整流幕在防控水库水华中的应用研究综述

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(1.湖北工业大学 河湖生态修复与藻类利用湖北省重点实验室，武汉 430068；2.长江科学院 生态修复技术中心，武汉 430010)

1 研究背景

近年来，水利工程建设后带来的水环境问题正日益受到重视。许多水库面临着浮游植物异常增殖所引发的水华等水体富营养化问题，亟待采取有效措施解决[1]。在不能有效控制入库污染物的情况下，根据水华成因，采用多种方法治理库区水华是非常必要的[2]。现有的控藻方法虽各具优势，在实施过程中也逐渐显现出一些问题。化学方法短期除藻效果显著，但受水域面积、水流特性限制，同时还存在二次污染的风险；通过投放滤食性鱼类控藻的生物技术，在水华难以控制时，鱼类大量死亡，会造成环境污染；物理方法控藻较为直接，不会产生二次污染，但费用昂贵。除上述几种方法外，水动力学方法也是近些年应用较多的控藻方法，其主要应用水动力学原理，通过改变水体流场，控制藻类及营养盐的输移扩散，并进一步限制光照、水温等生境要素，达到控藻的效果[3]。该方法主要包括表层流场控制、选择层取(泄)水、扬水曝气、人工潮汐[4]等。其中，选择层取(泄)水需结合水库调度，并要考虑水库库容、下游航运和生态等条件，不易实施；扬水曝气受水深和流速限制，也有可能造成底泥污染物释放；人工潮汐主要适用于小型水库；表层流场控制方法适用于大多数河道、湖库等，应用灵活，可依具体情况在不同河段实施[3]。目前来看，表层流场控制方法应用前景较好，但相关研究甚少。

作为一种表层流场控制方法，整流幕已在国外的一些水库成功应用，但国内关于整流幕控藻的研究还非常缺乏，为此，本文综述了整流幕在国内外的研究进展，针对国内典型水库水华发生机理，从整流幕防控水华的原理出发，研究整流幕技术的应用方法，并对整流幕的发展研究进行展望。

2 整流幕研究进展

国外有关应用整流幕防控水库水华的研究始于20世纪90年代，日本的Terauchi水库出现水体富营养化现象，Asaeda等[5]提出了防控水库水华的新技术——垂直帷幕，并将其应用于Terauchi水库。研究中利用2道塑料帷幕将水库划分为A，B，C 3个区，通过比较不同时期3个分区沿水深的叶绿素浓度、总磷浓度、温度分布变化情况可知，靠近下游的湖库区(C区)控藻效果尤其明显。而后Priyantha等[6]建立了Terauchi水库生态系统物理子模型和生态子模型，研究比较了不同分区温度分布、叶绿素分布的模拟值与实测值，同时也在下游分区设置不同帷幕高度，最终发现帷幕高度对下游分区的叶绿素浓度影响很大。Asaeda等[7]利用DYRESM模型对Terauchi水库进行数值分析，比较了3个分区的表层叶绿素浓度的模拟值与实测值，以及下游分区表层温度的模拟值与实测值，结果表明，春末及夏季，整流幕的设置会大量减少通过表水层向下游扩散的营养盐。Chung等[8]采用立面二维水动力水质模型CE-QUAL-W2模拟Daecheong 水库的水质和藻类生长情况，在水库过渡区设置一道漂浮式整流幕，通过分析不同入流密度弗劳德数(Fri)下水库中藻类的空间分布情况得到，整流幕的控藻效果与入流密度弗劳德数(Fri)密切相关，一旦Fri>3.0，整流幕控藻能力随之减弱，甚至会促进藻类生长。Lee等[9]同样利用CE-QUAL-W2模拟Daecheong水库的水质指标以及整流幕的作用，结果表明，不同位置、不同水文年，整流幕会呈现不同的控藻效果，但越靠近下游，效果越明显。上述研究均是建立模型对整流幕的应用进行数值模拟，通过比较相关指标的实测值与模拟值，分析整流幕的作用效果，其研究主要集中在模拟预测，却没有结合研究区域的水动力水质条件对整流幕的作用机理进行深入分析。

目前，国内尚无整流幕在实际工程中的应用，相关研究也较少。朱木兰等[1]建立了水流-水质-生态耦合数学模型，利用某一水库的实测数据，对整流幕的水华防治效果进行模拟预测，结果表明，设置整流幕后，叶绿素浓度峰值明显降低了。黄明海等[3]针对水体的运动特性，提出了通过整流幕调节表层水流流动来控藻的表层流场控制方法。黄茁等[2]探讨了水华发生前抑制水华的预控制方法，并提到了一种整流幕除藻技术。此外，张琪等[10]在对淡水甲藻水华的研究中提到，整流幕可以防治甲藻水华。上述研究尚停留在初步探索阶段且没有实际运用案例，对整流幕的作用机理缺乏深刻的认识。

