吴林锋 朱 云 朱 喜
(1.无锡市河湖治理和水资源管理中心，江苏 无锡 214021；
2.无锡市水利工程管理中心，江苏 无锡 214021；
3.无锡市水利局，江苏 无锡 214021)
2007年5·29太湖供水危机[1]后，中央和地方各级党委和政府高度重视治理太湖，投入巨资，采取控源、清淤、调水、打捞水面蓝藻和生态修复等措施，取得了良好阶段性成果：确保供水安全，富营养化程度减轻，消除蓝藻暴发引起的不良视觉和嗅觉效果。但太湖蓝藻密度仍持续升高、蓝藻年年持续暴发，此现象值得深思、研究。
蓝藻长期持续暴发涉及因素很多。据实地调查和收集2007—2020年太湖有关资料，初步分析太湖蓝藻暴发关键因素为三类：富营养化、藻密度升高、水温高(自然因素代表)[2]。分析如下。
富营养化是人类活动对自然水体干预的总体结果。人为干预具有升高与降低营养程度两方面效果：升高营养程度主要是由于人口密度增加和社会经济持续发展致入水污染负荷增加；
降低营养程度是由于采取控源、清淤、调水、打捞水面蓝藻、生态修复等措施减少污染负荷。此两方面因素的综合决定了水体富营养化状况。
1.1 富营养化是蓝藻持续暴发的基本因素
富营养化使蓝藻生长繁殖具有足够营养源，是蓝藻暴发的基本因素，只要富营养化程度在一定范围内均可导致蓝藻暴发，不受期间TP、TN浓度升降的影响。
1.2 影响富营养化的主要是人为因素
富营养化主要是人为不合理干预自然的结果。使大水体从贫营养转变为富营养，单纯自然因素需漫长时间(通常为上千年)。而人为因素，在现代社会经济发展、城市化和大规模工业化进程早中期，甚至只需10～20年或更短时间。如太湖北部梅梁湖是在20世纪80年代的10年中进入富营养化的。
1.3 太湖营养程度变化历程
太湖在20世纪80年代中期前为中营养，更早则为贫营养[3]；
梅梁湖20世纪80年代后期逐步进入富营养，且越来越严重。至21世纪太湖全面进入富营养，大部分为中等富营养，梅梁湖、竺山湖等水域曾达到重度富营养，2007年5·29供水危机时贡湖局部范围达到异常富营养，连蓝藻都难以生存，导致蓝藻不暴发[3]；
2007年后富营养化程度呈逐步减轻趋势，富营养化指数从2007年的62.3减轻为2020年的60.4，其中主要是TN浓度降低。2020年太湖平均为中等富营养，其中贡湖、东太湖为轻度富营养。
1.4 太湖TP、TN变化
水体富营养化程度取决于受外源和内源污染程度，下面以TP、TN两项指标为例加以说明。1981—2007年太湖营养程度总体呈增加趋势，期间有波动。
TN，从1981年的0.90mg/L升至2004年最高值3.57mg/L；
2005—2006年略有下降；
2007—2020年，由于加大治理太湖力度，环境容量有所增加，蓝藻密度持续增加，致使太湖TN呈持续下降趋势，全太湖均值从2.35mg/L[4-6]下降至1.48mg/L，削减37%。
TP，1981—1996年持续升高，从0.025mg/L升至0.134mg/L；
1997—2006年在0.100mg/L上下波动；
2007—2020年，TP基本持平，均为Ⅳ类，其中，2008—2012年均低于2007年的0.074mg/L，2015—2019年则均高于2007年(见表1)。其中2020年较2007年，湖心、东太湖分别升高9%、20%[4-5、7]。影响蓝藻暴发的营养元素除TP、TN外，还包括有机质、重金属和微量元素等，具体有待进一步研究。
表1 太湖年均TN、TP浓度 单位：mg/L
