人工湖泊水生态评估探讨(2016)

人工湖泊水生态评估探讨陈文清四川大学建筑与环境学院[e-mail]2016-4研究背景及目的人工湖水生态评估案例分析人工湖水生态评估因子探讨人工湖水生态评估的关键问题研究背景1.11、城市人工湖泊日益增加据不完全统计，全国范围内人工湖库已超过8万个，随着经济发展及海绵城市的建设，城市人工湖泊有逐年增加的趋势。双流麓湖高新区锦城湖双流南湖成都南湖天府新区兴隆湖上海滴水湖青海龙羊峡水库2、城市人工湖受到的胁迫3、城市人工湖泊的脆弱性（1）何为健康完善的水生生态系统？Ø生态系统完整、稳定、可持续；Ø具有自我调节机制及自我运作能力；Ø生境群落保持活力；Ø具有生态服务功能。（2）健康完善的湖泊生态系统特点有哪些？Ø具有生物多样性：Ø水生态系统结构完整；Ø水质良好；Ø景观及环境优美。（3）人工湖泊生态系统构建原理是什么？Ø物种多样性原理Ø食物链原理Ø协调与平衡原理（4）人工生态系统普遍存在的问题？Ø系统结构简单，生物多样性不丰富Ø系统封闭，水流缓慢Ø自我维持性差，需要人工干预调控人工生态系统的脆弱性使其更易引发水华的爆发，其中蓝藻水华发生的范围最广，危害最大，发生地点遍布全球各地。滇池太湖巢湖汉江蓝藻究竟为何物？为何会带来如此大的灾难？（5）蓝藻Ø蓝藻门约有1纲20科140属2000多种，分布范围广：淡水、海洋、湿地、沙漠、高温温泉、冰雪。Ø易发生水华的种类：微囊藻、鱼腥藻、束丝藻、颤藻等。微囊藻鱼腥藻束丝藻颤藻蓝藻水华形成的原因蓝藻独特的生理生态特性是同其他浮游植物竞争的优势：Ø固氮—营养补偿机制：适应氮磷比范围宽（盛虎等,2012；SchindlerDW,2008）Ø具有胶鞘—抵抗不利因素机制：适应温度范围广，温泉冰雪条件下均能存活（ZhangYSetal,2011），可形成群落、抵抗天敌能力强（XiaoYetal,2012），已在地球存活35亿年；Ø休眠—回避不良条件机制：形成孢子、藻殖段等休眠体躲避不良环境（Prestonetal,1980；Takamura,1984；Bostrom,1989）；Ø奢侈消费机制：可吸收过量营养盐储存体内应对环境变化（JoneDDetal,1971）。在环境适宜的环境中，蓝藻的生理生态优势就充分表现出来，大量生长繁殖形成水华。蓝藻水华的危害Ø破坏水体生态系统平衡：降低水体透明度、溶解氧，降低生物多样性；Ø影响供水水质：产生毒素；Ø危害人类及其他动物健康：生物链富集；Ø破坏水域生态景观：水色变化、透明度下降，加速沼泽化。研究目的1.2评估人工生态系统构建合理性，探究人工调控对系统的完善作用；预防人工湖泊蓝藻水华的爆发；探讨蓝藻生长繁殖的关键因子及其阈值研究(以成都市人工湖泊为研究对象，借鉴国内外案例)。Ø为建设“美丽成都”，打造亲水宜人的大都市湿地生态景观。2012年6月《成都市环城生态区总体规划》形成，规划中提出建设“六湖八湿地”：建设锦城湖、江安湖、金沙湖、安靖湖、北湖、青龙湖6个湖泊；以及安靖、北湖、龙潭、青龙、三圣、锦城、江安及金沙湿地。Ø本次研究对象即为已建成的锦城湖，并麓湖为参照对象。本研究将对后期实施的六湖八湿地健康水生态系统的维持起到重要作用。麓湖位于成都市双流县，为麓湖生态城的景观湖，是成都最早构建水生态系统工程的人工湖。Ø湖面面积29万m2，平均水深2.4m。Ø生态系统：构建沉水植物群落、底栖生物群落、鱼类群落等生物网体系。Ø沉水植物：马来眼子菜、菹草、狐尾藻、黑藻、金鱼藻、苦草等，优势种为苦草。Ø进水：东风渠老南干渠。麓湖基本情况2.1锦城湖3#、4#基本情况2.2锦城湖位于成都市高新区绕城高速路南段，以剑南大道和外环路十字分割为4个湖区。本次研究对象为锦城湖3#、4#湖。Ø锦城湖3#：湖面面积7.37万m2，平均水深2.4m；Ø锦城湖4#：湖面面积13.86万m2，平均水深3.0m。