摘 要: 綜述了藍(lán)藻水華預(yù)防、預(yù)測(cè)預(yù)警的重要意義及其理論與技術(shù)體系. 基于作者所提出的將藍(lán)藻水華形成分為休眠、復(fù)蘇、生長(zhǎng)和上浮聚集形成水華的“四階段理論”, 以及太湖藍(lán)藻越冬、春季復(fù)蘇和水華形成的時(shí)空規(guī)律, 提出了太湖藍(lán)藻水華的預(yù)防理念. 綜述了國(guó)內(nèi)外藍(lán)藻水華形成與預(yù)測(cè)研究進(jìn)展, 闡述了藍(lán)藻水華形成關(guān)鍵過(guò)程的主導(dǎo)生態(tài)因子及其閾值: 確定了水華藍(lán)藻越冬的空間分布與生命特征, 利用室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)和野外原位觀測(cè)與捕捉, 得到了藍(lán)藻春季復(fù)蘇的室內(nèi)和野外溫度閾值分別為14℃和9℃, 發(fā)現(xiàn)了藍(lán)藻復(fù)蘇量與有效生理積溫呈正相關(guān)的基本規(guī)律; 初步揭示了水華藍(lán)藻生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)形成的生物學(xué)與生態(tài)學(xué)機(jī)理以及光利用策略, 利用細(xì)胞分裂頻率法測(cè)定了夏季太湖水華藍(lán)藻的原位生長(zhǎng)速率為0.2-0.4; 確定了在不同水文氣象條件下, 水華藍(lán)藻在水體中垂直分布和在不同湖區(qū)之間輸移的基本格局, 發(fā)現(xiàn)藻類(lèi)在水體中各層間百分含量的變異系數(shù)隨著風(fēng)浪的增大而減小, 進(jìn)一步證明了藍(lán)藻水華形成是在適當(dāng)水文氣象要素驅(qū)動(dòng)下, 已經(jīng)成為優(yōu)勢(shì)種群的水華藍(lán)藻在湖體中空間位置的改變而引起的. 建立了太湖藍(lán)藻水華預(yù)測(cè)模型和工作流程, 在2007 年和2008 年在太湖實(shí)施了未來(lái)3d 的藍(lán)藻水華預(yù)測(cè)預(yù)警, 了2008 年全年太湖藍(lán)藻水華情勢(shì). 對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的回顧性評(píng)估與分析表明, 目前已有的理論研究結(jié)果和預(yù)測(cè)工作流程可以對(duì)太湖藍(lán)藻水華發(fā)生概率、發(fā)生地點(diǎn)和強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè), 預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到60%-80%. 此外, 還提出了未來(lái)藍(lán)藻水華預(yù)測(cè)的研究方向.

1 藍(lán)藻水華預(yù)防、預(yù)測(cè)預(yù)警的意義
湖泊富營(yíng)養(yǎng)化和藍(lán)藻水華發(fā)生是目前*共同面臨的重大環(huán)境問(wèn)題之一. 在太湖和許多富營(yíng)養(yǎng)化湖泊, 夏季發(fā)生的藍(lán)藻水華漂浮在水面, 堆積在岸邊, 并在高溫下分解, 形成惡臭. 如果水華在水源地取水口附近大量集聚就有可能引起水源地的水質(zhì)惡化, 危及供水安全.藍(lán)藻水華具有重大危害, 但目前還缺少有效的治理手段. 雖然有很多物理、化學(xué)和生物技術(shù)可以直接沉降或殺死形成水華的藍(lán)藻細(xì)胞, 或直接撈取大量聚集的藍(lán)藻, 避免藍(lán)藻對(duì)水質(zhì)的影響, 但其所花費(fèi)的人力物力十分巨大, 且很難*控制藍(lán)藻水華對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生的影響. 此外, 直接殺死藍(lán)藻的處理方法很容易因藍(lán)藻細(xì)胞的破碎從而將胞內(nèi)藻毒素及代謝產(chǎn)物釋放到水中, 促進(jìn)其降解, 形成異味物質(zhì), 反而增加了從水體中去除這些化學(xué)物質(zhì)的難度. 因此, 水華的治理應(yīng)該首先削減湖泊營(yíng)養(yǎng)鹽, 從根本上阻斷藍(lán)藻水華生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)源.就太湖而言, 全湖的平均氮磷含量近期一直居高不下, 藍(lán)藻水華發(fā)生已經(jīng)成為常態(tài), 其污染問(wèn)題難以在短期內(nèi)得到根本解決. 因?yàn)榧词乖谕庠摧斎霚p少后, 在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi), *積累在湖泊底泥中的內(nèi)源營(yíng)養(yǎng)鹽仍然足以支撐水華藍(lán)藻的生長(zhǎng), 很難杜絕藍(lán)藻水華的發(fā)生. 因此在采用各種方法治理藍(lán)藻水華的同時(shí), 必須認(rèn)識(shí)藍(lán)藻水華形成的基本規(guī)律, 發(fā)展敏感湖區(qū), 尤其是水源地和重點(diǎn)景觀湖區(qū)藍(lán)藻水華發(fā)生的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù), 提高環(huán)境管理部門(mén)的決策能力, 并及時(shí)采取應(yīng)急措施. 以供水為例, 如果能提前數(shù)小時(shí)預(yù)測(cè)到藍(lán)藻水華將在取水口聚集降解, 就有足夠時(shí)間, 及時(shí)采取包括水源水的調(diào)度和制水工藝的改進(jìn)與強(qiáng)化等措施, 減少藍(lán)藻水華帶來(lái)的生態(tài)危害和健康風(fēng)險(xiǎn), 避免發(fā)生供水危機(jī), 保障供水安全.

2 藍(lán)藻水華形成機(jī)制的研究
2.1 藍(lán)藻水華形成的“四階段理論”及其實(shí)踐意義
水華發(fā)生時(shí)往往表現(xiàn)為水面或岸邊突然出現(xiàn)大量的藍(lán)藻, 給人感覺(jué)是生物量的突然增加, 是一種“暴發(fā)”現(xiàn)象. 根據(jù)*的觀測(cè), 發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)情況下, 在特定湖區(qū)內(nèi), 這種突然“暴發(fā)”的“水華”是在適宜的氣象與水文條件下, 該湖區(qū)內(nèi)亦已存在的、懸浮于水體中的藻類(lèi)群體再加上其他湖區(qū)的水華藍(lán)藻, 隨著風(fēng)和湖流的驅(qū)動(dòng), 漂移到該湖區(qū)聚集上浮至水面, 并為人們?nèi)庋鬯?jiàn)的過(guò)程, 即藍(lán)藻水華是由于特定的氣象與水文條件導(dǎo)致已成為優(yōu)勢(shì)種群的藍(lán)藻群體在湖泊水體中水平和垂直位置的改變而“瞬時(shí)”形成的,并不*是本地的藻類(lèi)在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)的快速生長(zhǎng), 生物量突然暴發(fā)所致. 因此, 藍(lán)藻水華的出現(xiàn), 表觀現(xiàn)象上是瞬時(shí)的“暴發(fā)”, 但其本質(zhì)卻是藻類(lèi)生物量在水體中逐漸增加的一個(gè)可以預(yù)測(cè)的過(guò)程. 作者在探索藍(lán)藻水華形成機(jī)理方面, 提出了藍(lán)藻生長(zhǎng)與水華形成經(jīng)歷了越冬休眠、春季復(fù)蘇、生長(zhǎng)和集聚上浮并形成水華四階段的理論, 認(rèn)為在不同的階段, 藻類(lèi)的生理特性不同, 影響其發(fā)展的主導(dǎo)生態(tài)因子也不同. 該理論的提出, 改變了以前在藍(lán)藻水華形成機(jī)理探索中對(duì)導(dǎo)致藍(lán)藻水華形成的眾多物理、化學(xué)和生物等因子進(jìn)行逐個(gè)研究的狀況, 比較清晰地闡述了藍(lán)藻水華形成的幾個(gè)關(guān)鍵性階段以及導(dǎo)致不同階段轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵因子及其閾值, 并將其作為指標(biāo), 監(jiān)測(cè)其變化規(guī)律, 就有可能預(yù)測(cè)藍(lán)藻水華的發(fā)展趨勢(shì), 為
提出更有針對(duì)性的控制藍(lán)藻水華的技術(shù)途徑提供了理論依據(jù), 也為深入研究藍(lán)藻水華形成機(jī)理提供了一個(gè)理論框架.基于該理論, 要有效控制夏季藍(lán)藻水華, 就不能等到其已經(jīng)形成巨大生物量, 在全湖隨風(fēng)到處漂移擴(kuò)散后再采取措施, 到那時(shí), 所需要付出的人力物力將會(huì)大大增加, 而應(yīng)該在藍(lán)藻越冬休眠或者春季復(fù)蘇這些藻類(lèi)生命過(guò)程中弱的環(huán)節(jié), 即藻類(lèi)大量繁殖形成水華之前, 采取更加有針對(duì)性的措施抑制藍(lán)藻的生長(zhǎng), 在藻類(lèi)大量復(fù)蘇生長(zhǎng)前對(duì)其進(jìn)行消減, 就有可能達(dá)到事半功倍的效果. 根據(jù)對(duì)太湖水華藍(lán)藻的休眠、復(fù)蘇, 水華的漂移、形成、沉降的時(shí)空規(guī)律的認(rèn)識(shí), 就可以科學(xué)地提出預(yù)防太湖藍(lán)藻水華發(fā)生的理念, 并探索在實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)與工程措施的可行性.

