随着经济的快速增长和人口不断城镇化,城镇需水量越来越大,城镇供水规模急剧上升。由于江河水体水质变差和地下水开采受限,使得水库和湖泊逐渐成为城镇重要的供水水源。我国众多的大中城市,特别是长江中下游城市,多以湖库作为饮用水水源地,但是由于水体受到点源及面源污染,富营养化程度不断加剧,使得浮游藻类大量生长,取水安全受到威胁。目前尚没有有效措施从根本上消除导致藻类异常繁殖的基础条件^[1] ,无法在短期内解决湖库富营养化这一关键问题。如果取水构筑物直接取水,很容易取得大量含藻原水,造成滤池堵塞,藻毒素含量超标,增加水厂的处理成本,影响饮用水安全,严重时还会导致水厂停产。2007年江苏无锡市发生的自来水危机和数年来太湖、巢湖蓝藻持续暴发都说明藻类带来的安全取水问题亟待解决。但是由于没有其他替代水源,多数城市仍以这些富营养化湖库作为主要水源地,使得取水面临困境,直接影响城市居民的日常生产和生活。

　　 为降低藻类浓度取得优质原水,近年来快速发展的原位控藻技术取得了一定的成果。此类技术以净化取水口周边水源水为目标,通过物理、化学、生物技术,对取水区域实施控藻除藻,该类型技术主要包括:人工或机械打捞^[[2,3]]、遮光除藻^[4,5]]、生物滤食技术^[6~8]、扬水曝气^[9~11]、生态浮岛^[12~14]等。虽然这些原位控藻技术对净化水源有一定的效果,但也存在着很多的不足,突出表现在某些技术见效慢、运行管理费用高、实际控藻效果未知、安全性能有待检验等问题^[15,16]。因此,需要开展避藻取水方法的研究,高效经济地取得低藻原水。

　　 湖泊是地表上具有一定规模的天然低洼盆地蓄水形成的广阔水体,水库是人为修建闸、坝等工程而形成的水体,实际上是一种人工湖泊,容易受到人为调控。水库按水域特征可分为湖泊型和河道型水库,湖泊型水库类似于天然湖泊,而河道型水库则具有河流和湖泊的双重特性^[17] 。

　　 不同于河流和地下水,湖库水源地有着自身独有的特点。湖泊湖盆的形状通常呈碗状,一般在湖泊中央水深最大,而水库多成狭长的形状,最深处常在坝前;湖库水体滞留时间较长,缓慢的水交换使得水体在湖库停留的时间比在河床中长,导致大量氮磷和有机物停留于水体中,为浮游藻类生物生长提供足够的营养成分;湖库作为一个蓄水水体,非泄水时水流流速一般都比较低,使得湖库中悬浮物等易沉积,水体浊度较低;深水湖库易于形成稳定的垂向水温分层且多呈现出季节性,浅水湖库因受风力等因素的影响,上下层水体容易混合,不易形成稳定的水温分层;风是浅水湖库水流运动主要的驱动因子之一,可形成风生流、水平环流和垂向环流等,直接影响着藻类的空间分布,深水湖库普遍存在异重流,使得表层水体补偿下层水体,产生表层回流,这些都会影响藻类的分布。

　　 了解湖库的地形地貌、水文情势、水动力等特点不仅能为取水工程的建设提供基础资料,还有助于掌握藻类的时空分布规律,为实现避藻取水提供依据。

　　 要实现避藻取水,需遵循避开藻类集中区取水的根本原则。以取水工程建设的关键要素为出发点,通过优化取水口选址和取水深度、合理选择取水构筑物类型、优化取水构筑物结构4个步骤,形成一套从整体到局部的湖库型水源地避藻取水方法,从而达到高效经济的避藻取水目的。

　　 取水口选址直接影响到能否取得优质原水,合理的取水口位置是保证供水安全的关键所在。取水口水源水质的好坏,很大程度上会影响净水厂出水水质;取水口位置的地形地质关系到取水构筑物形式的选择;选址的合理与否还直接影响工程造价和运行成本^[18,19]9]。要使取水区域内的藻浓度长期处于一个低值状态,进入取水构筑物的藻浓度较少,选取取水口的位置要尽量避开藻类集中区域,因此首先需要掌握藻类在湖库区的分布特征,对藻类的时空动态进行分析,优选藻类分布相对较少的区域作为取水区域,以使所取原水中的藻浓度相对较低。

