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主要成果
浅析滇池水体富营养化成因及其防治措施
王灿东①  蔡洁②  任丽红③  彭忠全①
昆明市东川区农村能源环境保护监测站①   654100
昆明市东川区农村经济经营管理站②      654100
昆明市东川区植保站③                  654100                  
 
摘要  滇池是云南的品牌,昆明的形象,治理好滇池,改善昆明的人居环境,是每个市民义不容辞的责任。本文通过对滇池水体富营养化的成因、污染物的来源及滇池水体富营养化的危害等方面进行定性分析,提出了治理滇池水体富营养化的具体措施和途径,为滇池治理提供科学依据。
关键词  滇池  水体富营养化  污染  底泥沉积物  水污染治理
 
    水是人类地球上一个非常重要的介质,它是环境中能量和物质自然循环的载体和必要条件,也是地球生命的基础。由于自然环境的改变和人为频繁的活动而导致海洋、湖泊、河流、水库等储蓄水体中富营养化的发生,是当今世界水污染治理的难题,已成为全球最重要的环境问题之一,全球约有75%以上的封闭型水体存在富营养化问题[1]
    滇池是中国第六大淡水湖,是一颗吹璀璨的高原明珠,国家级旅游度假区,世界独具特色的民族文化旅游度假区。地处长江、珠江和红河三大水系的分水岭地带,素以高原明珠闻名于世,但随着经济社会的发展,城市规模的扩大,人口的急剧增加,生产生活方式的改变,使滇池受到了污染,水质恶化,富营养化日趋严重,生态系统受到破坏,云南省环保厅发布的《2008年云南省环境状况公报》指出:滇池草海、滇池外海属于水质重度污染(劣Ⅴ类)。未达到水环境功能要求,基本丧失了水体使用功能。
1  滇池概况
    滇池位于云贵高原中部,属金沙江(长江)水系,地处长江、珠江、红河三大河流水系的分水岭地带,滇池流域面积2920平方公里,为南北长、东西窄的湖盆地,其中山地和湖滨分别占流域面积的70%和20%,水面约占10%。滇池是典型的半封闭宽浅型湖泊,在正常高水位时,平均水深5.3米,湖面面积309.5平方公里,湖容15.6亿立方米。滇池无外来水资源补给,多年平均入湖径流量为9.7亿立方米,湖面蒸发量4.3亿立方米。滇池水域分为草海和外海两个部分,出水经螳螂川、普渡河流入金沙江,分别有2个人工控制出口,其中,草海部分的出口是西园隧洞,外海部分的出口是海口中滩闸。
1.1  滇池的现状
    滇池位于昆明市主城区下游,不仅对昆明市经济社会的发展和宜人气候的形成起着重要作用,而且是云南省的政治、经济、文化中心和交通枢纽,是云南省经济最发达、人口最集中、城市化水平最高的区域。2005年,滇池流域总人口达332万人,占昆明市人口总数的54.6%,占全省的7.5%,城市化率为80.5%,人口密度达到1137人/平方公里。流域内GDP 达748.9亿元,占昆明市GDP的79.5%,约占全省的四分之一。流域内经济以旅游、商贸和工业为主,第二、三产业约占流域GDP总量的96.6%。
近年来,随着城市化进程加快,人口增加和经济快速发展,滇池面临着严重的污染形势, 2005年草海水质为劣Ⅴ类,综合营养指数76.1,属重度富营养化状态;外海水质为Ⅴ类,综合营养指数62.5,属中度富营养化状态;滇池29条主要入湖河流,纳入监测的多为劣Ⅴ类水质;进入外海的河流中,大清河、海河是污染最重的河流;进入草海的河流,污染最重的是乌龙河和新运粮河。
2  滇池水体富营养化及其污染物的来源
2.1  水体富营养化
