大型浅水湖泊水华集聚水域的补水控藻方法技术

本发明专利技术公开一种大型浅水湖泊水华集聚水域补水控藻方法。该方法的技术体系包括水环境模拟技术、软性围隔技术以及动态监测调度技术，具体实施方法包括建立湖泊水环境模拟模型、建设柔性围隔工程形成目标水域、目标水域实施在线监测、建立目标水域的时空高精度水环境模拟模型、构建水质神经网络模型、建立补水河流的流量调度系统。该方法提出在大型浅水湖泊的水华集聚水域利用入湖河流进行补水以控制其藻类密度的系统性、定量化的技术体系，在补水水量水质与目标水域的水质响应之间建立起确定性的定量化联系，从而实现流域水资源调度系统的定量化补水配置，克服了现有引水控藻工程措施未形成定量化技术方案，致使控藻效果不确定或不显著的缺陷。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属环境保护
，具体涉及水体污染控制

技术介绍
大型浅水湖泊一般指面积大于50km2的平均水深小于6m的湖泊。对于富营养化的大型浅水湖泊而言，藻类空间分布并不均匀，会受到风力和湖流的驱使而迁移聚集，因而风力风向成为出现局部水华重灾区的主要原因。在我国太湖北部的梅梁湾，滇池北部海埂公园水域，均由于蓝藻在盛行风作用下的堆积而形成严重的水华。目前控制湖泊蓝藻水华的方法主要有：化学、物理、生物、营养负荷控制法。化学法：采用杀藻剂，可快速降低藻类密度，但添加化学物质，可能对水体产生化学污染，对鱼类等其它水生生物产生毒害，危害水生生态系统，具有不可预知的潜在危险。物理方法：用重力振动、旋振和离心等方法将藻类收集并使之与湖泊水体分离等，只适宜在水华严重的局部水域应急使用，机械清除法成本和能耗过高。生物控藻法：主要包括微生物控藻、大型水生植物抑藻、水生动物控藻。其中，微生物灭藻尚不成熟，抑藻微生物种群投入水体后，面临土著微生物的激烈竞争，很难长时期形成优势种群而发挥持续的抑藻作用，且微生物溶藻后导致蓝藻藻毒素的陡然释放，可能危害水体中的水生生物，导致新的生态问题。植物化感物质可以有效地抑制藻类的生长，但关于化感物质的研究成果大都是在超过自然界可能浓度的实验条件下获得的，正确评价其真正作用，需要长时间的试验才可以定论。水生动物控藻是通过捕食食物链遏制藻类增殖，在小型、封闭、浅水性富营养化湖泊中已显示一定的效果，但在大型湖泊尚无成功的事例。由于湖泊生态系统的复杂性，这种经典的生物操纵方法的有效性与稳定性仍存在一定的争议，有待发展和完善。目前在湖泊中实施的生态浮岛技术，围隔生物控藻技术等，是生物控藻理论的技术实践，取得了一定效果。秦伯强等(秦伯强等.太湖水源地水质净化的生态工程试验研究.环境科学学报，2007，27(1)：5-12)在我国太湖梅梁湾牵龙口水厂周边建成了总面积近10km2的水源地水生态修复示范区。示范区采用了PVC围隔挡藻，主要通过恢复水生植物、放养滤食性鱼类发挥生态
