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蓝藻之殇:勿忘2007年无锡水污染事件(二) 精选

已有 2135 次阅读 2017-3-20 09:44 |系统分类:科普集锦|关键词:无锡水污染事件,蓝藻水华,异味物质,厌氧分解

   十年前发生在无锡的那场水危机事件,引起了极大的社会恐慌,虽然蓝藻被认为是这次水污染事件的元凶,但如何令人信服地给它定罪并不容易。在显微镜下,太湖蓝藻中的王者——微囊藻(拉丁学名:Microcystis)其实十分艳丽(Tao et al. 2012),一个特点是它有伪空泡,可以漂浮在水面上,这导致它可以大量堆积,另一个特点是它富含蛋白质,特别是含硫蛋白,导致厌氧分解时,产生各种异味强烈的硫化物,它还有一个特点是产生生物毒素(Chen et al. 2009),干扰我们肝脏的脂肪代谢,产生非酒精性脂肪肝炎,最终可能把我们带向肝癌(He et al. 2017, Zhao et al. 2012, Chen et al. 2017)。我们如何才能揭开无锡水污染事件之谜?


美丽的微囊藻——无锡水污染事件的始作俑者?


   侵袭贡湖水厂取水口的污水团为何物、来自何方?在贡湖水厂水污染事件发生期间,无锡市政府组织中科院、建设部、清华大学、同济大学、东南大学、河海大学和省水利厅、环保厅等单位组成的两个专家组,对水源地水质突变进行了现场调查和分析。200766经专家组研究分析,一致认为造成此次贡湖水源地水质突变的原因主要是该水域内存在较大面积的污水团(约3 km2),突然侵入水源地取水口造成的。因此,对污水团的性质、形成机制和迁移规律的分析,对揭开贡湖水厂水污染事件之谜至关重要。

一、水中异味物质种类繁多—含硫蛋白质可分解转化成硫醇、硫醚、H2SNH3

1、气味物质—无机物中NO2NH3SO2H2S等少数气体具有强烈气味,挥发性有机物则大多具有气味

通常将饮用水中的感官为五类—嗅觉、味觉、口腔觉、视觉和听觉。由舌头感觉的味觉分为酸、甜、苦、咸4种,而由鼻子闻到的嗅觉异味最为复杂多样,被分为十多种。饮用水中的感官物质被分为甜味物质、苦味物质、酸味物质、咸味物质、辣味物质、涩味物质、其它显味物质和气味物质(丛丽和苏德林2007)。

一般来说,无机物中NO2NH3SO2H2S等少数气体具有强烈气味,其余大多没有明显的嗅感。化氢(H2S)是一种无色、具有臭鸡蛋味的气体它是剧毒的,不仅刺激眼膜和呼吸道,而且还与各种血红蛋白中的铁结合,抑制其活性,阻碍物质和能量代谢,空气中如含有0.1%的硫化氢就会迅速引起头痛晕眩等症状,进而导致昏迷或死亡(许善锦2002)。当水中H2S浓度达到0.1 mg/L时,就会显著影响育苗的生长和鱼卵的存活,H2S对高等植物根的毒害作用也很大(李建政和任南琦2005)。

而挥发性有机物则大多具有气味,有机物分子的嗅感,与其含有的功能团类型、数目、以及分子的立体结构有关。常见的功能团有羟基、醛基、酮基、羧基、酯基、内酯基、烃基、苯基、氨基、硝基、亚硝基、酰氨基、巯基、硫醚基、二硫基、杂环化合物等;一般来说,化合物的分子质量越小、功能团在整个分子中所占的比重越大,功能团对嗅觉的影响越明显(丛丽和苏德林2007)。

主要的气味物质分为脂肪烃含氧衍生物(醇类、醛类、酮类、羧酸类、酯类)、芳香族化合物、含氮化合物和含硫化合物等。脂肪烃含氧衍生物通常随分子碳链的增长,其气味由果实香型→清香型→脂肪臭型方向变化。芳香族化合物一般都有特殊嗅感,苯气味一般不受人欢迎。低分子胺类大多具有不愉快的嗅感,许多化合物还有一定的毒性。低级的硫醇和硫醚大都具有难闻的臭气或令人不快的嗅感(丛丽和苏德林2007)。

2、有机气味物质—主要是脂肪烃含氧衍生物、含硫化合物、含氮化合物和芳香族化合物

脂肪烃含氧衍生物

在湖水中检测出的一些常见的藻源性异味物质,如2-甲基异茨醇(2-methylisoborneol,简称MIB) 土腥素(Geosmin,简称GEO)、β-环柠檬醛(β-cyclocitral)和β-紫罗兰酮(β-ionone)等(1)(Li et al. 2007)。人类对各种致嗅物质的感觉阈值是很不相同的,如人类对水体中MIBGEO的嗅觉阈值分别为35 ng/L15 ng/LHowgate, 2004),而β-环柠檬醛的嗅觉阈值一般为MIBGEO的一到二个数量级(Young et al. 1999。此外,有些物质依据浓度的不同而呈现不同的味道,譬如当湖水中β-环柠檬醛浓度小于1 μg/ L 时产生鲜草味fresh grassy2 —20 μg/ L 时散发干草木味hay/ woody,大于20 μg/ L 时则像烟草味tobacco-likeYoung et al. 1999)。


1 三种水中常见的异味化合物结构

Fig.1 Structures of three common off-flavor compounds

含硫化合物

硫醇(mercaptan)可看作是硫化氢(H2S)分子中一个氢被烃基取代的化合物,通式为R-SH,式中,R为烃基或其衍生物,-SH为巯基,是硫醇的官能团。简单的硫醇有甲硫醇(methyl mercaptanCH3SH、乙硫醇CH3CH2SH等。巯基也存在于某些结构复杂的化合物中,例如与人体代谢有关的辅酶A分子中就含有巯基。

