三十六脚湖水质综合预警藻类生态防控应急项目方案设计.docx
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三十六脚湖水质综合预警藻类生态防控应急项目方案设计
三十六脚湖水质综合预警
藻类生态防控应急项目
方案设计
(简本)
1基本情况
1.1项目背景
三十六脚湖位于福建省福州市平潭综合实验区,是福建省最大的天然淡水湖,也是平潭主要的水源地,有平潭的“生命湖”“母亲湖”之称,流域面积13.4km2,湖泊面积2.1km2,2012年水库清淤扩容后,正常库容2056万m3,兴利库容为1306万m3,水功能区划执行地表水Ⅱ类水标准,水库日供水规模为7-10万t/d。
三十六脚湖除天然径流来水外,近期从福清北林水库调水,设计调水流量1.273m3/s(11.0万t/日,包括应急调水0.5m3/s);远期从大樟溪调水,设计调水流量8.7m3/s。
根据平潭综合实验区环境监测站提供的数据,2012-2018年的监测结果显示,三十六脚湖库区水质基本能够达到地表Ⅲ类(湖库)水标准,但从分月趋势来看,存在部分月份总磷、总氮浓度超标,并偶发溶解氧浓度超标的现象。
根据福清环保局监测站的监测数据表明,2015-2018年,外调水水源北林水库部分月份总磷浓度超地表水Ⅲ类(湖库)水质标准。
根据《三十六脚湖水源地周边环境综合整治方案结题报告》,三十六脚湖TP和DO有较明显的分层现象,且库心位置分层现象最为突出;底泥表层沉积物TP含量介于24.4~680.7mg/kg之间,磷含量较低,但一定条件下仍有向外释放的风险。
2015年10月、2016年5月、2017年10月三十六脚湖库区分别发生了蓝藻水华;2018年5月-7月,持续的干旱天气,三十六脚湖发生了频次比较高的蓝藻水华,蓝藻密度在107-108cells/L,北楼山自来水厂出水中出现土臭素指标超标。
水资源是平潭不可替代的基础性和战略性资源,对平潭实验区开发建设及经济社会可持续发展具有重要意义。
平潭综合实验区作为国家唯一的“实验区+自贸区+国际旅游岛”区域和两岸同胞共同开发的家园,平潭综合实验区管委会高度重视生态文明建设工作,把生态文明建设放在突出地位,全面贯彻党的十九大精神,以改善水环境质量为核心,系统推进水污染防治、水生态保护和水资源管理。
区管委会先后印发了一系列重要文件,对平潭水资源保护和水污染防治工作提出了具体的工作要求和部署。
为保障三十六脚湖水质安全,区管委会已经做了一系列工作安排,明确了各部门的职责和工作范围。
本项目根据区管委会的统一工作安排,针对三十六脚湖面临的水质监测预警能力不足和水华爆发问题,开展水质监测、有害藻类生态防控和水华预警平台建设,从而抑制三十六脚湖水体富营养化、消除藻患、改善水质和提高水源地预警应急能力,提高库区信息化、智慧化管理能力,保障三十六脚湖供水安全。
1.2湖库概况
三十六脚湖位于平潭岛中南部,处于北厝镇、澳前镇、岚城乡的结合部,是平潭综合实验区最重要的饮用水源地。
1966年始在原有天然湖泊的基础上建成水库,湖坝高3.94m,坝顶高程18.24m,正常库容2056万m3,兴利库容为1306万m3,为中型水库;水库死水位8.54m,正常蓄水位14.44m,近三年运行水位8.22~11.72m,湖泊湖心位置全年平均水深4-5m,浅水区年均水深不足1m;初始集水面积10.0km2,1973年在湖的东南侧筑坝,增加汇流面积3.4km2,湖区集水面积达到13.4km2。
1997年批准成为省级自然保护区,总面积13.4km2,水域面积2.10km2。
根据2015年批准的保护区范围和功能分区划定,保护区总面积1340hm2,其中核心区188.74hm2,缓冲区312.82hm2,实验区838.44hm2。