2.2 藍(lán)藻水華形成不同階段的關(guān)鍵因子及其閾值的確定
2.2.1 水華藍(lán)藻越冬分布規(guī)律及其生理特性閻榮等和吳曉東等對(duì)太湖、巢湖和玄武湖等湖泊的周年野外觀測(cè)研究和室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 在秋季, 隨著溫度的降低, 不同湖泊及不同湖區(qū)的水體中表征藍(lán)藻生物量的藻藍(lán)素濃度逐漸下降, 底泥表面的藻藍(lán)素濃度卻呈上升趨勢(shì), 到次年的4 月達(dá)到大值, 而在夏季高溫季節(jié)底泥中的藻藍(lán)素含量較低, 這些結(jié)果表明部分藍(lán)藻在冬季會(huì)由水體下沉到底泥表面進(jìn)行越冬.利用流式細(xì)胞儀比較處于同一系統(tǒng)中的水華藍(lán)藻微囊藻細(xì)胞和綠藻細(xì)胞的活性, 發(fā)現(xiàn)在冬季湖泊底泥表面的黑暗與低溫條件下, 無(wú)論是葉綠素?zé)晒膺€是反映細(xì)胞活性的脂酶活性, 微囊藻均要高于綠藻柵列藻,說(shuō)明微囊藻在劣境中生存活力較高. 也有相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)微囊藻經(jīng)15℃馴化后, 具有獲得性寒冷光照耐受性(ACLT), 與其它藻類(lèi)相比較, 提高了其越冬存活力. 可見(jiàn), 微囊藻在越冬期間較其它藻更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì).
2.2.2 水華藍(lán)藻春季復(fù)蘇的生態(tài)閾值隨著春季溫度上升、光照加強(qiáng), 在冬季下沉到湖泊底泥以及上覆水中的水華藍(lán)藻細(xì)胞及群體開(kāi)始進(jìn)入水柱中, 逐漸復(fù)蘇生長(zhǎng)并發(fā)展為水華. 國(guó)內(nèi)外研究主要關(guān)注的是影響復(fù)蘇過(guò)程生態(tài)因子的閾值及其對(duì)夏季藍(lán)藻水華形成的貢獻(xiàn). Verspagen 等對(duì)于底泥微囊藻復(fù)蘇的模擬實(shí)驗(yàn)顯示, 如果不考慮底泥微囊藻的貢獻(xiàn), 夏季的微囊藻水華會(huì)減少50%. 正是緣于這些原因, 藍(lán)藻的復(fù)蘇特別是微囊藻的復(fù)蘇近年來(lái)備受關(guān)注, 成為藍(lán)藻水華形成機(jī)理的研究熱點(diǎn)之一. 在法國(guó)Grangent 水庫(kù)底泥中的銅綠微囊藻酯酶的活性隨著春季溫度的升高而逐漸增加, 在夏季達(dá)到大值. 這種活性的恢復(fù)使得底泥中的藍(lán)藻重新進(jìn)入水柱中, 而底泥中藍(lán)藻生物量卻顯著下降.微囊藻下沉到底泥表面是由于隨秋季溫度降低而群體解體、細(xì)胞密度增大、浮力降低的結(jié)果, 所以要重新回到水柱中, 藍(lán)藻首先要降低其密度、增大其浮力. 已有的研究表明失去浮力的越冬藍(lán)藻在20℃能夠較快地恢復(fù)浮力, 而在12℃時(shí)則恢復(fù)較慢. 利用從野外采集的底泥樣品, 李闊宇等發(fā)現(xiàn)微囊藻的生長(zhǎng)始于15℃和30μE/(m? s)的光照條件下, 接著向水柱遷移, 微囊藻適的生長(zhǎng)溫度是20℃, 同時(shí), *處于低溫和黑暗環(huán)境中的微囊藻細(xì)胞進(jìn)行光合作用的光系統(tǒng)Ⅱ未受到嚴(yán)重?fù)p傷, 當(dāng)環(huán)境轉(zhuǎn)變有利于藻類(lèi)生長(zhǎng)時(shí), 微囊藻細(xì)胞的光系統(tǒng)Ⅱ很快恢復(fù)活性.陶益等在室內(nèi)進(jìn)行控制條件下野外樣品的復(fù)蘇模擬實(shí)驗(yàn), 確定了太湖藻類(lèi)復(fù)蘇的溫度閾值. 通過(guò)采集太湖梅梁灣底泥及上覆水, 移到實(shí)驗(yàn)室, 在底泥的表面上覆蓋經(jīng)過(guò)0.2μm 濾紙過(guò)濾的原位湖水, 建立了湖泊水柱模擬系統(tǒng), 經(jīng)60d 光照并逐漸升溫培養(yǎng), 定時(shí)取樣并顯微觀察藍(lán)藻復(fù)蘇細(xì)胞, 測(cè)定底泥和上覆水中藻藍(lán)素含量, 并以泥樣色素實(shí)驗(yàn)值Ft 與其相應(yīng)的背景值Fo 的比值為Gf 定量表征泥樣中藍(lán)藻的變化. 當(dāng)Gf=1 時(shí), 說(shuō)明泥樣中藻類(lèi)濃度沒(méi)有發(fā)生變化; 若Gf<1, 說(shuō)明經(jīng)過(guò)模擬培養(yǎng), 泥樣中藻類(lèi)濃度減少, 水樣中藻類(lèi)濃度可能上升, 可能發(fā)生了藻類(lèi)的復(fù)蘇; 若Gf>1, 說(shuō)明底泥中藻類(lèi)增加, 研究了太湖底泥中藍(lán)藻種群的復(fù)蘇規(guī)律. 結(jié)果表明, 在室內(nèi)模擬條件下, 太湖底泥藍(lán)藻復(fù)蘇初始時(shí)主要以2-8 個(gè)細(xì)胞的小群體存在, 其細(xì)胞直徑為7.2-7.8μm, 大于夏季的藻群體中單個(gè)細(xì)胞的直徑(4.8-6μm), 底泥藍(lán)藻的復(fù)蘇與溫度變化密切相關(guān). 在水體溫度達(dá)到14℃時(shí)藍(lán)藻開(kāi)始少量進(jìn)入水柱中, 在環(huán)境溫度升至18-20℃之間時(shí)大量進(jìn)入水中, 為水華形成提供了種源.Cao 等在野外利用自行設(shè)計(jì)的藻類(lèi)捕捉器, 測(cè)定藍(lán)藻復(fù)蘇期間的色素含量, 并比較水柱和底泥中
色素含量的變化. 結(jié)果表明, 藻類(lèi)的復(fù)蘇可能與底泥環(huán)境中的溫度、光照、溶解氧、氧化還原電位密切相關(guān). 捕捉器所覆蓋的底泥中以葉綠素a(Chl.a)、葉綠素b(Chl.b)和藻藍(lán)素(PC)分別表征總藻類(lèi)、綠藻和藍(lán)藻. 在水體溫度達(dá)到9℃時(shí)藍(lán)藻就開(kāi)始少量進(jìn)入水中, 總藻類(lèi)、綠藻以及藍(lán)藻的上浮量占底泥中起始色素含量分別達(dá)到了59.84%、76.83%和466.98%. 藻藍(lán)素和葉綠素含量之比一直上升表示藍(lán)藻逐漸建立優(yōu)勢(shì). 可見(jiàn), 藍(lán)藻的復(fù)蘇對(duì)太湖水華的形成具有重要意義.由于在春季自然水體中, 水溫也會(huì)隨著氣溫的波動(dòng), 在復(fù)蘇溫度閾值的上下波動(dòng), 為了把握藍(lán)藻復(fù)蘇的基本規(guī)律, 在總結(jié)了野外觀測(cè)和室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上, 作者發(fā)現(xiàn)了“有效積溫”與水華藍(lán)藻復(fù)蘇相關(guān)的規(guī)律, 即無(wú)論是野外觀測(cè)還是室內(nèi)的模擬實(shí)驗(yàn), 藍(lán)藻復(fù)蘇的生物量與每天高于藍(lán)藻生理代謝起始溫度(在室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)中為14℃, 在野外原位觀測(cè)中為9℃)以上的連續(xù)積累溫度值(有效積溫)相關(guān)性*. 原位藻類(lèi)復(fù)蘇量和有效積溫的相關(guān)性方程為:
葉綠素a(Chl.a): y=2.5919-0.01912x, r =-0.86
葉綠素 b(Chl.b): y=0.1665-0.0104x, r =-0.76
藻藍(lán)素(PC): y=0.2414+0.0027x, r =0.88
從以上方程可以看出, 隨著有效積溫的增加, 表征所有藻類(lèi)的葉綠素a(Chl.a)和綠藻的葉綠素b(Chl.b)含量呈下降趨勢(shì), 而以藻藍(lán)素(PC)表征的藍(lán)藻的量卻呈線性增加.
