湖泊环境治理与生态健康评价_谭啸顾正娣许航沈桢专著.pdf

序 言 湖泊是重要的水环境系统，具有调节河川径流、蓄洪航运、农业灌溉、提供工业和饮用水源、繁衍水生生物等多种功能，在社会和经济发展中发挥着重要的作用。同时，湖泊及其流域是人类赖以生存的场所，湖泊生态系统对全球变化响应敏感，湖泊是地球表层系统各圈层相互作用的联结点，是陆地水圈的重要组成部分，与生物圈、大气圈、岩石圈等密切关联，具有调节区域气候、记录区域环境变化、维持区域生态平衡和繁衍生物多样性的重要功能。近几十年来，随着气候变化和人类活动的加剧，很多湖泊面积萎缩、水量减少、污染加剧、灾害频发，湖泊已经成为区域环境变化的热点，是人与自然相互作用最敏感、影响最深刻、治理难度最大的水环境问题。着眼于湖泊环境治理与生态健康评价，我们整理国内外湖泊环境治理和长效管理的系统内容，供湖泊管理、研究、开发利用的人士参阅。全书的统稿分工如下：第一、二、三章由谭啸（河海大学环境学院）编写，第四章由许航（河海大学环境学院）编写，第五章由沈桢（苏州市环境科学研究所）编写，第六章由顾正娣（东南大学环境审计学博士，南京审计学院讲师）编写。本书的部分研究内容受到中国博士后基金（20110491341）和江苏省博士后基金（1102004B）资助，特此表示衷心的感谢！由于我们水平有限，加之时间仓促，恳请读者对书中的错误和缺点进行批评指正！以便在再版时用更完善的结构和更新颖的内容回报各位读者！编 者 2011 年 12 月 目 录 1 目 录 第一章 湖泊学概论1 第一节 我国湖泊概况3 第二节 湖泊的功能与类型14 第三节 湖泊的环境问题20 第四节 国外湖泊治理经验介绍23 第二章 湖泊富营养化与蓝藻水华50 第一节 蓝藻的生物学及生态学特征53 第二节 太湖蓝藻水华的演变过程与成因分析60 第三章 蓝藻水华治理方法72 第一节 生物方法治理水华72 第二节 物理方法治理水华82 第三节 化学方法治理水华91 第四节 湖泊富营养化长效治理与蓝藻水华控制93 第四章 藻毒素研究的进展95 第一节 藻毒素的类型和特性95 第二节 微囊藻毒素对不同细胞的毒性作用97 第三节 藻毒素的检测100 第四节 高藻浓度湖泊原水的处理与净化105 湖泊环境治理与生态健康评价 2 第五章 我国主要湖泊治理概述118 第一节 巢湖的治理118 第二节 滇池的治理127 第三节 太湖的治理136 第六章 湖泊生态系统健康评价145 第一节 生态系统健康标准145 第二节 湖泊评价方案149 第三节 评价内容157 第四节 湖泊生态系统评价的发展方向183 参考文献187 第一章 湖泊学概论 1 第一章 湖泊学概论 汉语中“湖”与“泊”都指陆地水域，“湖”指水面有水草的水域，“泊”指水面无水草的水域。“湖”字从水从胡。“胡”字从古从肉，本义为“古人体毛浓密”。“水”与“胡”联合起来表示“水面长满了像胡须一样的水生植物”。“泊”字从水从白。“白”本义为“虚空”、“空无一物”。“水”与“白”联合起来表示“水面空无一物”。按说文解字对“湖”字的解释可知，古人利用湖泊来灌溉农田。从“泊船”、“泊位”、“停泊”等词汇来看，还可以利用湖泊来航运。现代地质学对湖泊的定义是：地表洼地积水形成的、水域比较宽广、水流缓慢的水体，由湖盆、湖水、水体中所含物质（矿物质、溶解质、有机质及水生生物等）共同组成湖泊系统。湖泊学是陆地水文学的分支学科，主要研究湖泊（包括水库）的形成与演变，湖泊中各种水文现象的发生与变化规律以及湖泊资源的利用等。地球表面湖泊总面积约270万km2，占全球大陆面积的1.8%左右，是地表水中仅次于冰川的第二大水体，淡水湖泊中98%以上的水量是可供利用的，全球湖泊淡水总量为125000 km3，大约4/5的淡水储存在40个大湖中。虽然湖泊遍布全世界，但北美洲、非洲和亚洲的湖泊水量占世界湖水总量的70%。在两千多年前，我国就有了专门记录湖泊的文献。公元前221年，禹贡记载了湖泊水文情况。