水体富营养化是在人为活动的影响下,生物所需的氮、磷等矿质营养盐大量进入湖泊、河口等缓流水体,引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖,水体溶氧量下降,水质恶化,鱼类及其他生物大量死亡的现象。根据美国环保局的评价标准,水体总磷<20-25g/L,叶绿素a<10 g/L,透明度>2.0m,深水溶解氧小于饱和溶氧量10%的湖泊可判断为富营养化水体[2]
2.2  水体污染物的来源
形成水体富营养化的污染物主要来源于面源(非点源污染)如农业施肥中农田渗漏水、家禽畜养殖污水、塘河水产养殖中过量施肥、大气沉降的尘埃及其生活污水、工业废水等进入水体中的氮、磷和矿质盐类,以及水体内源自身底泥等沉积物经厌氧分解释放进入水中的氮、磷。
    大量含氮、磷肥料的生产和使用,食品加工、畜产品加工等造成的工业废水和大量城市生活废水,特别是含磷洗涤剂产生的污水未经处理即行排放,使海水、湖水中富含氮、磷等植物营养物质,称为水体富营养化。在富营养化水体中,由于有了充足的养料保证,藻类等浮游植物一有适宜条件即疯狂繁殖。此时鱼类等生物的消费能力赶不上藻类的繁殖速度,水中藻类越长越多,藻类生物集中在水层表面,光合作用释放出的O2溶解在海水表层,表层海水形成饱和溶液,从而阻止了大气中的O2溶入深层海水。与此同时大量死亡的海藻在分解时却要消耗水中的溶氧,这样水中的溶氧就会急剧减少(甚至可降至零)导致水中的鱼类等动物大量窒息死亡。某些藻类甚至还会释放出一些有毒物质使鱼类中毒死亡。此外由于死亡藻类分解时会放出CH4、H2S等气体,使海水变得腥臭难闻。这种情况如果是在海洋中,就发生“赤潮”;如果是发生在淡水中,又叫“水华”。
2.3  滇池的污染源
    滇池污染问题的形成是综合的,滇池污染已成为影响昆明发展的一大瓶颈。
2.3.1  非点源污染
    可溶性营养物或固体污染物在降水和径流冲刷的动力作用下,汇入湖泊的地表水体而引起的污染。与点源污染相比,非点源污染负荷的时空差异性更大,污染物及排放途径具有不确定性,水体运行过程较复杂,污染严重。Boers.P.C.M研究指出[3],非点源污染是导致地表水污染的主要原因,其中又以农业非点源污染贡献率最大,如荷兰农田排放中的氮、磷污染负荷分别占60%和50%。
2.3.2  点源污染
    根据昆明市科技局科学顾问团在2006年出具的一份报告,滇池东部的呈贡县是中国最大的花卉种植基地,每亩每年化肥的平均施用量高达2000公斤,流域内每年农药施用量超过100吨。滇池西部的西山区和安宁市是云南省重工业基地,分布有矿厂、钢铁厂、水泥厂、化工厂等大型高污染、高耗水企业。滇池西南部是我国的磷化工基地,分布有昆阳、海口等磷矿,每年都有大量氮、磷等物质被带入湖内。滇池北部为昆明主城区,它每天产生的城市生活垃圾达3100吨,生活污水达55万立方米,经过处理和未经处理的污水最终都将归入滇池。
    点源污染是污染物通过排放口,直接或经渠道排入水体的污染,其含量可以直接监测,污染物主要是含有氮、磷以及有机物的城市工业废水和生活污水。
2.3.2.1  工业废水。富营养化水体中含有的氮磷,较大一部分来自工业废水,钢铁、化工、制药、造纸、印染等行业的废水中,氮和磷的含量相当高。工业生产中的废水量大,化学成分复杂,且不易净化,因工业排放的废水逐年递增,工业废水中常规的污水二级处理对氮磷等可溶盐类的去除率分别达20%~50%和40%,尾水中氮磷等富营养成分极易引起水体中氮、磷源的污染,与促进水体富营养化临界浓度值相比,则远高出一个数量级以上。
2.3.2.2  生活污水。生活污水是人们日常生活产生的杂排水,因其含有大量的氮磷营养盐及细菌、病毒,易造成地表水与地下水的污染。其来源除了生活污水的排放外,还有如公用事业等排出的污水,它是造成水体有机、生物污染的主要来源。世界经济合作与发展组织(OECD)研究[4]指出,在城市生活污水中有50%的磷来自合成洗涤剂的使用。我国人均排入生活污水中的含磷量为 1.11g/人.d,其中使用合成洗涤剂排放的磷约占40%,随着生活水平的日益提高,合成洗涤剂的用量将不断增大。我国目前居民使用的洗衣粉中,大多含有17%的三聚磷酸钠[5],洗涤污水流淌是河、湖水域中磷的来源之一。
