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王晓霞论文

利用物理法（充氧曝气）改善什刹海水体的研究及应用

王晓霞

（北京市西城区环境保护监测站）

一、概述

城市河湖水体不仅可以调蓄城市的用水量，还可以调节城市周边的小气候、给周边环境带来良好的景观娱乐效应。

什刹海水域位于北京市西城区境内，由西海、后海、前海分割水域组成。

水域面积为146.7公顷（不含北海、中海、南海），隶属长河水系。

什刹海水域供水源头为京密水库，其水流程大致如下：

密云水库→“京密”引水渠道→颐和园→“京密”引水渠道（以麦种桥为界开始分流）→西海→后海→前海→北海→中海→南海→筒子河。

图1为什刹海水系流程图。

图1什刹海水系流程图

在什刹海水系生态系统中，水草丛生、鱼类繁殖、生物栖息、水鸟游弋，两岸绿树成荫，昆虫密集、鸟类群居，生机盎然，生物多样性得到充分体现，人与自然的和谐统一也充分展现。

这有水有桥、垂柳拂岸的什刹海，与岸上古朴的四合院、周边的王府和名人故居，共同构成了京城景致的精华，从辽金到现在，它为北京保存了一线珍贵的人文脉息，更为什刹海增添了深厚的文化底蕴。

北京越是走向大都市化，什刹海的历史风韵就越显出不能忽视的价值。

今天，最能代表北京民俗文化特色的什刹海，再次成为品味古都风韵与时尚的最佳去处。

保护和改善什刹海水域体系，极大地避免它对城市的负面效应，意义重大。

二、问题的提出

什刹海经历了几个朝代的变迁。

解放前因缺乏系统管理，河湖淤塞、园林荒芜、杂草丛生、垃圾成堆。

解放后，人民政府曾多次拨款进行整修、疏通，使什刹海重新成为人民生活、休憩、娱乐的场所。

但是，由于人们对环境认识不足，随着人口增长，经济建设和城市建设的飞速发展，水域上游及什刹海河湖沿岸违章建筑增多，未经治理的生活污水及工业废水大量无组织排入湖中，使之水体富营养化程度日趋严重。

七十年代至今，虽然市政府在休整上游河道、搬迁沿岸工厂、拆除违章建筑、铺设市政管网、截流污水等方面做了大量的工作，并在污染趋势上起到了一定的抑制作用，但由于仅注重浓度控制，因此收效不大。

六海水质富营养化现象日趋严重，详见表1。

表11997年—2000年六海水质状况

年度

TP（mg/L）

TN（mg/L）

1997

0.058

0.09

1998

0.083

1.57

1999

0.070

1.65

2000

0.071

1.63

富营养化水平

富营养化

重富营养化

从表1可以看出，水体已达到富营养化和重富营养化程度（依据“中国湖泊总磷、总氮的湖泊富营养化程度评价标准”中TP达0.050—0.11mg/L时呈富营养化，TN达1.20—2.30mg/L时呈重富营养化），致使2001年夏天引起蓝藻暴发，水面上浮着十多公分厚的蓝藻，造成湖水发绿发臭，鱼类死亡，人们望而生畏，掩鼻而过，昔日碧波荡漾的湖水，变得令人恶心。

三、水体恶化原因分析

1、新鲜水源总量的供应不足

什刹海水域的来水主要依靠在枯水期及丰水期由北京水利局河道管理处以0.1m/s的水流速度放入至什刹海六海。

由于供水方式为间断非连续式，且供水量较小，使沿河至六海耗氧物质及微生物急剧生长，结果导致有机物指标上升，富营养化现象形成。

2、沿岸零散污染源的排放

由于什刹海水系（含三海），均属开放式游览区，因此在沿河及沿湖的管理方面缺乏系统化、制度化。

由于人为的生活及娱乐活动，包括垂钓、观光、划船、养殖、溜冰、游泳等、再加上沿岸农贸市场以及居民向河流及海面投弃污染物，倾倒污水。

结果导致湖底淤积日趋严重，水质富营养化仍在加速。

3、河、湖底沉降底泥的影响

六海平均水深为1.5米，沉积底泥较厚，经过长期的作用，底泥中污染物会与水体中污染物形成一种稳定的化学平衡，当河湖水变清时，这种平衡便被打破，化学平衡会促使底泥中的污染物质向水体中转移，形成内源污染。