三十六脚湖省级自然保护区属于“地质遗址”类保护区,保护对象主要为海蚀地貌和淡水资源。
图1.2-1三十六脚2017年-2018年运行水位
1.3自然地理
1.3.1地理位置
三十六脚湖自然保护区内的淡水湖泊东南方与七里埔沙滩链接,湖岸蜿蜒曲折,四处延伸,似有三十六个脚,称“三十六脚湖”。
三十六脚湖是福建省最大的天然淡水湖泊,是由地壳运动和泥沙淤积堵塞而形成,也是平潭岛最重要的水源地。
三十六脚湖处于平潭综合实验区北厝镇、沃前镇、岚城乡3个乡(镇)的结合部。
地理坐标为东经119°44′07"-119°47′23"、北纬25°27′14"-25°29′33"。
流域南北长4.6km,东西宽5.3km,流域总面积13.40km2。
图1.3-1三十六脚湖地理位置图
1.3.2气象水文
三十六脚湖属于南亚热带湿润型海洋性季风气候,年平均气温19.0-19.9℃,最热月7-8月,月平均气温27.0-28.2℃;最冷月2月,月平均气温9.7-10.8℃。
年平均降水量1196.2mm,年均降雨天数131d,多集中在3-9月,春雨和梅雨占全年降水量60%。
11月至次年1月为旱季,年平均蒸发量1917.4mm,大大超过降雨量。
三十六脚湖主要受季风影响,风向季节性变化明显。
一年中秋、冬、春三季以偏北风为主,夏季以偏南风为主。
全年北至东北风向频率占62%,6-8月南至西南风向占19%。
全年海陆风频繁,年平均风速6.9m/s。
1.3.3地形地貌
平潭岛地势南北高、中部低,南部和北部绝大部分为起伏的丘陵与低山,中部为海积平原,平原地面高程4-8m,丘陵高程多在50-250m,平原、台地高程多在50m以下。
三十六脚湖自然保护区属于滨海平原区,地形地貌平缓,原为坛南湾一部分,三面环山,东面临海,由于地壳抬升和泥沙淤积,形成泻湖,湖周分布着海蚀地貌和海蚀阶地。
三十六脚湖所在地层为第四系全新统长乐组风积层,黄色或黄白细砂、粉砂,含少量长石及云母碎片,颗粒均匀,结构松散,厚2-20m。
三十六脚湖基岩为燕山晚期第一次侵入的中颗粒花岗岩闪长岩,灰、灰白色中粒花岗闪长岩,岩石较坚硬、致密,岩体不透水,没有可溶性岩层存在。
1.3.4土壤
三十六脚湖所在的平潭海岛是由流纹质凝灰熔岩、英安质凝灰岩、流纹质熔岩角砾岩、英安岩、花岗岩、闪长岩等形成的红壤成土母质,丘陵台地中上部为残积物,中下部为坡积物,平原、滨海地带多为风积物和海积物、水稻田系坡积、洪积二元结构。
流域土壤属南亚热带季雨林条件下形成的土壤类型。
据土壤普查资料统计,保护区土壤有砖红壤性红壤、滨海风沙土、水稻土、潮土4个土类。
其中以砖红性红壤和滨海风沙土分布最广。
其共同特点是植被稀疏,土层薄弱,养分含量少。
1.4社会经济概况
平潭国民经济呈现较快发展态势,国民生产总值不断扩大,居民可支配收入不断提高。
2017年,全年实现生产总值230.83亿元,按可比价格计算,比上年增长7.2%。
全区完成一般公共预算总收入51.11亿元,比增36.0%,区县财政总支出108.21亿元,比增0.2%。
全体居民人均可支配收入22680元,同比增长7.4%,扣除价格因素,实际增长7.2%;全体居民人均生活消费支出16954元,同比增长4.6%,扣除价格因素实际增长4.4%。
2018年,全年实现生产总值254.28亿元,比上年增长8.7%。
全区完成一般公共预算总收入60.55亿元,比增16.3%,区县财政总支出134.74亿元,比增24.6%。
全体居民人均可支配收入24665元,同比增长8.8%,扣除价格因素,实际增长7.6%;全体居民人均生活消费支出18224元,同比增长7.5%,扣除价格因素实际增长6.3%。
三十六脚湖自然保护区辖岚城、沃前和北厝等3个乡镇13个行政村,包括北厝镇的北洋村、湖南村、湖西村、美楼村、山利村、大厝基村、红湖村、沃尾村、庄上村;沃前镇的磹角底村、前进村;岚城乡的中南村、中湖村。