国内外关于利用整流幕防控水华的研究较少，对于整流幕作用机理的分析更是缺乏，为此，本文结合国内典型水库的水文特征及水华发生机制，着重探究整流幕技术的控藻原理。水华的形成是多因素综合作用的结果，包括营养盐、光照、水温和水动力特性等[11-14]，而水库蓄水后出现的水温分层和异重流现象使水动力特性复杂化，与水华生消密切相关[15]。水环境问题的日益加重，亟待开发更多更有效的整治措施，作为一种新型控藻技术，整流幕在国内大型水库中的应用具有很大研究空间。

3 整流幕技术

3.1 水动力背景

整流幕应用水动力学原理，通过调节水体流场以控制藻类生长。应用整流幕前，首先需对研究区域的水流特性进行深入的分析。对于水深较大的水库，水温分层是常见的自然现象，是温度差异引起的密度分层变化现象[16]，一般发生在温差效应足以克服自然混合进程的夏季和冬季[17]，如三峡水库汛期时会出现明显的水温分层[18]。通常情况下，水温分层是水库由河道型水体转化为湖泊型水体的典型特征，也是反映水库生态系统演变的关键参数[19]，其与水动力过程密切相关，在水库水质及浮游植物动态演变过程中起到重要的作用[20-22]。水温分层对水体溶解氧含量有很大影响。表层水体通过水气交换及光合作用会保持较高的溶解氧水平，而底层水体紊动扩散较低，溶解氧补充很小，表层生物死亡后沉于库底，分解作用又会消耗底层溶解氧，通常处于缺氧状态。水温分层会进一步阻碍上下水体间溶解氧的传递，加剧深水层的缺氧状态[23]，在厌氧条件下，沉积物中氮、磷、铁、锰等污染物向上覆水体释放[24-25]，并在底部水体不断蓄积，导致底层水体水质严重恶化，当水体自然混合时，底部受污染水体与上部水体混合，造成整个垂向水体水质恶化[26]。另有研究[27-28]表明，水温分层会促进蓝藻水华的形成，蓝藻对高温及强光具有较强的耐受能力，可以很好地适应分层导致的上部水体升温，并可通过调节自身悬浮，从较深的水体获得营养盐。

与水温分层密切相关的异重流对于整流幕的应用同样具有重要的影响。2种密度相差不大、可以相混的流体，因密度差异而发生的相对运动称为异重流[29-30]。在明显的水温差异水域容易发生异重流现象，比如三峡水库干支流不同水体在支流库湾形成的分层流动现象，其中包括倒灌异重流及顺坡异重流[31]。异重流主要受干支流水温差异、上游入流以及水位波动的影响[32]。异重流的存在，一方面使支流水体强迫分层，而且呈现靠近河口的深水分层较弱、远离河口的浅水区分层较强的特殊分层状态[33]；另一方面，倒灌异重流持续携带干流营养盐补给支流水体，同时，缓慢水流使得泥沙迅速沉降导致水体透明度增大，真光层变深[34]。

3.2 控藻机理

水库的富营养化过程更多的是水利工程建设导致的藻类生境条件的演变，这种演变的核心是水动力背景的改变[35-39]。整流幕的应用便是从富营养化形成的水动力背景出发，改变水库内利于藻类生长繁殖的水动力条件，使能量交换、水团混合、水体分层等过程发生变化，进而改变影响藻类生长及演替的主要生境要素，如光照、水温和营养盐等，从而防控水华[40-43]。

水温分层使水体上下混合作用微弱，有助于藻类悬浮在透光区迅速繁殖而形成水华[44-45]。在层化水体中，表层水体受风力作用，紊动较为活跃，形成混合层，层内温度分布较均匀[33]。混合层深度越大，藻类接受有效光强的几率越小，根据“临界层理论”[46-47]，当水库水体混合层深度大于临界层深度时，藻类生长受到抑制。一方面，整流幕的设置会拦截营养盐浓度较高的上游来流，使水流流速在整流幕附近大大降低，水体滞留时间变长，透明度升高，藻类在整流幕上游侧表层水域快速增殖[48]，消耗来流中的大量营养盐，其余营养盐在整流幕的作用下，随水流导向藻类难以生长的无光、低水温的下层。水面的附着性藻类大量繁殖又进一步遮蔽表面光照，减弱向下传播的可见光[49]，同时，也会快速消耗表层营养盐，终因营养盐不足而无法继续生长，此外，藻类在整流幕上游侧表层水域大量繁殖也有利于进行集中除藻。另一方面，整流幕的设置会影响水体流场，上游来流在与整流幕接触后，会在整流幕附近形成紊流。水体中扰动强度的不同，适应的种群个体也不同[50]，扰动将会影响不同藻类对光照的吸收，一般来讲，小规模的水流扰动对藻类的生长和繁殖是有利的，可以增加藻细胞与周围介质的营养、代谢产物的交换速率，减少光照波动，从而增加光合作用效率[51-52]，在这种情况下，微囊藻会成为优势藻种[53-54]。但由于整流幕一般会设置在水库的上游段，入库的上游来流很快便与整流幕接触发生强烈的冲击，形成较大的扰动，而在强扰动环境下，水体透明度显著降低，真光层深度减小[55]，光合有效辐射衰减加强。垂向掺混作用会将藻类带到真光层以下，影响藻类生长的光照条件[56]，大部分藻类因不适应该环境而消亡。此外，表层扰动也会不断产生向水体底层扩散的水团，挟带藻类向下层运动[49]，强扰动还会引起表层沉积物再悬浮，悬浮物在沉降中对藻类有吸附作用，微囊藻被胶体沉降物裹挟时便丧失浮力而沉降[57]。