1.5 富营养化的主因
大水体形成富营养化的主因很多，包括外源、内源、蓝藻、换水率、湿地等因素。
1.5.1 外源污染
外源污染是水污染和富营养化的主要来源，主要指标TP、TN的治理速度赶不上区域污染发展速度。
2007—2020年环太湖城市GDP增加2.44倍，人口增加31%，污染负荷随之大幅增加，虽大力治理外源污染，但削减TP速度慢于污染发展，致环湖河道入湖TP负荷略有升高，2020较2007年增加6%；
13年中河道入湖TP负荷有10年大于2007年的0.184万t，其中2011、2016年达到0.25万t，增加36%(见表2)。太湖TN浓度2007年后持续下降，但距太湖水功能区目标的Ⅲ类(东部Ⅱ～Ⅲ类)尚有相当距离。
表2 环太湖河道入湖污染负荷 单位：万t
入湖污染物主要来自西部和南部入湖河道，其污染源主要为点源(污水厂、生活、工业、规模畜禽养殖业4类)和各类面源。
目前亟待解决的是降低太湖TP浓度。现对环太湖各水资源分区入、出湖河流TP浓度与负荷变化分析如下：
a.入湖TP平均浓度。环太湖河流入湖TP浓度多年平均值为0.189mg/L，明显高于出湖的0.079mg/L，入湖TP负荷多年平均值为2206.51t，高于出湖873.73t；
2016年丰水年入、出湖及净入湖TP负荷均最高，分别为2993.90t、1341.10t、1652.80t。其中入、出湖TP负荷差值即为太湖自然净化值。
b.湖西区河流入湖TP浓度多年平均为0.226mg/L，浙西、武澄锡虞区河流出湖TP浓度分别为0.114mg/L、0.109mg/L。其中湖西区入湖TP浓度最高。
c.湖西和浙西区入湖TP年负荷多年平均值分别为1748.70t和278.60t，入湖TP负荷占总入湖负荷比重，湖西区超68%，浙西区为7%～19%，说明湖西区以入湖TP负荷为主；
太浦河出湖TP年负荷多年均值272.27t，自2014年起其占出湖TP年负荷比重均超30%。
1.5.2 内源污染
太湖内源污染来自底泥、蓝藻和生物死亡残体等，主要由外源沉积或转化而成。近年由于藻密度持续升高、蓝藻持续暴发，太湖内源污染逐步转变为以蓝藻为主。蓝藻每年上百次的生死循环，增加了水体、底泥中的TP、TN和有机质等污染物。同时大量死亡蓝藻的耗氧促进底泥的厌氧反应，加快TP、TN特别是TP的释放。故多年来外源污染根子已延伸至湖中，年年持续暴发的蓝藻已成为太湖污染的内部根子、主要内源，致TP降低滞缓或甚至升高。
太湖自2007年来进行多次局部清淤，合计清淤4200万m3，其减少TP、TN和有机质的效果受到蓝藻持续暴发影响。期间太湖各水域藻密度增加3～22倍，致水体和底泥中TP、TN和有机质增多，污染加重，氮元素可进入大气，磷元素则留在水体、底泥或为生物吸收，同时底泥的厌氧反应增加底泥的磷释放，相当于削弱控源减磷效果。
1.5.3 藻密度持续高位运行影响TP、TN浓度
2006年前，太湖TP、TN浓度总体呈升高趋势，藻密度随之持续升高，蓝藻暴发日益严重。
2007年供水危机后，太湖TN浓度持续下降，蓝藻暴发程度依然严重。2007年、2020年，太湖TN分别为2.35mg/L、1.49mg/L，下降37%。TP基本持平：2007年、2020年分别为0.074mg/L、0.073mg/L，期间在0.062～0.087mg/L间波动，其中2015—2019年的5年间较2007年升高，2019年升高幅度曾达到14%。究其原因是藻密度持续升高，从2009年的1447万个/L上升至2020年的9200万个/L，其中有2年的密度超过10000万个/L(见表3)。藻密度持续升高致使TN持续降低，并阻滞TP降低或甚至使其升高。