因此春、夏、秋三季水草长势很猛，有多个门类、属、种的藻类和浮游植物生长、繁殖。

这些好氧生物的存在，也是导致水体富营养化的主要原因之一。

四、研究水域的确定及水域水质状况

什刹海水系本研究界定范围为西海、后海、前海的三海水域，其水面面积336000平方米。

根据三海的具体情况分析，后海在三海的中间，形状呈葫芦状，水域面积为三海之最，合276亩；平均水深1.5米左右，流场较平缓。

由于后海周边风景秀丽，聚集着众多的名胜古迹，是三海中最为引人注目的水域，从自然生态来看，是生态多样性代表水域。

鉴于西海、前海水深较浅，水位变化较大，后海西北区域流场稳定，即使放水期受水流影响较小，较合适做实验工程研究。

考虑到实验研究的重要性和代表性，特选择后海为研究示范水域。

整个实验研究工作大部分安排在后海西部和西北水域。

本次研究工作主要由上海佛欣爱建河道治理有限公司、北京西城环保局承担。

据北京市西城区环保监测站2001年6—8月对后海东、前海西进行的水质监测，主要水质指标选取了pH、SS、DO、透明度、高锰酸盐指数、BOD5、NH4-N、TN、TP等11项。

表2实验开始前什刹海（后海和前海）的水质状况单位：

mg/L（pH除外）

监测项目

2001/6/28

2001/7/23

2001/8/2

后海东

前海西

后海东

前海西

后海东

前海西

pH

-

-

8.42

8.62

-

-

SS

-

-

46

35

-

-

DO

8.53

7.12

5.74

5.15

4.71

1.63

透明度

-

-

0.21

0.26

-

-

高锰酸盐指数

13.4

13.5

22.6

17.1

23.7

20.3

BOD5

8.53

8.84

-

-

16.5

14.1

氨氮

0.45

0.66

1.94

0.5

1.27

1.33

总氮

3.46

4.52

10.37

5.55

5.65

5.39

总磷

0.339

0.339

1.131

0.489

0.584

0.481

据北京市西城区环保监测站对后海和前海的监测项目，筛选出CODMn、BOD5、DO、NH3-N、TP、TN六项为评价项目，各个项目分别与上述标准中功能分类标准对比，则2001年夏季什刹海超过V类水体的指标有：

BOD5、氨氮、高锰酸盐指数、总磷。

如按照湖库富营养化特定项目标准评价、总磷、总氮、透明度都严重超过V类水体标准，其中总磷、总氮含量均达到V类水体指标3-10倍，呈现严重富营养化状态。

两海的水质指标对照，后海的污染程度高于前海。

五、研究基于的理论及成果

船用螺旋桨充氧曝气机其主要特点是螺旋桨高速旋转推出水流的同时，在水下形成一个真空区域，空气通过中空的轴将空气充入到真空区，空气在真空区内被高速旋转的螺旋桨粉碎成低于毫米级的气泡，从而有效地对水体充氧曝气，极大地增强了湖流，破坏了水体静水层，控制了微囊藻种群暴发的物理条件，使现有藻量逐步下降。

1、破坏溶解氧分层，促进水体溶解氧均匀分布

由于藻类的光合作用，上层溶解氧高，下层溶解氧低或缺氧，是微囊藻暴发导致的客观条件反映。

推流式曝气搅拌机不但能翻动水体，破坏静水层，而且通过不断给水体充氧，破坏溶解氧依水深梯度分布的特点，使水体溶解氧均匀分布，并使下层溶解氧升高。

2001年8月22日至9月13日后海实验区各层水质DO变化详见表3。

表3曝气充氧后后海西各层水质DO变化单位：

mg/L

水深（m）

监测日期

8/22

（AM:

10:

00）

8/29

（AM:

10:

00）

9/3

（AM:

10:

00）

9/13

（AM:

10:

00）

表层

7.01

7.52

6.91

8.03

0.25

7.53

7.51

6.64

6.46

0.50

5.72

4.80

6.92

6.71

0.75

4.73

4.54

7.14

5.80

1.00

2.82

4.90

7.03

6.15

1.25

1.73

4.91

6.25

5.53

1.50

1.36

4.04

6.17

5.27

1.75

0.90

4.13

5.03

4.50

从表3的变化趋势看出，实验开始时，上下水层溶解氧分层明显，上层溶解氧高，下层溶解氧低，这是水体严重富营养化，微囊藻种群暴发期（即蓝藻水华）的典型症状，DO分层呈明显的梯度分布。

实施曝气充氧后，随着曝气时间的增加，后海西水体中DO浓度发生了明显的变化。

从表3看出从8月22日到9月3日，即曝气15天后，0.5m以下水体DO浓度有了明显提高，1米以下水层溶解氧由实验前的0.9mg/L，提高到了5mg/L。

表4同一天不同时段的DO变化单位（mg/L）

水深

（m）

9月11日

（9:

00）

9月11日

（14:

00）

9月11日

（17:

00）

水表

8.03

14.2

14.1

0.25

6.42

14.6

14.0

0.5

6.73

14.3

14.2

0.75

5.80

12.6

12.6

1.0

6.16

6.03

10.9

1.25

5.54

4.42

8.61

1.5

5.26

4.04

8.54

1.75

4.80

3.91

6.90

结果表明，日间溶解氧的变化，明显受到藻类光合作用的影响，下午两点时，0.75米水层以上，因光合作用强烈，大量产氧，水中溶解氧呈现过饱和状态达12mg/L以上；而1米以下因光照不足（水体透明度只有0.5米），藻类光合作用无法进行，污染物及死亡藻类的耗氧过程强烈，溶解氧急剧下降为（3-6）mg/L。

下午17：

00所测的溶解氧情况反映了同日内曝气充氧的效果，特别是1米以下，溶解氧达（7-10）mg/L。

图2为同一天内实施曝气充氧后，不同水深DO的垂直变化趋势。

图4-1同一天内实施曝气充氧后DO变化

图3实施曝气充氧后，不同时段不同水深的DO变化

从图4-1看出，实施曝气充氧后，同一天内14：

00~17：

00的。

DO梯度变化，图4-2为经过治理23天后，DO的梯度变化。

从

图2、图3中溶解氧的垂直分布来看，水体经曝气充氧后，下层DO明显升高，破坏了微囊藻的生存条件，抑制了藻类的生长，水层有明显的改善。

2、降低叶绿素含量，增加水体的透明度

蓝藻水华的暴发是水体富营养化的必然结果，而水体氮、磷含量的增加是该湖富营养化的直接原因。

自九十年代以来，什刹海的氮、磷含量成倍增长，而相应的水体透明度迅速下降。

因此，控制了微囊藻水华就能降低叶绿素含量，从而增加水体透明度。

降低叶绿素含量的关键就是去除藻类和有机碎屑，降低水体中的氮、磷营养盐含量。

由于实施了水下强制性曝气充氧和搅拌，一方面将水体上下翻动，破坏了容易产生蓝藻水体的静水层，另一方面通过水下充氧，提高了下层DO浓度，从物理上彻底破坏了微囊藻的生存条件，从而抑制了微囊藻的繁殖，缓解了后海区域蓝藻水华，降低了水体富营养化程度。