效应而控藻除藻，净化水质。该示范工程运行后，围隔内水质得到了明显改善，但是就藻类密度(叶绿素a浓度)而言没有显著好转，有关研究分析认为可能是盛行风导致夏季蓝藻水华富集堆积于示范区，造成控藻效果不佳(陈雪初等.富营养化湖库水源地原位控藻技术研究进展.水资源保护，2008，24(2)：10-13)。实践表明，仅依靠围隔的物理阻隔及围隔内的各种生物控藻技术，在大型湖泊的水华堆积区并不能有效抑制水华的发生。营养负荷控制法：需要控制湖泊的外源和内源两种营养盐输入途径，属于流域－湖泊系统的全面治理，涉及湖泊及其流域的社会经济发展模式的调整。此方法是控制水华的根本性措施。但牵涉面广，成本高，时间长，见效慢。除以上方法外，国内外还尝试通过引清调水工程来改善湖泊水质和控制藻类。有研究显示水文条件影响到蓝藻的生长和分布，在水力滞留时间短的水体中蓝藻会失去竞争优势。一般认为水力滞留时间少于2周时，蓝藻难以有效地聚集形成水华。水力滞留时间越长，发生水华的可能性越大；相反，滞留时间越短，则不利于藻类的繁殖，较难以维持种群数量，不易形成水华。引清调水工程在国内外有较多的实例，如；美国引Mississippi河入Pontchartrain湖，荷兰veluwemeetr湖的引换水工程，国内的引江济太工程，杭州西湖引水工程，武汉东湖的调水工程，南京玄武湖的引水工程等。以“引江济太“工程为例，周小平等(周小平等.2007～2008年引江济太调水对太湖水质改善效果分析.水资源保护，2006，26(1)：40-48)针对2007年引江济太应急调水应对无锡供水危机，以及2008年冬春季“引江济太“抑制太湖夏季蓝藻暴发的效果进行了分析。”在2007年引江济太应急调水中，由于长江清水大量进入太湖的贡湖湾，有效抑制了贡湖蓝藻生长，贡湖湾锡东水厂的叶绿素a浓度由调水前的53μg/L逐步降低到10.5μg/L，贡湖湾蓝藻暴发现象得到明显抑制。在2008年冬春季引江济太调水实践中，与2007年同期相比，代表藻类密度的叶绿素a质量浓度贡湖下降达60％，但毗邻的太湖水华重灾区－梅梁湾下降有限，仅下降5％，其它湖湾甚至有所上升。说明引江济太调水对改善局部特定湖区的水质及抑制蓝藻发生可以在某些时期起到一定的作用。但目前的引水控藻方式尚未形成定量化的技术体系，如引水水量水质的定量化，且实践效果说明尚不完全适用于大中型湖泊的水华集聚水域，如太湖梅梁湾，并没有获得显著的效果。
技术实现思路
目的本专利技术要解决的技术问题在于改变目前利用河道补水进行大中型浅水湖泊水华水域控藻所表现出的主观经验性，解决在水华集聚水域所进行的补水控藻工程效果不显著、不确定性较高的问题，旨在使利用河道补水方式对大中型浅水湖泊的水华堆积区所实施的控藻成为可以定量化、规范化操作的环保水利工程。原理和适用条件：本专利技术通过入湖河道，按预设方案向藻类聚集水域实施补水，通过水动力调控及补充低氮磷浓度水来控制藻类密度。本专利技术适用于毗邻入湖河流的近岸湖泊水域；入湖河流所在流域具有流域水资源调度系统，且通常情况下水质良好(明显优于湖泊水质)。技术框架本专利技术方法包括三部分，分别是高精度水环境模拟技术、软性围隔技术以及动态监测调度技术：·高精度湖泊水环境模型，可模拟较小湖泊区域(<10km2)的短时间(日)的水质时空变化。·软性围隔技术。适用于浅水湖泊，可阻隔水流和阻止波浪翻越的临时性设施，用以形成局部水域，与开敞湖面相对隔离。·动态监测调度技术。