公元6世纪，郦道元所著的水经注是我国古代一部较完整记载河道水系的专门著作。水经注对各种类型湖泊的记载也颇为详细，例如：蒲昌海（罗布泊）、卑禾羌海（青海湖）、彭蠡泽（鄱阳湖）、洞庭湖、叶榆泽（洱海）、马骨湖（洪湖）等。此外还涉及沿海的泻湖，例如：卢容浦、朱吾浦、四会浦、寿冷浦、温公浦等。郦道元注意到湖泊与河流间密切的水文第一章 湖泊学概论 2 关系，他多次指出：湖泊可以调节河流水量，发洪水时河流将洪水排入湖泊，旱季湖泊又将湖水补给河流。这对于当代的防汛抗旱、兴修水利仍具有指导意义。郦道元（约470527年）字善长，范阳涿鹿（今河北省涿鹿县）人，北魏的地理学家、散文家。近代湖泊学的奠基人福雷尔最早开始湖泊学的系统研究，他以日内瓦湖为中心，研究水位、光学、热学、湖水运动和湖泊水生物等的变化过程和规律。福雷尔（Francois-Alphonse Forel，18411912年），瑞士科学家，近代湖泊学的奠基人。1876年，福雷尔首先应用流体力学公式计算湖泊波浪，研究湖水物理作用及其与水生生物的相互作用。1889年，他采用水色计测量湖水颜色，经乌勒改进后命名为“福雷尔乌勒标准水色计”，迄今仍用于观测湖水和海水。1895年福雷尔提出湖泊按水温划分为热带湖、温带湖、极地湖3种类型。福雷尔的论第一章 湖泊学概论 3 著很多，最主要的著作是日内瓦湖湖泊志（共3卷），内容包括地理、地质、气候、水文、物理、化学、生物学等各个方面，书中首次提出“湖泊学”名词。20世纪20年代后，科学家应用质量守恒和能量守恒原理，提出湖泊水量平衡、泥沙平衡、盐量平衡等问题，结合流体力学理论，使湖泊学研究从定性走向定量。20世纪50年代后，随着计算机技术的发展、同位素及遥感技术的应用以及精密测量仪器的研制，湖泊学得到迅速发展。现代湖泊学的主要研究内容包括：湖泊的成因和形态，湖泊水量平衡及热量平衡特点，湖水运动规律，湖泊水化学和湖泊污染过程，湖泊沉积过程及环境演化规律，湖泊中的生物资源，矿物资源的开发利用等。第一节 我国湖泊概况 我国是一个多湖泊的国家，面积在1 km2以上的湖泊有2300余个，总面积为71787 km2，占全国总面积的8%左右。其中，青海湖面积为4000多km2，是我国最大的湖泊。西藏的纳木错，湖面海拔4718 m，是海拔最高的大型湖泊。位于长白山上的天池，水深达373 m，是我国最深的湖泊。根据各地语言习惯，我国各地对湖泊的称谓有很多种。在江浙一带称“漾”、“荡”、“氿”、“塘”；在东北地区称“池”或“泡”；在内蒙古称“诺尔”、“淖”、“海子”；在云贵地区称“海”或“池”；在新疆称“库勒”；在西藏称“错”或“茶卡”等。我国湖泊分布范围广而不均匀，东起东经13220的兴凯湖，西至东经7850的班公错；北起北纬4857的呼伦湖，南到北纬2325的大屯海。东部平原和青藏高原形成两大稠密湖群。内蒙古高原、云贵高原、柴达木盆地和准噶尔盆地湖泊分布也较多。但长江上游、珠江流域和浙闽丘陵等地区湖泊寥寥无几。按湖泊的地理位置，可将中国湖泊分为东北、（内）蒙（古）新（疆）、青藏、东部平原和云贵五大湖区。（1）青藏高原湖区（包括青海、西藏），多为内陆咸水湖或盐湖。区内主第一章 湖泊学概论 4 要湖泊有：青海湖、鄂陵湖、扎陵湖、纳木错、奇林错、班公错、可鲁克湖、扎素湖、察尔汗盐湖、茶卡盐湖、哈拉湖等。青藏高原气候严寒而干燥，冬季湖泊冰封期较长、降水稀少，夏季的冰雪融水是湖水补给的主要形式。湖泊水情虽有季节性变化，但水位变幅一般普遍较小，年内变幅一般不超过50 cm。湖泊成因类型复杂多样，但大多是发育在一些和山脉平行的山间盆地或巨形谷地之中。其中大中型的湖泊如纳木错、色林错、玛旁雍错等都是由构造作用所形成，湖盆陡峭，湖水较深，且湖泊的分布与纬向、经向构造带相吻合，只有一些中、小型湖泊分布在丛山峻岭的峡谷区，属冰川湖或堰塞湖类型。湖泊深居高原腹地，多是内陆河流的尾闾和汇水中心，以内陆咸水湖和盐湖为主，但在黄河、雅鲁藏布江、长江水系的河源区，由于晚近地质时期河流溯源侵蚀与切割，仍有少数外流淡水湖存在，如黄河源的扎陵湖、鄂陵湖是本区域两大著名的淡水湖。