　　 受到湖库区营养盐分布不均匀的影响,原位生长的藻类在整个湖库的水平分布会有所差异。例如巢湖东、西半湖差异很大,东半湖水质较好,处于轻度富营养化状态,而西半湖污染严重,处于重度富营养化状态,造成西半湖的水华现象比东半湖严重。如对巢湖进行避藻取水,可以通过遥感数据分析结合水生态数值模拟,掌握巢湖东西半湖藻类的时空分布规律^[20] ,将取水口选址范围设定在藻类较少的东半湖湖区。

　　 对于多数湖库型水源地,在水体处于相对静止和藻类生长环境未改变的情况下,藻类的水平分布往往存在差异,一般规律为:沿岸带>河口带>敞心区(湖心区)。这是由于沿岸带地表径流往往携带外源营养物质,同时存在明显的水体混合,藻类生长较多。河口带受到湖库水携带的营养补充,藻数量也比较高。敞心区(湖心区)尽管水体底部含有大量营养,但水深相对较深或者呈现分层状态,藻类生长较少。因此,取水口位置一般需要尽量远离藻类聚集较多的岸边。

　　 对于大型浅水湖库,藻类的分布除了受到营养物质的影响,还会在风和湖流等因素的作用下发生迁移运动。朱永春等^[21] 在模拟水体藻类迁移过程中发现,不同风场会对湖泊水体中藻类的水平分布有显著影响,当风速小于临界风速(2~3 m/s)时,水体表层藻类将会迅速向迎风岸漂移形成藻类堆积;邓建才等^[22] 在太湖藻类漂移的研究中发现,藻类水平漂移方向取决于湖流流向和风向,漂移速率受到风速、波高、湖流流速的共同作用。这些研究描述了风场和湖流等对藻类水平空间分布上的作用,同时解释了藻类在某一区域聚集的主要原因。因此,在布置取水口位置时,需根据当地水文气象资料,充分考虑风场和湖流作用,避开藻类容易堆积的区域。一般来讲,取水口不宜选择在夏季主导风向的向风面的凹岸处,因为在藻类高发的夏季,该区域通常会聚集大量浮游藻类。

　　 取水位置选定后,有必要采取一定的工程措施对取水口实施保护。可在取水口外围设置围隔、水下潜体等,对外来藻类进行拦截、捕获、收集,降低进入取水区域的藻类数量。如李敦海等^[23] 在巢湖西北岸万年埠的迎风岸湖段设置蓝藻水华拦截围隔,中试结果显示在水华暴发期间,围隔可拦截50%以上的蓝藻。对于取水区域内的藻类,可联合相应的控藻技术予以避除。秦伯强等^[24] 在太湖北部的梅梁湾牵龙口水厂水源地实施了净化水质的生态工程试验,围绕取水口布设2道弧形围隔,外圈围隔挡藻消浪,内圈围隔将取水区域分隔为生态净化区和强化净化区,结合滤食鱼类和水生植物,逐层拦截藻类,从而进一步降低取水构筑物中的藻类浓度。

　　 取水口选址是实现避藻取水的关键点,通过掌握湖库区藻类的水平分布状况,可初步选定取水口的位置。同时,还需要根据湖库水源地的特点,掌握藻类在垂直方向的分布情况,选定取水深度,进一步优化取水口的位置。

　　 要确定取水口深度,首先需掌握藻类垂直方向的分布情况,而其分布往往受自身生理结构和光照、温度、风浪等水文气象因子的影响^[25] 。藻类是一种光合自养型生物,为维持生长需长时间处于真光带区域。研究表明,藻类的生长繁殖与光强和光照时间在一定范围内成正相关,高光强和低光强反而会抑制藻类的生长^{[[26,27],[26,27]]}。多数藻类依靠自身的悬浮机制调节在水体中的位置,比如淡水中的优势种类蓝藻,存在伪空胞^[28] ,通过气囊浮力上浮或者下沉^[29,30] 。一般情况下,藻类具有“高光照上浮,低光照下沉”的特点。在深水湖库中,由于光被吸收和散射,光强会沿水深方向不断降低,不同深度处藻类浓度会有所不同,但总体趋势还是集中在2~3倍透明度以上的表层水体中^[31] 。因此在深水湖库中取水时,进水口位置需设置在3倍水体透明度以下。

