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无锡梅梁湖蓝藻离岸防控工程控藻设计探究

2023-09-01 85 上传者：管理员

摘要：<正>为降低蓝藻打捞对沿线景观环境的影响以及减轻蓝藻过度堆积对滨岸带湿地生态系统的破坏力，采用离岸防控工程进行控藻，以无锡梅梁湖为例，通过其现存问题进行深潜式高压控藻设计，可为类似工程提供借鉴。蓝藻是一类增殖速度很快的浮游植物，只是在岸边守株待兔式的蓝藻打捞，是不可能对太湖蓝藻水华的强度产生决定性的影响，也很难有效控制蓝藻水华的滨岸带堆积腐烂问题。滨岸带蓝藻打捞主要是防控蓝藻长期堆积引起的湖泛灾害。

关键词：
工程科技
工程设计
环境科学
环镜设计
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为降低蓝藻打捞对沿线景观环境的影响以及减轻蓝藻过度堆积对滨岸带湿地生态系统的破坏力，采用离岸防控工程进行控藻，以无锡梅梁湖为例，通过其现存问题进行深潜式高压控藻设计，可为类似工程提供借鉴。

蓝藻是一类增殖速度很快的浮游植物，只是在岸边守株待兔式的蓝藻打捞，是不可能对太湖蓝藻水华的强度产生决定性的影响，也很难有效控制蓝藻水华的滨岸带堆积腐烂问题。滨岸带蓝藻打捞主要是防控蓝藻长期堆积引起的湖泛灾害。

随着太湖水动力格局的改变，在新的形势下太湖蓝藻水华治理的思路也应该随之改变，应当按照“挡、引、捞、控”的系统思路，由末端打捞向源头防控转变、由被动打捞向主动防控转变、由近岸防控向离岸打捞转变、由人工打捞向机械化打捞转变，同时，加大蓝藻水华源头治理新技术、新方法的应用，从源头遏制蓝藻生长繁殖，减少蓝藻产生，消除湖泛的隐患，提升太湖水生态系统功能，改善太湖水环境质量。

一、工程现状

无锡市地处江苏省东南部，长江三角洲腹地，位于东经119°31’～120°36’，北纬31°07’～32°00’。本地区地表水系十分发育，河网密布，河湖水位的变化与降水量年际、年内的变化基本一致，稍有滞后。太湖是中国第三大淡水湖，也是无锡市主要的引用水源地，然而它的富营养状态导致水华十分频繁，成了无锡市长久以来面临的一个难以解决的环境问题。无锡梅梁湖是蓝藻暴发的重灾区，也是蓝藻管控的重点区域。2019年起市级实施了十八湾蓝藻离岸打捞处置工程，东起渔港喇叭口，西至闾江口大堤，分两期实施。本文以第二期工程进行分析。

二、工程存在的问题

根据对太湖15年的各区叶绿素a浓度变化趋势的研究，在水华发生严重的北部湖区中，梅梁湾水华高发季节期间，叶绿素浓度仅次于竺山湾湖区，多年平均值超过60μg/L，属于蓝藻水华严重的湾区。梅梁湾周边有三国城、水浒城、鼋头渚等诸多风景区，蓝藻水华堆积造成的负面影响较大。

利用遥感影响数据，直接根据蓝藻水华水色的特征光谱，采用3波段水华提取模型算法，能够提取出蓝藻水华分布区。根据每个时段多幅遥感影像的叠加，能够提取出5月～9月不同月份、不同时间段的蓝藻水华发生频次图，显示了空间上不同区域的蓝藻水华发生的概率。概率越高，也意味着该区域更容易发生蓝藻水华物质的堆积。15年来，蓝藻水华发生频次最高的是竺山湾至大浦口的西北沿岸带。此外，大浦河以南至八房港的湖西岸、马山南的月亮湾沿岸带，梅梁湾的西北岸带，也都是蓝藻水华发生频次较高的区域。