这一点可以从水体中叶绿素a的变化来加以说明。

表5实验期间后海西叶绿素a指标的变化单位（mg/L）

放水前

放水后

曝气充氧实验期

实验停

7/23

8/24

8/28

8/31

9/6

9/12

9/14

后海西（表）

0.536

0.259

0.115

0.119

0.109

0.105

0.132

后海西（底）

-

0.218

0.131

-

0.107

-

0.127

后海中（表）

-

0.199

0.147

0.137

0.104

0.086

0.165

后海中（底）

-

0.210

0.126

-

0.080

-

-

后海东（表）

0.366

0.254

0.207

0.164

0.131

0.153

0.156

后海东（底）

-

0.197

0.123

-

0.072

-

-

国标IV类水标准

0.030

国标V类水标准

0.065

从表5看出，什刹海蓝藻水华暴发最严重的时候，后海的叶绿素a的值达到（0.366—0.536）mg/L，高出国家V类水标准的5.6—8.2倍。

放水后，实验初后海的叶绿素a值为（0.197—0.259）mg/L，高出国家标准2.6—4.2倍，这说明上游放水冲污，使藻类稀释了50%。

后经过曝气充氧搅拌23天后（8/24—9/14），向水下连续充氧及连续水下搅拌，后海叶绿素a值下降到50%，比实验开始时下降了（0.070-0.094）mg/L。

若以国标中V类水来比较，则分别下降了1—1.4个等级。

这是实验曝气充氧加搅拌的明显效果，说明这一技术措施对抑制藻类生长，控制蓝藻水华的发展是十分有效的。

在实验前，后海藻类大量滋生，8月2日以前透明度不足0.2m，经过调水后，透明度仍很低，劣于V类水0.5m的标准，通过曝气充氧后随着溶解氧的升高及藻类的减少，后海的透明度存在了一定程度的上升，平均透明度升高（20-40）cm，数据如表6所示：

表6后海透明度的变化单位：

米

日期

透明度

日期

透明度

8/26

0.3

9/13

0.5

9/4

0.3

9/16

0.6

9/6

0.4

9/24

0.7

9/11

0.5

9/26

0.6

五、研究成果的应用及实际意义

本次研究目标是通过对什刹海水体水质的调查、分析，提出了防治湖泊水体富营养化、减少蓝藻水华暴发的技术措施，并通过在后海西部实验小区的实验，初步取得成果，为全面治理北京市什刹海及长河水系的水体污染提供实用技术及方案。

上述研究成果在后海水域全面推广使用的基础上，上海佛欣爱建河道治理有限公司与北京西城环保局于2003年—2004年又陆续在后海西部实验小区进行了抑藻除藻实验工程和底质生态修复实验工程。

从2001—2005年西城区环境保护监测站的监测数据可以显现出后海水质的改善状况，总磷、总氮浓度逐年下降，富营养程度得到一定的控制。

2001-2005年后海监测数据

CODMn

（mg/L）

BOD5

（mg/L）

氨氮

（mg/L）

总磷

（mg/L）

总氮

（mg/L）

2001年

4月4日

3.41

2.86

0.14

0.101

1.39

5月8日

7.68

5.16

0.55

0.172

3.19

6月28日

13.4

8.53

0.45

0.339

3.46

8月2日

23.7

16.5

1.27

0.584

5.65

平均值

12.0

8.26

0.60

0.299

3.42

2002年

4月3日

7.36

5.01

0.23

0.171

2.41

5月9日

8.29

5.88

0.37

0.107

2.14

7月4日

8.71

5.84

0.30

0.330

4.57

8月6日

11.0

8.14

0.57

0.267

3.04

平均值

8.84

6.22

0.37

0.219

3.04

2003年

4月3日

5.79

4.23

1.01

0.192

1.36

7月2日

11.3

7.24

1.31

0.187

1.77

8月7日

13.5

8.92

1.09

0.174

1.58

平均值

10.2

6.80

1.14

0.184

1.57

2004年

4月1日

7.83

5.14

0.35

0.088

1.39

5月10日

9.28

5.76

0.60

0.077

1.24

7月6日

6.64

4.62

1.51

0.120

1.82

8月4日

8.67

5.79

0.61

0.180

1.76

平均值

8.10

5.33

0.77

0.116

1.55