低级的硫醇具有极难闻的臭味,如乙硫醇在空气中的浓度为10-2ng/L时即可为人所觉察,利用这一特性,人们在煤气中加入极微量的乙硫醇或叔丁醇以提高对煤气泄漏的警觉。高级的硫醇的臭味随相对分子质量的增大而逐渐减少(荣国斌和苏克曼2000)。

硫醚(thioether)的通式为RSR,式中,RR可以相同也可以不同。硫醚的化学稳定性比硫醇高。简单的硫醚有甲硫醚(methylsulfide)(CH3SCH3),二甲基二硫醚(Dimethyl disulfide)(CH3SSCH3),二甲基三硫醚(Dimethyl trisulfide)(CH3SSSCH3)等。甲硫醚、二甲基二硫醚均有不快的臭气味。二甲基三硫醚具有大蒜味(施周等2002)。

有趣的是,含硫化合物又是一些食物(如野葱、野韭菜、大蒜、烹熟了的肉类食品等)的重要风味物质,如在煮牛肉的挥发性成分中发现有硫化氢、甲硫醇、乙硫醇、丙硫醇、丁硫醇、二甲基硫醚、二甲基二硫醚等,又如二甲基三硫是白葡萄酒、威士忌酒、红茶、西红柿、卷心菜、花菜、花椰菜、洋葱、牛肉、海星、虾、鲐鱼、扇贝等的香成分。含硫化合物纯品一般都具有强烈的令人不愉快的臭味,很难把它们与香料联系起来。但含硫化合物在浓度很低时的香味效果与高浓度时发生了很大变化,产生了令人愉快的食品香味,含硫化合物是肉香味的核心和基础(孙保国2007)。显然,这些硫醚、硫醇类气味物质既可是植物体内的代谢产物,也可在肉类煮熟过程大量产生。

硫醚的臭味不如硫醇强烈,甲硫醇感知的阈值为 0.07 μg/Lppb),甲硫醚为3.0 μg/L,二甲二硫为2.2 μg/L,硫化氢为0.41 μg/L(沈培明等2005)。清洁水中硫化氢的嗅觉阈值为0.035 μg/L(赵庆良和任南琦2005)。Buttery等(1990)报道,人类对水体中二甲基三硫化物的嗅觉阈值为5-10 ng/L

含氮化合物

吲哚(indole)是杂环(稠环)化合物。浓的吲哚溶液有粪臭味,但极稀溶液有香味,可用作香料。吲哚在自然界中可见于从生物碱、花精油到蛋白质的腐败产物之中,动物粪便中也含有吲哚和β-吲哚乙酸(荣国斌和苏克曼2000)。色氨酸分解可形成β-甲基吲哚。


芳香族化合物

自然界中有2000多种酚类化合物,常见的酚类化合物有苯酚、甲酚、五氯酚等,广泛用于消毒、防锈、防腐等。饮用水中酚在 1 mg/L以上时就有臭味。第一次世界大战前,苯酚的唯一来源是从煤焦油中提取。工业上苯酚主要由异丙苯制得。苯酚对皮肤、粘膜有强烈的腐蚀作用,可抑制中枢神经或损害肝、肾功能。苯酚的制造、炼焦、炼油、冶金、塑料、化纤、绝缘材料、酚醛树脂、制药、炸药、农药等工业都会有较高浓度的含酚废水。五氯酚在集中式生活饮用水地表水源地特定项目标准限值为 0.009 mg/L

甲苯主要由原油经石油化工过程而制行。甲苯是重要的化工原料,作为溶剂在工业上广泛使用,甲苯也是有机合成,特别是氯化苯酰和苯基、糖精、三硝基甲苯和许多染料等有机合成的生要原料。甲苯对皮肤、粘膜有刺激性,对中枢神经系统有麻醉作用。甲苯在集中式生活饮用水地表水源地特定项目标准限值为 0.7 mg/L

                         

3、水中重要气味物质的形成与转化—含硫蛋白质可分解转化成硫醇、硫醚、H2SNH3

微生物分解含硫有机物产生H2S

硫是生物体内的宏量结构元素,是生物体内的巯基、氨基酸和各种辅酶的重要成分。天然蛋白质有20种氨基酸组成,其中有2种含硫氨基酸—蛋氨酸和半光氨酸。水中具有含硫官能团的氨基酸组成的蛋白质可通过脱巯基产生H2S,通过脱氨基产生NH3(王晓蓉1997):


含硫有机化合物通过许多微生物的作用均能产生H2S,譬如在厌氧条件下,半光氨酸通过半光氨酸脱巯基酶转化成丙酮酸,释放出H2S


   自然界所有化能异氧微生物几乎都能分解蛋白质等产生H2S。因为H2S难溶于水,在缺氧环境中难以被氧化,所以在有机污染严重的缺氧水体中容易逸出水体进入空气,因而发出令人不快的异味(王兰等2006)。

微生物还原硫酸盐产生H2S

如果水体缺氧,则SO42-在硫酸盐还原菌的作用下产生下列反应(赵庆良和任南琦2005):

硫酸盐还原菌能够在无氧环境中利用硫酸盐代替分子氧,氧化有机物,所以它们都是能进行无氧呼吸的异氧菌。还原硫酸盐的细菌所能利用的电子和氢的供体物质并不多,最长见的是丙酮酸、乳酸和氢气。譬如脱硫弧菌可利用乳酸作为还原硫酸盐的电子供体,反应为:

2CH3CHOHCOOH + SO42-+ 3H+2CH3COO- + 2CO2 + 2H2O+ HS-

在东部平原湖泊中,太湖的SO42-含量相对较高,达18.78 mg/L;湖泊的营养程度越高,SO42-含量越高,譬如同为云贵高原湖泊,贫营养的抚仙湖为4.11 mg/L,而滇池平均达48.2mg/L(徐南妮等1995)。

海水中的SO42-含量远高于淡水,譬如,盐度为35的海水中,SO42-含量达2712 mg/kg(宋金明等2000)。由于淡水中的SO42-浓度低,由硫酸盐还原而形成的H2S很少,淡水水体中的H2S主要是通过含巯基的有机化合物在厌氧环境中分解而产生的李建政和任南琦2005

pHH2SNH3的影响

在废水中,当pH允许H2S从液态的硫氢化物(hydrosulfide(HS -)逸出时,将出现臭味,硫还原细菌(sulfate reducing bacteria)的最适pH值在6.8–7.2之间,超过这一pH,硫还原量较少。H2S的形成对pH极为敏感,当pH<7时,反应有利于H2S的生成,而当pH>7时,反应容易生成硫氢化物(2)。


2 不同pH条件下硫化氢和氨的溶解度(引自HillBrothers Chemical Company, http://www.hillbrothers.com/thio3.htm

Fig. 2 Solubility of hydrogensulfide and ammonia (cited from Hill Brothers Chemical Company, http://www.hillbrothers.com/thio3.htm)

水中硫醇、硫醚类化合物的可能来源

   在环境微生物或微生物生态学有关微生物与硫循环的研究方面,很少涉及水中硫醇和硫醚的产生机制。张晓健等(2007)给出了水体中的藻类细胞和含蛋白质的废水可转化成各种硫醇和硫醚类化合物的示意图(3):


3 水中硫醇、硫醚类化合物的产生示意图(修改自张晓健等2007

Fig. 3 Schematic diagram of the production of mercaptan and thioether in water

(modified from Zhang et al. 2007)

贡湖水厂取水口水污染事件期间(52862),pH变化不大,约在7-8左右(3),根据2可以推测,这既不利于H2S的逸出,也不利于NH3的逸出。而低的溶氧可能导致了大量硫醇和硫醚的产生(3)。

由于硫原子的半径大于氧原子,因而易于极化,故—SH中的氢原子易于形成氢离子,而呈现酸性。这也许可以解释在贡湖水厂取水口污水团出现后,由于水中大量的硫醇的存在,使水中pH有所降低(3)。

硫醇很容易与氧化剂发生氧化反应,转化为对称二硫醚,譬如:

RSH + O2 RSSR + H2O

二、侵袭贡湖水厂取水口的污水团为何物—来源复杂,主体可能是蓝藻堆积、腐烂形成的衍生污染物

1. 张晓健等(2007)的研究污水团中含有大量的硫醇硫醚类,醛酮类(如β-环柠檬醛),还检出了较高含量的吲哚和酚

张晓健等(2007)根据原水水质和臭味的味道、以及应急除藻措施除臭效果欠佳的情况初步判断出,产生此次无锡自来水臭味的物质,不是水华蓝藻常见的代谢产物(如2—甲基异莰醇、土臭素等),而是另一类致臭的含硫化合物,产生的原因较为复杂。经对5 31 日中午水源水、6 2 日污水团、污染期间存留的自来水等水样进行GC/MS 分析,检出原水中含有大量的硫醇硫醚类、醛酮类、杂环与芳香类化合物。主要成分有以下三大类:

 硫醇、硫醚类化合物:甲硫醇,甲硫醚,二甲基二硫醚、二甲基三硫醚、二甲基四硫醚,环己硫、环辛硫;

 醛、酮类化合物:β-环柠檬醛,己醛、辛醛,辛酮、环己酮;

 杂环与芳香类化合物:吲哚、吲哚分解产物类化合物(成分名称未定);酚;甲苯。

张晓健等(2007)对上述三类物质的来源作了如下分析:

  水源水中硫醇硫醚类含硫有机物、耗氧量和氨氮的含量很高,产生条件需要大量的藻渣和厌氧条件,而在含通常浓度藻体的水中,包括藻类水华的主流水体中,藻量不够,也无法产生厌氧条件。此外,含蛋白质的废水,如生活污水和工业废水,在厌氧条件下也可以生成甲硫醇,产生硫醇、硫醚类化合物(3)。硫醇、硫醚类化合物的臭味种类为烂圆白菜味、烂洋葱味、蒜臭味等。用甲硫醇配水可以得到类似无锡自来水事件时的味道(臭胶鞋味,烂圆白菜味)。

   水源水中检出的醛类物质中,β-环柠檬醛是臭味物质,木头味,是藻类的代谢产物,特别是属于蓝藻的微囊藻的代谢产物。其他醛类物质也是代谢产物的分解物。而典型的藻类代谢产物致臭物质MIBGEO在水源水中未检出。

   水源水中还检出了较高含量的吲哚和酚,在水源水和受污染自来水水样中还检出了甲苯。吲哚是蛋白质中色氨酸的分解产物,有强烈的粪臭味,常见于粪便污水,煤焦油中也含有少量的吲哚。酚和甲苯的来源一般为工业污染。

因此张晓健等(2007)推测,太湖蓝藻暴发产生的藻渣与富含污染物的底泥,在外源污染形成的厌氧条件下快速发酵分解,所产生的恶臭物质造成无锡自来水臭味事件。

由于在水源水中检出到较高含量的吲哚和酚,还检出了甲苯,而酚和甲苯的来源一般为工业污染,因此张晓健等(2007推测可能有外源污染,可能这些外源污染物来自底泥。但是这些工业源性污染物到底来自何处(是刚从河流流入的还是历史上沉积在底泥中)的则不得而知!