Ø生态系统：构建沉水植物群落、底栖生物群落、鱼类群落、微生物附着基、生态护岸等生物网体系。Ø沉水植物：马来眼子菜、狐尾藻、梅华藻、黑藻、金鱼藻、微齿眼子菜、苦草等，优势种为苦草。Ø进水：肖家河—2#湖—3#湖—4#湖。锦城湖3#、4#基本情况评估内容及方法2.3v2.3.1监测点位麓湖监测点位锦城湖监测点位每个湖泊设3个监测点位，每季度定期采样，突发情况采样。对湖泊水质理化指标、生物指标监测评估。v2.3.2评估因子理化性质（水质）评价因子：水温、pH、DO、色度、透明度、浊度、高锰酸盐指数、总氮、总磷、氨氮、叶绿素a等；生物评价因子：浮游植物、浮游动物、着生植物、着生动物、底栖动物等。v2.3.3评估方法水质根据《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中标准通过单因子指数法进行评价；湖泊富营养化根据金相灿等《中国湖泊环境》中综合营养状态指数法进行评价；生物评价根据香浓威尔多样性指数法进行评价。于2014年12月22日、2015年3月13日、6月5日、8月4日、9月8日、12月21日分别对锦城湖3#湖、4#湖及麓湖的的水温、DO、pH、TN、TP、NH3-N、高锰酸盐指数、浊度、SD、叶绿素a等10项指标进行了监测，水质评估结果如下。水质评估结果与分析2.4湖泊麓湖锦城湖3#锦城湖4#富营养化状态贫-中营养中营养中营养富营养程度对比锦城湖3#锦城湖4#麓湖富营养化指数（TSI)冬春季夏秋季水质状况Ⅲ类劣Ⅴ类Ⅳ类水质对比麓湖锦城湖4#锦城湖3#关键因子无TPTN/TP生态系统稳定性形成了较为稳定的生态系统，抗干扰能力强生态系统不稳定，受进水影响较大形成了适合处理较洁净水体的生态系统，TP过高时生态系统的调节能力减弱麓湖、锦城湖水质评估结果本研究主要对麓湖、锦城湖3#、锦城湖4#湖浮游植物群落结构组成及生物多样性监测分析。浮游植物评估结果与分析2.5湖泊麓湖锦城湖3#锦城湖4#浮游植物年平均密度2.80×103ind/L6.77×103ind/L3.53×103ind/L浮植密度季节变化趋势冬春季夏秋季优势种夏秋季优势种是绿藻门，冬春季优势种为硅藻门所占比例对比与麓湖相比，锦城湖3#、4#湖的浮游植物蓝藻、绿藻所占比例均偏高，而生活在较清洁水体的黄藻所占比例都偏低。年平均香浓威尔指数2.572.342.46香浓威尔指数季节变化趋势冬春季夏秋季麓湖、锦城湖浮游植物评估结果本研究主要对麓湖、锦城湖3#、锦城湖4#湖浮游动物的群落结构组成及生物多样性进行监测分析。浮游动物评估结果与分析2.6麓湖、锦城湖浮游动物评估结果湖泊麓湖锦城湖3#锦城湖4#浮游动物年平均密度2.71×103ind/L2.13×103ind/L2.15×103ind/L浮动密度季节变化趋势冬、春季＞夏、秋季优势种小型原生动物肉足虫纲、纤毛虫纲所占比例对比锦城湖3#、4#湖的浮游动物与麓湖相比代表较清洁水体的轮虫种类组成和数量明显偏低，而大型枝角类的种类和数量也是麓湖锦城湖4#锦城湖3#。年平均香浓威尔指数2.612.412.48香浓威尔指数季节变化趋势冬、春季＞夏、秋季本研究主要对麓湖、锦城湖3#、锦城湖4#湖浮游动物的群落结构组成及生物多样性进行监测分析。底栖动物评估结果与分析2.7麓湖、锦城湖底栖动物评估结果湖泊麓湖锦城湖3#锦城湖4#底栖动物年平均密度463ind/m2859.63ind/m21388ind/m2底栖动物密度季节变化趋势冬季最高，春季最低夏季最高，秋季最低底栖动物年平均生物量35.818g/m2102.36g/m2173.44g/m2底栖动物生物量变化趋势夏季最高，春季最低夏季最高，秋季最低优势种冬季是以小型底栖动物为主，而夏季小型底栖动物转变为大型生物为主小型底栖动物为主所占比例对比软体动物门占多数，优势种为梨形环棱螺；环节动物门占少数，其优势种为水丝蚓年平均香浓威尔指数2.542.282.52香浓威尔指数季节变化趋势冬、春季＞夏、秋季麓湖：1、水质稳定，总体水质呈Ⅲ类，贫-中营养状态。