　　 温度对于藻类的生长和分布也起着重要的作用,不仅会直接影响藻类的光合作用或者呼吸作用,还会在水体中各种营养物的理化过程中间接影响藻类的生长。在一定的温度范围内,温度越高,藻类生长越快。湖库水体水温分层是一种常见的自然现象,但不同的湖泊和水库水温纵向分层的差异很大,由弱到强可划分为3种类型:混合型、过渡型和分层型。混合型湖库无明显的温度分层,不同深度的水温分布全年都比较均匀,但年变幅却较大,一般存在于水深较浅、调节能力低的湖库中。但也有研究表明,浅水湖库中也会出现日分层^[32] ,但这种分层温差小、变化快、持续时间短。对于无明显温度分层的湖库,影响取水深度的关键因素不是温度,可考虑光照、风浪等其他因素来确定取水的深度。分层型湖库温度分层较明显且普遍存在于水深较深和调节能力较大的湖库中,由于水体较稳定、水流缓慢,表层水体升温迅速,为藻类生长繁殖提供适宜的温度条件,因此在取水时不宜取上层水体,可考虑中层取水。过渡型湖库水温结构兼具上述2种水温分布的特点,需视具体情况而定。

　　 藻类垂向生消移动往往受水文、气象等多种因素的共同影响,因而很难准确描述出藻类垂直的运动轨迹,而采集长序列的藻类垂向浓度分布必将费时费力,通过模型模拟可指导取水深度的确定,比如Kromkamp-Walsby颤藻垂直运动模型^[33] 、Howard等^[34] 开发的藻类运动SCUM系列模型等。一般情况下,蓝藻常集中在表层中,绿藻大都分布在上层,硅藻在绿藻之下。因此,在取水过程中,要根据水体中藻类的种类和其活动的深度范围,选择合适的取水深度。

　　 取水构筑物是湖库水源进入水厂的关键部位,因此构筑物的形式直接影响避藻效果。地表水取水构筑物类型多种多样,一般可分为固定式取水构筑物、移动式取水构筑物和山区浅水河流取水构筑物三大类^[35] 。固定式取水构筑物因结构稳定、取水量不受限制而得到广泛的运用,其中岸边式和河床式使用比较普遍。移动式取水构筑物有浮船式和缆车式,通常用于水位变化幅度在10~35 m,无法使用固定式取水构筑物以及中、小型取水量的情况。实际应用中,在湖库中使用的取水构筑物与一般江河上使用的取水构筑物无较大差异,具体选择应充分考虑湖库的水文特征以及取水口位置的地形、地貌、地质等,常用的取水形式有隧洞式和引水明渠取水、分层取水、自流管或虹吸管式取水等^[36] 。

　　 适用于水深大于10m且取水量较大的大型水库和湖泊取水。隧洞式取水(见图1)通常采用水下岩塞爆破法进行施工从而形成进水口,从进水口位置来看,其深度避开了藻类主要活动区域,可以避除中上层悬浮或漂浮藻类,然而这种取水方式往往容易取得低温原水,影响水质安全。引水明渠取水是直接取得湖库原水,再由水泵等抽取送至水厂,基本无法避除藻类,适用于水质较好无大量藻类繁殖的湖库。

　　 为在不同季节不同深度取得合适的原水,分层取水已逐步取代底层取水成为深水湖库中主要的取水方式。国内外已经存在的分层取水构筑物类型多种多样,分类方式也没有统一的标准,而在实际工程中比较常用的分层取水形式有多层取水口、溢流式取水、管型取水和控制幕取水^[37] 。

　　 多层取水口(见图2)即在取水建筑物不同高程处开设一个或多个进水口,以取得需求水体的取水形式。目前广泛运用于深水湖库取水,按其具体构造又分为竖塔式和斜卧式两种。取水时,通过启闭不同深度的进水口,能获得不同水层的原水,但由于其进水口固定,不能自由移动,无法主动规避藻类。在使用此类取水方式时,宜进行中层取水,可在规避上层藻类的同时取得温度较高的原水;溢流式取水(见图3)是通过提起或者放下相应数量的分节式门叶进行堰流取水,这种取水方式所取原水为上层水体,仅仅能获得较高温水体,不能规避上层藻类;管型取水根据其结构型式可分为浮式管型取水口和虹吸管型取水口。浮式管型(见图4)有取水塔式和悬臂式两种,适用于取水量较小的湖库,基本结构包括浮子、取水口和取水管道,其中悬臂式通过浮子与取水管臂铰接可改变取水管的角度。此种结构通过浮子产生的浮力使得取水口始终处于表面,能够适应各种水位变化,但由于始终取得表层水体,不能规避藻类。控制幕取水(见图5)由浮筒的浮力带动控制幕做竖直方向的移动,既可表层过流也可底层过流,其对上层水体并没有起到藻类规避的作用。