采用在线监测技术积累湖泊及入湖河流的水文水质数据，构建神经网络模型，提出入湖河流的流量调度需求。以上三部分的功能和作用(图1)：高精度水环境模型的作用：①基于入湖河流及湖泊的情形，通过多情景模拟计算，确定可以利用河流补水改善水质的局部湖泊水域(称为目标水域、下同)的大小(规模)、软性围隔的空间布局。②当动态监测调度技术中的在线监测系统，尚未累积足够多的数据以支撑神经网络模型的建立时，通过多情景模拟，提供构建神经网络模型的初期训练数据；所述多情景模拟是假设不同的补水流量和水质，通过模拟计算得到对应的目标水域的水质结果，这样获得训练神经网络模型的数据集。③基于对湖泊水环境主要过程的较高时空模拟精度，较核动态监测调度技术推求得到的初步调度流量，并最终确定入湖河流的调度流量。软性围隔技术的作用：①在不永久改变湖泊原有形态的情况下，形成与开敞
湖泊水面相对隔离的区域-目标水域。②减轻开敞湖体对目标水域水质的影响，如蓝藻水华在风力作用下的堆积。动态监测调度技术的作用：①对目标水域及入湖河流实施在线监测，积累目标水域及入湖河流的水文水质数据；②利用积累的数据，校准高精度水环境模型，优化其参数值，提高对目标水域的模拟准确性。③建立神经网络模型，推求提供给流域水资源调度系统的入湖河流的初步调度流量。本专利技术方法具体包括以下步骤：(1)、收集基础资料A、湖泊及藻华堆积湖湾区的水陆边界及水下地形图B、藻华堆积湖湾区的沉积物组成及其空间分布；C、湖泊常规观测点位的水位、水质及浮游植物历史数据；D、湖泊气象历史数据：大气压力、空气温度、相对湿度、降水、蒸发、太阳辐射、云量、风速和风向本文档来自技高网...

【技术保护点】
大型浅水湖泊水华集聚水域的补水控藻方法，其特征在于包括以下步骤：(1)、收集基础资料A.湖泊及藻华堆积湖湾区的水陆边界及水下地形图；B.藻华堆积湖湾区的沉积物组成及其空间分布；C.湖泊常规观测点位的水位、水质及浮游植物的历史数据；D.湖泊气象历史数据：大气压力、空气温度、相对湿度、降水、蒸发、太阳辐射、云量、风速和风向，数据为小时数据；E.入湖河流的水文、水质历史系列数据；(2)、建立湖泊水环境模拟模型A.以环境流体动力学模型EFDC为基础，根据模拟的湖泊水文水质变量或指标，采用EFDC的水动力模块以及模拟水温、溶解氧、氮、磷及蓝绿藻的富营养化模块；B.湖泊水环境模型计算网格的构建采用GEFDC软件，以曲线网格法，依步骤(1)A的数据划分湖泊水域的计算网格；网格的生成首先是产生水平断面曲线以离散水体，接下来采用步骤(1)C收集的湖泊水位数据来指定每个网格的深度；C.建立湖泊水环境模型的边界条件以步骤(1)E收集的入湖河流的流量日数据，以及入湖河流的氮浓度日数据和磷浓度日数据作为湖泊水环境模型的水陆边界条件；驱动湖泊水环境模型水动力模块的大气边界条件为步骤(1)D收集的大气压力、空气温度、相对湿度、降水、蒸发、太阳辐射、云量、风速和风向数据；D.