2、CODMn及TN、TP的增加主要与降雨量有关。3、TP全年呈上升趋势，说明目前生态系统有待进一步改善结构，完善管理，增加对磷的去除。4、叶绿素a全年变化较稳定，说明水生态系统较稳定，控制了浮游植物的过度繁殖。5、与锦城湖相比，麓湖蓝绿藻所占比例明显偏低，而生活在洁净水体的黄藻所占种类和数量则明显偏高，生活在较清洁水体的轮虫和大型枝角类的群落组成和数量也明显偏高。6、经清水型生态系统构建及后期补水、种草、放鱼等人工调控措施后已形成了较为稳定、抗干扰能力强的生态系统。评估案例分析结论2.8锦城湖3#：1、来水水质变动较大，平均水质差且变动大，劣Ⅴ类，绿藻-蓝藻中营养类型。2、叶绿素与TP呈较好的正相关，说明当前水生态系统不能完全消解负荷冲击，导致浮游植物过度繁殖，且蓝藻占的比例上升，逐步成为优势种，存在发生“水华”的风险。3、浮游动物以小型原生动物肉足虫纲、纤毛虫纲占优势，底栖动物以软体动物中的梨形环棱螺占优势。4、经清水型生态工程构建及后期人工调控，具有一定水质净化功能，生态系统仍不稳定，较脆弱，需进一步加强人工干预。评估案例分析结论2.8锦城湖4#：1、由于锦城湖3#的净化作用，平均水质波动较小，呈Ⅳ类，属绿藻-蓝藻中营养状态。2、TP全年呈上升趋势，说明目前生态系统有待进一步改善结构，完善管理。3、叶绿素a全年变化较稳定，说明水生态系统较稳定，控制了浮游植物的过度繁殖。4、浮游植物绿藻群落占优势，浮游动物以小型原生动物肉足虫纲、纤毛虫纲占绝对优势，底栖动物以软体动物中的梨形环棱螺占绝对优势。5、经清水型生态工程构建及后期人工调控，形成了处理较洁净水质的生态系统，但仍不稳定，较脆弱，易受进水影响，存在发生“水华”的风险，需严格进行控制。评估案例分析结论2.8Ø本研究分析发现，锦城湖中藻类生长的关键因子是TP。Ø基于生物学的方法以总磷和叶绿素a为研究对象，建立锦城湖总磷与叶绿素a关系的数学模型，根据叶绿素的限值标准推测水体总磷阈值。Ø结合近一年的监测研究及参考国内外文献，推测得到锦城湖TP阈值为0.034mg/L。三、人工湖泊水生态评估探讨人工湖水生态评估因子TP临界值的探讨3.1控制锦城湖总磷在0.034mg/L范围内，有利于控制水华的爆发。目前城市水生态系统的建设愈发重视，但其评价体系尚未统一，因此建立统一的评价体系或框架对于人工湖水生态的管理和维护有着重要意义，本研究拟定的评估框架如表所示。比例（%）0~2020~4040~6060~8080~100级别ⅤⅣⅢⅡⅠ生态化评语差较差一般较高高三、人工湖泊水生态评估探讨人工湖水生态评估框架的构建3.2人工湖水生态管理要点加强对人工湖水生态的监测评估，掌握水质的动态变化，实时采取相应人工措施促进生态系统稳定化发展加强对大气干湿沉降、地表径流、降雨及面源污染的监测，实时掌握污染源状况加强地方环保部门与湖泊管理部门的统一协调管理，对湖泊进水严格监测、控制了解底泥及周边的磷形态和含量，准确掌握磷污染状况四、人工湖水生态评估的关键问题强化人工湖水生态管理要点4.1人工湖水生态信息与技术平台的建立利用现代化的科学技术手段，在分析研究各水体水质指标现状、存在问题及需求的基础上，制定监测方案，方案中包括监测内容、监测频次、监测手段等内容。通过长期的水文观测、水质监测等建立数据库，构建适合人工湖水生态评价的模型，对其健康程度进行预测，同时在运行管理中的进行跟踪监测，实行动态管理。建立人工湖水生态管理信息系统，及时掌握水环境的变化情况，为维持人工湖水生态的健康稳定状态提供科学管理依据。四、人工湖水生态评估的关键问题强化人工湖水生态评估管理建议4.2