、營(yíng)養(yǎng)鹽、泥沙等,在水庫(kù)底部不斷累積,而底泥中的有機(jī)質(zhì)不斷分解,營(yíng)養(yǎng)鹽、污染物逐漸累積、活化。此外,隨著庫(kù)齡增加,水庫(kù)庫(kù)容萎縮,庫(kù)底物質(zhì)累積,磷、氮、鐵、錳、硫等內(nèi)源釋放強(qiáng)度增大,水庫(kù)內(nèi)源釋放風(fēng)險(xiǎn)加大。因此,從庫(kù)容維持和水質(zhì)保障方面看,應(yīng)密切關(guān)注水庫(kù)底泥的內(nèi)源釋放風(fēng)險(xiǎn),必要時(shí)開(kāi)展底泥疏浚。

疏浚是一種成本較高的水庫(kù)治理工程手段。只有當(dāng)水庫(kù)的底泥活性磷、有機(jī)質(zhì)含量較高,且內(nèi)源釋放是水體富營(yíng)養(yǎng)化較為重要的原因時(shí),才建議疏浚[87]。底泥有機(jī)質(zhì)含量、磷含量、氮磷內(nèi)源釋放速率、下層水厭氧狀況、鐵錳含量、水體上下層混合強(qiáng)度,以及氮磷外源負(fù)荷與內(nèi)源負(fù)荷比值是判別水庫(kù)是否需要疏浚的重要依據(jù)。溧陽(yáng)市天目湖沙河水庫(kù)于2008年實(shí)施了壩前1.5 km2的表層高有機(jī)質(zhì)泥層的清淤(清淤深度30 cm),清淤量45萬(wàn)m3,在清淤后約10年內(nèi),水庫(kù)春季水質(zhì)異味問(wèn)題都很輕。貴陽(yáng)市水源地阿哈水庫(kù)于2015年10月-2016年5月實(shí)施了10萬(wàn)m3的生態(tài)清淤,清淤后底泥中磷、氮、鐵、錳等含量顯著下降,間隙水溶解性磷濃度下降4倍[88],底泥對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)鹽的影響明顯減輕。

近年來(lái)出現(xiàn)的揚(yáng)水曝氣(water-lifting aerator)技術(shù)在水庫(kù)內(nèi)源釋放遏制方面的應(yīng)用日漸成熟。在水深大、夏季熱分層穩(wěn)定、疏浚難度大、內(nèi)源污染風(fēng)險(xiǎn)高的水庫(kù)中,黃廷林等開(kāi)發(fā)出了揚(yáng)水曝氣技術(shù)在西安水源地金盆水庫(kù)等應(yīng)用實(shí)踐,通過(guò)將下層滯水層缺氧、低溫水提至水庫(kù)表層,形成溫躍層上下水層間的對(duì)流交換,顯著增加下層水體氧濃度,改善表層底泥的理化特征,遏制底泥中氮、磷、鐵、錳的厭氧釋放,同時(shí)也可以降低表層水溫,加快藻類(lèi)垂向混合,抑制藻類(lèi)在表層水體的過(guò)量生長(zhǎng)[89]。

3.4 調(diào)控生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控是通過(guò)完善水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的物質(zhì)輸移和能量流動(dòng)效率、降低水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)累積比例、提高營(yíng)養(yǎng)鹽和污染物生態(tài)凈化能力的一種水質(zhì)調(diào)控生態(tài)技術(shù)。水源水庫(kù)水質(zhì)保障中常見(jiàn)的生態(tài)調(diào)控技術(shù)有3類(lèi):(1)魚(yú)類(lèi)調(diào)控技術(shù);(2)藻類(lèi)生長(zhǎng)抑制技術(shù);(3)生態(tài)浮島氮磷凈化技術(shù)。