2.3.3内源污染
沉积物(底泥)是湖泊营养盐的重要蓄积库,也是湖泊最主要的污染内源。来自多种途径的营养盐,经一系列物理的、化学的、生物化学的作用,绝大部分沉积到湖泊的底部,成为湖泊营养盐的内负荷。底泥中的营养物经微生物厌氧菌的作用,以再悬浮、溶解的方式返回水体中 2008年4月卢少勇等专家,用自制柱状采泥器及彼德森采泥器在滇池草海和外海采集内湖滨带底泥柱状样(每5cm分一层)和表层样(0~10cm)。研究结果表明,滇池内湖滨带底泥表层有机质含量为2.20~154.62g/kg,滇池草海内湖滨带底泥中平均有机质含量为76.94g/kg,明显高于外海(16.56g/kg),主要是因为草海是沼泽化湖湾且附近村落密集;草海内湖滨带底泥有机质含量的最大值出现在西岸,而外海内湖滨带底泥有机质含量也是西岸高于东岸,主要是由于周围农业和渔业的影响所致。由于外源污染输入量及湖内自净能力等的综合作用逐年波动,使内湖滨带底泥有机质含量垂直分布未明显随深度增加而一直增加或降低。滇池内湖滨带底泥表层pH为7.03~7.96,略偏碱性,外海内湖滨带底泥pH水平略高于草海,底泥含水率除个别采样点外变化不大,多数低于50%[6]
    底泥中营养盐的大量释放可在湖湾区引发“湖泛”,构成水源的二次污染,在枯水期或高温晴好天气,底泥发生强烈生化反应,营养盐释放速度加快,伴有甲烷、硫化氢等有毒气体逸出,河水变劣并产生恶臭,藻类大量繁殖,严重污染水源,旅游景观和自然资源遭受严重破坏。
3  滇池水体富营养化的危害
昆明没有大江大河过境,靠大气环流降水汇集于水库和天然湖泊供应农业、工业和城市居民生活用水,水源匮乏。滇池是昆明母亲湖!但是滇池已成为中国水体富营养化程度最为严重的湖泊之一,不仅制约了昆明市乃至整个云南省社会经济的可持续发展,而且严重影响了其流域数百万人民的生活质量。
    滇池主要污染物总氮超过Ⅴ类水标准,总磷达到Ⅴ类水标准,高锰酸盐指数达到Ⅳ类水标准,其余指标均符合或好于Ⅲ类水标准,透明度下降;富营养化程度有所加重;滇池草海的水质水质达到劣Ⅴ类水,综合营养状态指数为77.2,属重度富营养状态。主要超标污染物为氨氮、总氮、总磷、化学需氧量。据昆明市环保部门监测数据:滇池水质1988年以来基本为5类、劣5类。现草海水质劣5类,属重度富营养状态;外海水质5类,属中度富营养状态,与保护目标差距甚远。在已监测的新老运粮河、西坝河、船房河、篆塘河等19条入湖河流中,90%以上的河道水质均为劣5类,上游水质优于中下游。滇池蓝藻大量繁殖,在昆明滇池海埂一线的岸边,湖水如绿油漆一般。绿浪翻滚的湖水涌向岸边,带来一阵阵腥臭味道。每年夏天气温上升,加之富营养化严重,均要引起蓝藻爆发,造成严重污染。特别是藻类的频频暴发,俗称“水华”的蓝藻如果大规模暴发,大约50%的绿潮中含有大量藻毒素,蓝藻能释放生物毒素类次级代谢物,致使大量水生生物死亡,并有可能通过食物链的累积效应而危害人体健康。
    随着人类活动的不断增加,水体污染日趋严重。谢礼国等[7]将氮磷营养污染引起水体富营养化的主要危害归纳为:①干扰了水体正常的溶解氧平衡,并进一步使水质恶化;②降低了供水质量,增加水处理负担,从而使水厂不能正常运转,严重时危害人体健康;③影响渔业等生物资源的利用,使水体经济价值降低;④使水体感官性状恶化,污染居住环境,丧失了水体美学价值;⑤破坏了水体生态平衡,导致水生生物的稳定性和多样性降低。由此可见,防止水体氮、磷污染对社会经济持续协调发展以及对人类自身的和谐生存至关重要。[8]
4  滇池水体富营养化的防治措施