表3 太湖历年藻密度 单位：万个/L
1.5.4 湿地减少
由于水污染、围垦湖滩地、最低水位提高等原因使大片芦苇地和沉水植物消失，植物型湿地减少超300km2，太湖植被覆盖率减少一半以上，致水体自净能力减小，抑制蓝藻生长繁殖能力减弱[8]。
蓝藻暴发须有相当密度种源种群存在，藻密度高即是种源密度高，是蓝藻暴发的根本因素。藻密度高代表着客观自然因素和人为不合理干预自然因素的总体结果。藻密度持续升高，可持续降低TN及阻滞TP浓度下降或甚至升高TP；
反之藻密度较大幅度降低(位于某一限值内)可降低蓝藻暴发程度，降低TP浓度，仍然能降低TN。藻密度高位运行，若蓝藻大量升至水面则为蓝藻暴发，若大多未升至水面则无蓝藻暴发。
2.1 历年藻密度变化与蓝藻暴发
历年藻密度变化可分为三阶段，总的是藻密度持续升高使太湖蓝藻连年持续暴发。
2.1.1 1987—2007年
此阶段开始时藻密度很低，太湖蓝藻基本不暴发，之后藻密度持续升高，蓝藻种源种群数量日增，太湖蓝藻开始规模暴发，规模日益增大，2007年单次蓝藻暴发最大面积达到1114km2，以致引发蓝藻暴发，造成“湖泛”型供水危机[1]。
2.1.2 2008—2019年
此阶段藻密度持续升高，由2009年1447万个/L增加至2019年12500万个/L，增加8.64倍，蓝藻暴发呈高位波动运行，其中2017年单次蓝藻暴发最大面积达到1403km2，为2007年的1.26倍[4]。
2.1.3 2020年以后
2020年藻密度为9200万个/L，较2019年降低26%，单次蓝藻暴发最大面积由2019年的977km2降为2020年的823km2，下降16%[4]。2020年起该阶段可能发展趋势：一是若干年后藻密度再度回升；
二是藻密度持续下降至很低程度，不再回升，太湖全面消除蓝藻暴发。具体要根据进一步治理太湖的力度和采取的综合治理措施决定。
2.1.4 太湖各水域藻密度总体呈升高趋势
2020年与2009年藻密度比值：湖心19.18倍，东部沿岸22.83倍。所以这两个水域，原蓝藻基本不暴发，2019—2020年蓝藻暴发程度均有所加重。
2.2 藻密度升高主因
水体中存在蓝藻种源，在富营养化等相关生境情况下，加快蓝藻增殖速度，藻密度升至一定程度就会使蓝藻暴发。
2.2.1 富营养化
富营养化是藻密度升高基本因素，营养程度只要能满足蓝藻生长繁殖的基本需求，藻密度即可能升高，基本不受TP、TN浓度在一定范围内的波动影响。如2007—2020年TN持续下降37%，但蓝藻暴发一直在高位波动运行，主因是藻密度已达到相当高程度，持续削减后的TN仍能满足蓝藻暴发的营养需求。说明现阶段蓝藻暴发影响因素中，藻密度升高已大于富营养化。
如2007年后，入湖TP、TN负荷上下波动较大，2020年较2007年河道入湖负荷TN仅减少3%，但太湖TN浓度持续下降37%，太湖TN浓度下降的速度为河道入湖负荷TN减少速度的11.90倍。TP浓度基本持平。如2011—2013年入湖TP负荷从每年0.250万t持续下降至0.181万t，但太湖TP浓度由0.066mg/L反而升高至0.078mg/L(见表1、表2)，其原因为蓝藻密度大幅增加，致使TP浓度升高。
2.2.2 合适的生境
蓝藻生长繁殖、密度升高需有合适生境，包括富营养化程度、以水温为代表的自然因素。