整流幕通常垂直设置在河流或水库回水段的横断面的表层，如图1所示。为了取得较好的防治效果，可以考虑设置2道或多道整流幕，靠近上游的第1道整流幕将入流强制导向下层流动，如果入流温度较高，通过整流幕后往往会由于水温的影响而再度上浮，并随表层水继续向下游流动，此时，第2道整流幕便可再次将水流强制导向下层，从而减少对下游的营养盐供给[1]。

图1 整流幕控藻过程(库区支流)Fig.1 Process of algae control by curtain weirs (tributaries in the reservoir area)

水库的形态结构导致库区自上游至坝前存在纵向梯度，在生境上表现为由激流环境过渡到静水环境[58]，应用整流幕前，一般将库区划分为3段，分别是水库入口处的上游、中游以及靠近大坝的下游[59-60]。上游既窄又浅，上游入流携带大量营养盐，但水流流速快，透明度低，藻类生物量及生长率均相对较低。中游水流流速减缓，透明度升高，同时该区营养盐的含量仍相对较高，因而藻类的生物量及生长率是水库中最高的区域。下游宽而深，易出现垂向分层现象，但不稳定，该区的藻类生长主要受营养盐限制[61]。通过河流分区，可以有针对性地开展整流幕应用方案。已有研究[5-6,62-64]表明，改变河岸区和过渡区的水力流态在一定程度上能够减少输移到下游湖库区的营养盐，从而达到控藻的效果。

图2 不同类型整流幕示意图Fig.2 Schematic diagram of different types of curtain weirs

3.3 类型及适用条件

如图2，根据整流幕在河流横断面的位置不同，可将其可分为表层、中层和底层整流幕。表层整流幕的顶部为水表面；中层整流幕的顶部和底部不为水表面或河床；底层整流幕的底部为河床。3种类型整流幕的作用位置和作用效果有所不同，在实际工程中，依据水流特性，可以在不同位置合理地设置整流幕以达到防控水华的效果。已知的实际应用中，尚无中层整流幕和底层整流幕的应用，以上控藻机理的分析也主要是针对表层整流幕，后期研究可以通过比较单独设置这3种类型整流幕的控藻效果，来确定最终的整流幕设置方案。如果需要的话，更可以结合3种类型整流幕，发挥三者的作用，达到最佳的效果。

整流幕适用于狭长型河流，尤其适用于水深较大，流速缓慢的河道、水库，但对河宽没有限制要求，可以根据水位变化垂向移动。整流幕可以长期固定，也可以短期设置。在有通航要求的河段，还可以做成分段升降式，以减少对航运的影响[3]。

4 结论与展望

(1)整流幕应用水动力学原理控藻，通过拦截营养盐浓度较高的上游来流，将藻类限定在整流幕上游侧表层水域，便于集中除藻，同时，藻类在该水域消耗大量营养盐，并遮蔽表面光照，减弱向下传播的可见光；上游来流与整流幕接触后会形成强扰动，真光层深度减小，形成的垂向掺混作用会将藻类带到难以生长的真光层以下区域，强扰动还会引起水团向下扩散以及表层沉积物再悬浮，对藻类有吸附作用。

(2)整流幕设置前，通常将库区划分为上游、中游及下游，上游水流流速大，透明度低，营养盐浓度高；中游水流流速减缓，透明度升高，藻类繁殖最快；下游水流流速和营养盐浓度达到最低，透明度最高。通过将库区分段可以针对性地开展整流幕方案。此外，为了取得更好的效果，可以考虑设置多道整流幕。

(3)整流幕分为表层、中层和底层整流幕，适用于狭长深水型水体，可针对不同水库的水流特性，选用合适的类型，目前尚无中层和底层整流幕的实际应用。整流幕能够很好地根据具体情况进行调节，以应对全年不同时段的水流变化。

国内外学者已经在整流幕的理论探索和方法应用上都有了良好的尝试，但总体来看，相关研究较少，在实际工程中的应用更是罕见。目前，整流幕的研究尚处于初级阶段，应用整流幕防控水库水华是亟待科研工作者探索和研究的重要课题。总之，作为一种新型控藻技术，整流幕在防控水库水华中具有较好的应用前景。