但是笔者认为是否如张晓健等(2007)所说的是外源污染物形成的厌氧条件还缺乏证据,至少蓝藻大量堆积腐烂也是可能形成厌氧条件的!此外,张晓健等(2007)对水污染事件中涉及的异味物质只进行了定性描述,未给出定量数据。

2. Yang等(2007)的研究污水团中含有大量二甲基三硫醚,还检测出2种藻源性代谢产物—MIBGEO,但浓度比二甲基三硫醚要低得多

Yang等(2007)在Science上撰文,根据以下事实提出贡湖水厂的水污染事件不是直接源自蓝藻水华的观点:

氨氮浓度从528的约0.23-0.97 mg/L突然上升到5314 mg/L,然后逐渐下降;而他们认为氨氮浓度的升高通常与蓝藻水华无关。

64取了饮用水进水(drinking-water intake)和水团(water agglomerate)水样进行异味物质化学成分分析,二个样品具有强烈的腐烂的沼气味(septic and marshy odors),二甲基三硫醚(dimethyltrisulfide)的含量高达11.41.77 μg/L,这足够引起这个臭味。二甲基三硫化物及相关的烷基硫酸盐(alkyl sulfate)主要是由许多细菌产生的。还检测出2种藻源性代谢产物—MIBGEO,它们产生土腥味或霉味(earthy or musty odor),但是它们的浓度比二甲基三硫醚要低得多。

但是,笔者依据如下事实对Yang等(2007)的结论提出一些质疑:

Yang等(2007)推测氨氮浓度的升高通常与蓝藻水华无关,但是,在缺氧状态下厌氧微生物大量繁殖,对水中有机物进行厌氧分解,可产生硫化氢、甲烷、氨等有害气体,释放臭气;因此,如果蓝藻大量堆积腐烂,在氧气不足或缺氧状态下,蓝藻中丰富的含氮有机物可能被分解产生大量氨。

Yang等(2007)检测出MIBGEO,但是不知为何未给出MIBGEO的实际浓度,只是描述比二甲基三硫化物要低得多,MIBGEO的嗅觉阈值也是很低的。

    Yang等(2007)的采样时间为64日,此时,水污染事件已接近尾声,主要的水质指标已基本接近正常水平(3、图4),污水团可能大部分已经漂走;

3. 其它证据—高Chl-a含量表明污水团源自蓝藻

秦伯强等(2007)于61日下午测得贡湖水厂取水口及临近水域水样中叶绿素a很高,最高可达980 μg/L,并在现场观测到大量腐烂的蓝藻团块。事件发生期间,太湖的浮游植物以蓝藻占绝对优势,而只有当蓝藻高度堆积才能达到这样高的叶绿素a浓度并且只有当蓝藻高度腐烂才会有可能使水中的溶氧浓度接近零,因此,这个污水团应该主要就是由蓝藻高度堆积、腐烂形成的污水团!

综上所述,关于引起无锡水污染事件的原因,基本都认为是污水团。但是关于污水团的成因有几种不同的说法,因为蓝藻大量堆积、腐烂所致(秦伯强等2007,叶建春2007),主要是蓝藻堆积腐烂,也有一些陆源性污染物(张晓健等2007,南京地理与湖泊研究所2007),陆源性污染物为主(Yang etal. 2007)。从上面的分析来看,蓝藻的大量堆积和腐烂产生的衍生污染物可能是形成这个污水团的主体。

三、侵袭贡湖水厂取水口的污水团来自梅梁湾还是贡湖湾—来自湖流的证据显示,可能主要来自贡湖湾

1. 二种不同的观点一些学者认为来自梅梁湾,另一些学者认为来自贡湖湾

由于贡湖水厂取水口位于梅梁湖和贡湖交界之处,且水面相对开阔,污水团不可能就地产生。针对贡湖湾的污水团究竟来自何方,迄今为止有二种完全不同的说法,一些学者认为来自梅梁湾,另一些学者认为来自贡湖湾。

叶建春(2007)等根据污水出现的时间序列判断贡湖水厂取水口的污水团有梅梁湾扩散而来(见第六章)。从6可以看出,梅梁湾的小湾里水厂出现水质恶化(表现在DO的聚降,NH3-N的聚升)的时间比贡湖湾提前约半个月,因此,这自然让人怀疑贡湖水厂取水口的污水团是由梅梁湾的污水团扩散而来。

此外,以往也有研究表明,梅梁湾蓝藻水华大量出现的时间比贡湖湾藻早,譬如,Liu等(2008)于200411200510月期间的调查,梅梁湾蓝藻大量出现的时间比贡湖湾要早一些(13)。

南京地理与湖泊研究所(2007)认为,由于南泉水厂东部沿岸河汊、渔港以及芦苇丛处于南风、西南风、东风下风向,大太湖的蓝藻水华漂移到此处后,藻类极易堆积、腐烂沉降,在河口以及近岸淤积,加上贡湖北岸河口及其附近含有大量陆源污染沉积物,二者共同作用形成了复合污染沉积物,该复合污染沉积物比重轻,在南风、东风驱动的风浪作用下,发生再悬浮,使其厌氧降解形成的溶解有机物释放进入水体,形成污水团。该污水团在湖面风场、水厂取水口产生的引流和望虞河引江吞吐流共同作用下,向贡湖南泉水厂取水口移动,并进入取水口,造成水质恶化时间。