2.2.3 水華藍(lán)藻的生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的形成與原位生長(zhǎng)速率藍(lán)藻復(fù)蘇進(jìn)入水體, 開(kāi)始生長(zhǎng)并逐漸成為優(yōu)勢(shì)種群. 關(guān)于藍(lán)藻優(yōu)勢(shì)形成的原因已有很多報(bào)道, 例如藍(lán)藻能夠適應(yīng)高溫、低光強(qiáng)和紫外線; 與其他類(lèi)群的藻類(lèi)相比較藍(lán)藻細(xì)胞可以過(guò)量攝取水體中的無(wú)機(jī)碳和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì); 在富營(yíng)養(yǎng)化水體中, 由于磷含量的升高而引起氮磷比的下降從而有利于藍(lán)藻生長(zhǎng); 藍(lán)藻細(xì)胞形成的偽空胞, 可以上浮以選擇光照; 微囊藻形成膠鞘, 增大了體積, 降低了被浮游動(dòng)物攝食的幾率; 微囊藻能夠分泌藻毒素, 可以抑制其他生物的生長(zhǎng), 有利于其形成優(yōu)勢(shì)種群.近來(lái)研究證實(shí), 與單細(xì)胞相比較, 微囊藻群體具有更加高的光合效率和對(duì)無(wú)機(jī)碳、磷的利用能力等生理特性. 微囊藻群體的抗高光強(qiáng)、重污染也是群體微囊藻種群優(yōu)勢(shì)的形成和維持的重要機(jī)制, 這是其形成水華并保持優(yōu)勢(shì)地位的重要前提. 儲(chǔ)昭升等的研究表明, 在氮限制性生長(zhǎng)環(huán)境中, 微囊藻的偽空胞數(shù)量和浮力均會(huì)顯著下降. 這說(shuō)明富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中由于水體中氮含量的增加會(huì)導(dǎo)致微囊藻細(xì)胞合成較多的偽空胞, 從而有利于藍(lán)藻群體的浮力調(diào)節(jié), 使其具有更強(qiáng)的對(duì)表層光和無(wú)機(jī)碳的競(jìng)爭(zhēng)力, 這可能也是水華藍(lán)藻形成優(yōu)勢(shì)的機(jī)制之一.太湖這類(lèi)淺水湖泊似乎很容易形成藍(lán)藻水華, 而這類(lèi)湖泊底泥易受風(fēng)浪攪動(dòng), 懸浮物大量增加, 水體渾濁, 光傳輸效率較差. Zhang 等從水動(dòng)力和光照的耦合作用的角度研究了太湖中微囊藻形成優(yōu)勢(shì)種群的機(jī)理, 發(fā)現(xiàn)風(fēng)速為3.1m/s 條件下, 綠藻在水體中是趨于均勻分布, 硅藻和甲藻則易于沉入下層水體, 而微囊藻可以懸浮在水表面到水下30cm 這一深度, 因此在此種正常的風(fēng)浪條件下, 微囊藻可以獲得大的光能利用, 形成大的生長(zhǎng)速率, 在與其它藻類(lèi)類(lèi)群競(jìng)爭(zhēng)中形成優(yōu)勢(shì).關(guān)于水華藍(lán)藻的生長(zhǎng)速率已有的資料大多來(lái)源于實(shí)驗(yàn)室控制條件下的檢測(cè)數(shù)據(jù), 但在自然水體中藍(lán)藻的實(shí)際生長(zhǎng)速率受到很多環(huán)境因素的影響, 傳統(tǒng)的定時(shí)定點(diǎn)采樣測(cè)定方法無(wú)法獲得藻類(lèi)在湖泊水體中實(shí)際的原位生長(zhǎng)速率, 必須找到合適的檢測(cè)方法. 近有研究對(duì)早用于計(jì)算細(xì)菌生長(zhǎng)速率的細(xì)胞分裂頻率法(Frequency of Dividing Cells, FDC)進(jìn)行了修正后, 應(yīng)用于微囊藻的原位生長(zhǎng)速率的計(jì)算, 并取得了較好的結(jié)果. 其原理就是微囊藻是以簡(jiǎn)單的細(xì)胞二分裂方式進(jìn)行繁殖, 因此, 根據(jù)細(xì)胞的形態(tài)可以將細(xì)胞分為單細(xì)胞、分裂期細(xì)胞和雙細(xì)胞三個(gè)時(shí)期. 觀測(cè)處于分裂期的細(xì)胞占總體細(xì)胞數(shù)的百分比, 根據(jù)不同時(shí)間的細(xì)胞分裂頻率, 可以計(jì)算微囊藻的原位生長(zhǎng)速率. 應(yīng)用該方法, 研究者在水華發(fā)生季節(jié)對(duì)太湖梅梁灣進(jìn)行了微囊藻的原位生長(zhǎng)速率檢測(cè). 結(jié)果表明太湖微囊藻的細(xì)胞分裂頻率有顯著的日變化規(guī)律, 即白天高、夜晚低, 其中大的細(xì)胞分裂頻率在20%左右, 小分裂頻率在5%左右. 計(jì)算結(jié)果表明4個(gè)采樣點(diǎn)的微囊藻日生長(zhǎng)速率介于0.19 到0.37, 其大生長(zhǎng)速率與日本琵琶湖的大生長(zhǎng)速率比較接近,且生長(zhǎng)速率隨著微囊藻的密度上升而下降, 并可能與所在水體的營(yíng)養(yǎng)鹽水平相關(guān).
2.2.4 太湖水華藍(lán)藻的垂直沉浮與水平漂移在富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中, 當(dāng)水華藍(lán)藻的生物量足夠大時(shí), 雖然在水體中已經(jīng)成為優(yōu)勢(shì)種群, 但是在一般情況下, 這些藻類(lèi)群體在垂直和水平方向上趨向于均勻分布, 不會(huì)在局部湖區(qū)堆積, 其危害性相對(duì)較小. 只有在適當(dāng)?shù)乃臍庀髼l件下, 已經(jīng)成為優(yōu)勢(shì)種群的水華藍(lán)藻
將會(huì)漂浮到水面, 特別容易長(zhǎng)距離快速漂移, 在風(fēng)和湖流的驅(qū)動(dòng)下, 將其他湖區(qū)的水華藍(lán)藻大量聚集到局部湖區(qū), 對(duì)該湖區(qū), 尤其是水源地或者景觀地等敏感湖區(qū)的水質(zhì)產(chǎn)生嚴(yán)重威脅, 這就是形成了災(zāi)害性藍(lán)藻水華. 根據(jù)在太湖的多年野外觀測(cè), 研究者確定了在不同水文氣象條件下, 水華藍(lán)藻在水體中垂直分布的基本格局. 通過(guò)在太湖進(jìn)行定點(diǎn)觀測(cè), 在不同水文氣象過(guò)程連續(xù)采集水樣, 定量檢測(cè)不同水層中微囊藻生物量占整個(gè)水柱中微囊藻總量的百分比, 采用不同深度藻類(lèi)分布變化的變異系數(shù)這一指標(biāo)來(lái)反映藻類(lèi)在水柱中垂直分布的均勻程度, 研究藻類(lèi)的垂直分布與風(fēng)速、湖流和波高的關(guān)系. 研究發(fā)現(xiàn)藻類(lèi)在各層間百分含量的變異系數(shù)隨著風(fēng)浪的增大而減小. 當(dāng)風(fēng)速為2.0m/s, 波高0.044m 時(shí), 總藻類(lèi)、綠藻和藍(lán)藻的垂直分布很不均勻, 變異系數(shù)分別是0.90, 0.53 和2.89, 此時(shí)大約40%的總生物量聚集在湖面(表層5cm), 微囊藻在太湖中形成水華; 當(dāng)風(fēng)速為2.5m/s, 波高為0.057m, 大約有34%的微囊藻生物量聚集在湖面; 風(fēng)速為3.1m/s 且有效波高為0.06m 時(shí), 總藻類(lèi)、綠藻和藍(lán)藻在水柱中分層百分含量的CV分別為0.50、0.26 和0.69, 各層間的分布已經(jīng)比較均勻, 表面水華消失, 大多數(shù)的藍(lán)藻在水體中充分混勻或聚集在湖水底層. 可見(jiàn), 風(fēng)浪對(duì)于水華的形成具有直接的驅(qū)動(dòng)作用, 當(dāng)風(fēng)速小于閾值3.1m/s 時(shí), 藍(lán)藻水華就會(huì)形成. 