湖泊和河流修复：方法、评估和管理

马驰 董礼展

摘要：由于对水质、公众健康和生态系统可持续性的不利影响，富营养化已成为全球关注的主要环境问题之一。对湖泊和河流等富营养淡水的恢复进行基础研究，对于支持进一步循证的实际实施至关重要。首先，对营养物质迁移和淹没生物群特征的背景调查将指导和帮助理解未来的恢复机制。其次，研究和评估各种恢复策略，包括控制外部和内部营养物质负荷。第三，报告了修复处理后对现场场地的评估，以支持选择适当的修复方法。

关键词：富营养化控制；外部荷载；有害藻华；磷回收；泥沙控制

1.引言

有害藻华是湖泊和河流等自然水体富营养化最臭名昭著的后果之一，对水质、人类健康、经济发展、生态平衡、景观美学和社会稳定构成严重威胁[1]。由于人口的快速增长和经济发展，工业、农业和运输部门的各种人类活动已经恶化，并在全球范围内加剧了淡水富营养化[2]。除了人为排放污染物的外部负荷外，沉积物污染物的内部负荷预计将进一步增加赤潮的发生，并在未来几十年给河流和湖泊生态系统带来持续的压力[3]。因此，迫切需要引起世界各地研究人员的关注，以便为湖泊和河流的恢复做出巨大努力，以消除富营养化的威胁。

2恢复策略

2.1外部负载控制

拦截从点源或非点源进入湖泊的营养物质对于控制富营养化非常重要。Cao等人[4]研究了营养物去除的效率，包括富营养化湖泊周围流域不同类型河岸缓冲区沿岸带的营养物数量和由此产生的水质，并估计了不同类型河岸缓冲器有效去除营养物的最佳宽度。由于植被和土壤类型的原因，不同的河岸缓冲区为去除营养物质做出了许多努力。总的来说，强烈建议修建湿地或草地/森林和草地河岸缓冲带，分别有效去除总磷（TP）和总氮（TN）。

2.2内部装载控制

疏浚是通过清除受污染的沉积物以减少营养物质的内部负荷来改善湖泊生态平衡的少数选择之一。然而，尚不清楚任何疏浚活动可以提供最大效果，但将任何不利影响降至最低的季节。钟等人[5]在所有四个季节进行了实验，以评估疏浚对内部负荷以及N和P沉积物释放的影响。结果表明，疏浚可能是减少内部负荷的有用方法，低温季节（非生长季节）适合进行这些操作。

考虑到疏浚作业的成本相对较高，通过絮凝赤潮并将其锁定在沉积物表面的原位处理已被证明足以减轻内部营养物质的负荷[6]。根据这一概念，Pan等人[7]通过在五个中试规模的全池塘田间试验中研究改良当地土壤（MLS）技术的效果，总结了改良当地土壤技术的主要特征。结果表明，结合外部负荷的综合管理，MLS可以作为一种湖内修复技术，发挥水质改善、沉积物修复和生态修复的多重功能。这些发现可以为研究人员、工程师和地方政府提供有用的指导控制富营养化，以生态友好和可持续的方式加快湖泊恢复。

2.3.从水中捕获

从水柱中去除磷对于控制富营养化是至关重要和有效的，而吸附是最有效的处理过程之一。程等人[8]合成了镧-壳聚糖磁性球体的P吸附剂，并评估了其在不同条件下的吸附性能。此外，还研究了所制备的吸附剂对磷的吸附动力学、等温线和热力学分析，以揭示其吸附机理。镧-壳聚糖磁性微球具有独特的分级多孔结构、高吸附能力和低成本，具有潜在的富营养化水处理应用前景。

为了研究吸附剂在天然水中的应用，以实现极低水平的磷（10µg L−1），从而控制潜在的富营养化，Pan等人[9]在模拟中试规模的河湖系统中评估了外部和内部磷控制的组合方法。在这种策略下，颗粒化镧/氢氧化铝复合材料（LAH）吸附剂被证明是一种在低水平的额外磷输入下，将磷浓度保持在10µg L−1以下的有效材料。结果表明，在额外的中营养磷输入下，LAH吸附材料的外部和内部磷再捕获的协同作用可能是一种有效且具有成本效益的富营养化潜在管理策略。

2.4其他方式

溪流修复，专门为增强低流变过程而设计，很少被考虑。Bakke等人[10]通过河床工程实施了这样一个项目，该工程使用了模拟天然河床成分的砾石混合物，将超挖河道填充至最小深度90 cm。专门设计的潜水池结构，使用延伸至2.4 m的地下砾石建造，大大提高了低流环流、路径长度和停留时间。恢复后监测的结果表明，与控制和项目前的条件相比，这种增强低渗设计的方法成功地恢复了低渗过程，并显著改善了水质。

为了实现浅层富营养化湖泊中淹没植被的恢复和赤潮的缓解，Wu等人[11]将人工水生植物（AAP）引入富营养化湖的围栏中，并研究了它们对减少蓝藻水华和促进淹没大型植物生长的影响。AAP安装后第60天，浊度、总氮（TN）、总磷（TP）、，与对照围栏相比，处理围栏的浮游植物（尤其是蓝藻）细胞密度显著降低，从而促进浅水富营养化水中淹没的大型植物的恢复。