需要指出的是,贡湖水厂取水口附近的监测站(沙渚水质自动监测站)监测到的污水团的出现时间较晚,并不一定能说明贡湖取水口出现的污水团就一定来自梅梁湾。因为这并不能排除,在贡湖湾北岸大量的港湾、芦苇丛中也于同样时间已形成了污水团,只是没有扩散出来,因而未被沙渚水质自动监测站监测到而已。

2. 太湖的风生流特征ES风使贡湖湖水梅梁湾流动,NW风则相反

对污水团来源的追踪,应该与当时湖水的动力学过程有密切关系,因此首先需要了解太湖的湖流特征。一般按性质可将湖流可分为三种基本类型—风生流、重力流和密度流。在太湖上述三种湖流可同时存在,由于太湖湖盆浅平,出入湖河渎港汊众多,主要出湖河流均建闸控制,除汛期外湖泊的重力流和密度流都较弱,风生流是形成太湖湖流的主要机制(黄漪平等2001)。

由于太湖的水污染事件发生在北部湖区的贡湖湾和梅梁湾交界处,因此,以下重点关注北部湖湾的风生流特征。一般来说,浅水湖泊与深水湖泊相比,湖水运动机制更为复杂,难以形成稳定的湖流形态,规律性也相对较差。南京地理与湖泊所的水文学家根据二维数值模拟分析结果,归纳出太湖北部湖区稳定风生流主要特征如下(黄漪平等2001):

在E风作用下,梅梁湾北部湖区形成反时针环流,梅梁湾与太湖交界处则表现为自东向西的切向流流态;贡湖形成以湖心东西轴线为中心的北部反时针、南部顺时针的辐散流流态,湖水以沿岸流的形式流入梅梁湾;竺山湖北部主体湖区形成反时针环流,并于太湖交界处出现自东向西的切向流动(4)。


4 10 m/sE风场作用下的太湖环流(引自黄漪平等2001

Fig. 4 Current field of Lake Taihuunder E wind with 10 m/s speed (cited from Huang et al. 2001)

S风作用下,梅梁湾形成以湖心南北轴线为中心的西部顺时针,东部反时针的幅合流流态,梅梁湾与太湖交界处形成以拖山为中心的顺时针环流;贡湖和竺山湖分别形成反时针环流,贡湖湖水以沿岸流的形式输入到梅梁湾,并参与梅梁湾的湖水交换,竺山湾与梅梁湾的水体交换微弱。

③ 在N风作用下的梅梁湾的流态与S风作用下的梅梁湾的流态类型相同,但流向相反,梅梁湾湖水以沿岸流的形式输入到贡湖,参与贡湖水体交换;并且竺山湾与梅梁湾的水体交换微弱。

在W风作用下的梅梁湾的流态与E风作用下的梅梁湾的流态类型相同,但流向相反;梅梁湾的湖水以沿岸流的形式输入到贡湖湾,使得贡湖湖水得以交换更新;竺山湖湖水以言岸流的形式进入梅梁湾,但其影响范围主要在梅梁湾南部的拖山一带。

其余方位风场作用下的太湖北部湖湾区的风生流介乎于上述流态之间,属过渡类型(5)。因此,贡湖湾、梅梁湾和竺山湾稳定风生流流态为若干湖区的环流及沿岸流相互有机结合而成。


5 10 m/sSW风场作用下的太湖环流(引自黄漪平等2001

Fig. 5 Current field of Lake Taihu underSW wind with 10 m/s speed (cited from Huang et al. 2001)


6 10 m/sSE风场作用下的太湖环流(引自黄漪平等2001

Fig. 6 Current field of Lake Taihu underSE wind with 10 m/s speed (cited from Huang et al. 2001)

黄漪平等(2001)将太湖稳定的风生流归结为三种主要类型:反时针环流主导型,该类型流场的对应风场为SW5)、SW风;②顺时针环流主导型,特征与反时针环流主导型相同,只是流向相反,对应风场为NENE过渡型流态:其特征是反时针、顺时针的闭合环流都存在,但范围较小,不具有主导优势,其对应的风场为SE6)和NW

综上所述,以东南西北方向为界,则两侧风场作用下的湖泊流态具有截然不同的流态特征;太湖风生流对峙方位风场形成的风生流流型相似、流场相反,这意味着风场的调整将引起流场的大调整(黄漪平等2001)。

这些模型的结果,与一些实测的结果也是吻合的。譬如,姜加虎(1997)于1996726日、30日在梅梁湾和贡湖湾等湖区对流场进行了实测。7是梅梁湾7268:05-11.10,在贡湖7301340-1700实测0.5 m深处的流场图。


7梅梁湾(1996726日)和贡湖(1997730日)实测的流场图(风向SE)(引自姜加虎1997

Fig.7 Map of the current field in Meiliang Bay(measured on July 26, 1996) and Gonghu Bay (measured on July 30,1996) under SE wind (cited from Jiang 1997)

根据黄漪平等(2001)提出的稳定风生流基本模式可以看出,E风和S风的情况下,贡湖湖水以沿岸流的形式输入到梅梁湾,而N风和W风,梅梁湾的湖水以沿岸流的形式输入到贡湖湾。

2.太湖的风场特征—5月份盛行东南偏南风,这意味着主要湖流特征应该是贡湖湖水以沿岸流的形式输入到梅梁湾

由于,风生流是形成太湖湖流的主要机制,因此,太湖的风场对了解风生流的运动格局十分重要。一般来说,太湖地区夏季盛行偏S风,冬季盛行偏N风。根据1997-2001年期间中国科学院太湖生态系统研究站的观测资料,太湖月平均风场在4-8月期间,以东南系列风(ESSE)和西南系列风(SWSW)占绝对优势,特别是东南系列风(ESSE)的比例最大(8)。