三十六脚湖保护区内总人口9000多人,实际农业劳动力约5000人。
保护区内人均耕地1.9hm2,该区内产业主要以农业为主,农作物多为一季的花生和番薯。
1.5水资源状况
平潭现有三十六脚湖、三桥水库和玉井水库3个集中式饮用水水源地,君山水库为备用的饮用水源地。
由于地形限制,水系极不发育,地表水量十分有限。
三十六脚湖水库建成于1966年,湖坝高3.94m,坝顶高程18.24m,为中型水库。
现状该水库的集水面积13.4km2,多年平均来水量为659.3万m3,正常蓄水位14.44m,死水位8.54m,原设计总库容1641万m3,2012年水库清淤扩容后,正常库容2056万m3,是平潭岛唯一的具有多年调节性能的中型水库。
采用长系列逐月平均流量进行调节计算,三十六脚湖P=97%的供水能力约为10万t/d,湖泊湖心位置全年平均水深4-5m,浅水区年均水深不足1m。
根据三十六脚湖历年实测的出库和库水位观测资料得知,径流主要集中在4月-9月,占全年来水量的73%,而枯水期10月至次年3月来水比例不足27%。
为保障平潭岛内供水安全,实施调水工程。
近期以岛外调水为主,远期岛外调水与岛内调水相结合,三十六脚湖是岛外调水的调节库。
近期调水工程水源点位于闽江南港,取水口位于福清市高山镇的北林水库,该水库水量由福清市闽江调水工程龙高支线一期工程进行补充,设计调水流量1.273m3/s(11.0万t/日,包括应急调水0.5m3/s),供水终点为平潭岛的三十六脚湖。
中远期考虑从闽江大樟溪取水,水源以闽江支流大樟溪为主,闽江干流为补充,线路途经福清东张水库,通过平潭海峡铺设海底管道进入平潭三十六脚湖,设计调水流量8.7m3/s。
在岛外调水的基础上,同步又建立岛内的雨洪利用工程,包括下洋湖水源地、芦洋湖水源地和韩厝水库三个水源地建设工程。
2水质保障目标
2.1总体目标
根据《福建省生态环境厅、福建省水利厅关于印发福建省水源地保护攻坚战行动计划实施方案的通知》(闽环发[2018]32号)的相关要求,三十六脚湖水质保障的总体目标为库区水质稳定达到Ⅲ类水质标准,Ⅱ类水比例逐年提高。
三十六脚湖水质保障工作需要落实系统性的环境综合整治工程,需要多部门在平潭综合实验区管委会的领导下分别落实各项工作和任务,本项目是三十六脚湖环境综合整治系统工程的一个重要子项。
2.2建设目标
本项目的建设目标是通过项目的实施,提高库区水质监控能力、水华预警能力和有害藻类防控应急处置能力,实现三十六脚湖有害藻类的实时监控和长效抑制,抑制水华爆发,进而消除由水华爆发导致的水质恶化,改善水体水质,保障三十六脚湖供水安全。
同时利用信息化、智慧化管控手段,提高库区管理能力,实现三十六脚湖从传统的人工管理到智能系统辅助管理的跨越
(1)预警监控
建立一套综合预警监控建管平台,在输入性污染与内源性污染异常时及时发出预警信息,预警信息可通过APP、微信或手机短信等及时传送到相关管理和工作人员。
(2)藻类生态防控
实现长效控藻,工程验收后湖区不再出现大规模藻患,小规模水华有效控制,水面藻类聚集面积超过10%水域面积的水华现象(或红色预警)出现频次不超过2次/a。
(3)水华应急处置
与预警监控系统有效联动,应急处置设施在湖库发生水华4h内响应,轻度水华爆发时(橙色预警),24h内得以有效控制;重度水华爆发时(红色预警),48h内得以有效控制;应急处置物质、设备配备充足。
3湖区水环境调查及水华成因分析
3.1湖区水质调查与评价
3.1.1水质指标分析
(1)湖区TN分析
2016~2017年,湖区TN介于0.21~1.34mg/L之间,偶有月份水质指标高于地表水Ⅲ类水要求标准(GB3838—2002),存在TN超标的风险。
