构建湖泊富营养化控制成套技术 支撑太湖流域水污染治理与管理

太湖经过近10多年的治理，水质虽有改善，但湖水总磷、总氮指标仍然偏高，特别是近年来湖体总磷浓度有所反弹，蓝藻暴发“温床”还在，2017年暴发了近10年来规模最大的蓝藻水华，可见，水质恶化的隐患未从根本上消除。分析已有的太湖治理成效，发现太湖流域水污染治理与管理具有复杂性、长期性和艰巨性，需要形成自己的模式；随着国家“水污染防治行动计划”的全面实施，流域水污染治理急需科技支撑，流域地方迫切需要基于环境、经济和社会统筹和优化的流域水污染治理集成技术并实施有效的应用与推广。

“十三五”期间，太湖富营养化控制与治理技术集成研究课题（以下简称“太湖集成课题”）以突出环境问题为导向，并充分结合地方对治理与管理技术的需求，凝炼总结“十一五”“十二五”乃至“十三五”的研究成果，集成、验证和评估各项关键技术，进一步完善技术的核心参数、环境与经济效益、应用条件及范围，构建形成湖泊富营养化控制与治理的成套技术体系，为地方的治太工作提供有力的技术支撑。

深入分析太湖水生态系统演变规律，预测未来发展趋势

课题组基于太湖近50年来水生态系统相关研究数据的搜集、整理与分析，发现太湖水生态系统的演变过程大致可分为以下四个阶段：

一是20世纪50年代及以前，此阶段人类活动对太湖水生态系统的影响较小，流域内污染负荷较少，太湖水体仍处于贫营养状态。全湖浮游植物平均密度仅处于104个/L水平，水生态系统亦处于自然状态，湖内水生植物繁茂，覆盖面积大于600 平方公里，且生物多样性高，水生植物物种数高达66种。

二是20世纪60年代～80年代，由于人类活动加剧，流域内城市化程度明显提高，城市化率达到40%，且工农业污染负荷同步增加，该阶段太湖水体营养水平不断升高，在部分区域达到轻度富营养水平。与此同时，湖内水生态系统开始出现退化迹象，蓝藻水华亦开始在部分区域小规模暴发，80年代时全湖浮游植物平均密度达到107个/L，水生植物覆盖面积和生物多样性均出现一定程度降低。

三是20世纪90年代到21世纪初期（2007年之前），流域内城市化程度显著提高，城市化率达到64%，经济发展迅速，工农业入湖污染负荷显著增加，湖中围网养殖规模亦大幅增加，通过环湖大堤和建闸等措施，太湖已成为人工控制湖泊，而人类干预增多使滨岸带湿地大面积减少，该阶段为太湖蓝藻水华大暴发阶段，全湖浮游植物平均密度最高时可达108个/L，湖内水生植物覆盖面积和生物多样性进一步减少，在1997年时水草覆盖率大于1%的水面仅为450 平方公里；在此阶段，太湖污染情况已受到相关部门的重视，一系列水环境整治工程相继开展，但治理效果不佳，太湖富营养化程度仍在不断加重，并在2007年导致无锡市水危机事件发生。

四是21世纪初期至今，太湖开始实施水环境综合整治工程，并取得了较好的效果，该阶段太湖水体的富营养化水平亦从第3阶段的中度至重度富营养化水平降为轻度富营养水平，蓝藻水华暴发也得到一定程度的遏制，水生态系统退化程度有所改善，水生植被覆盖面积和生物多样性均有所增加，但由于在此阶段流域城市化率已高于76%，且湖内水动力条件复杂，内源污染负荷较重，目前水环境改善的压力仍然很大。

开展太湖水生态系统演变机理的深入研究，对湖泊水环境的改善和长效管理均具有重要指导意义。此外，演变机理的研究亦可以指导对太湖水生态系统发展趋势的预测。基于此，太湖集成课题搜集了近几十年来太湖水生态系统特征指标逐月数据，构建了目标层、要素层和指标层3层次指标体系，并构建了涵盖气象、水质和生态指标三大类指标的太湖水生态系统发展趋势预测模型。模型很好的实现了基于当前月份的气象水文、水质和浮游植物数据来预测下一月份湖泊不同湖区水质和浮游植物指标的目标，且具有较高的精度（>60%）。在后期的不断完善过程中，该模型可在太湖水环境管理中发挥重要作用。