据江苏省气象局的资料(江苏省20075月气候影响评价),20075月盛行东南偏南风。也就是说,20075月与往年的平均风场类似。根据图9-7可以推测,在东南偏南风的风场形成稳定风生流的情况下,主导性湖流过程应该是贡湖湖水以沿岸流的形式输入到梅梁湾。

因此,根据太湖历年和2007年主导风场和相应的风生流流场模式来推断,20075月在贡湖水厂取水口出现的污水团不大可能由梅梁湾扩散而来,而有可能自贡湖西岸的沿岸流的形式带过来。


8 1997-2001年间,太湖月平均风场特征,观测地点在中国科学院太湖生态系统研究站。南—西西南包括南、南西南、西南和西西南,东—南东南包括东、东东南、东南和南东南,北—东东北包括北、北东北、东北和东东北,西—北西北包括西、西西北、西北和北西北(数据来源:秦伯强等2004

Fig. 8 Characteristics of wind fieldover Lake Taihu. The observatory site was at theResearch Station of Lake Taihu Ecosystem. S-WSW includes S, SSW, SW and WSW,E-SSE includes E, ESE, SE and SSE, N-ENE includes N, NNE, NE and ENE, W-NNW includesW, WNW, NW and NNW (data sources: Qin et al. 2004)

四、污水团是否来自望虞河—不大可能全部来自望虞河的污水

因为望虞河中的污染状况也确实十分严重,在20072月就有DO接近零的河段,NH3-NTP水平比贡湖水厂污水团中还要高(1),而且在污水团中还检测出大量的工业源污染物—酚和甲苯等,这些都让人容易怀疑那个污水团(至少一部分)很有可能来自望虞河。

从时间上看,2007年的“引江济太”始于56日,512日,引水通过望亭枢纽开始进入贡湖。比贡湖水厂出现污水团的时间早2个星期。

2007621日江苏水利网(http://www.hwcc.com.cn)的报道,530日,省防指电令,临时关闭望虞河东岸所有引水口门,保证入湖水量;同时控制望虞河西岸沿江口门运用,减少望虞河西岸污水入湖,保证引江入湖水质。至531日,所有口门全部关闭。这说明,528日污染事件发生前,望虞河西岸的污水没有得到有效控制。

望虞河总长60.8 km,河底宽80-90 m,河底高程-3.0 m,估算容积约为1.55 x 107 m30.155亿m3,而贡湖湾的库容约为3.28 x 108 m33.28亿m3),因此,望虞河的库容仅为贡湖湾的4.7%527日通过望亭枢纽累计送水量已达到1.44亿m3,为望虞河库容的9.3倍,相当于望虞河干流的水已被换掉了9.3次(假定没有支流的污水汇入的话)。

因此,如果仅有望虞河干流中的污水引水2个星期后,望虞河中的主要污水应该早已被冲走,这些污水进入贡湖湾后,需要在贡湖湾内停留近2个星期才能赶上贡湖水厂出现污水团的时间。

根据太湖流域引江济太办公室发布的“引江济太简报”(二00七年第二期)的报道,“56日常熟枢纽开泵引水后,望虞河水质逐月好转。…长江清水不断向望亭立交方向逼近。511日,立交闸下水质已基本达到入湖要求,太湖局发布调令,开启望亭水利枢纽,将望虞河水引入太湖”。这实际上是通过抬高望虞河干流水位,顶托望虞河西线的来水,减少支流污水汇入。但是,随着污水的汇集及支流水位的不断抬升,达到某个临界点后,大量的污水也可能重新涌进干流,形成巨大的污水团而进入贡湖。

但是,以下事实与上述推测有所矛盾:金墅水厂和锡东水厂离望虞河入太湖的河口更近(图9),如果这个巨大的污水团是从望虞河中而来,那金墅水厂和锡东水厂应该首先遭遇,但是从水质指标(图6)来看,这二个水厂取水口的水质与平常相比未出现大的变化,要么这个污水团出了望虞河后就只贴着北岸走而避开了锡东水厂,或者先只沿中心线前行,当经过锡东水厂和金墅水厂后再往贡湖水厂方向逼近,这显得有些令人难以想象!侵袭贡湖水厂取水口的污水团Chl-a含量很高,这显然不可能来源于望虞河,因为望虞河的污水主要是一些黑臭的污水。因此,贡湖水厂取水口出现的污水团也不可能全部来自望虞河。


9 太湖梅梁湾和贡湖湾中4个水厂(小湾里水厂、贡湖水厂、锡东水厂和金墅湾水厂)的位置示意图(引自叶建春2007

Fig. 9 Map for the locations of fourwaterworks (Xiaowanli, Gonghu, Xidong and Jinshu) in Meiliang and Gonghu Baysof Lake Taihu (cited from Ye 2007)


五、从卫星遥感图看贡湖取水口的蓝藻—5月27日在二湾交界的贡湖水厂取水口处,云集了大量蓝藻

从卫星遥感图(10)来看,2007513日,在贡湖湾北岸已聚集了一个长条带状的蓝藻水华,贡湖湾整体的蓝藻量可能甚至多于梅梁湾。519日,梅梁湾(特别在湾的深部)蓝藻大量堆积,超过贡湖湾的分布面积,527日,梅梁湾几乎全部的湖面被蓝藻覆盖,梅梁湾和贡湖湾交界之处云集了大量蓝藻,529日梅梁湾和贡湖湾交界之处还有大量蓝藻,但贡湖湾内的蓝藻很少。因此,根据卫星遥感图来判断,梅梁湾和贡湖湾二湾交界之处(包围着贡湖水厂取水口),云集了大量蓝藻,并连成一片。