参数率定基于EFDC建立的湖泊水环境模型的参数包括各类形态的氮、磷、碳的转化系数以及藻类的最大生长速率、基础代谢率、牧食率、藻类营养物质的半饱和系数、藻类最适生长温度、藻类沉降率；用于率定以上模型参数的校准变量为水位、水温、叶绿素a、总氮和总磷浓度；用于校准的实测数据为校准变量在湖泊常规监测站点的步骤(1)C水位、水质及浮游植物的历史数据；参数率定过程是个迭代过程：对一组参数赋值并运行湖泊模型后，将各观测站点的校准变量模拟值与实际观测值进行比较，然后调整参数的赋值再运行湖泊模型，如此重复多次直到模拟值与实测值接近，两者的相关系数应达到0.85以上；(3)目标水域空间范围的确定①目标水域的控藻目标及水质目标控藻目标即藻类密度的上限数值，藻类密度用叶绿素a浓度表示；通过分析步骤(1)C收集的湖泊浮游植物历史数据中的藻类资料，结合野外实地调查和走访，取水面不出现蓝绿色浮沫水华的叶绿素a浓度的上限数值作为目标水域控藻目标；同时根据步骤(1)C收集的水质数据确定与目标水域控藻目标相应的氮、磷浓度值作为目标水域水质目标；所述目标水域指拟开展补水控藻的水华集聚湖湾的局部水域；②目标水域空间位置的确定A.初步划出目标水域的空间区位，目标水域由岸线及假设的湖面上的围隔所围成，包含入湖河流入湖口；B.假设目标水域已用围隔与开敞湖面相对隔离，即在步骤(2)建立的湖泊水环境模拟模型中设定围隔两侧步骤(2)B的计算网格之间没有水量交换；C.采用历史数据运行步骤(2)湖泊水环境模拟模型，得到目标水域的氮磷浓度及叶绿素a浓度的模拟结果；D.与步骤(3)①的控藻目标相比较，如果叶绿素a浓度值大于控藻目标，则缩小目标水域的范围，重复此过程，反之，则扩大目标水域的范围，直至计算结果与控藻目标的相对偏差小于5％；(4)在湖面建设柔性围隔形成目标水域根据步骤(3)确定的围隔在湖面上的空间位置，在湖面建设柔性围隔，形成由围隔与陆地岸线合围而成的目标水域；目标水域设立一处出流口，目标水域承接的河道入流，流经目标水域后，经出流口进入开敞湖面；柔性围隔在结构上包括三部分：上部为浮体、中部为墙体，底部是石笼；柔性围隔上部的浮体浮于水中，部分露出水面；围隔中部的墙体竖立于水中，围隔底部的石笼沉于淤泥中；(5)对目标水域实施在线监测在线监测系统包括数据采集系统、数据传输系统、安全系统以及监控中心；监控中心包含数据库及管理软件SQL Server，数据库中存贮有入湖河流及目标水域的水文、气象、水质数据；在线监测系统在ti时刻观测目标水域气象、水质，以及入湖河流的水文、水质常规监测指标，t表示观测日期，i为时间序列，i＝0，1，…；ti＝ti‑1+T；T定义为流域水利系统进行水量联合调度所需的时间；(6)建立针对目标水域的时空高精度水环境模拟模型A.目标水域的计算网格在步骤(2)湖泊水环境模型的计算网格的基础上，对目标水域计算网格进行细化；当目标水域的网格的面积缩小到能够表征目标水域的水下地形及水陆边界的细节时即完成目标水域计算网格的细化；B.目标水域的水陆边界条件目标水域的水陆边界条件为流入目标水域的入湖河流及围隔所划定的目标水域边界，在出流口与开敞湖面汇流；C.参数率定利用步骤(5)在线监测系统的数据库中存贮的入湖河流及目标水域的水文气象水质数据，按步骤(2)D的方法率定目标水域的时空高精度水环境模拟模型；(7)建立神经网络模型A.初步建立由入湖河流ti－1时刻水文、水质数据推求入湖河流ti时刻总氮、总磷浓度的神经网络模型(Ⅰ)；B.初步建...