集成太湖流域富营养化治理与管理技术，形成四大类成套技术

太湖集成课题基于应用范围、技术原理（创新点）、核心参数、环境效益、经济效益及应用现状梳理“十一五”“十二五”关键（成套）技术238项（重点工业行业污染控制26项、城镇生活污染控制85项、污水收集与管网优化6项、种植业污染控制9项、养殖业污染控制7项、农村生活污染控制9项、河道污染物生态拦截18项、湖滨带生态修复9项、蓝藻水华与湖泛监控预警4项、污染底泥环保疏浚两项、水华蓝藻拦截及资源化利用4项、湖体水生植被恢复5项、湖泊水生态系统综合调控12项、水生态功能分区与监测14项、点源排污许可管理4项、水生态风险预警与防控10项、智慧管理信息化平台构建两项、水环境基准与标准构建7项），导则、指南、标准、规范111项（水污染治理类81项，水环境管理类30项），示范工程224项（涵盖苕溪小流域、竺山湾小流域、梅梁湾与贡湖湾示范区）。基于社会经济发展、土地开发利用、水资源利用对太湖流域的影响，以及污染源对水质与水生态的响应关系，构建了氮、磷污染源控制、生态修复与生境改善、河网水质改善及水环境综合管理等四大类30项成套技术的集成体系。

针对太湖流域工业（不同类型）污染源、城镇生活源及农业污染源的特征及治理科技需求，明确集成形成以产业结构调整为核心的污染减排、印染行业污染负荷削减、化工行业污染负荷削减、电镀行业污染负荷削减、城镇生活污水厂提标改造、污水资源化利用、污水收集与管网优化运行、城镇面源污染治理、种植业面源污染控制、畜禽养殖业面源污染控制、农村生活污水处理与处置等11项成套技术，并进一步研究各项成套技术的集成模式和支撑的关键技术。目前，已确定以产业结构调整为核心的污染减排成套技术通过“流域产业结构调整—重点行业清洁生产—处理与综合利用技术”的技术链条来进行集成，其支撑的关键技术包括印染行业废水高效净化与分质回用技术、化工行业废水预处理和资源化技术、电镀废水预处理和资源化技术等。

针对太湖流域湿地生态功能退化、清水通道与生态回廊受阻等问题及生态修复与植被恢复的科技需求，明确集成形成入湖河道污染物生态拦截、湖荡湿地生态恢复、湖滨带生态修复、湖泊水生植被恢复、湖体生态系统综合调控、污染底泥环保疏浚、蓝藻水华及湖泛监控预警、水华蓝藻拦截及资源化利用等8项成套技术，并进一步研究各项成套技术的集成模式和支撑的关键技术。目前，已确定太湖水生植被恢复成套技术通过“水生植被问题诊断—水生植被恢复与调控技术—水生植被后期管理技术”的技术链条来进行集成，其支撑的关键技术包括水文条件多变区域沉水植物生物多样性维持稳定技术、浅水湖泊生态系统调控与稳定维持技术、湖泊分区分布生态修复技术、浅水湖泊生态渔业模式优化与生物调控技术、生态修复长效运行的管理技术体系与应用；湖泊水生态系统综合调控成套技术通过“经典生物调控技术—非经典生物调控技术”的技术链条来进行集成，其支撑的关键技术包括杂食性鱼类削减技术、肉食性（滤食性）鱼类投放技术等；污染底泥环保疏浚成套技术通过“底泥勘测与风险评估—原状底泥疏浚—疏浚底泥干化与处置”的技术链条来进行集成，其支撑的关键技术包括有毒有害与高氮磷污染底泥勘测、鉴别与生态风险评估集成技术、有毒有害污染底泥原状高浓度环保疏浚集成技术、疏浚底泥快速脱水干化与处理处置集成技术等；蓝藻水华及湖泛监控预警成套技术通过“水华湖泛监测—水华湖泛模拟—水华湖泛预警”的技术链条进行集成，其支撑的关键技术包括湖泛发生区域及面积预测技术、湖泛发生区域藻类生物量、溶氧预测技术、有限体积离散技术等；蓝藻拦截与资源化成套技术通过“蓝藻拦截—蓝藻收集—资源化利用”的技术链条来集成，其支撑的关键技术包括可隐没式智能蓝藻拦截与导流技术、高抗风浪移动围堰水华蓝藻拦截技术、气水幕拦截蓝藻技术、高效船载藻水分离技术、蓝藻厌氧沼液好氧生物处理技术、蓝藻保氮高温发酵有机肥料化技术等；湖滨带生态修复成套技术通过“污染物生态拦截—基底改造与生境改善—水生植被恢复与重建”的技术链条进行集成，其支撑的关键技术包括滨湖区域“地表径流—河网—河口”梯级污染拦截与水质净化集成技术、规模化生态修复区基底改造、生态堤岸构建与生境改善集成技术、生态修复区水陆交错带及敞水区水生植被多层次重建技术等；湖荡湿地生态恢复成套技术针对不同健康等级的湖荡湿地通过”入湖河流污染物拦截—沿岸带生境恢复—水生植被恢复—出湖口水质净化—生态管理”的技术链条进行集成，其支撑技术包括复合型污染河道水体强化生物接触氧化—多级人工湿地组合处理技术、入湖河口导流—水力调控与强化净化技术、连续可调式沉水植物种植网床生态修复技术、河湖浅水区水生植被诱导繁衍技术、水生植物规模种植—群落构建—优化配置与稳定化技术、出湖河口高效生态拦截技术、水生植物资源化利用技术体系及应用等。