    输入到湖泊等水体的营养物质在时空分布上是非常复杂的。氮、磷元素在水体中可能被水生生物吸收利用,或者以溶解性盐类形式溶于水中,或者经过复杂的物理化学反应和生物作用而沉降,并在底泥中不断积累,或者从底泥中释放进入水中。减少内源性营养物负荷,有效地控制湖泊内部磷富集,应视不同情况,采用不同的方法。
4.1  主要的方法
4.1.1  工程性措施:借助农业土壤重金属污染的处理方法,进行池底换土,即挖掘底泥沉积物、进行水体深层曝气、注水冲稀以及在底泥表面敷设、沙石或塑料等。挖掘底泥,可减少以至消除潜在性内部污染源;深层曝气,可定期或不定期采取人为湖底深层曝气而补充氧,使水与底泥界面之间不出现厌氧层,经常保持有氧状态,有利于抑制底泥磷释放。此外,用含磷和氮浓度低的水注入湖泊,可起到稀释营养物质浓度的作用。
4.1.2  化学方法:这是一类包括凝聚沉降和用化学药剂杀藻的方法,例如有许多种阳离子可以使磷有效地从水溶液中沉淀出来,其中最有价值的是价格比较便宜的铁、铝和钙,它们都能与磷酸盐生成不溶性沉淀物而沉降下来。例如美国华盛顿州西部的长湖是一个富营养水体,1980年10月用向湖中投加铝盐的办法来沉淀湖中的磷酸盐。在投加铝盐后的第四年夏天(1985年),湖水中的磷浓度则由原来的65μg/L降到30μg/L,湖泊水质有较明显的改善[1]。在化学法中,还有一种方法是用杀藻剂杀死藻类。这种方法适合于水华盈湖的水体。杀藻剂将藻杀死后,水藻腐烂分解仍旧会释放出磷,因此,应该将被杀死的藻类及时捞出,或者再投加适当的化学药品,将藻类腐烂分解释放出的磷酸盐沉降。
4.1.3生物性措施:利用水生生物吸收利用氮、磷元素进行代谢活动以去除水体中氮、磷营养物质的方法。目前,有些国家开始试验用大型水生植物污水处理系统净化富营养化的水体。大型水生植物包括凤眼莲、芦苇、狭叶香蒲、加拿大海罗地、多穗尾藻、丽藻、破铜钱等许多种类,可根据不同的气候条件和污染物的性质进行适宜的选栽。水生植物净化水体的特点是以大型水生植物为主体,植物和根区微生物共生,产生协同效应,净化污水。经过植物直接吸收、微生物转化、物理吸附和沉降作用除去氮、磷和悬浮颗粒,同时对重金属分子也有降解效果。水生植物一般生长快,收割后经处理可作为燃料、饲料,或经发酵产生沼气。这是目前国内外治理湖泊水体富营养化的重要措施。
    近年来,有些国家采用生物控制的措施控制水体富营养化,也收到了比较明显的效果。例如德国近年来采用了生物控制,成功地改善了一个人工湖泊(平均水深7米)的水质。其办法是在湖中每年投放食肉类鱼种如狗鱼、鲈鱼去吞食吃浮游动物的小鱼,几年之后这种小鱼显著减少,而浮游动物(如水蚤类)增加了,从而使作为其食料的浮游植物量减少,整个水体的透明度随之提高,细菌减少,氧气平衡的水深分布状况改善。但也发现,浮游植物种群有所改变,蓝绿藻生长量比例增高,因为它们不能被浮游动物捕食,为此可以放鲢鱼来控制这种藻类的生长。 
4.2  控制外源性营养物质输入
水体富营养化的根本原因是外界营养性物质的输入,要从根本上控制并消除水体富营养化,应着重减少或切断外源营养物的输入。具体措施根据污染途径来源的不同分别加以对待。
   “滇池是在1985年开始慢慢被污染的,这期间滇池流域社会正处于转型期,旧的社会运行机制、社会规范已不能有效地协调人们的行为方式,而新的社会运行机制与社会规范尚待建立与完善,社会失范问题就不可避免地发生了。”云南大学发展研究院李杰研究员指出:“滇池的水体四年才能置换一次,清水没有补充,但污水却源源不断,污染越来越重,滇池的生命受到严重威胁。”随着昆明城市化的急剧扩大,城市周边的农村不断被纳入城市范围,以往的城乡截然分离的管理模式,已经滞后于昆明的城市发展。在城市与周边农村的边缘地带,一些企业利用政府监管不到位的空子,违法排污,造成环境污染。而在滇池环境保护中存在的依法行政不到位问题,更是加重了滇池的污染。