魚(yú)類(lèi)調(diào)控技術(shù)是通過(guò)調(diào)整水庫(kù)中不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)魚(yú)類(lèi)的結(jié)構(gòu)和比例來(lái)實(shí)現(xiàn)控制藻類(lèi)等初級(jí)生產(chǎn)者在水體中過(guò)度增殖的一種生態(tài)技術(shù)。目前我國(guó)水庫(kù)漁業(yè)十分普遍,但關(guān)于魚(yú)類(lèi)調(diào)控遏藻的技術(shù)策略仍有分歧。國(guó)際上較為流行的技術(shù)策略是投放高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的肉食性魚(yú)類(lèi)、控制浮游生物食性魚(yú)類(lèi)(鰱、鳙、鯉、鯽等),控制小型魚(yú)類(lèi),提高浮游動(dòng)物生物量,強(qiáng)化浮游動(dòng)物對(duì)浮游植物的直接控制作用。如德國(guó)水源水庫(kù)Saidenbach水庫(kù)在投放鰱密度10 g/m3條件下,水體透明度明顯下降,30 μm以下浮游植物生物量及30 μm以下顆粒有機(jī)碳均明顯增高,橈足類(lèi)浮游動(dòng)物生物量顯著下降,枝角類(lèi)浮游動(dòng)物生物量下降,不能改善水源地的水質(zhì)[90];相比較而言,采用大規(guī)格鮭魚(yú)投放后則有效提高了水庫(kù)水質(zhì)[91]。因此,該研究者認(rèn)為鰱、鳙等濾食性魚(yú)類(lèi)控制藍(lán)藻水華的技術(shù)僅適用于天然大型浮游動(dòng)物缺乏的富營(yíng)養(yǎng)水體[90]。但肉食性魚(yú)類(lèi)投放控藻也有許多失敗例子,如Jurajda等在捷克赫林斯科市水源地Hamry水庫(kù)開(kāi)展了4年的魚(yú)類(lèi)調(diào)控,包括擬鯉、鳊魚(yú)、鱸魚(yú)等清除工程,但仍無(wú)法有效控制水庫(kù)中的藻類(lèi)生物量,該水庫(kù)外源營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷偏高、上行效應(yīng)主導(dǎo)了藻類(lèi)生物量的變化[92]。我國(guó)目前多數(shù)水源水庫(kù)的魚(yú)類(lèi)調(diào)控思路與國(guó)際上有所不同,由于鰱、鳙等養(yǎng)殖是我國(guó)水庫(kù)管理中的重要技術(shù)手段,合理投放鰱、鳙等濾食性魚(yú)類(lèi)成為水庫(kù)生態(tài)調(diào)控的基本手段。肖利娟等在廣東富營(yíng)養(yǎng)水庫(kù)甘村水庫(kù)的圍隔實(shí)驗(yàn)表明,密度為50 g/m3的鰱投放能有效控制該水庫(kù)的藻類(lèi)水華;冬季起捕后則因藻類(lèi)失去魚(yú)類(lèi)牧食壓力,水華風(fēng)險(xiǎn)反而增高[93]。魚(yú)類(lèi)調(diào)控技術(shù)的核心是精準(zhǔn)診斷水庫(kù)食物鏈結(jié)構(gòu),并在上行效應(yīng)有效控制的基礎(chǔ)上,科學(xué)制定方案,避免盲目過(guò)度投放鰱、鳙。

微囊藻由于細(xì)胞體內(nèi)具有調(diào)節(jié)上浮的偽空泡結(jié)構(gòu),可以通過(guò)加壓破壞其偽空泡和降低其表層光競(jìng)爭(zhēng)能力的方式進(jìn)行控制。叢海兵等對(duì)微囊藻細(xì)胞團(tuán)實(shí)施0.4～0.6 MPa靜水壓力后,發(fā)現(xiàn)大部分微囊藻細(xì)胞團(tuán)在水柱中下沉[94],細(xì)胞的生物活性及環(huán)境危害下降。我國(guó)湖庫(kù)水華中較大比例是微囊藻水華[95],該技術(shù)能成為富營(yíng)養(yǎng)水源水庫(kù)微囊藻水華控制提供一種技術(shù)選項(xiàng)。