相比较2019年，2020年太湖蓝藻水华面积变化呈现起步早、4～6月面积偏大特性，2020年水华严重程度与2017年相当。从水华暴发的5月～10月遥感变化可以看出，5月初蓝藻水华全湖发展，该阶段位于北岸的贡湖湾、梅梁湖、竺山湖蓝藻较少，随着时间推移，在南风风向作用下，蓝藻水华逐步向北岸漂移，6月中旬至10月，蓝藻主要集中于下风口的贡湖湾、梅梁湖、竺山湖及西部岸线。

虽然梅梁湾湖区严重的蓝藻水华历来受到广泛关注，但是根据太湖原位生长模型计算，在开敞湖区、竺山湾、西部沿岸和梅梁湾等若干主要湖区，由于受风浪扰动影响较大，同时营养盐浓度要低于西部沿岸和竺山湾，梅梁湾水域蓝藻实际生长速率要低于其他湖区。在不考虑太湖蓝藻水平迁移的情形下，蓝藻水华暴发严重的6月至9月期间，梅梁湾的藻类累积量是所有湖区中最低的。西北湖区及竺山湾的藻类生长速度是梅梁湾的5-6倍。结合太湖实际情况，梅梁湾严重的水华并不是由于该湖区藻类生长造成，而是其他湖区生长后在风以及湖流等作用下水平输移进入梅梁湾湖区。

关于风场驱动下表层蓝藻水华的漂移速度，水槽模拟和湖体原位观测试验结果表明，在3.0m/s风速下，表层蓝藻水华颗粒物的漂移速度随风速的增加而增加，野外观测到的最大漂移速度为0.114 m/s。按此速度，低风速下24小时蓝藻水华的漂移距离可达9.8km。在梅梁湾口进行的多次出入湾区的漂移观测结果表明，仅仅是表层漂移，24小时的漂入对梅梁湾表层蓝藻水华面积的增量为3.7%～13.3%。根据风速风向分析，结合蓝藻漂移的观察，日内藻斑漂移速率在0.0793～0.146m/s范围内变化。6月～8月漂移方向以北向为主。这些分析都证明，夏季梅梁湾的蓝藻水华绝大部分是从其他水域漂移过来的，夏季蓝藻水华向北漂移的速度大约在5～12km/d。

上述研究和分析表明，太湖蓝藻水华易于聚积水体表面，大面积藻斑的移动速度约为5～12km/d，如无拦截系统，在夏季东南风盛行的背景下，梅梁湾区的大规模聚积是其必然结果。因此，科学实施表层蓝藻颗粒物的空间围挡，有助于减轻北太湖的蓝藻水华聚积状况，减少滨岸带蓝藻大量聚积引发的湖泛等异常水体事件发生。

三、深潜式高压控藻设计

1.控藻技术原理

1895年德国微生物学家Klebahn在光学显微镜下发现水华蓝藻细胞内存在气囊，可以为细胞提供浮力。1965年，Bowen和Jensen两位科学家指出气囊由众多圆柱形的气泡垛叠而成，并命名为伪空泡。

伪空泡的主要功能是为细胞提供浮力，通过伪空泡，蓝藻细胞可以调节自身在水体中的垂直分布，从而减少沉降作用引起的水柱中藻细胞数量下降，也可以使细胞进入水体薄层从而提高光照和CO2的供给。也正是因为伪空泡的存在，蓝藻可以调节浮力，上升到水体表层。并在合适的阳光和营养物质条件下，爆发式生长，最终在水体表面形成大面积水华，并进一步引发环境问题和次生危害。蓝藻细胞内的伪空泡主要承受二种来源的压强。一是细胞液与周围环境渗透势差引起的胞内膨压以及上方水柱重力引起的流体静压。

当细胞内伪空泡的内部气体压强与细胞膨压以及细胞上方的水与空气静压达到一定的平衡，蓝藻细胞即可实现悬浮在水体中。蓝藻细胞内伪空泡承受的静压强存在一个临界值，称为临界压强Pc，指导致伪空泡破裂的最小内外压强差。当细胞所受压强高于临界压强时，会引起伪空泡的破裂，从而使蓝藻细胞失去浮力。因此，如果可以有效破坏蓝藻内部的伪空泡，抑制蓝藻上浮到水体表面并聚集，便可以抑制水华爆发，解决蓝藻问题。