劳动力价格的上涨和化肥工业制成品价格下降,也直接导致以人畜粪便、生活垃圾为原料的传统农家肥料资源的利用被放弃了。目前滇池流域是我国化肥使用最多的地区之一。全流域的化肥使用量每年已达到3.9万吨,平均每公顷达981公斤,比全国平均水平超出723公斤。氮肥平均施用量为每公顷469公斤,超过国际公认的安全施用量。滇池流域每亩灌溉用水量为650—800立方米,远高于我国2000年亩均500立方米的节水灌溉标准。据测算,仅2001年就有3744吨氮肥和1430吨磷肥随着地表径流和地下水流入滇池。而昆明市城市居民的消费水平快速上升和消费量速猛增加,每年产生固体废弃物290万吨,废水1759万吨。
4.3  加强领导 建立目标责任制
    为加强滇池流域水污染防治,切实改善滇池及其入湖河道的水环境质量,从源头上控制和减轻污染负荷,促进流域地区经济、社会的可持续发展,昆明市滇池流域水环境综合治理指挥部决定开展滇池主要入湖河道综合治理控制目标及河(段)长责任制管理工作。由市级领导、各县(区)主要领导担任河长,所属乡(镇、办事处)主要负责人担任段长。河(段)长责任制建立后,滇池主要入湖河道的截污治污措施、河道水质监控、河道(岸)保洁、景观改善等工作,将按照属地管理的原则,层层建立目标责任制,签订目标责任书,分段监控、分段管理、分段考核、分段问责。 
4.4  重点控制农业面源污染
综合治理农业面源污染引起的农田水质及其河流水体污染的文献有诸多报道。农业非点源污染控制应从改进农业生产耕作布局、合理灌溉、合理施肥、平衡施肥、数字农作技术等入手。4.4.1加强农业环保宣传教育,普及环境科学和环保法律知识,制定完善的保护农业环境法规,使得农业环保意识法制化、规范化和科学化管理。
4.4.2充分考虑土壤的特征和农作物的生长状况,根据作物对养分的需求量和需求季节安排施肥量、施肥时间和施肥方式,提高作物对养分的吸收,减少农田养分流失。
4.4.3多施有机肥,有机、无机肥配合使用,大力推广测土配方施肥技术。
4.4.4建设节水灌溉工程,实施节水灌溉不仅可以提高水资源利用率,缓解水资源的供需矛盾,还可以减少非点源污染。研究发现,灌溉方式与养分、农药流失密切相关,当水田灌溉用量减少31%-36%时,地表排水量减少78%-90%,氮负荷减少76%-80%,渗漏水氮负荷减少34%-40%,而作物减产仅6、7%-8.1%。4.4.5努力建设农田生态系统,比如建立林地草地以缓冲防护带,完善树篱、植物篱、沟渠网络系统,大力推广稻→鱼→萍、禽→鱼→蚌、桑→蚕→鱼的等综合模式的人工生态系统。[9]
4.4.6通过综合运用数字化技术,研究农作物生产系统中信息获取、处理、管理和利用的关键技术及应用,从而对农作系统过程的信息流实现全面的数字化表达和整合的农作管理系统[10]
4.5  加强治理工业废水和生活污水
    对来自城镇建筑群的生活污水应修建与完善下水道系统,以截流输送到污水处理厂进行集中脱氮除磷;对来自零散分布的建筑物,与下水道距离较远不可能送至城市污水厂的应修建如化粪池、地下土壤渗滤处理系统等,也可采用稳定塘或湿地处理系统;对生活污水中的洗涤剂应从产品改革着手,将磷系洗涤剂改为非磷系洗涤剂,从根本上削减磷的排放量。而工业废水应优先选择的对策是,推行清洁生产及生产绿色产品,改进生产工艺,将污染消除于生产过程中;对需要外排的废水,采取必要的脱氮除磷处理,达标后才能外排。
4.6  减少内源性营养物质负荷
内源污染控制主要就污染沉积物中积累与释放的营养物质惊醒控制,一是有意识地组织沉积物中污染物的释放,二是清除污染沉积物。同时对内源污染的控制又应与外源污染结合进行综合治理,可采用人工曝气和底泥疏浚等工程措施,瑞典的Trummen湖,通过疏浚使湖水中的磷含量减少了90%,平均生物量从75mg/L减少至10mg/L[11]