　　 浅水湖库中常采用此种方式进行取水,与江河中使用的河床式取水构筑物类似,由自流管或者虹吸管将水引至岸边集水井中,管口前端设置取水头部。在浅水湖库中,常用的取水头部形式有管式、蘑菇式、箱式、鱼形罩及鱼鳞式、锯齿形等^[35,36]。管式取水头部由于进口处缺乏有效的避藻措施,容易吸入藻类,一般在水质较好、中小型取水构筑物的条件下使用。蘑菇型取水头部由帽盖底下进水,取水层厚度最小,悬浮物带入较少,理论上其对藻类的规避有一定的效果,但实际运行中的情况尚未见相关报道。同时,其整个构筑物高度较大,仅适用于枯水期仍有一定水深的中小型取水构筑物。箱型取水头部进水方式为一面或双面进水或四周壁开缝进水,常用于大流量取水。因进水口总面积较大,藻类较易带入。采用此种方式取水时,为减少藻类的吸入量,有必要在进水口设置如挡藻导流板等避除装置,优化进水方式。鱼形罩及鱼鳞式、锯齿形等取水头部设计的主要目的是避除杂草等漂浮物,并取得良好的效果,而其对藻类的避除效果尚未可知。

　　 现阶段常用的湖库取水构筑物对藻类的规避效果普遍较差,因此有必要开发新型取水构筑物结构或对现有结构进行优化改造,以达到良好的避藻效果。如深水湖库中常采用的分层取水构筑物主要还是以改善水温为目的,多取表层水体,缺乏相应的避藻措施,对藻类并没有主动的规避效果。针对分层取水构筑物的这种缺陷,国内出现了一些选择性取水装置来应对上层水体中藻类带来的危害。王登宇等^[38] 发明了一种与水库取水塔主塔结合规避藻类的装置,通过调整副塔主动取水口位置,由副塔主动诱导取走大部分表层含藻水,从而避免藻类进入主塔;卢金锁等^[39] 发明了一种水力浮动选择性取水装置,采用水箱和浮箱浮力自调节原理,带动伸缩筒伸缩,通过调节取水口高度和关闭非优质水域的水力浮动选择性取水装置进行避藻取水。随着计算机技术、计算流体力学的快速发展,通过数值模拟可较准确地模拟水体运动,高效经济地得到最佳的避藻结构。来瑾^[40] 通过数值模拟发现,在深水水库上层取水口上下侧加矩形挡板可以降低水库表层流速和大流速范围,将取水范围向下移动,能够规避一定量的表层藻类,而且随着挡板长度的增加,这种规避效果愈明显。

　　 目前,针对避藻取水的湖库取水构筑物还较少,且主要研究还集中于深水湖库。浅水湖库由于藻多水浅,水体混合程度高,藻类更加难以规避,因此对浅水湖库取水构筑物的优化设计还需重点关注。

　　 受藻类泛滥影响,湖库型水源地安全取水是一个亟待解决的问题。近年来发展而来的各种原位控藻技术多数是通过限制藻类生长或者杀死藻类来改善水质,这些技术中虽然具有一定的控藻效果,然而还是存在一定的缺陷,如运行费用昂贵、推广困难、安全性能有待考察等。本文提出避藻取水的思路,以避开藻类集中区取水为根本原则,从取水工程建设的关键要素中寻求避藻方法,通过优化取水口选址和取水深度、合理选择取水构筑物类型、优化取水构筑物结构4个步骤,形成一套从整体到局部湖库型水源地避藻取水方法。通过掌握湖库区藻类的时空变化特征,从而找到最优的取水口位置和取水深度,使得原水藻浓度较低,有必要时可建设相应的取水口挡藻和除藻工程,从而规避来自取水口外围、取水头部的藻类;通过选择合适的取水构筑物类型并对相应的取水构筑物结构进行优化设计,可进一步避除藻类,从而使进入水厂的原水中藻浓度达到最低。

　　 由于影响藻类生长和迁移的因素众多,有关藻类时空分布的研究大多数是基于实际监测的数据,具有一定的局限性,今后如果能构建出适应性良好的模型来预测藻类的分布,对取水口选址和取水深度的确定具有重要的指导意义。目前湖库型水源地取水构筑物类型多数是借鉴于河流取水,有关湖库避藻取水专题的研究较少且主要针对深水湖库,因此还需加大对浅水湖库避藻取水构筑物形式的研究,通过数值模拟高效经济地设计出最佳避藻取水方案。