至于營(yíng)養(yǎng)鹽因素對(duì)于太湖藍(lán)藻水華的作用, 則是由于營(yíng)養(yǎng)鹽濃度很高, 促進(jìn)水華藍(lán)藻生長(zhǎng), 形成并保持為優(yōu)勢(shì)種群.白曉華等通過(guò)室內(nèi)風(fēng)箱水槽實(shí)驗(yàn)和野外觀測(cè), 定量研究了風(fēng)力對(duì)已經(jīng)上浮到水面上的藍(lán)藻水華在水平方向漂移速率的影響, 建立了風(fēng)速與水華漂移速度的指數(shù)和相關(guān)方程, 并據(jù)此計(jì)算了在不同強(qiáng)度風(fēng)力下水華漂移進(jìn)入特定湖區(qū)的總量. 研究結(jié)果表明, 在太湖梅梁灣, 當(dāng)風(fēng)速為0 時(shí), 藻類(lèi)仍有漂移速度,此速度為水華由高濃度到低濃度的自由擴(kuò)散速度; 當(dāng)該湖區(qū)風(fēng)場(chǎng)的平均風(fēng)速為1.4m/s 時(shí), 藻類(lèi)在水體中的平均漂移速率為0.022m/s; 風(fēng)速為1.9m/s, 漂移速率為0.029m/s; 風(fēng)速上升為2.8m/s 時(shí), 藻類(lèi)的漂移速率達(dá)到0.114m/s; 而當(dāng)風(fēng)速再加大后, 水華藍(lán)藻群體與水體充分混和, 水平漂移的速率反而下降.2.3 太湖藍(lán)藻水形成的時(shí)空規(guī)律與預(yù)防理念.太湖藍(lán)藻水華初在夏季出現(xiàn). 隨著近年來(lái)水體富營(yíng)養(yǎng)化程度加劇, 發(fā)生的時(shí)間逐漸前移, 而到秋季, 藍(lán)藻水華*消失的時(shí)間則顯著推遲. 近年來(lái), 3-4 月逐漸成為藍(lán)藻水華的初始出現(xiàn)期, 5-9 月,為藍(lán)藻水華的頻發(fā)期, 而自2000 年以來(lái), 藍(lán)藻水華發(fā)生的時(shí)間一直延續(xù)到晚秋, 甚至可以延續(xù)至次年的1 月份(如2008 年). 早期, 太湖北部(梅梁灣、竺山灣)是藍(lán)藻水華的初發(fā)生地, 也是全年藍(lán)藻水華發(fā)生的重; 2001 年以來(lái), 南部沿岸區(qū)(浙江附近水域, 即夾浦新塘一帶的沿岸水體)春季開(kāi)始時(shí)有發(fā)生, 且在近幾年, 逐漸成為太湖藍(lán)藻水華的早發(fā)生地, 集聚面積也逐年擴(kuò)大, 持續(xù)時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng); 2003 年以來(lái),藍(lán)藻水華開(kāi)始向湖心擴(kuò)散, 嚴(yán)重時(shí)幾乎覆蓋整個(gè)太湖的非水生植被區(qū); 值得注意的是, 2005 年以來(lái), 以前很少有藍(lán)藻水華發(fā)生的貢湖灣, 也開(kāi)始有大面積藍(lán)藻水華覆蓋, 2007 年發(fā)生的頻率更是顯著增加.根據(jù)遙感圖像觀測(cè), 2007 年3 月28 日, 湖州水域首先發(fā)生了規(guī)模化的藍(lán)藻水華并延續(xù)多日. 2008 年同樣也是首先在南太湖水域發(fā)生了藍(lán)藻水華(4 月3 日).而近幾年11-12 月間, 在太湖北部的梅梁灣和貢湖的藍(lán)藻水華逐步減少的同時(shí), 南太湖浙江湖州水域的藍(lán)藻水華卻十分嚴(yán)重, 并且由于較高的太湖水位, 導(dǎo)致湖水倒灌, 大量藍(lán)藻涌入內(nèi)河, 對(duì)其沿岸水廠取水口的水質(zhì)產(chǎn)生了嚴(yán)重威脅.綜合分析近年來(lái)的遙感信息, 并結(jié)合太湖區(qū)域的風(fēng)場(chǎng)玫瑰圖, 可以初步認(rèn)為不同季節(jié)的風(fēng)況是太湖藍(lán)藻水華在全湖分布格局變化的重要驅(qū)動(dòng)因素, 并基本勾勒出近期全太湖藍(lán)藻水華形成的時(shí)空規(guī)律. 在秋季高頻率的西北風(fēng)下, 夏、秋季全太湖已形成的大量藍(lán)藻水華漂移集聚到南太湖水域, 形成水華; 進(jìn)入冬季后, 大量藍(lán)藻水華在南太湖以及西太湖死亡下沉, 在底泥表面過(guò)冬; 到翌年春季, 隨溫度上升以及光輻射加強(qiáng), 在去年下沉并積累在底泥表面較多的藍(lán)藻“種源”的南太湖水域水華藍(lán)藻開(kāi)始復(fù)蘇.在早年間, 南太湖水質(zhì)相對(duì)較好, 其營(yíng)養(yǎng)鹽濃度還不足以使得很早復(fù)蘇的藍(lán)藻快速生長(zhǎng), 形成大量水華.但是, 自2001 以來(lái), 全太湖的營(yíng)養(yǎng)鹽水平均處于較高水平, 已經(jīng)不是生長(zhǎng)的限制因素, 因此復(fù)蘇后的水華藍(lán)藻能夠快速生長(zhǎng), 在該水域首先形成藍(lán)藻水華, 隨后在夏、秋季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)或東南風(fēng)的驅(qū)動(dòng)作用下, 向太湖北部漂移, 進(jìn)入梅梁灣后與灣內(nèi)自身生長(zhǎng)的水華藍(lán)藻共同形成了嚴(yán)重的水華.根據(jù)太湖藍(lán)藻時(shí)空分布規(guī)律和藍(lán)藻越冬的特點(diǎn), 說(shuō)明太湖不同季節(jié)的風(fēng)況使得在底泥表面越冬的水華藍(lán)藻可能具有一定的區(qū)域分布特征. 因此, 可以提出預(yù)防太湖藍(lán)藻水華的理念. 從理論上可以推斷,如果在春季復(fù)蘇期間, 采取物理或者生物等適當(dāng)?shù)募夹g(shù)與措施去除南太湖底泥表面水華藍(lán)藻的部分“種
源”(藍(lán)藻水華的初始種群密度N0), 在同樣的種群增長(zhǎng)速率(r)條件下, 就有可能在一定程度上降低t 時(shí)的種群密度(Nt), 可以減輕夏季的藍(lán)藻水華強(qiáng)度, 達(dá)到預(yù)防或者減少藍(lán)藻水華大規(guī)模發(fā)生的目的. 在歷*, 太湖和巢湖流域的農(nóng)民就有罱湖(河)泥和撈取“湖靛”作為農(nóng)肥的習(xí)慣, 在去除并充分利用了沉積在湖泊底泥中營(yíng)養(yǎng)鹽的同時(shí), 一并除去了底泥表面越冬藍(lán)藻的細(xì)胞群體, 這可能對(duì)當(dāng)時(shí)控制或者延緩藍(lán)藻水華的形成起到了一定的作用, 當(dāng)然這僅僅是一種現(xiàn)象, 其科學(xué)依據(jù)還需要進(jìn)一步探索. 如果能進(jìn)一步確定太湖藍(lán)藻在南太湖水域底泥表面沉降越冬的分布面積、具體位置和生物量, 就可以進(jìn)一步論證技術(shù)與工程措施的可行性, 并指導(dǎo)清除藍(lán)藻越冬種源, 預(yù)防夏季藍(lán)藻水華大規(guī)模發(fā)生的工程措施的實(shí)施.

3 太湖藍(lán)藻水華預(yù)測(cè)與預(yù)警
3.1 國(guó)內(nèi)外藍(lán)藻水華預(yù)測(cè)預(yù)警研究進(jìn)展
關(guān)于湖泊藍(lán)藻水華預(yù)測(cè)的理論基礎(chǔ)已有較多研究. Reynolds認(rèn)為在藻類(lèi)數(shù)量達(dá)到一定程度后, 水華會(huì)在適宜的水文氣象條件下出現(xiàn); Spencer 等的研究表明光照條件對(duì)藍(lán)藻浮力調(diào)節(jié), 上浮聚集、漂移乃至水華形成有著密切關(guān)系. 對(duì)太湖的研究發(fā)現(xiàn), 水溫和總磷為梅梁灣藻類(lèi)總生物量的顯著相關(guān)因子.