图10 2007年3月和5月太湖蓝藻EOS/MODIS卫星遥感图。椭圆圈为北半部湖区,圆圈外的红色箭头表示盛行风向(引自江苏省气象局http://www.jsmb.gov.cn/

Fig. 10 EOS/MODIS satellite imagery of cyanobacterial blooms inLake Taihu during March and May 2007 (cited from Meteorological Administration ofJiangsu Province, http://www.jsmb.gov.cn/)

从小湾里水厂取水口的水质记录来看,梅梁湾出现高NH3-N和高TP的时间比贡湖水厂要早,开始下降的时间比贡湖水厂要晚,而且在6月底DO又出现接近零的情况(6)。这也就是说,在事件的时间序列上,人们很容易认为可能梅梁湾的污水团有部分扩散到贡湖水厂取水口来了,这与卫星遥感图(10)的结果似乎也是一致的。另一方面也很难找到证据说梅梁湾的污水团一点都没有扩散到贡湖湾来。

梅梁湾每年都堆积大量的蓝藻,这一方面由于梅梁湾本身的营养水平很高,蓝藻容易大量繁殖,另一方面由于太湖夏季盛行东南偏南风,蓝藻容易被漂到梅梁湾中,又不容易漂出来,而小湾里水厂在梅梁湾深处的东北岸边(9),当然最容易受到蓝藻堆积腐烂形成的污水的影响。

而贡湖水厂取水口位于梅梁湾和贡湖湾的交界处,虽然也在岸边,但是与小湾里水厂相比,所处的环境相对比较开阔,除非有特殊的水动力学条件,一般较小的污水团是很难停留数天的。也就是说,20075月底在贡湖水厂取水口出现了的污水团,要么规模很大,要么由于某种动力学机制在那儿停留了数天的时间。

六、污水团很可能来自贡湖湾—可能SE风场下的沿岸流加上“引江济太”的吞吐流将贡湖北岸的污水团沿湖岸缓慢推向贡湖水厂取水口

蓝藻由于具有很强的浮力,可在湖面上形成厚厚的飘浮藻层,如果这种藻层缺乏流动(如在港湾、芦苇丛等水交换慢的地方)(11、图12),往往容易堆积形成厌氧环境,进一步腐烂则可形成散发出恶臭的污水团。贡湖水厂东部沿岸分布有大量河汊、渔港以及芦苇丛,漂移到贡湖湾的蓝藻容易在这些地方大量堆积和腐烂,形成臭气强烈的污水团。

从卫星遥感图(10)来看,513-519日期间,风力等自然的水动力大于引水向湖心的推动力,表面水华的大体趋势仍然向贡湖湾聚集。

值得注意的是,527日,虽然梅梁湾和贡湖湾交界之处云集了大量蓝藻,贡湖湾靠北岸湾内大部分区域未见蓝藻水华,这也许是由于贡湖北岸的蓝藻在盛行的东南风(SE)风场(6)下出现的向西方向的沿岸流的作用下被牵引出来、加上“引江济太”的吞吐流的顶托作用(因为从望虞河的走向来看,入湖河水的走向应该偏向北岸)的结果。

这个污水团有多大?66无锡市政府组织的专家组经研究分析认为约3 km2。在SE风情况下,贡湖湾风生流稳定后的流速一般在10 cm/s以内(姜加虎1997)。假定平均流速为3-5 cm/s(这与6中的贡湖湾西岸的模拟流速相近),则24小时的水流移动距离可达2.6-4.3 km,假设上述3 km2的污水团接近一正方形,则边长约1.73 km。按这样的推算,假如平均流速为3-5 cm/s,一个3 km2的污水团,不到一天就应该消逝,而不可能持续长达一个星期。有以下几种可能:或者这个污水团,比3 km2大得多,②或者贡湖湾数公里长的污水团缓慢地向贡湖水厂取水口推进,③或者这个3 km2大小的污水团受某种动力学机制的顶托,移动极为缓慢,导致了长时间的滞留。

根据东南风(SE)风场的风生流模式(6),贡湖北岸的沿岸流大致应该流向梅梁湾内,也许是梅梁湾内的蓝藻过于密集,可能形成了与贡湖北岸沿岸流带来的蓝藻的相互顶托,再加上跨越梅梁湾和贡湖湾口的反时针环流的顶托作用,导致了5月底贡湖水厂取水口的污水团移动十分缓慢的现象。

那么,同处贡湖湾北岸的锡东水厂,为何在这次水污染事件中几乎未受影响?首先,锡东水厂再向北的岸边能用于蓝藻堆积腐烂形成污水团的场所已经少得多了,其次,贡湖水厂的取水口离岸距离很近(不足300 m),而锡东水厂的取水口离开岸边有近2000 m,很显然开阔的水流环境有利于水的交换,虽然锡东水厂水源保护栅拦中也有大量藻类堆积(13)。此外,锡东水厂和金墅湾水厂离望虞河入湖口很近(特别是金墅湾水厂),引自望虞河的江水产生的推动力相对较大,故推测来自贡湖湾北岸的污水团可能难以接近。


11贡湖废弃港湾中的蓝藻水华(摄于2007724

Fig. 11 Cyanobacterial blooms in small abandoned baysof Gonghu in Lake Taihu (photo taken on July 24, 2007)


12 贡湖港湾中的蓝藻与生活的渔民(摄于2007724

Fig.12 Cyanobacterial blooms and fishermen in smallbays of Gonghu in Lake Taihu (photo taken on July 24, 2007)


