水力停留时间分析：防止水库藻类过度繁殖

2.5.1.1 水库藻类繁殖的影响因素分析

影响水体藻类繁殖的主要因素包括光照、水温、营养盐浓度、水动力（如停留时间T＝V／Q）、水体分层（密度、温度）、浮游动物捕食等。

（1）一般研究认为，水库、湖泊等封闭水体发生富营养化的临界浓度为TP≤0.025mg／L，TN≤0.5mg／L。

青草沙取水口处的总氮为1.5～3.0mg／L，无机氮为1.4～2.6mg／L，总磷为0.06～0.13mg／L，磷酸盐为0.02～0.10mg／L，氮磷比为10～30。青草沙水库取水口附近水体的氮磷浓度已大大超过水库发生水体富营养的临界浓度。

（2）一般情况下，只有水温超过20℃时，水体才能因为藻类的过渡繁殖而导致水质恶化。如表2-14所示，工程区域在5—10月平均最高气温都在20℃以上，都具备发生水库富营养化的温度条件。

表2-14 长江口多年平均气温 （℃）

（3）工程区域多年平均太阳辐射总量为477.9kJ／cm2，最多为526.8kJ／cm2，最少为450.7kJ／cm2，夏季强、冬季弱，与温度年变化基本一致。

根据在陈行水库开展的泥沙沉降实验以及有关研究成果，长江原水在水库中停留30h左右，SS（悬浮物）含量可由130mg／L左右降至30mg／L左右，泥沙去除率达60％～80％。光照将不再是水库发生水体富营养化的限值因子。

图2-24为水力停留时间与蓝藻生物量的关系图。由图可见，水库水力停留时间增加，意味着有毒藻类过度繁殖的可能性增加。通过控制水力停留时间，可以有效控制藻类过度繁殖。联合国环境规划署流域综合管理指南中建议水库水力停留时间不超过30d。

图2-24 蓝藻生物量与水力停留时间的关系

2.5.1.2 藻类生长概念模型的建立

藻类生长速率表达为

μ＝μmaxf（T）f（I）f（P，N，C，Si）（2-3）

式中 μ——实际生长速率；

μmax——最大生长速率；

f（T）——温度限制函数；

f（I）——光照限制函数；(www.xing528.com)

f（P，N，C，Si）——营养盐限制函数。

如果水库藻类生长不受光照、营养盐限制，则

Nt＝N0exp（μt）（2-4）

式中 N0——藻类初始丰度；

Nt——t时刻后的藻类丰度。

如果已知水库入水藻类初始丰度N0、藻类“水华”安全预警值Nt和藻类生长速率，则可以利用上式反推水库水体最长停留时间T：

2.5.1.3 防止藻类过度繁殖的水库停留时间分析

参考Di Toro（1980）、K．Burge（2006）、Westwood（2004）、Reynolds（1984）、Coles和Jones（2000）等人的研究成果，各种藻类的生长速率和温度校正系数的取值见表2-15、表2-16。

表2-15 各种藻类的生长速度及有关生长温度

表2-16 藻类生长速率的温度校正系数

由表2-15可见，硅藻比较适合在中低温度下生长繁殖，蓝绿藻在夏季中高温时繁殖速度最快，绿藻的最大生长速度远远高于蓝藻和硅藻。

（1）藻类初始丰度N0。根据长江口青草沙水域浮游植物的调查结果（东海水产研究所，2005），叶绿素a的分布范围为0.54～2.59mg／m3，平均约1.0mg／m3。浮游植物平均总数量为4个／mL。共鉴定出浮游植物43种，其中硅藻占79％，绿藻占14％，蓝藻占7.0％。

（2）藻类“水华”安全预警值Nt。理想条件下水温20℃（实验室培养），蓝藻密度在14～46d内可以达到“暴发”水平（27000个／mL），安全起见一般不高于15000个／mL（K．Burge和P．Breen，2006；Melbourne Water，2005）。

不同水温下藻类生物量与水库水力停留时间的关系曲线见图2-25，以15000个／mL作为藻类“水华”安全预警值，可以得到水温在20～25℃时，防止青草沙水库水体发生水华的“最大水力停留时间”约为20d。

图2-25 藻类生长曲线与温度和水力停留时间的关系

长江口非咸潮期（5—10月）的平均气温为18～28℃，青草沙水库的水力停留时间应控制在20d左右。水库的实际水力停留时间大于上述“最佳水力停留时间”并不意味着水库一定发生“水华”，但满足“最佳水力停留时间”的保证率应不小于80％（Hart，1999；Anzeec，2000），因此水库仍存在暴发“水华”的风险。