有研究表明較高的溫度條件下能導(dǎo)致水華的發(fā)生, 因此通過(guò)氣象條件和營(yíng)養(yǎng)鹽的來(lái)源可以預(yù)測(cè)水華的發(fā)生. 也有研究表明可以根據(jù)水溫、pH、氣象條件、藻類(lèi)生物量、數(shù)字模擬以及衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)水華的發(fā)生. 很多水華和赤潮事例表明, 當(dāng)其他條件具備時(shí), 若天氣形勢(shì)發(fā)展比較穩(wěn)定, 海區(qū)風(fēng)平
浪靜, 陽(yáng)光充足并悶熱, 就有可能發(fā)生水華或赤潮.歐盟1999 年曾經(jīng)開(kāi)展了藍(lán)藻水華的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)的研究, 拓展了遙感技術(shù)對(duì)藻華發(fā)生的預(yù)測(cè)途徑[. 日本科學(xué)家利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)Kasumigaura 湖研究結(jié)果顯示, 葉綠素a 的濃度可以表征藻類(lèi)的總生物量并可以對(duì)藻類(lèi)水華進(jìn)行預(yù)測(cè). Teles 等利用時(shí)間序列的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò), 根據(jù)近年的理化和生物資料建立模型, 對(duì)Crestuma 水庫(kù)進(jìn)行藍(lán)藻豐度變化預(yù)測(cè), 得到了很好的結(jié)果. 利用衛(wèi)星遙感影像的結(jié)果, 通過(guò)多重線性回歸分析, 建立了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ? 對(duì)中國(guó)臺(tái)灣的Techi 水庫(kù)的硅藻數(shù)量以及硅藻水華進(jìn)行預(yù)測(cè),其預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性可達(dá)到74%. 根據(jù)1997-2001 年大亞灣澳頭水域赤潮檢測(cè)資料的統(tǒng)計(jì)分析, 發(fā)現(xiàn)潮汐、風(fēng)向、天氣情況和水溫是赤潮發(fā)生的重要因子, 據(jù)此建立了多元回歸方程, 并繪制了赤潮的生物變化趨勢(shì)圖, 可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的生物觀測(cè)資料分析, 預(yù)報(bào)是否會(huì)發(fā)生赤潮[35]. 對(duì)渤海赤潮建立了三維的生態(tài)水文模型, 并利用1982-1983 年和1992-1993 年的資料進(jìn)行校正, 結(jié)果表明富營(yíng)養(yǎng)化是藻類(lèi)生長(zhǎng)的基本條件,而1998 年的異常高溫則引發(fā)了藻類(lèi)的暴發(fā), 但尚未見(jiàn)該模型用于赤潮的預(yù)報(bào)[36], 利用模型被認(rèn)為是研究及預(yù)報(bào)水華的有效手段, 采用包含磷酸鹽濃度、物理?xiàng)l件和藍(lán)藻大生物量等三個(gè)相關(guān)體系的模糊邏輯模型預(yù)測(cè)水華發(fā)生時(shí)的大生物量[37], 但由于其參數(shù)繁多且不易確定等缺點(diǎn)限制了其使用, 仍然處于研究階段. 美國(guó)*采用衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)行水華的監(jiān)測(cè), 美國(guó)海洋與*開(kāi)發(fā)的水華暴發(fā)預(yù)測(cè)系
統(tǒng), 試圖監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)墨西哥灣的赤潮, 在有赤潮的季節(jié), 每周預(yù)報(bào)2 次. 以下是該預(yù)測(cè)系統(tǒng)近期的一次預(yù)報(bào)內(nèi)容.從預(yù)報(bào)的內(nèi)容可以看出, 目前主要是確定不同區(qū)域有無(wú)水華, 并局限在定性描述其影響程度的水平上. 在技術(shù)開(kāi)發(fā)與實(shí)際應(yīng)用方面還需要做很多工作.與水華預(yù)測(cè)研究?jī)?nèi)容比較接近的有美國(guó)1999 年, 該發(fā)明實(shí)際上是一種光學(xué)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng), 根據(jù)藻類(lèi)數(shù)量的變化來(lái)預(yù)測(cè)水華的發(fā)生. 另外有是根據(jù)水體的反射光來(lái)檢測(cè)水體中含有藻藍(lán)素的藻類(lèi), 澳大利亞新南威爾士大學(xué)David Waite 教授也正在從事這方面的探索.從國(guó)內(nèi)外藍(lán)藻水華預(yù)測(cè)預(yù)警的研究工作可以發(fā)現(xiàn): 藍(lán)藻水華是可以進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警的, 目前在大洋和近海海域藍(lán)藻水華的預(yù)測(cè)預(yù)警已經(jīng)取得明顯進(jìn)展, 并且取得較好的預(yù)報(bào)效果; 淺水湖泊藍(lán)藻水華發(fā)生的機(jī)制研究已有一定的進(jìn)展, 具備了藍(lán)藻水華暴發(fā)預(yù)測(cè)預(yù)警的理論基礎(chǔ). 因?yàn)槟壳跋鄬?duì)比較成熟的氣象和水文監(jiān)測(cè)方法可以提供相對(duì)比較準(zhǔn)確的藍(lán)藻水華發(fā)生預(yù)測(cè)所需要的水文氣象信息, 遙感、地理信息系統(tǒng)技術(shù)可以適時(shí)捕捉和分析藍(lán)藻水華的空間分布現(xiàn)狀, 數(shù)值模擬技術(shù)可以基于水華發(fā)生的機(jī)理和外部條件,對(duì)未來(lái)藍(lán)藻水華發(fā)生的空間分布進(jìn)行數(shù)字化定位并作出預(yù)測(cè).水華預(yù)測(cè)的定量描述對(duì)于預(yù)測(cè)工作的實(shí)用性十分重要. 可以根據(jù)藻細(xì)胞濃度、葉綠素a、透明度、總磷和總氮5 個(gè)參數(shù)制定出水華程度評(píng)價(jià)等級(jí), 但是此方法仍然沿用了湖泊富營(yíng)養(yǎng)化程度的評(píng)價(jià)方法.而在太湖這樣的富營(yíng)養(yǎng)化湖泊, 持續(xù)高營(yíng)養(yǎng)鹽水平對(duì)水華藍(lán)藻生長(zhǎng)的短期波動(dòng)并沒(méi)有顯著影響. 因此需要更加實(shí)用的和具有針對(duì)性的藍(lán)藻水華等級(jí)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn). 同時(shí), 在確定水華藍(lán)藻的生物量后, 更需要知道的是在哪個(gè)湖區(qū), 即藍(lán)藻水華發(fā)生以及堆積的確切位置, 因?yàn)橐话闱闆r下, 只要湖泊處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài), 在適當(dāng)?shù)臍庀蠛退臈l件下, 藍(lán)藻將會(huì)大量繁殖, 容易形成一定面積的水華, 且持續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)間, 改變水生生態(tài)系統(tǒng)的群落結(jié)構(gòu); 但是, 只有那些在湖濱岸帶, 在重要的景觀湖區(qū), 尤其是飲用水源地等特殊功能湖區(qū)大量集聚的災(zāi)害性藍(lán)藻水華有可能給人們的生活與社會(huì)穩(wěn)定帶來(lái)威脅. 對(duì)藍(lán)藻水華的預(yù)警, 預(yù)測(cè)其發(fā)生的位置或所在功能湖區(qū), 從某種程度上來(lái)說(shuō), 比知道其發(fā)生量更加重要. 因此,對(duì)太湖全湖藍(lán)藻水華的預(yù)警應(yīng)該包括從無(wú)到有的一般預(yù)測(cè), 以及從一般湖區(qū)到敏感湖區(qū)直至形成危害的發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)警.