生態(tài)浮島脫氮除磷及生境修復(fù)技術(shù)本是一種城市河道水體修復(fù)技術(shù),但是在水質(zhì)較好的水源水庫(kù)的應(yīng)用很少。唐偉等通過(guò)對(duì)浮島浮體結(jié)構(gòu)改造、耐低營(yíng)養(yǎng)的浮島植物篩選、人工介質(zhì)組合、浮島植物收割管理等研發(fā),開(kāi)發(fā)出適用于深水、營(yíng)養(yǎng)鹽較低(水體總氮約為1 mg/L,總磷約為0.02 mg/L)的水庫(kù)生態(tài)浮島脫氮除磷及生境修復(fù)技術(shù)[96]。在千島湖庫(kù)尾等中營(yíng)養(yǎng)水域應(yīng)用后發(fā)現(xiàn),總氮和總磷的去除率分別可達(dá)2.89和0.08 mg/(kg·d)[96],并吸引了大量魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵,鳥(niǎo)類(lèi)覓食,在發(fā)揮脫氮除磷功能的同時(shí),為水庫(kù)生物多樣性維持提供了重要載體。由于大多數(shù)水源水庫(kù)存在水位落差大、消落帶生境差、生物多樣性低等問(wèn)題,生態(tài)浮島技術(shù)在水源水庫(kù)的生態(tài)調(diào)控方面也具有應(yīng)用前景。

3.5 創(chuàng)新管理技術(shù)

在水庫(kù)水質(zhì)安全保障中,管理是引領(lǐng),技術(shù)是手段。如何通過(guò)行政和經(jīng)濟(jì)手段來(lái)提高流域居民保護(hù)水質(zhì)的主觀能動(dòng)性極為重要。目前,我國(guó)在水源水庫(kù)水質(zhì)保護(hù)管理理論和技術(shù)方面正處于不斷探索實(shí)踐階段。水源水庫(kù)的水質(zhì)保護(hù)中,行政管理上涉及林業(yè)、農(nóng)業(yè)、城建、旅游、水利、生態(tài)環(huán)境等多個(gè)部門(mén),因此,首先應(yīng)該通過(guò)立法、規(guī)劃、條例等各種管理手段加強(qiáng)多部門(mén)之間的協(xié)作。

跨區(qū)域生態(tài)補(bǔ)償是近年來(lái)廣泛探索的管理技術(shù),但是成熟、成功的方案不多。李建等分析了長(zhǎng)江流域70個(gè)國(guó)家級(jí)水庫(kù)水源地的生態(tài)補(bǔ)償狀況(依據(jù)2016 年水利部印發(fā)了《水利部關(guān)于印發(fā)全國(guó)重要飲用水水源地名錄(2016年)的通知》(水資源[2016]383號(hào))),發(fā)現(xiàn)補(bǔ)償效果相對(duì)較好的是貴陽(yáng)市水源地紅楓湖、長(zhǎng)沙市水源地株樹(shù)橋水庫(kù)及南水北調(diào)中線源頭丹江口水庫(kù),這3個(gè)水源水庫(kù)都通過(guò)生態(tài)補(bǔ)償措施將水庫(kù)水質(zhì)維持Ⅱ類(lèi)[97]。由于補(bǔ)償者與受補(bǔ)償者之間在補(bǔ)償費(fèi)用、補(bǔ)償機(jī)制等方面訴求的不斷變化等,多數(shù)水源水庫(kù)生態(tài)補(bǔ)償方案都要經(jīng)歷較多的利益博弈過(guò)程。

設(shè)置專(zhuān)門(mén)水源地管理機(jī)構(gòu)、制定專(zhuān)門(mén)水源地保護(hù)法規(guī)是較為有效的管理措施,在水源水庫(kù)水質(zhì)保護(hù)中發(fā)揮重要的作用。如溧陽(yáng)市設(shè)立了天目湖水源地生態(tài)環(huán)境保護(hù)管理辦公室,由分管副市長(zhǎng)牽頭,具有多部門(mén)協(xié)調(diào)的功能,推動(dòng)了江蘇省人大在全省水源地保護(hù)條例出臺(tái),有效保障了天目湖水源水庫(kù)水質(zhì)的長(zhǎng)期穩(wěn)定。杭州市為保護(hù)千島湖水質(zhì),從2012年起實(shí)施了3輪新安江共保生態(tài)補(bǔ)償試點(diǎn),2019年成立了淳安特別生態(tài)功能區(qū),2020年出臺(tái)了《杭州市淳安特別生態(tài)功能區(qū)管理辦法》,在制度創(chuàng)新上探索了大型水源水庫(kù)的水質(zhì)安全保障模式,取得了較好的水質(zhì)保護(hù)效果。