世界气温几十年来持续缓慢升高，水温随之升高。水温高是升高藻密度、加大蓝藻暴发程度的主要自然因素。
3.1 水温是影响蓝藻暴发的自然因素的代表
水体温度高是影响蓝藻暴发的自然生境的代表。其他自然因素包括气候、水文水动力、生物种间竞争等。
气温仅对浮于水面及至水下20cm间的蓝藻产生直接影响，对水体中蓝藻特别是距水面50cm以下的一般无直接影响。如冬春季节水底蓝藻休眠、复苏期主要与水温有关，与气温无关。
3.2 水温与蓝藻暴发四阶段
在蓝藻种源、种群较多和水体营养程度达到一定值的情况下，一年四季中由于水温等自然因素不同，蓝藻分为休眠、萌发苏醒、生长繁殖、聚集暴发四阶段。其中聚集暴发包括首次暴发、持续暴发、衰退三个时段[9]。一般如下：
a.上年12月下旬—当年2月水温较低，多年日均水温不超过9℃，为蓝藻休眠期，蓝藻大部分存于水底，部分存在水体。此阶段水温是决定蓝藻存活率高低的原因之一。
b.3月水温升高至9℃或以上，多年平均日水温达到11.6℃，藻类、蓝藻先后开始萌发复苏。此阶段水温是决定蓝藻萌发率的主因。
c.4月至5月初，温度升高，蓝藻萌发复苏后加快生长增殖速度，此时多年日均水温为17～22℃，此阶段若天气晴好，如2008年、2009年、2010年分别在4月3日、4月29日、4月30日蓝藻就首次暴发。此阶段非蓝藻藻类或非微囊藻蓝藻相对较多。
d.5—10月，为一年中水温较高或最高阶段，多年日均水温超20℃，其中7—8月最高超28℃，个别日超34℃，为蓝藻持续暴发期。其中日均温度超25℃，由于蓝藻的耐高温性，其生长繁殖速度快，致蓝藻形成优势或绝对优势种；
水温超30℃最易引起蓝藻大规模暴发。至于适宜蓝藻生长繁殖暴发的最高水温限值尚不清楚。
e.11—12月上半月，水温降低，多年日均水温为14.8～9.0℃，藻类生长繁殖速度减缓，为蓝藻暴发衰退期，一般不出现较大蓝藻暴发。
f.由于每年温度、营养等系列生境有差异，故每年蓝藻休眠、萌发、生长、暴发、衰退的4阶段(6时段)有早晚和长短差异，蓝藻进入水体、水底和复苏比例有差异。
3.3 水温高是藻密度高、蓝藻暴发的必要因素
3.3.1 每年水温对蓝藻生长的影响
水温是蓝藻最重要的自然生境之一，水温高对蓝藻的影响主要指：ⓐ冬春季节水温高使蓝藻的存活率、萌发率升高，有利于年内的藻密度升高和蓝藻暴发；
ⓑ年(月)平均日水温高使蓝藻生长繁殖速度相对较快，暴发程度相对较严重；
ⓒ水温或气温夏秋季长期过高，特别是气温超过40℃则不利于蓝藻暴发，此时可能较多蓝藻隐于水下而不升至水面，此情况有待进一步研究。
3.3.2 蓝藻每年第一次暴发时间主要决定于水温
如2007年3月的日均水温较2006年同期高1.51℃，特别是3月上旬的日均水温达到12.62℃，较2006年同期升高3.07℃，致使2007年3月29日蓝藻就首次暴发，较2006年提前1个月。
3.3.3 水温高致蓝藻暴发持续时间长、暴发面积大
太湖2006—2018年平均日水温为18.13℃，月均日水温最高为8月的29.00℃，最低为1月的6.27℃；
年均日水温最高为2018年的19.10℃，最低为2011年的17.20℃；
日均水温最高为2017年7月24日的34.40℃，最低为2008年2月2日的0.20℃。
如2006年、2007年日均水温分别为18.65℃、19.29℃，较2008—2010年期间的日均值明显偏高，所以这2年的蓝藻累积暴发面积、最大暴发面积均相对较大，特别是2007年的累积暴发面积较后3年增加1～2倍。2006年以前，太湖蓝藻每年暴发时间长度一般为5～8个月。从2007年开始，蓝藻暴发时长超过10个月，其中2015年、2017年更达到12个月，因蓝藻密度基数高，就是在水温相对较低的月份，只要水温在蓝藻能维持的生长区间，如达到或接近9℃，蓝藻仍可暴发。