空间上,湖心水质较好,5月和7月TN浓度分别为0.50mg/L和0.49mg/L;外调水出水口和各支流入湖口区域TN浓度较高,最高可达1.34mg/L。
图3.1-12016年5月、7月湖区TN浓度的空间分布
(2)湖区TP分析
2016-2017年,三十六脚湖湖区TP浓度介于0.05~0.07mg/L之间,略高于地表水Ⅲ类水要求标准(GB3838—2002)。
空间上,整体呈现出北高南低、西高东低的特点。
瑞岭山前的TP浓度则相对较小,为0.05mg/L以下,该处地处湖的东南脚部分,由于进行过清淤,清淤后磷的浓度常年处于较低水平。
外调水出水口和各支流入湖口区域TP浓度较高,浓度介于0.05~0.07mg/L之间。
图3.1-22016年5月、7月湖区TP浓度的空间分布
3.1.2富营养化状态分析
卡尔森营养状况指数采用CODMn、TP、TN、Chl-a和透明度五参数计算,是反映水体综合营养状态的指标,采用0~100的一系列连续数字对湖泊(水库)营养状态进行分级,在同一营养状态下,指数值越高,其营养程度越重。
三十六脚湖的富营养指数一般在40-50之间,其湖区水体长期处于中营养状态,偶有高于50的富营养状态出现。
在时间季节变化上,水体在春季3月-6月和秋季10月-11月出现两个富营养指数峰值,而与湖区在2016年、2018年间的5月-6月,2017年10月发生了蓝藻水华吻合。
图3.1-32016-2018年三十六脚湖湖区富营养指数的年际和季节变化
3.2沉积物调查分析
三十六脚湖表层沉积物磷含量较低,表现出较大的空间差异。
结果显示,7月(S1~S7)表层沉积物TP含量为420.4mg/kg(314.8~563.9);10月(S1~S10)为361.2mg/kg(24.4~487.8);12月含量介于151.3~433.8mg/kg;2017年3月含量介于509.6~680.7mg/kg,具有最大的最大的TP含量,与该时期动植物残体等磷的沉积有关,丰水期温度高,部分磷以有机磷的形式存在于表层水浮游动植物内。
空间分布上,湖心S3具有最大的TP平均含量528.0mg/kg(433.6~680.7),其次S9(487.8±12.4mg/kg),S10含量最小(24.4±9.1mg/kg)。
湖心S3由于深度、沉积物厚度最大,外源输入后易于湖心形成沉积物累积,因此湖心往往具有较大TP含量。
磷的吸附量与沉积物质地有关,S10区域进行过清淤,沉积物以砂砾为主,细颗粒比例少,吸附磷少,因而具有较低的TP含量。
与7月相比,10月表层沉积物(不计S9、S10)TP平均含量降低4.1%。
图3.2-1三十六脚湖地理位置和采样点分布
图3.2-2表层沉积物TP含量随时间变化
垂向上,三十六脚湖TP浓度范围为390.1~470.7mg/kg,总体上表现出随深度增加TP浓度逐渐减小的趋势。
图3.2-32016年10月湖心沉积物磷形态
3.3浮游植物现状和蓝藻水华风险分析
3.3.1蓝藻水华时浮游植物群落结构
2018年6月28日,三十六脚湖东部和东北部区域发生蓝藻水华,水样共检出浮游植物蓝藻门、硅藻门、绿藻门、裸藻门、隐藻门5大门类,详见下表。
各断面优势门均为蓝藻门,其中,蓝藻门铜绿微囊藻(Microcystisaeruginosa)为优势种。
此外,蓝藻门还包括鱼腥藻属(Anabaena)、平裂藻属(Merismopedia)伪鱼腥藻(Pseudoanabaena)等。
从空间上来看,调水口S1、自来水取水口S2、龙王S12三个断面浮游植物丰度达到108Cells/L以上,S12龙王丰度最大,达到1.75×108Cells/L,湖东入湖S7丰度最小,仅为9.06×106Cells/L。
各断面浮游植物群落结构中,蓝藻门占浮游植物比例90-94%。
2018年6月28日三十六脚湖表层水浮游植物主要种类
表3.3-1
门类
种属
门类