但总体上，青藏高原地区湖泊的湖水矿化度，具有自南向北增加的趋势，如西藏南部地区的湖泊，湖水矿化度多在16 g/L之间，向北至西藏中部或藏北南部，湖水矿化度增至50130 g/L，到西藏北部，湖水矿化度进一步增高到200 g/L左右，到柴达木盆地，湖水矿化度已升高到300 g/L以上。青藏高原地区作为地球的第三极，具有敏感响应全球气候变化的特点，而湖泊作为其流域物质能量的“汇”，对区域环境的变化十分敏感，如补给系数为100的湖泊，流域降水量减少1 mm或蒸发量增加1 mm，可能导致湖泊水位下降0.1 m。据长江源区沱沱河沿、曲麻莱和玉树州的气象资料，近20年来年平均气温（在统计平均意义下）以每年0.046的速率上升（全球的平均值约为每年上升0.01），其中4月和5月上升速率高达每年0.084；而年降水量以每年3.46 mm的速率下降，年蒸发量则以每年6.15 mm的速率增加。在区域暖干化的气候背景下，湖水入不敷出，湖泊干化现象显著，多处于萎缩状态，往往沿岸区有多级古湖岸砂堤残留，湖泊退缩痕迹清晰可见。如青海湖，水位从1956年的3196.94 m变为1988年的3193.55 m，共下降了3.35 m，湖面积减少了301.6 km2。第一章 湖泊学概论 5 随着水位下降，湖面萎缩，湖水矿化度明显增加，1962年青海湖矿化度为12.490 g/L，到1986年已达14.152 g/L。据有关研究，青海湖每年入湖的地表、地下径流量为36.28108 m3，而其流域内的工农业用水量仅1.0108 m3左右，其萎缩和变浅主要由气候变化所致。面积约600 km2的米提江占木错，现已解体并萎缩成4个串珠状湖泊，湖水明显咸化。乌兰乌拉湖现已分离为5个小湖泊，发育了多级湖滨阶地。雀莫错湖水现已减少了近1/2。苟仁错在20世纪60年代为咸水湖，到20世纪80年代发展成为盐湖（面积仅23.5 km2），现已近干涸，变为干盐湖。乃日平错退缩痕迹随处可见，残留湖呈长条状平行岸线分布，与第四纪大湖面时期相比，湖泊水位下降了近20 m，面积缩小了近2/3。万泉错沿岸分布有多条古砂堤，湖面下降了48 m，面积缩小了近9/10，现存滨岸带面积2.0 km2以下的残留小湖有27个之多。心湖南、北滨岸带各分布有1条古湖岸砂堤，海拔4840 m，湖面下降了近34 m，面积缩小了近3/4。仓木错退缩痕迹非常明显，湖泊东岸的最高一道古湖岸砂堤，高出湖面97 m，沿半山腰等高延伸，保存完好，十分清晰。在这个相同的高度上，湖蚀洞穴多处可见。龙木错沿岸分布有古湖岸砂堤70条之多，特别是湖泊东部滨岸带多达100余条，最高湖岸线高出水面达150160 m等。另外，大量无名小湖退缩、咸化和干涸，如位于沱沱河北岸（沱沱河沿附近）的无名小湖已经干涸。位于二道沟附近的无名小湖明显退缩，湖水含盐量46.619 g/L。位于不冻泉至曲麻莱途中的无名小湖，湖岸退缩100 m以上，湖水含盐量高达102.423 g/L。青藏高原地区人烟稀少，湖泊退缩变化多系自然原因，但个别湖泊，特别是通江的淡水湖泊，有人类活动影响的因素。如羊卓雍错北距雅鲁藏布江8.010.0 km，其间以甘巴拉山相隔，与其周围的沉错、巴纠错、哲古错和普莫雍错等组成了藏南最大的内陆湖群。盆地外围高山环绕，山体海拔在5000 m以上，湖泊水能资源丰富，与雅鲁藏布江之间水位落差达840.0 m，现已实施通过缩小湖泊面积、减少水面蒸发量获得富余水量进行发电（即通过降低湖泊水位第一章 湖泊学概论 6 10.5 m提供的55.0108 m3水量发电），装机容量12104 kW，最大引用湖水量18.0 m3/s，并以因湖泊水位下降，湖面退缩所减少的约50.0108 m3蒸发量寻求新的平衡，届时湖泊将因人为影响而显著退缩。另一方面，在区域气温不断升高、冰川消融的背景下，夏季河流的冰川水量补给增加，导致通江或依赖冰川