2007年前太湖蓝藻最大暴发面积，一般发生在气温最高的6—10月间。2007年后由于藻密度持续升高，只要水温及生境适合，年内太湖蓝藻暴发的单次最大面积可能在5—11月间的任何一个月发生，如2006—2020年的15年中，发生在5月的3次、7月2次、8月4次、9月3次、11月3次。其中，太湖历史最大单次暴发面积1403km2发生于2017年。
3.3.4 冬季水温高致蓝藻暴发
近几年，由于冬季水温较往年有所升高，使蓝藻存活率升高、藻密度升高，蓝藻暴发期延长，原蓝藻不暴发的12月、1月也发生蓝藻暴发。如2013年12月10日蓝藻暴发面积达982km2，其原因是暴发前6天均为多云、晴，无大风，最高气温由9℃升高至15℃，有利于蓝藻快速生长繁殖，加之藻密度较高，年均藻密度超4000万个/L；
2018年1月17日暴发面积达到390km2，其原因是暴发前8天为晴、多云天气，无大风，最高气温从4℃升至15℃，加之藻密度长期处于高位，年均藻密度超8000万个/L，引发蓝藻暴发。说明即使是冬春季节，只要水温达到或接近蓝藻暴发最低要求，营养程度合适和藻密度高，通过3～8天的营养积累、生长繁殖，可发生蓝藻暴发现象。
水温是影响蓝藻暴发自然生境的代表。其他自然因素对蓝藻暴发起到一定或相当影响。
4.1 光照影响
太湖是浅水湖，光照对水面、水体直至水底蓝藻的生长繁殖均有直接影响。晴天光照好，水温高，同时太阳光中的紫外光具有蓝藻磷同化效应，有利于蓝藻生长。光照条件好，蓝藻光合作用强烈，蓝藻生长繁殖速度快，升高藻密度，易引起暴发。
4.2 风对表层蓝藻有聚集扩散作用
风生流使太湖表面蓝藻顺风向漂移，聚集和堆积在下风的凹岸处或岸边。风同时可影响蓝藻的浮沉。如太湖风速在3.1m/s时[7]，蓝藻可以大面积漂移，但风速过大，引起较大风浪，水面蓝藻就会下隐于水中，水面则无蓝藻聚集暴发现象。
每年春夏蓝藻暴发期间一般盛行东风或偏南风，蓝藻暴发后易聚集在太湖西部沿岸水域和西北部、北部湖湾，致贡湖2016—2020年藻密度升高至8000～15500万个/L[4]；
每年10月下半月至12月，太湖一般吹北风或西北风，蓝藻易聚集在太湖南部沿岸水域，太湖最后数次蓝藻暴发往往发生在南部沿岸水域，致次年春季相当多年份的蓝藻首次暴发均发生于此水域。
蓝藻易在微风和小风条件下垂直上浮于水面。若已聚集的蓝藻在稍大风力作用下，藻密度可增加数十倍，叶绿素a浓度在半小时内由10μg/L升至100μg/L，之后稳定在60～80μg/L[7]。
4.3 水流是水下蓝藻输移主动力
太湖自然水流(重力流)驱动蓝藻从上游向下游流动，蓝藻随水流输移扩散至湖心及中下游各水域，直至出湖。近年湖心藻密度持续升高，2020年为2007年19.18倍[4]，故近年东太湖、东部沿岸藻密度持续升高，致其原无蓝藻暴发区域也发生小规模暴发。
4.4 降雨影响
降雨可降低水温、增加水体氧含量。大量降雨使蓝藻下沉和降低蓝藻生长速度，或使水面无蓝藻聚集、暴发现象。中等降雨对蓝藻有一定抑制作用，大雨以上级别降雨对蓝藻抑制作用较明显，连续阴雨天气与集中性强降雨对蓝藻抑制作用尤为明显。
4.5 种间竞争影响蓝藻密度和暴发
自然界中，蓝藻的种间竞争是指蓝藻与其他生物之间生存环境或生命的竞争，种间竞争可在一定程度上影响藻密度和暴发。