3.2 太湖藍(lán)藻水華預(yù)測(cè)的技術(shù)體系
3.2.1 太湖藍(lán)藻水華形成過(guò)程對(duì)藍(lán)藻水華的形成進(jìn)行預(yù)測(cè), 必須掌握藍(lán)藻水華形成機(jī)理與基本規(guī)律, 確定影響藍(lán)藻水華形成的關(guān)鍵要素及其閾值. 在太湖、巢湖和滇池等富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中, 營(yíng)養(yǎng)鹽濃度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了藍(lán)藻生長(zhǎng)的基本需求, 且在短時(shí)間內(nèi)很難明顯下降, 因此營(yíng)養(yǎng)鹽濃度在目前的高位波動(dòng), 一般不會(huì)對(duì)藍(lán)藻的生長(zhǎng)產(chǎn)生顯著影響. 夏季太湖的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、光照強(qiáng)度和溫度等對(duì)藍(lán)藻生長(zhǎng)所需要的物質(zhì)與能量等環(huán)境要素方面, 在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi), 幾乎不是藻類(lèi)生長(zhǎng)的限制因子.在初春, 當(dāng)水溫達(dá)到復(fù)蘇閾值時(shí)(在太湖野外自然水體中為9℃[10]), 水華藍(lán)藻開(kāi)始復(fù)蘇、生長(zhǎng), 直至其生物量達(dá)到形成水華的閾值, 即細(xì)胞密度20000cells/L, 或葉綠素a 含量為10μg/L, 這是水華從無(wú)到有的漸進(jìn)過(guò)程, 其中涉及到藍(lán)藻對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收、環(huán)境要素對(duì)藍(lán)藻生長(zhǎng)速率的影響、藍(lán)藻與其他藻類(lèi)群體對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽和光的競(jìng)爭(zhēng)及其優(yōu)勢(shì)的形成、動(dòng)物對(duì)藍(lán)藻細(xì)胞的捕食以及藍(lán)藻的死亡等復(fù)雜的生態(tài)學(xué)過(guò)程, 要對(duì)這些相關(guān)關(guān)系進(jìn)行定量計(jì)算與綜合考慮, 由于涉及的參數(shù)和過(guò)程比較多, 需要模型進(jìn)行運(yùn)行計(jì)算, 才能得到比較明確的結(jié)論. 但目前在太湖等富營(yíng)養(yǎng)化水平較高的湖泊, 這個(gè)過(guò)程歷時(shí)較短, 尤其是暖冬,或春季溫度上升較快, 積溫以及營(yíng)養(yǎng)鹽濃度又比較高, 水華形成的時(shí)間就相對(duì)較早, 而對(duì)于滇池等地處季節(jié)溫度差異不明顯地域的湖泊, 這個(gè)過(guò)程更為短暫, 導(dǎo)致藍(lán)藻水華形成的因素幾乎常年存在. 隨著溫度的持續(xù)上升(一般在4-10 月), 光照充沛, 營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較高, 雖然會(huì)由于惡劣天氣或其他環(huán)境因子的沖擊, 引起水華藍(lán)藻生物量的短時(shí)間的波動(dòng), 但是水體中水華藍(lán)藻的生物量將會(huì)一直高于發(fā)生水華的閾值, 且在整個(gè)浮游植物群落中占據(jù)了優(yōu)勢(shì). 在這段時(shí)間, 其它湖區(qū)的大量水華藍(lán)藻在合適的氣象與水文因素驅(qū)動(dòng)下上浮, 快速漂移到某個(gè)局部湖區(qū), 堆積形成水華. 對(duì)于地方管理部門(mén)以及自來(lái)水廠,更關(guān)心的是如此巨大生物量的藍(lán)藻何時(shí)會(huì)漂移集聚到取水口或旅游區(qū), 形成災(zāi)害性水華, 影響水質(zhì)和景觀, 甚至引起供水危機(jī), 因此該時(shí)期藍(lán)藻水華預(yù)測(cè)的需求更加迫切并能發(fā)揮更大的預(yù)警作用. 此時(shí)主要是要對(duì)藍(lán)藻水華發(fā)生的概率、發(fā)生的水域以及發(fā)生的強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào), 一旦水華在水源地發(fā)生大量集聚, 有可能降解發(fā)臭, 危及到水源地水質(zhì)安全, 就要及時(shí)發(fā)出預(yù)警.
3.2.2 太湖藍(lán)藻水華形成的主要過(guò)程與參數(shù)水華的預(yù)測(cè)主要關(guān)注嚴(yán)重的表層水華的預(yù)測(cè), 如前所述, 因?yàn)橐坏┧A藍(lán)藻漂浮到水面, 就特別容易漂移集聚, 形成災(zāi)害性藍(lán)藻水華. 而表層水華強(qiáng)度取決于藻類(lèi)種群密度. 根據(jù)生態(tài)學(xué)基本理論, 影響特定湖區(qū)內(nèi)藍(lán)藻生物種群密度大小的參數(shù)是生長(zhǎng)與死亡、遷入與遷出. 野外觀測(cè)發(fā)現(xiàn), 特定湖區(qū)內(nèi)水華藍(lán)藻的增加主要取決于外源微囊藻隨著氣象與水文條件的變化在水平方向漂移到該湖區(qū)的外源漂移遷入, 以及該湖區(qū)內(nèi)原位的藍(lán)藻生長(zhǎng)速率, 兩者同時(shí)導(dǎo)致該湖區(qū)水華藍(lán)藻種群生物量的急劇增加. 同時(shí), 這些增加的藻類(lèi)群體在合適氣象與水文條件下上浮到水面形成藍(lán)藻水華. 因此從理論上可以認(rèn)為, 在確定了初始時(shí)刻(T0)的水華藍(lán)藻種群密度(N0), 再耦合未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)該湖區(qū)水文氣象信息, 計(jì)算其在t 時(shí)間內(nèi)藻類(lèi)的生長(zhǎng)率、死亡率, 遷入與遷出量, 就可以得到t 時(shí)該湖區(qū)水華藍(lán)藻種群密度(Nt), 確定是否會(huì)形成水華并作出預(yù)測(cè).
3.2.3 藍(lán)藻水華的動(dòng)態(tài)模擬藍(lán)藻水華動(dòng)態(tài)模擬是實(shí)現(xiàn)藍(lán)藻水華預(yù)測(cè)預(yù)警的重要步驟. 太陽(yáng)能導(dǎo)致的溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨等是湖泊內(nèi)藍(lán)藻水華發(fā)生的能量基礎(chǔ). 藍(lán)藻水華的動(dòng)態(tài)模擬基于藍(lán)藻水華發(fā)生、發(fā)展、漂移擴(kuò)散與堆積原理. 將湖體劃分為一定數(shù)量的200m×200m的網(wǎng)格, 并給予每個(gè)網(wǎng)格一個(gè)的編碼. 在每個(gè)網(wǎng)格中, 耦合藻類(lèi)模型、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)遷移模型和水動(dòng)力模型, 在初始條件和邊界條件下, 采用動(dòng)態(tài)環(huán)境模擬技術(shù)進(jìn)行藍(lán)藻水華的模擬. 預(yù)測(cè)分為6 大部分:
(1) 藍(lán)藻水華動(dòng)態(tài)模擬的時(shí)間和空間尺度. 尺度的大小是指模擬時(shí)間步長(zhǎng)和網(wǎng)格空間大小的密集程度. 尺度過(guò)小, 對(duì)外部輸入條件的要求提高, 模擬計(jì)算量以幾何級(jí)數(shù)增加, 工作量大大增加. 因此, 需要在效率和精度之間達(dá)到平衡, 在達(dá)到精度要求的前提下, 選擇合適的時(shí)間和空間尺度.
(2) 藍(lán)藻水華強(qiáng)度分級(jí)指標(biāo)體系. 藍(lán)藻水華對(duì)于不同湖區(qū)所造成的危害不同. 太湖作為一個(gè)物理、化學(xué)、生物、功能等在空間上具有異質(zhì)性的湖泊, 需要針對(duì)不同的功能劃分湖區(qū), 并給以指標(biāo)不同的權(quán)重. 描述藍(lán)藻水華強(qiáng)度的指標(biāo)主要指持續(xù)時(shí)間、分布范圍、堆積厚度、葉綠素a 濃度等, 根據(jù)等級(jí)體系,
劃分出不同的級(jí)別, 建立指標(biāo)體系.
(3) 湖泊水動(dòng)力過(guò)程模擬. 3D 水動(dòng)力模型可以較好地描述湖泊水力學(xué)特征, 但模擬計(jì)算工作量大,耗時(shí)時(shí)間長(zhǎng); 2D 水動(dòng)力模型不能精確描述淺水湖泊各層的動(dòng)力特征; 準(zhǔn)3D 水動(dòng)力模型既吸收2D 水動(dòng)力模型模擬效率高的特點(diǎn), 同時(shí)也可以描述淺水湖泊水動(dòng)力特征在垂線上的變化, 滿足了藍(lán)藻水華動(dòng)態(tài)模
擬對(duì)水動(dòng)力的要求.
(4) 微囊藻的原位生長(zhǎng). 根據(jù)細(xì)胞分裂頻率計(jì)算微囊藻在不同水文氣象條件下原位生長(zhǎng)速率, 得到相關(guān)的計(jì)算公式.
(5) 藻類(lèi)遷移與擴(kuò)散的生態(tài)模擬. 根據(jù)湖泊水動(dòng)力條件確定藍(lán)藻水華漂移的方向和速度, 同時(shí)根據(jù)實(shí)際觀測(cè), 取得藍(lán)藻水華擴(kuò)散的參數(shù), 計(jì)算在每一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)中藍(lán)藻水華遷出、遷入的量, 根據(jù)網(wǎng)格內(nèi)藍(lán)藻水華在計(jì)算時(shí)段內(nèi)的平衡方程, 得到時(shí)段末每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)藍(lán)藻水華的量, 同時(shí)作為下個(gè)模擬時(shí)段的初始值進(jìn)行模擬.
(6) 模型的校準(zhǔn)與驗(yàn)證. 采用自動(dòng)模型優(yōu)化參正技術(shù)實(shí)現(xiàn)模型優(yōu)化和參數(shù)校準(zhǔn). 優(yōu)化方法采用遺傳算法和馬爾科夫模擬. 模擬的驗(yàn)證通過(guò)預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)地監(jiān)測(cè)和遙感解譯的結(jié)果比對(duì), 以及納什效率分析實(shí)現(xiàn).