种属
硅藻门Bacillariophyta
直链藻Melosira
小环藻Cyclotella
羽纹藻Pinnularia
桥弯藻Cymbella
菱形藻Nitzschia
针杆藻Synedra
卵形藻Cocconeis
舟形藻Navicula
双壁藻Diploneis
脆杆藻Fragilaria
绿藻门Chlorophyta
卵囊藻Oocystis
空星藻Coelastrum
栅藻Scenedesmus
衣藻Chlamydomonas
韦斯藻Westella
多芒藻Golenkinia
微芒藻Micractinium
四角藻Tetraedron
月牙藻Selenastrum
蹄形藻Kirchneriella
新月藻Closterium
鼓藻Cosmarium
蓝藻门Cyanobacteria
铜绿微囊藻Microcystisaeruginosa
鱼腥藻Anabaenasp.
束丝藻Aphanizomenon
色球藻Chroococcus
平裂藻Merismopedia.
裸藻门Euglenophyta
裸藻Euglena
隐藻门Cryptophyta
隐藻Cryptomonas
图3.3-12018年6月28日各点位表层浮游植物丰度和群落结构
图3.3-22018年三十六脚湖地理位置和采样点分布
3.3.2库区藻类与环境因子相关性分析
浮游植物的生长往往受到诸多环境因子的影响,但营养盐的可获得性一般被认为是影响浮游植物生物量的主要因素。
2018年7月24日三十六脚湖发生了以微囊藻和鱼腥藻为优势种的水华,针对这两种藻做了与环境因子相关性分析(见表3.3-2),Spearman相关分析结果显示,浮游植物丰度总生物量Chl-a浓度与N/P比值相关,微囊藻丰度与水温、pH和DO极显著相关(P<0.01);鱼腥藻浓度与TP显著相关(P<0.05)。
2018年7月三十六脚湖浮游植物与环境因子Spearman相关分析
表3.3-2
TN
TP
N/P
DO
Chl-a
pH
SD
水温
TN
TP
0.812*
N/P
0.781**
-0.252
DO
-0.123
0.287
-0.245
Chl-a
0.406
-0.178
0.886*
0.143
pH
-0.225
-0.102
-0.147
0.846**
0.360
SD
0.521
0.434
0.370
-0.005
0.655
-0.338
水温
0.065
0.351
-0.131
0.914**
0.100
0.758**
0.077
微囊藻
-0.081
0.035
-0.168
0.755**
0.086
0.781**
-0.481
0.757**
鱼腥藻
0.477
0.609*
0.100
0.183
0.021
0.199
-0.204
0.533
注:
*表示显著相关(p<0.05,2-tailed)**表示极显著相关(p<0.01,2-tailed)
4方案设计
4.1预警监控方案
三十六脚湖构建一套以自动监测为主,视频监控为辅,人工巡检有效补充的三位一体预警监控体系平台。
其中,自动监测系统是在整合现有监测站房的基础上,分批次构建水质、水华、有毒有害物质预警系统,建立一套综合预警监管平台,实现常规水质和藻类数据的实时查看、查询、分析和预警功能。
人工巡检系统则是要建立固定的人工巡检制度,敏感时间段加密巡检,保障水质变化的实时掌握。
视频监控则是在三十六脚湖水华爆发敏感点安装高清摄像头,直观地在空间尺度上掌握三十六脚湖的水华分布状况。
4.1.1自动监测系统平台
(1)自动监测系统平台构架
在现有监测站房的基础上,于三十六脚湖和调水中途泵站调节池增设自动监测站点,并通过专用的通讯系统,将监测数据上传至远程的监控平台进行数据的接收、整理、汇总、分析和发布工作,该平台具有可扩充性、设计中预留接口,可以实现后续监测站房的扩充。