【技术特征摘要】
1.大型浅水湖泊水华集聚水域的补水控藻方法，其特征在于包括以下步骤：(1)、收集基础资料A.湖泊及藻华堆积湖湾区的水陆边界及水下地形图；B.藻华堆积湖湾区的沉积物组成及其空间分布；C.湖泊常规观测点位的水位、水质及浮游植物的历史数据；D.湖泊气象历史数据：大气压力、空气温度、相对湿度、降水、蒸发、太阳辐射、云量、风速和风向，数据为小时数据；E.入湖河流的水文、水质历史系列数据；(2)、建立湖泊水环境模拟模型A.以环境流体动力学模型EFDC为基础，根据模拟的湖泊水文水质变量或指标，采用EFDC的水动力模块以及模拟水温、溶解氧、氮、磷及蓝绿藻的富营养化模块；B.湖泊水环境模型计算网格的构建采用GEFDC软件，以曲线网格法，依步骤(1)A的数据划分湖泊水域的计算网格；网格的生成首先是产生水平断面曲线以离散水体，接下来采用步骤(1)C收集的湖泊水位数据来指定每个网格的深度；C.建立湖泊水环境模型的边界条件以步骤(1)E收集的入湖河流的流量日数据，以及入湖河流的氮浓度日数据和磷浓度日数据作为湖泊水环境模型的水陆边界条件；驱动湖泊水环境模型水动力模块的大气边界条件为步骤(1)D收集的大气压力、空气温度、相对湿度、降水、蒸发、太阳辐射、云量、风速和风向数据；D.参数率定基于EFDC建立的湖泊水环境模型的参数包括各类形态的氮、磷、碳的转化系数以及藻类的最大生长速率、基础代谢率、牧食率、藻类营养物质的半饱和系数、藻类最适生长温度、藻类沉降率；用于率定以上模型参数的校准变量为水位、水温、叶绿素a、总氮和总磷浓度；用于校准的实测数据为校准变量在湖泊常规监测站点的步骤(1)C水位、水质及浮游植物的历史数据；参数率定过程是个迭代过程：对一组参数赋值并运行湖泊模型后，将各观测站点的校准变量模拟值与实际观测值进行比较，然后调整参数的赋值再运行湖泊模型，如此重复多次直到模拟值与实测值接近，两者的相关系数应达到0.85以上；(3)目标水域空间范围的确定①目标水域的控藻目标及水质目标控藻目标即藻类密度的上限数值，藻类密度用叶绿素a浓度表示；通过分析步骤(1)C收集的湖泊浮游植物历史数据中的藻类资料，结合野外实地调查和走访，取水面不出现蓝绿色浮沫水华的叶绿素a浓度的上限数值作为目标水域控藻目标；同时根据步骤(1)C收集的水质数据确定与目标水域控藻目标相应的氮、磷浓度值作为目标水域水质目标；所述目标水域指拟开展补水控藻的水华集聚湖湾的局部水域；②目标水域空间位置的确定A.初步划出目标水域的空间区位，目标水域由岸线及假设的湖面上的围隔所围成，包含入湖河流入湖口；B.假设目标水域已用围隔与开敞湖面相对隔离，即在步骤(2)建立的湖泊水环境模拟模型中设定围隔两侧步骤(2)B的计算网格之间没有水量交换；C.采用历史数据运行步骤(2)湖泊水环境模拟模型，得到目标水域的氮磷浓度及叶绿素a浓度的模拟结果；D.与步骤(3)①的控藻目标相比较，如果叶绿素a浓度值大于控藻目标，则缩小目标水域的范围，重复此过程，反之，则扩大目标水域的范围，直至计算结果与控藻目标的相对偏差小于5％；(4)在湖面建设柔性围隔形成目标水域根据步骤(3)确定的围隔在湖面上的空间位置，在湖面建设柔性围隔，形成由围隔与陆地岸线合围而成的目标水域；目标水域设立一处出流口，目标水域承接的河道入流，流经目标水域后，经出流口进入开敞湖面；柔性围隔在结构上包括三部分：上部为浮体、中部为墙体，底部是石笼；柔性围隔上部的浮体浮于水中，部分露出水面；围隔中部的墙体竖立于水中，围隔底部的石笼沉于淤泥中；(5)对目标水域实施在线监测在线监测系统包括数据采集系统、数据传输系统、安全系统以及监控中心...

【专利技术属性】
技术研发人员：白晓华，谭志卫，赵磊，宋迪，李杰，聂菊芬，张春敏，王志芸，
申请(专利权)人：云南省环境科学研究院，
类型：发明
国别省市：云南;53