针对太湖流域河湖联通不畅、河道水质污染严峻等问题及平原河网水质改善的科技需求，明确集成形成重污染河道综合治理、城市河道综合调控、城市景观评价及水资源调控等4项成套技术，并进一步研究各项成套技术的集成模式和支撑的关键技术。

针对太湖流域如何实现从“水质目标”向“水生态目标”综合管理模式转变的科技需求，明确集成形成水生态环境功能分区、水环境基准标准制定、水生态环境监测、水生态风险预警与防控、工业点源排污许可管理、农业农村面源管理、智慧管理信息平台构建等7项成套技术，并进一步研究各项成套技术的集成模式和支撑的关键技术。目前，已确定水生态功能分区成套技术通过“水生态功能区定量划分—水生态功能与服务评价—分区管理目标确定”的技术链条来进行集成，其支撑的关键技术包括水生态功能一级~三级分区技术、水生态环境功能分区技术（江苏）、污染控制单元划分技术、水生态功能与服务功能评价技术等；水环境基准标准制定成套技术通过“营养物基准标准制定—沉积物基准制定—水生生物基准制定—基准校验及向标准转化”的技术链条来进行集成，其支撑的关键技术包括湖泊营养物基准标准制定技术、沉积物基准制定技术、水生生物水质基准制定技术、流域水质基准校验及向标准转化技术等；水生态环境监测监控成套技术通过“水环境监测网络体系构建—水生态健康监测与评估—污染物总量核算和通量核查”的技术链条进行集成，其支撑关键技术包括基于控制单元的主要水污染物总量动态监控技术、水生态健康监测与评估技术、水环境污染物总量核算技术、跨界区污染物总量核算及通量核查技术等；水生态风险评估与预警成套技术通过“流域风险识别与评估—流域风险预测预警—污染物溯源—应急处置与风险防控”为技术链条进行集成，其支撑的关键技术包括多元风险识别和评估技术、累积性水环境风险评估与预警技术、主要污染物溯源技术、湖泛应急处置技术、跨界区多元风险识别、事故预警预报与应急响应为一体的水环境风险防控技术等；排污许可管理成套技术通过“水环境容量核定—重点行业控制与治理评估—排污许可量分配—排污许可证动态监管”的技术链条进行集成，其支撑的关键技术包括基于控制单元的流域水环境容量核定技术、流域污染物核算技术、重点行业水污染控制与治理评估技术、基于水质目标的流域排污许可量分配技术、以排污自动控制为核心的一证式水污染物排放许可监管技术、以容量总量控制为核心的排污许可证动态管理技术等。

搭建集成技术推广应用服务平台，为地方治太工作提供实践依据

在梳理“十一五”以来地方政府及水环境管理部门已有的太湖水污染治理工程的基础上，结合流域水环境治理与管理目标，以流域水环境管理的两个层面（第一个层面是针对事前、事中、事后的风险预警、监测监控、应急处置技术；第二层面是水生态分区、排污许可管理、生态监控和基准标准等4个方面的管理技术手段）为切入点，基于课题技术集成研究的相关成果，依据“水环境问题识别—成套技术解析—应用成效分析”的总体思路，研究成套技术在太湖流域的适用性和筛选应用条件，提出了太湖流域富营养化治理与管理的成套技术应用推广方案。该方案系统解析成套技术作用原理、核心参数、适用条件以及在国家、省市管理政策体系推动、污染减排、环境质量改善、区域经济与产业结构优化等方面的实际效益。

基于太湖集成课题研究成果，使用B/S构架进行应用服务系统开发，构建适用于地方水环境管理部门的太湖流域富营养化治理与管理成套技术应用推广服务系统，实现流域氮磷污染源控制、生态修复与生境改善、河网水质改善和水环境综合管理等成套技术的在线查询、技术实施前后效果模拟对比以及最佳技术实施方案推荐等服务功能，为水专项太湖流域富营养化控制与治理技术落地与进一步推广提供有力支持，为地方治太工作的顺利推进提供决策支撑。