2.深潜式高压控藻站设计

该系统主要包括高效可调式涡井取藻器、深潜式高压控藻器、负压发生器以及水上操作平台等。

(1）高效可调式涡井取藻器

高效可调式涡井取藻器的主体为双层套筒结构的吸藻筒，包括顶部呈开口状的外筒及顶部、底部均呈开口状的内筒。内筒悬置于外筒内部，并通过密封装置与外筒密封连接，同时还设置有用于调节内筒高度的调节装置。控藻流量1m3/s的控藻系统配套高效可调式涡井取藻器外径1.0m，行程2m，功率2.5KW，控藻流量2m3/s的控藻系统配套高效可调式涡井取藻器外径1.4m，行程2m，功率5KW，高效可调式涡井取藻器材质为不锈钢，可以根据太湖水位涨落以及预设堆积区域蓝藻堆积厚度来调节取藻深度，确保将水体表层聚集的蓝藻抽吸至压力设备构件内。

蓝藻专用浓度锁定装置与蓝藻专用可调节涡井取藻器为相辅相成两个部分。蓝藻专用浓度锁定装置安装在蓝藻专用可调节涡井取藻器进水口内部，包括蓝藻浓度在线检测仪，蓝藻浓度传感器等与蓝藻专用浓度锁定装置相关设备安装调试、信号线缆的配管配线；蓝藻浓度在线检测仪蓝藻浓度监测范围为含固率0-10%或者0～100g/L，分辨率：0.01，精确度：±1.0%FS，重复性：±1.0%，环境温度：-20℃～50℃；蓝藻浓度传感器不锈钢材质，安装方式：浸没式、管道插入式，外形尺寸：50×220mm，介质压力：≤3bar；信号线缆：10M（标配），防护等级：IP68，工作温度：0℃～60℃。

浓度锁定装置与可调节涡井取藻器的运行原理如下：通过蓝藻专用涡井取藻器顶部距湖面距离控制蓝藻打捞涡井的升降，通过蓝藻专用浓度锁定装置检测数据反馈控制蓝藻专用可调节取藻器的启停。其主要技术特征为：(1)蓝藻专用可调节涡井取藻器，其通过蓝藻专用浓度锁定装置检测数据反馈自动控制蓝藻专用可调节涡井取藻器升降。设定涡井吃水液位（定义：涡井吃水液位为涡井在水下，边缘距水面距离）为5～8cm，当蓝藻专用浓度锁定装置监测数据>8cm，涡井升降电机自动启动，将涡井往上提升，控制吃水液位在5～8cm内，当吃水液位<5cm时，涡井升降电机自动启动，将涡井往下沉，控制吃水液位在5～8cm内。(2)设定管道中蓝藻藻浆浓度为0.5%（含固率），当蓝藻专用浓度锁定装置监测数据显示管道内蓝藻浓度≥0.5%，启动吸藻泵，将藻浆进行输送，当蓝藻专用浓度锁定装置监测数据显示管道内蓝藻浓度<0.5%时，关闭吸藻泵。取藻口涡井周边湖面表层藻情可以通过视频监控传输至中控室，蓝藻收集系统在实现智能化控制的前提下，可以通过视频监测反馈信息进行人工干预。

(2）深潜式高压控藻器及负压发生器

深潜式高压控藻井为内外管双层结构，并在外管出水管侧部接负压发生器提供水动力，通过出水钢管进行推流。控藻流量1m3/s的控藻系统配套负压发生器流量1.0m3/s，功率15k W，出水钢管出水方向为外太湖方向，内径1.0m，壁厚10mm，长100m，沉管施工。控藻流量2m3/s的控藻系统配套负压发生器流量2.0m3/s，功率37k W，出水钢管出水方向为外太湖方向，内径1.4m，壁厚12mm，长100m，沉管施工。负压发生器均配套检修系统，检修起吊电机功率均为5k W。本工程位于梅梁湖口门中间，面向外太湖，处理后的蓝藻在水体中悬浮或下沉，在风力作用下扩散从而进入生态链得以自然净化。