3.评估及管理

为了评估某一战略的可行性和可持续性，修复工程后的长期监测至关重要。Długie湖（Olszty´nskie Lakeland，波兰）采用人工混合和铝化合物灭磷的方法进行了修复。在修复程序终止15年后Augustyniak等人

[12]证明，明矾改性的“活性”沉积层仍然具有显著的磷吸附能力，这可能会限制磷的内部负载。此外，对沉积物吸附特性的研究可以作为评估湖泊修复效果的工具。

Khare等人[13]开发了一种分阶段情景分析方法，用于使用四种TP控制策略——最佳管理实践（BMP）、分散水管理（DWM）、湿地恢复，和雨水处理区（STA）——在湖泊流入点实现40µg/L的流量加权平均TP浓度。流域评估模型用于模拟流量和磷动态以及10年数据收集的结果，支持STA是实现佛罗里达州南部大沼泽地生态系统恢复和可持续性的必要组成部分。

4.结论

淡水富营养化是湖泊河流污染的重要原因，为了解决这一环境问题，科学家们越来越关注这一问题，强调了修复三个阶段的研究重点，即修复前的背景调查、选择的各种修复策略以及治疗后的长期监测。进而，实现更可持续、更有效的水资源恢复和评估。

参考文献：

[1] 河流生态修复理念与技术研究进展. 许继军;景唤.农业现代化研究,2022

[2] 河流生态修复研究进展综述. 胡光亮.现代园艺,2022

[3] 基于生态修复理念的大型河流景观规划思考——以石家庄滹沱河生态修复工程为例. 郭榕榕;李沛;刘华;何晓燕.中国园林,2021

[4] Cao, X.; Song, C.; Xiao, J.; Zhou, Y. The Optimal Width and Mechanism of Riparian Buffers for Storm Water Nutrient Removal in the Chinese Eutrophic Lake Chaohu Watershed. Water 2018, 10, 1489.

[5] Zhong, J.-C.; Yu, J.-H.; Zheng, X.-L.; Wen, S.-L.; Liu, D.-H.; Fan, C.-X. Effects of Dredging Season on Sediment Properties and Nutrient Fluxes across the Sediment–Water Interface in Meiliang Bay of Lake Taihu, China.Water 2018, 10, 1606.

[6]Jin, X.; Bi, L.; Lyu, T.; Chen, J.; Zhang, H.; Pan, G. Amphoteric starch-based bicomponent modified soil for mitigation of harmful algal blooms (HABs) with broad salinity tolerance: Flocculation, algal regrowth, and ecological safety. Water Res. 2019, 165, 115005.

[7]Pan, G.; Miao, X.; Bi, L.; Zhang, H.; Wang, L.; Wang, L.; Wang, Z.; Chen, J.; Ali, J.; Pan, M.; et al. Modified Local Soil (MLS) Technology for Harmful Algal Bloom Control, Sediment Remediation, and Ecological Restoration. Water 2019, 11, 1123.

[8] Cheng, R.; Shen, L.-J.; Zhang, Y.-Y.; Dai, D.-Y.; Zheng, X.; Liao, L.-W.; Wang, L.; Shi, L. Enhanced Phosphate Removal from Water by Honeycomb-Like Microporous Lanthanum-Chitosan Magnetic Spheres. Water2018,10, 1659.

[9] Pan, M.; Lyu, T.; Zhang, M.; Zhang, H.; Bi, L.; Wang, L.; Chen, J.; Yao, C.; Ali, J.; Best, S.; et al. Synergistic Recapturing of External and Internal Phosphorus for In Situ Eutrophication Mitigation. Water2020, 12, 2.

[10] Bakke, P.D.; Hrachovec, M.; Lynch, K.D. Hyporheic Process Restoration: Design and Performance of an Engineered Streambed. Water 2020, 12, 425.

[11] Wu, Y.; Huang, L.; Wang, Y.; Li, L.; Li, G.; Xiao, B.; Song, L. Reducing the Phytoplankton Biomass to Promote the Growth of Submerged Macrophytes by Introducing Artificial Aquatic Plants in Shallow Eutrophic Waters.Water 2019, 11, 1370.

[12] Augustyniak, R.; Grochowska, J.; Łopata, M.; Parszuto, K.; Tandyrak, R.; Tunowski, J. Sorption Properties of the Bottom Sediment of a Lake Restored by Phosphorus Inactivation Method 15 Years after the Termination of Lake Restoration Procedures. Water 2019, 11, 2175.

[13] Khare, Y.; Naja, G.M.; Stainback, G.A.; Martinez, C.J.; Paudel, R.; Van Lent, T. A Phased Assessment of Restoration Alternatives to Achieve Phosphorus Water Quality Targets for Lake Okeechobee, Florida, USA.Water 2019, 11, 327.