自动监测系统的原理是选定监测点位和监测指标,并设定阈值,通过监测点位的在线监测设备采集数据,传送到预警监控平台整理分析,当监测指标超出设定的阈值时产生预警提示,并通过网络发布预警信息,具体系统构架如下:
图4.1-1自动监测系统平台构架示意图
(2)监测点位选择
目前三十六脚湖实际外调水量大于库区多年平均径流量(设计外调水流量更大于多年平均径流量),且目前外调水水质劣于库区水质,外调水对库区水质的影响较大。
由于外调水取水点北林水库不属于平潭综合实验区的管理范围,且其取水点尚未设置水质自动监测设备,为全面实时监测调水水质情况,同时为库区水华预警系统提供基础性边界数据,有必要在福清北林水库调水管线的中途泵站调节池处设置监测点位。
中途泵站
三十六脚湖
图4.1-2调水中途泵站调节池自动监测点位图
三十六脚湖各支流是库区的主要污染源之一,其入湖口属于风险源汇入口区域。
统筹考虑现状已布设的监测点位(库心)、与取水口的距离和工程投资等因素,本方案仅在红湖村支流入湖库湾区域布设1处自动监测点位(同时该区域也是规划第二自来水厂的取水位置),远期逐步完善湖西村支流、美楼村支流等其他支流入湖库湾区域的监测点位。
同时,为保障平潭综合实验区的饮用水安全,结合《三十六脚湖水源地周边环境综合整治方案结题报告》的建议,在已经发生蓝藻水华的现实情况下,有必要在现状自来水厂取水口附近布设1处自动监测点位,进行水华预警。
图4.1-3三十六脚湖库区自动监测点位图
三十六脚湖库区自动监测点位统计表
表4.1-1
采样点位
名称
经度/E
纬度/N
A
中途泵站调节池
119.635942°
25.463056°
S1
红湖支流入湖口
119.758787°
25.481808°
S2
自来水厂取水口
119.765396°
25.477043°
(3)监测指标选取和阈值设定
①三十六脚湖调水中途泵站水质预警
由于外调水取水点北林水库不属于平潭综合实验区的管理范围,且其取水点尚未设置水质自动监测设备,因此调水中途泵站自动监测系统选定的监测指标应具有代表性和可操作性,能够充分反应调水水质状况,同时能够为下游三十六脚湖库区水华预警系统提供充足的基础性边界数据,故本方案选取的自动监测指标如下:
A.常规指标:
浊度、电导率、溶解氧(DO)、pH值、水温;
B.营养盐指标:
总磷(TP)、总氮(TN)、氨氮(NH3-N)、高锰酸盐指数(IMN);
C.生物性指标:
蓝绿藻、叶绿素a。
所有指标24小时实时在线监测,频率为每4小时1次(与库区已建自动监测站一致),同时结合云平台气象、水文数据,构建自动监测指标系统。
同时,对各自动监测指标设定预警阈值,当在线监测结果超过阈值时,自动监测系统平台发出相应的预警信息,为调水决策提供数据支撑及依据。
根据《地表水水环境质量标准》(GB3838-2002)和外调水历年的水质状况,本方案设置三级预警机制,一级报警是指水质轻度超标,二级报警是指水质中度超标,三级报警是指水质严重超标。
监测指标预警阈值
表4.1-2
项目
正常
一级报警
二级报警
三级报警
pH
6.5-8.5
8.5-9.5
9.5-10
>10
溶解氧(mg/L)
5-9
3-5;
9-10
2-3;
10-11
<2;
≥11
总氮(mg/L)
<1
1-1.5
1.5-2
≥2.0
总磷(mg/L)
<0.05
0.05-0.1
0.1-0.2
≥0.2
氨氮(mg/L)
<1.0
1.0-1.5
1.5-2.0
≥2.0
高锰酸盐指数(mg/L)
<6
6-10
10-15
≥15
蓝绿藻
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- 三十六 湖水 综合 预警 藻类 生态 应急 项目 方案设计