图1深潜式高压控藻设施平面图

控藻流量1m3/s的深潜式高压控藻井内管直径1.0m，外管直径1.6m，深度70m，处理量3600m3/h。控藻流量2m3/s的深潜式高压控藻井内管直径1.4m，外管直径2.0m，深度70m，处理量7200m3/h。深潜式高压控藻井安装在水体中后，富藻水从控藻器内管自然流入，蓝藻细胞在控藻器70m深处受到0.7MPa压力，迫使蓝藻群体解散成小群体或单细胞颗粒，将蓝藻细胞内的气囊（伪空泡）压瘪而使得蓝藻失去上浮能力，失去生物活性，达到快速高效的清除水体表层蓝藻的目的。

经过加压处理后的蓝藻经外管排出。在外管出水管侧部装有负压发生器、检修构建以及取样构件。负压发生器安装在水中，主要是在深潜式控藻器的出水端产生极小的负压，将深潜式高压控藻井内经过压力处理后的蓝藻排出设备。检修构件，由于调频负压发生器完全浸没在水面以下，检修构件便于将调频负压发生器起吊至水面进行检修，并能将调频负压发生器精准的安装到位。取样构件，主要用来取经过压力处理后的蓝藻，进行监测。见图1所示。

(3）水上操作平台

常规的水上操作平台上部结构形式有钢混结构、轻型钢结构、张拉膜等，常规钢混结构耐久性好、适应性强、养护维修费用少，但其自重大、可塑性一般。轻型钢结构自重轻，跨越能力强，耐久性好，且具有很好的可塑性。张拉膜构造简单，施工方便，与现代化风格相统一，有利于广泛运用。本项目位于太湖中央，干河施工难以实现，操作平台拟采用水上桩基础，而常规的钢混结构自重大，桩基础难以满足设计要求，且钢混结构不易与周边环境相协调，故本项目不考虑钢混结构。轻型钢结构及张拉膜型式均能满足本次工程要求，经综合比较，轻型钢结构可塑性更强，能与周边河湖岸线景观相协调统一，且其耐久性、稳定性更加匹配本工程，因此，推荐轻型钢结构型式作为水上操作平台上部结构。

水上操作平台采用钢结构型式，包括水上操作平台、流量计及风向风速仪等其他所有相关设备的安装调试。

水上操作平台均采用六边形设计，设计固定操作层标高6.50m，中间预留直径2m洞口，方便观察及操作，固定层敷设合金户外地板，四周不锈钢栏杆防护。固定层通过钢结构梯下至下方移动层走道，移动层走道长方形设计，走道宽1m，两侧铁艺栏杆防护，移动层通过固定层下方的4套5t电动葫芦、1套3kw减速机、2套转换器及丝杆等配件，可根据太湖水位，实现上下升降，移动层最低点高程3.80m，方便人员进行控藻处置。平台下方基础选用6根DN500钢管桩，外径508mm，壁厚16mm，控制桩顶高程3.50m，钢管桩内泥面以上采用C30细石砼灌实。平台建筑采用古典式琉璃屋脊及古典式琉璃屋面设计，下方配套防腐开花模板层及钢结构楞条、三脚架及横梁。

风向风速仪安装于景观平台，风向传感器测量范围0～360°，精度±3°（线性）；风速传感器测量范围0～70m/s，精度±（0.3±0.03v)m/s；采集仪记录时间1分钟～240分钟连续可调；工作温度-40℃～50℃；工作湿度：湿度<100%RH。

四、结论

通过离岸防控，可以有效减轻近岸水域的蓝藻聚集压力，同时结合近岸现有打捞处置设施，进一步保障近岸水环境，实现“近岸少藻”目标。采用深潜式高压控藻设计，结合深井大通量，可以有效抑制蓝藻的高速繁殖，降低湖体内蓝藻水华增殖的生物量基础，减少蓝藻水华暴发概率及强度。

文章来源:刘峻岭,杨立明,王健.无锡梅梁湖蓝藻离岸防控工程控藻设计探究[J].中华建设,2023(09):96-98.