a.生境竞争，即蓝藻与其他生物适应生境的竞争。
b.生存权(生命)竞争，即蓝藻与其他生物生存权的相互竞争，可直接使对方消失、死亡，其中其他生物包括蓝藻以外的藻类、微生物、植物、动物等。太湖禁渔是人为因素与蓝藻种间竞争的一种表现。
c.蓝藻内部微囊藻与非微囊藻存在相当激烈的种间竞争，影响蓝藻暴发程度。如近年鱼腥藻在蓝藻中比例有所增加，其上浮能力小于微囊藻，可减轻蓝藻暴发程度。
4.6 其他
其他影响因素包括pH值、电导、盐度、微量元素、气压；
大自然异常活动如大规模火山爆发、厄尔尼诺现象、拉尼娜现象；
水域形状；
湿地及生物多样性；
细菌等因素均对蓝藻生长繁殖和暴发程度有一定或相当影响，尚待进一步研究。
根据影响太湖蓝藻暴发的营养程度、藻密度、水温(自然因素的代表)的三高因素分析，提出消除蓝藻暴发的策略。
5.1 建立治理太湖三大目标
全面消除富营养化，水质达到Ⅲ类，其中东部水域Ⅱ～Ⅲ类；
全面消除蓝藻暴发；
大规模恢复湿地。
5.2 采取科学合理的治理措施
对以往治理措施总结分析、补充完善，采取符合现状的合理治理措施。
5.2.1 加大控制外源力度减少污染物入湖
a.加大控制污水厂、工业、生活和规模畜禽养殖4类外源力度。其关键是加大污水处理力度，上游区域污水处理标准提高至湖库Ⅲ类。
b.进一步控制种植、分散畜禽养殖、水产养殖、农村分散生活、城镇地面径流、废弃物和航行等面源污染。
5.2.2 加大控制以蓝藻为主内源力度
a.全年实施消除水面水体和水底蓝藻措施，其中冬季除藻能起到事半功倍的效果。
b.采用能同时大规模消除水体、蓝藻和底泥污染的三合一专用或组合技术。在减少外源污染入湖基础上，一次性提升水质、消除蓝藻和底泥有机污染。其中入湖河道口等局部区域仍可采用常规清淤技术。
5.2.3 恢复湿地
全面修复生态，使目前350km2植物型湿地达到蓝藻暴发前的650km2规模，以有效净化水体和抑制蓝藻生长繁殖。
a.2007—2020年太湖蓝藻持续暴发影响因素是富营养化、藻密度升高及水体温度高，三者缺一不可。其中富营养化是人类不合理干预自然致外源和内源污染负荷增加造成；
藻密度升高是客观存在的自然因素和人为不合理干预自然因素的总体结果；
以水温为代表的自然因素，有其自己的规律，总体不以人的意志为转移。
b.藻密度持续高位运行使TN浓度持续降低37%，但使TP浓度下降滞缓及2015—2019年升高；
此期间TP、TN浓度在一定范围内波动，不影响蓝藻暴发程度，同时太湖TP、TN浓度升降与河道入湖污染负荷增减的关系不密切或甚至为负相关。
c.太湖蓝藻持续暴发的三因素，相互影响。以往一般研究人员仅注意富营养化这一因素，忽略藻密度。依靠治理富营养化消除湖泊蓝藻暴发仅适用于社会经济欠发达和入湖污染负荷少的地区，或适用于小微型湖泊，不适用于大型浅水湖泊，一般认为仅依靠治理富营养化须达到TP0.010～0.020mg/L、TN0.10～0.20mg/L才能全面消除太湖蓝藻暴发；
太湖必须治理、消除富营养化与消除蓝藻、降低藻密度密切结合才能全面消除蓝藻暴发。
确立治理太湖消除蓝藻暴发目标，采取有效综合治理措施，因势利导，顺应自然，辅以人工措施，改变生境使其不利于蓝藻生长繁殖，建设健康水生态系统，则一定能在2030—2049年分水域全面消除蓝藻暴发，建成无蓝藻暴发的美丽清澈太湖。
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