4 結(jié)論與展望

水源水庫(kù)在我國(guó)大城市供水中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。但是目前水源水庫(kù)普遍面臨富營(yíng)養(yǎng)化、水質(zhì)異味等方面的挑戰(zhàn)。提高水源水庫(kù)的水質(zhì)安全,首先應(yīng)在水庫(kù)生態(tài)學(xué)理論上加大研究投入。水庫(kù)生態(tài)學(xué)是一門(mén)發(fā)展中的交叉學(xué)科,水庫(kù)的水質(zhì)變化、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演替過(guò)程、功能變化及其驅(qū)動(dòng)涉及到氣候、氣象、水文、水動(dòng)力、水生態(tài)、地球化學(xué)、流域地理學(xué)、漁業(yè)科學(xué)、微生物學(xué)等多個(gè)學(xué)科,水質(zhì)與生態(tài)系統(tǒng)變化機(jī)制復(fù)雜,生態(tài)調(diào)控的響應(yīng)周期長(zhǎng),水庫(kù)生態(tài)學(xué)理論的不足影響到了水源水庫(kù)的水質(zhì)安全保障。其中,急迫解決的理論問(wèn)題包括但不限于如下幾條:(1)水庫(kù)水體的異味發(fā)生機(jī)制,哪些藻類(lèi)、在何種條件下產(chǎn)異味?細(xì)菌是如何參與到水體異味的形成的?(2)藍(lán)藻水華發(fā)生的機(jī)制與閾值,光照、溫度、營(yíng)養(yǎng)鹽、水動(dòng)力及食物鏈等多要素如何調(diào)控藍(lán)藻生物量的?不同屬、種的藍(lán)藻形成水華的條件差異是什么?(3)水庫(kù)食物鏈結(jié)構(gòu)與水質(zhì)的關(guān)系,在營(yíng)養(yǎng)鹽相對(duì)缺乏、水文條件變化較大的動(dòng)態(tài)體系中,如何維持與水質(zhì)目標(biāo)相一致的食物鏈結(jié)構(gòu)?

在水源水庫(kù)的水質(zhì)保護(hù)技術(shù)方面,目前雖然存在監(jiān)測(cè)預(yù)警、污染源削減、食物鏈調(diào)控、應(yīng)急處置等多種技術(shù),但仍缺乏精準(zhǔn)、高效的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)防控技術(shù)。從技術(shù)發(fā)展方向上看,更為精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)、更為安全的應(yīng)急處置技術(shù)、更為科學(xué)的食物鏈調(diào)控技術(shù)、更為高效的外源攔截凈化技術(shù),以及更為綠色共贏的流域保護(hù)管理技術(shù)等都是今后發(fā)展的熱點(diǎn)。

致謝:本文在全國(guó)水源水庫(kù)問(wèn)題調(diào)研、分析及數(shù)據(jù)整理中得到了許多學(xué)者支持,包括中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所陳雋、沈宏、鄧緒偉、李林、畢永紅、葉麟,中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心蘇命,中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所陳敬安、王敬富,中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所楊軍、陳輝煌,中國(guó)科學(xué)院武漢植物園譚香,中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所謝永宏、李有志,中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所郭躍東、譚穩(wěn)穩(wěn),暨南大學(xué)韓博平、肖利娟,水利部中國(guó)科學(xué)院水工程生態(tài)研究所趙先富,中國(guó)水利水電科學(xué)研究院王雨春、胡明明,中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院王坤,中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所施坤、李未等,在此一并表示感謝。