13 贡湖锡东水厂水源保护区中堆积的蓝藻水华(摄于2007724

Fig.13 Accumulation of cyanobacterialblooms in the protected area of Xidong Waterworks in Gonghu of Lake Taihu(photo taken on July 24, 2007)

此外,为何在贡湖水厂取水口检测出大量的酚和甲苯等源自工业的污染物?张晓健等(2007)只做了定性描述,并为给出具体的浓度,因此无法判断究竟高到何种程度,此外,在该取水口也找不到事件前后相关监测资料进行比较,因此也无法判断到底增加了多少。即使承认酚和甲苯的含量很高,也许是数年“引江济太”使许多工业污染物在贡湖湾沉积物中长期积累,再在污水团这种特殊的环境下,从沉积物中大量溶出的结果,但这纯粹只是一种猜测!

在太湖流域人们流传着一种称为“湖泛”的污染现象。在枯水年低水位期,于黄梅期或在汛间低水位、高温少雨晴好天气之际,在湖湾底泥沉积较厚的浅水区,由于太阳辐射增强,引起水温升高,底泥发生强烈厌氧分接,释放出甲烷、硫化氢等气体,水质变劣产生臭味,形成湖泛。据称在1990年、1994年和1995年,无锡梅园水厂附近就发生了“湖泛”,使居民用水几度告急。由于2007年贡湖水厂取水口中的污水团含有很高的Chl-a含量,因此不大可能仅由“湖泛”引起。

此外,根据南京地理所秦伯强研究员等在事发当时在贡湖水厂取水口的现场录像资料来看,在现场的污水团中,发现有大量蓝藻堆积腐烂后形成的特有的藻块,且散发出难闻的臭气。

也许,20075月在贡湖水厂取水口出现的污水团的一部分就是由于蓝藻在贡湖湾北岸的河汊、渔港以及芦苇丛中大量堆积、腐烂,再加上这种“湖泛”现象将几年来“引江济太”堆积在沉积物中的有机污染物“泛”起而共同形成的。

后来在太湖的原位实验研究十分完美地证实了蓝藻水华堆积腐烂产生与无锡水污染事件十分类似的异味化合物及同样量级的浓度,为无锡水污染事件中蓝藻水华的定罪提供了强有力的实验证据(Ma et al. 2013)。

结语

   污水团为何物?张晓健等(2007)在污水团中含有大量的硫醇硫醚类,醛酮类(如β-环柠檬醛),还检出了较高含量的吲哚和酚;Yang等(2007)在污水团中含有大量二甲基三硫醚,还检测出2种藻源性代谢产物—MIBGEO,但浓度比二甲基三硫醚要低得多;秦伯强等(2007)在贡湖水厂取水口及临近水域水样中叶绿素a很高,最高可达980 μg/L。因此,污水团来源复杂,但主体可能是蓝藻堆积、腐烂形成的衍生污染物。

推测最可能的一种情形就是,20075月在盛行的SE风场作用下,在贡湖北岸产生了自东向西的沿岸流,再加上“引江济太”的吞吐流的推动作用,将贡湖湾北岸数公里长分布的众多河汊、渔港以及芦苇丛中蓝藻大量堆积和腐烂形成的污水团沿着湖岸缓慢推向贡湖水厂取水口,并在取水口附近与梅梁湾蔓延过来的大量蓝藻相遇,而且可能进一步受跨越梅梁湾口和贡湖湾口的反时针环流的顶托作用,在二湾交界的贡湖水厂附近出现了污水团移动十分缓慢的现象,从而引发了这次震惊中外的贡湖水源水污染事件。


主要参考:

谢平。太湖蓝藻的历史发展与水华灾害。科学出版社,2008,北京(http://wetland.ihb.cas.cn/lwycbw/qt/

Tao et al. (2012) Use of a generalized additive model to investigate key abiotic factors affecting microcystin cellular quotas in heavy bloom areas of Lake Taihu. PLoS ONE 7: e32020.

[Microcystin cellular quotas in Lake Taihu (Tao et al. 2012).PDF]

Chen et al. (2009) First identification of the hepatotoxic microcystins in the serum of a chronically exposed  human  population together with indication of hepatocellular damage. Toxicological Sciences 108(1):81-89

[First Identification of the Hepatotoxic Microcystins in the Serum (2009).pdf]

He et al.  (2017) Prolonged exposure to low‑dose microcystin induces  nonalcoholicsteatohepatitis in mice: a systems toxicology study. Arch. Toxicol. 91: 465480

[Prolonged exposure to low-dose microcystin induces nonalcoholic steathepatiyis (2017).pdf]

Zhao et al. (2012) Genomic profiling of microRNAs and proteomics reveals an early molecular alteration associated with tumorigenesis induced by MC-LR in mice. Environ. Sci. Technol. 46: 34-41

[Genome profiling of microRNAs and proteomics(Zhao et al. 2011).pdf]

Chen et al. (2017). Responses of the Proteome and Metabolome in Livers of Zebrafish Exposed Chronically to Environmentally Relevant Concentrations of Microcystin-LR. Environ. Sci. Technol. 51 596-607.

[Responses of the proteme and metabolome in liver of zebrafish(Chen et al. 2017).pdf]

Ma et al. (2013) Off-flavor compounds from decaying cyanobacterial blooms of Lake Taihu. J. Environ. Sci.-China. 25: 495-501.

[Off-flavor compounds from decaying cyanobacterial blooms of Lake Taihu (Ma et al.pdf]



http://blog.sciencenet.cn/blog-1475614-1040495.html

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