5  治理好滇池,造福春城
  滇池,我们的“高原明珠”! 2009年7月25日是滇池生态环境保护历史重要里程碑。这一天,胡锦涛总书记视察滇池,并对滇池治理作出重要指示。“不管怎样,滇池是昆明的母亲湖,要下决心把滇池污染治理搞得更好些更快些。”加快经济发展是政绩,保护好生态环境是更大的政绩。总书记叮嘱随行的各级干部,“要按照生态文明建设的要求,下大气力降低能源消耗,降低污染排放,让良好的生态环境成为云南可持续发展的宝贵资源和财富。”
我们每一个市民都集合着四种社会角色。首先,市民在生产生活中都不可避免地产生了污染物,是滇池的污染者;其次,滇池污染必然使市民的生活环境质量受到一定程度的影响,是滇池污染的受害者;再次,对于滇池的污染,每一位生活在这片土地上的市民都不能袖手旁观,是滇池保护和治理的责任者。同时,滇池是云南的品牌,昆明的形象,治理好滇池,极大的改善昆明的人居环境,每个市民又是滇池治理的受益者。
我们每一个市民在工作、学习、生活和娱乐中都能通过文明、环保的言行,参与到保护滇池,保护入湖河道的行列中来,大家可以尽量做到:节约每一滴水、一水多用,不使用一次性用品,不乱扔乱倒垃圾,不乱排污水,监督和及时制止污染滇池和入湖河道的行为等。学习借鉴大理洱海水污染治理治理的成功经验,结合滇池实际,探索出一条适合滇池治理的成功之路。要发动群众尊重自然规律,转变生产、生活方式,变更完善产业格局,创新体制和机制,多渠道筹措资金,加大宣传力度,树立全民环保意识,打一场滇池水污染治理的人民战争,从根本上解决滇池流域面源污染的问题。
    治理滇池,是一项长期艰巨的系统工程,相信在党中央、国务院、省委、省政府的关心、支持下,在市委、市政府的领导下,通过全昆明上下一心治理,“高原明珠”一定能重现光彩!
 

参考文献
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3.Boers.P.C.M.Nutrient Emissions from Agriculture in the Netherlands.
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5.秦伯强.太湖水环境面临的主要问题、研究动态与初步进展[J].湖泊科学,1998,10(4):1~9
6.卢少勇等.滇池内湖滨带底泥的有机质分布规律《湿地科学》 2009年02期
7.陈文英,毛致伟,沈万斌,等.农业非点源污染环境影响及防治[J].北方环境,2005.4,30(2):43~45.
8.谢礼国,郑怀礼.湖泊富营养化的防治对策研究[J].世界科技研究与发展,2004.26(2):7~11.
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10.曹卫星,朱 艳,田永超,等.数字农作技术研究的若干进展与发展方向[J].中国农业科学,2006,39(2): 281~28
11.孙亚敏,董曼玲,汪家权,等.内源污染对湖泊富营养化的作用及对策[J].合肥工业大学学报[自然科学版],2000.23(2):210~213.
 
作者简介
王灿东,男,汉族,1965年11月出生于云南省昆明市,大学学历,毕业于华南热带作物学院。现为昆明市东川区农村能源环境保护监测站高级工程师,东川区农业局农业专家组成员,中国管理科学研究院学术委员会特约研究员,2008年3月被评为昆明市中青年学术技术后备人选。
(曾参加滇池流域污染调查,撰写并发表了“滇池污染治理的原则和主要措施”、“根治滇池污染危害从何着手”、“再论滇池污染危害的治理对策”等系列论文。)
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