3.3 太湖藍(lán)藻水華預(yù)測(cè)預(yù)法與運(yùn)行
要預(yù)測(cè)未來(lái)2-3d 內(nèi)太湖藍(lán)藻水華在敏感湖區(qū)以及全湖的分布格局和發(fā)展趨勢(shì), 首先需要確定目前藍(lán)藻水華的分布現(xiàn)狀, 然后根據(jù)原位微囊藻生長(zhǎng)率以及藻類(lèi)生長(zhǎng)與溫度和光輻射強(qiáng)度相關(guān)定量模型, 并考慮在不同風(fēng)向和風(fēng)速條件下不同水層中藍(lán)藻生物量及其占整個(gè)水柱中總生物量的百分比以及不同風(fēng)速條件下水華藍(lán)藻的漂移速率等重要參數(shù), 構(gòu)建藍(lán)藻水華預(yù)測(cè)預(yù)警模型, 確定未來(lái)一段時(shí)間藍(lán)藻水華在特定湖區(qū)將會(huì)出現(xiàn)的概率及其強(qiáng)度. 由于藍(lán)藻水華的分布與該湖區(qū)的水文氣象要素密切相關(guān), 且目前3d 左右的氣象預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率相對(duì)較高, 因此對(duì)藍(lán)藻水華的預(yù)測(cè)預(yù)警也以24-72h 的預(yù)測(cè)預(yù)警比較合適, 隨著對(duì)藍(lán)
藻水華現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)的精度提高以及氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和預(yù)測(cè)模型的完善, 對(duì)藍(lán)藻水華的預(yù)測(cè)精確度也將會(huì)大大提高.在建立了衛(wèi)星遙感影像和水面葉綠素濃度的關(guān)系模型后, 就可以直觀地獲得初始時(shí)刻(T0)的藍(lán)藻水華分布現(xiàn)狀, 其葉綠素濃度的估算精度目前一般可以達(dá)到70%左右, 為提高精度, 同時(shí)還需要通過(guò)水面的自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器和人工巡測(cè), 獲得更精確數(shù)據(jù), 并將所有觀測(cè)數(shù)據(jù)匯總到數(shù)據(jù)采集器中, 通過(guò)無(wú)線傳輸系統(tǒng)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)筋A(yù)測(cè)預(yù)警專(zhuān)家服務(wù)器.預(yù)測(cè)專(zhuān)家在獲得了現(xiàn)狀參數(shù), 主要是特定湖區(qū)以及外圍湖區(qū)的葉綠素濃度、藻藍(lán)素濃度、溶氧、水溫和濁度, 同時(shí)根據(jù)氣象預(yù)報(bào)和水文觀測(cè)部門(mén)提供的未來(lái)1-3d 的天氣預(yù)報(bào)參數(shù), 包括風(fēng)速、風(fēng)向、降雨和氣溫以及湖流與波高等水文特征, 采用動(dòng)態(tài)環(huán)境模擬技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬. 將引起藍(lán)藻水華發(fā)生的水文、氣象和生物因素按照網(wǎng)格空間離散; 結(jié)合不同氣象條件下太湖藍(lán)藻水華的生長(zhǎng)速率確定具體條件下的藍(lán)藻生長(zhǎng)公式, 模擬得到每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)藍(lán)藻水華生長(zhǎng)狀況; 利用湖泊水動(dòng)力學(xué)模型和藍(lán)藻水華漂移通量公式, 構(gòu)建藍(lán)藻水華空間擴(kuò)散模型, 實(shí)時(shí)模擬運(yùn)算藍(lán)藻水華的狀態(tài), 終實(shí)現(xiàn)藍(lán)藻水華未來(lái)趨勢(shì)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào), 必要時(shí)發(fā)出預(yù)警.由于藍(lán)藻水華預(yù)測(cè)是一項(xiàng)時(shí)效性很強(qiáng)的工作, 因此在預(yù)測(cè)過(guò)程中, 從數(shù)據(jù)采集到模型運(yùn)算, 以及后的預(yù)測(cè)報(bào)告的編制、報(bào)送與發(fā)布, 形成了一規(guī)范的工作流程, 這對(duì)預(yù)測(cè)工作的順利進(jìn)行十分重要.
3.4 太湖藍(lán)藻水華預(yù)測(cè)預(yù)警及其評(píng)估
3.4.1 太湖藍(lán)藻水華短尺度預(yù)測(cè)及其評(píng)估 2007 年7 月起對(duì)太湖藍(lán)藻水華進(jìn)行正式預(yù)測(cè)預(yù)報(bào), 每半周進(jìn)行一次, 預(yù)測(cè)內(nèi)容為未來(lái)3d 內(nèi)太湖重要水源地梅梁灣、貢湖灣以及大太湖葉綠素濃度的分布格局, 說(shuō)明水華發(fā)生的概率及其水域. 預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)一直延續(xù)到2007 年10 月31 日, 共發(fā)布32 份太湖藍(lán)藻水華預(yù)測(cè)報(bào)告.2008 年4 月17 日至10 月31 日, 共發(fā)布藍(lán)藻水華預(yù)報(bào)54 期, 同樣是每次預(yù)報(bào)未來(lái)3d. 同時(shí)通過(guò)衛(wèi)星遙感獲得每天全湖藍(lán)藻水華實(shí)際發(fā)生及分布情況, 并做出遙感監(jiān)測(cè)報(bào)告. 在一段時(shí)間后, 將當(dāng)時(shí)做出的未來(lái)3d 預(yù)測(cè)報(bào)告內(nèi)容與實(shí)際3d 中每天的遙感監(jiān)測(cè)報(bào)告進(jìn)行比對(duì), 對(duì)藍(lán)藻水華發(fā)生概率以及位置預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確程度進(jìn)行回顧性評(píng)估, 確定預(yù)測(cè)精度.由于在受云層覆蓋的情況下無(wú)法獲得太湖湖面的有效遙感圖像, 因此可用于驗(yàn)證預(yù)測(cè)精度的實(shí)際監(jiān)測(cè)報(bào)告在2007 年為32 份, 2008 年為43 份. 預(yù)報(bào)結(jié)果的回顧性評(píng)價(jià)見(jiàn)表1 和表2. 總的來(lái)說(shuō), 2007 年和2008 年未來(lái)3d 的藍(lán)藻水華發(fā)生概率預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性在大太湖為88%和95%, 在貢湖和梅梁灣為60%-84%之間. 而在不同湖區(qū)中藍(lán)藻水華發(fā)生具體地點(diǎn)的預(yù)測(cè), 在大太湖相對(duì)比較低, 在貢湖灣和梅梁灣則介于60%-84%. 這可能是由于目前用于水華預(yù)測(cè)的未來(lái)全太湖水文氣象數(shù)據(jù)每天僅有一個(gè)均值, 而對(duì)于近2400 平方公里的太湖, 實(shí)際上在不同湖區(qū)之間其風(fēng)況卻有顯著差異, 導(dǎo)致其藍(lán)藻水華的形成情況有所不同所致.
3.4.2 2007 年太湖藍(lán)藻水華預(yù)測(cè)結(jié)果的案例分析 2007 年7 月25 日和26 日, 無(wú)論是遙感圖像以及人工監(jiān)測(cè)在梅梁灣和貢湖灣均未見(jiàn)藍(lán)藻水華. 根據(jù)當(dāng)時(shí)水質(zhì)情況和未來(lái)3d 的天氣預(yù)報(bào)以及湖流狀況, 預(yù)測(cè)小組作出了7 月27 日梅梁灣、貢湖北部水華發(fā)生概率為90%的預(yù)測(cè)報(bào)告. 27 日的遙感圖像顯示, 確實(shí)當(dāng)日在梅梁灣和貢湖灣發(fā)生了藍(lán)藻水華.進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn), 2007 年7 月16 日至22 日風(fēng)速很低, 均在1.0-3.3m/s 之間, 而除21 日外, 這段時(shí)間每天均發(fā)生了藍(lán)藻水華. 預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)結(jié)果從另一個(gè)角度確認(rèn)了在野外觀測(cè)中得到的湖面形成藍(lán)藻水華的風(fēng)速閾值. 在8 月上旬, 由于臺(tái)風(fēng)過(guò)境, 因此這期間雖然水體中的葉綠素濃度大于水華形成閾值, 但是由于風(fēng)力擾動(dòng)較大, 水華藍(lán)藻無(wú)法上浮到水面并快速漂移集聚到局部湖區(qū), 因此遙感衛(wèi)星幾乎沒(méi)有觀測(cè)到太湖水面藍(lán)藻水華的形成. 到了9 月份, 平均風(fēng)速為1.6-2.7m/s, 且持續(xù)高溫, 因此, 在低風(fēng)速條件下,藍(lán)藻大面積上浮, 形成了藍(lán)藻水華. 其中9 月6 日由于云層覆蓋, 從遙感圖像無(wú)法確定當(dāng)時(shí)水華的分布情況. 根據(jù)人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及未來(lái)的水文與氣象預(yù)報(bào), 預(yù)測(cè)9 月7 日、8 日梅梁灣口水華概率為70%, 而貢湖灣不會(huì)發(fā)生水華. 實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果表明, 梅梁灣次日發(fā)生了大面積的藍(lán)藻水華, 而貢湖灣幾乎沒(méi)有藍(lán)藻水華, 與預(yù)測(cè)*一致.
3.4.3 2008 年藍(lán)藻水華情勢(shì)分析與預(yù)測(cè)為了地方政府決策的需要, 除目前所開(kāi)展的太湖藍(lán)藻水華短期預(yù)測(cè)外, 還需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間尺度的藍(lán)藻水華情勢(shì)分析與預(yù)測(cè). 在2008 年初對(duì)未來(lái)一年太湖藍(lán)藻水華的情勢(shì)進(jìn)行了分析與預(yù)測(cè). 由于目前太湖營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較高, 在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)其濃度波動(dòng)一般不會(huì)成為藍(lán)藻水華形成的限制因素. 因此2008 年水華情勢(shì)分析與預(yù)測(cè)的主要依據(jù)是氣候變化趨勢(shì)、水文等環(huán)境要素的預(yù)測(cè)以及水華藍(lán)藻的“種源”分布特征. 根據(jù)水文部門(mén)所提供的數(shù)據(jù), 2008 年1 月9 日太湖就開(kāi)始實(shí)施100m3/s 的人工調(diào)水, 太湖水位保持在3.15-3.20m 左右, 比常年偏高10-15cm, 這在一定程度上將有助于抑制藍(lán)藻生長(zhǎng)與水華形成; 氣象部門(mén)認(rèn)為2008 年是拉尼娜年, 其氣候特征是冷冬熱夏, 春季則是以濕冷為主; 另外根據(jù)原位的觀測(cè)與分析, 發(fā)現(xiàn)太湖水華藍(lán)藻的種源可能是來(lái)自于去年水華沉降到底泥表面過(guò)冬的藍(lán)藻, 而2007 年底, 由于藍(lán)藻水華規(guī)模十分嚴(yán)重, 尤其是在南太湖湖州水域, 持續(xù)
到2008 年1 月初仍然有大量的藍(lán)藻水華漂浮在水面, 直到1 月中旬的嚴(yán)冬和降雪, 水體中的藍(lán)藻群體才基本消失, 延續(xù)的時(shí)間比往年更長(zhǎng). 基于冷春, 以及年初的持續(xù)調(diào)水稀釋了營(yíng)養(yǎng)鹽并推動(dòng)了水體流動(dòng)等多種因素的綜合考慮, 預(yù)計(jì)2008 年藍(lán)藻水華早發(fā)生時(shí)間不會(huì)早于2007 年; 與近幾年類(lèi)似, 仍有可能在太湖西南部水域早形成水華; 夏季的高溫, 使得藍(lán)藻水華強(qiáng)度有可能總體與去年持平, 持續(xù)的高溫天氣仍然會(huì)在西太湖和梅梁灣等湖區(qū)形成嚴(yán)重的藍(lán)藻水華; 近年來(lái)秋季高溫, 藍(lán)藻水華仍會(huì)延遲.至2008 年年底對(duì)當(dāng)年太湖藍(lán)藻水華的監(jiān)測(cè)與分析結(jié)果表明, 其發(fā)生與發(fā)展的實(shí)際情況與年初預(yù)測(cè)結(jié)果基本吻合. 根據(jù)可獲得的遙感信息統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), 2008 年早發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻水華是在4 月3 日, 比2007 年3月28 日發(fā)現(xiàn)大面積藍(lán)藻水華晚了近一周, 且同樣首先出現(xiàn)在太湖西南湖區(qū). 2008 年藍(lán)藻水華主要分布在太湖西部沿岸和梅梁灣, 發(fā)生面積在400km2 以上的僅為8 次, 與2007 年同期相比較, 發(fā)生頻次和面積均顯著下降, 但是一直延續(xù)到2008 年12 月下旬, 在適當(dāng)?shù)臍庀笏臈l件下, 太湖仍有一定面積的藍(lán)藻漂浮在水面.
3.5 未來(lái)藍(lán)藻水華預(yù)測(cè)的研究方向
總體來(lái)看, 藍(lán)藻水華形成的理論和構(gòu)建的預(yù)測(cè)模型對(duì)太湖藍(lán)藻水華的預(yù)測(cè)具有一定的實(shí)用價(jià)值. 在野外觀測(cè)中發(fā)現(xiàn), 水華藍(lán)藻生長(zhǎng)與水華形成的四個(gè)階段彼此相互部分重疊. 在富營(yíng)養(yǎng)化程度較高的淺水湖泊, 如太湖、巢湖和滇池, 水華藍(lán)藻從復(fù)蘇到成為優(yōu)勢(shì)種群所需時(shí)間越來(lái)越短, 只要有合適的水文氣象條件, 就有可能在早春形成災(zāi)害性藍(lán)藻水華. 而在水華大量形成的夏、秋兩季, 其生長(zhǎng)并形成優(yōu)勢(shì)和上浮漂移聚集兩個(gè)階段可以重復(fù)無(wú)數(shù)次. 也就是說(shuō), 藍(lán)藻形成水華后, 在不利的環(huán)境壓力下, 如惡劣的氣象條件, 或者因大量堆積, 降解后, 會(huì)大量消亡, 生物量急劇下降, 死亡細(xì)胞釋放出大量的營(yíng)養(yǎng)鹽和異味物質(zhì)進(jìn)入水體, 種群密度急劇下降. 一旦環(huán)境有利, 水華藍(lán)藻可以充分利用水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽, 以其很高的增長(zhǎng)速率快速生長(zhǎng)并重新形成優(yōu)勢(shì), 又會(huì)在適當(dāng)?shù)乃臍庀髼l件下再次形成災(zāi)害性水華. 目前需要進(jìn)一步研究在富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中影響水華藍(lán)藻在與其他種群競(jìng)爭(zhēng)并成為優(yōu)勢(shì)種群的主導(dǎo)生態(tài)因子, 探索水華藍(lán)藻對(duì)環(huán)境壓力的適應(yīng)性及其在不同污染水平的水體中競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的形成與維持的生物學(xué)和生態(tài)學(xué)機(jī)理; 要追蹤夏季水華繁盛期間以及秋、冬季水華消落期水華藍(lán)藻的消亡與優(yōu)勢(shì)再現(xiàn)的過(guò)程; 提高衛(wèi)星遙感對(duì)葉綠素、藻藍(lán)素以及溫度等指標(biāo)的反演精度, 開(kāi)發(fā)多源數(shù)據(jù)的同化技術(shù), 并在獲取每天不同湖區(qū)不同時(shí)段的氣象數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步提高水華預(yù)測(cè)的時(shí)間與空間精度, 通過(guò)水華面積和色素濃度確定全太湖水華藍(lán)藻的總存量; 建立預(yù)測(cè)預(yù)警的可視化平臺(tái), 確定太湖藍(lán)藻水華等級(jí), 為預(yù)警提供更好的工作環(huán)境; 更要進(jìn)一步追蹤藍(lán)藻水華在局部湖區(qū)大量堆積后降解, 惡化水質(zhì)的發(fā)生與發(fā)展全過(guò)程, 確定其發(fā)生的誘導(dǎo)因素, 制訂有效的防治與控制對(duì)策和應(yīng)急措施; 根據(jù)水華藍(lán)藻越冬分布的時(shí)空特征和前期水華發(fā)生的強(qiáng)度, 結(jié)合中*的水文與氣象預(yù)測(cè), 揭示其對(duì)水華藍(lán)藻原位生長(zhǎng)以及輸移漂浮和集聚的驅(qū)動(dòng)作用, 綜合考慮流域的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)和土地利用模式的改變以及營(yíng)養(yǎng)鹽入湖總量等要素, 確定環(huán)境變化以及大量堆積導(dǎo)致水華藍(lán)藻降解死亡對(duì)水體中營(yíng)養(yǎng)鹽含量增加及其在不同湖區(qū)之間遷移的貢獻(xiàn),對(duì)未來(lái)一個(gè)月、一個(gè)季度、一年乃至更長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)太湖是否會(huì)形成藍(lán)藻水華做出中*預(yù)報(bào); 通過(guò)對(duì)藍(lán)藻水華的形成與堆積的預(yù)測(cè), 對(duì)更加科學(xué)地確定打撈堆積的水華藍(lán)藻的時(shí)間與地點(diǎn), 減輕藍(lán)藻水華堆積降解惡化水質(zhì)的危害具有實(shí)際的指導(dǎo)意義.