CN102646162A - 湖泊营养物基准向标准转化技术 - Google Patents

Abstract

一种湖泊营养物基准向标准转化技术，包括下列各步骤：1)按研究区域不同水体的功能对水体进行分类，每类水体分别对应一种水质标准；2)确定该区域不同水体功能对营养物要求的限值；3)建立专家系统，通过向专家咨询得到不同功能水体最重要的营养物指标信息；并请专家对所研究区域水体若干组有代表性的检测数据进行打分，给出达到功能的可能性；4)建立反映营养物指标与功能可达性之间关系的结构方程模型；通过专家打分的数据，求得不同营养物指标与达到功能可能性之间的关系及对达到用途的可能性影响最大的1～2个指标，得到适合不同等级或者不同水体用途及建立关键指标与用途可达性之间的关系。

Description

湖泊营养物基准向标准转化技术

技术领域

本发明涉及水环境保护领域的一种湖泊营养物标准制定技术。

背景技术

我国目前的湖泊富营养化的管理主要依靠地表水环境质量标准中TN、TP范围的规定。其中，《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)依据地表水域使用功能和保护目标划分为5类功能区，并按照高功能区高要求、低功能区低要求的原则，分别赋予了I类到V类的水质标准。其标准值主要是参考美国的水质基准数据以及美国各州、日本、苏联、欧洲等国家的水质标准确定的。但是由于水生生物区系具有地域性，其它国家的水质基准不能够完全反映中国的水生生物保护的要求，所以如果参考其它国家的水质基准来制定我国的水质标准，将会降低我国水质标准的科学性，导致保护不够或过分保护的可能性。因此，在我国开展基于营养物基准的富营养化控制标准研究是保护湖泊水生态系统、完善和健全水环境基准体系的要求。

水质基准是指环境中污染物对特定对象(人或其它生物)不产生不良或有害影响的最大剂量(无作用剂量)或浓度(USEPA.1980a)，它是水质标准的依据。而标准是综合考虑社会、环境、经济等方面因素后制定的、区域内技术经济可行的、具有法律效力的水环境标准值。美国EPA将全国50个州分为14个生态分区，分别给出由EPA制定的营养物基准。各州在EPA发布的水质基准的基础上，结合各州自然、经济、社会、技术等条件，经过一定的综合分析，制定对于不同指定用途的水体的具有法律效力的营养物标准。美国的标准体系包括基准、指定用途和反降级政策。有些州还在基于水质基准的水质标准基础上制订了污染物排放标准。

目前对于水质基准如何向水质标准转化，并没有标准化的方法。我国对于湖泊营养物基准和标准的制定方法，尚在研究和摸索之中。而我经济发展迅速、人民生活水平不断提高，相应的环境保护措施大发展速度和治理力度不能与之匹配，导致湖泊富营养化问题日益严重，蓝藻、水华现象时有发生，已经成为我国湖泊环境的首要问题。在我国湖泊营养物基准研究的基础上，亟需一种适宜我国国情的、适用于我国不同地区的地理、自然、经济、人文等巨大差异的营养物基准向标准转化的方法。基于环境保护和经济发展的双重考虑，本研究拟采用多目标规划的方法，在营养物基准的基础上，以环境影响最小和区域经济发展最大为目标，寻找合理可行的营养物标准值。

发明内容

营养物基准是基于区域参照状态和营养物效应，制定营养物标准和保障湖泊生态系统健康的重要依据。本发明以基准为出发点，建立区域湖泊功能分级体系，通过数据统计分析、调查调研等方式确定不同功能营养物指标阈值，运用结构方程模型与专家系统相结合的方法，通过湖泊水质指标与达到功能百分数建立区域湖泊功能分级体系及标准建议值。该技术能在区域湖泊营养物基准的基础上，将营养物标准与湖泊功能相联系，对不同功能湖泊营养物标准进行分级，制定标准值。

为实现上述目的，本发明提供的湖泊营养物基准向标准转化技术，主要步骤为：

1)按研究区域不同水体的功能对水体进行分类，每类水体分别对应一种水质标准；

2)确定该区域不同水体功能对营养物要求的限值；

3)建立专家系统，通过向专家咨询得到不同功能水体最重要的营养物指标信息；设计专家打分表，请专家对所研究区域水体若干组有代表性的检测数据进行打分，给出达到功能的可能性；

4)建立反映营养物指标与功能可达性之间关系的结构方程模型；将专家打分表中的数据代入方程，求得不同营养物指标与达到功能可能性之间的关系及对“达到用途的可能性”影响较大的关键指标，得到适合不同等级或者不同水体用途的方程及建立关键指标与用途可达性之间的关系。

所述的按不同水体的功能对水体进行分类是指将水体按用途分为：a自然保护区，b饮用水水源地、珍贵鱼类保护区、鱼虾产卵场，c一般渔业用水区、直接接触的娱乐用水区，d非直接接触的娱乐用水区、航运、防洪，e农业灌溉用水及一般景观水域；与之对应的水质标准为I～V级。

所述的确定该区域不同水体功能对营养物要求的限值是通过收集所研究区域多年水质、环境、生态、社会经济数据，展开调研，同时查阅科技文献，通过统计学、调研等方法确定得到不同水体功能对营养物要求的限值。

所述的通过向专家咨询得到的不同功能水体最重要的营养物指标信息包括：①所选湖泊所适宜的用途、②在富营养化指标中此种用途最重要的影响因素、③可以表述此种因素的常用营养物指标、④此指标的关键转折点(能与不能达到用途的转折点)和⑤所调查湖泊的营养状态。

所述的结构方程模型为：

y₁＝λ₁₁x₁+λ₁₂x₂+λ₁₃x₃+σ₁

y₂＝λ₂₁x₁+λ₂₂x₂+λ₂₃x₃+σ₂

y₃＝λ₃₁x₁+λ₃₂x₂+λ₃₃x₃+σ₃

z＝η₁x₁+η₂x₂+η₃y₁+η₄y₂+η₅y₃+η₆y₄+η₇y₅+ε

其中：x₁，TN浓度；x₂，TP浓度；x₃，温度；y₁，透明度；y₂，叶绿素a；y₃，DO；y₄，pH；y₅，COD_Mn；Z，达到用途的可能性。ξ、λ、η为回归系数。

本发明能得到适合不同等级或者不同水体功能的方程及建立关键指标与用途可达性之间的关系，因此能够在区域湖泊营养物基准的基础上，将营养物标准与湖泊功能相联系，对不同功能湖泊营养物标准进行分级，制定标准值。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的湖泊营养物基准向标准转化技术示意图；

图2为本发明的结构方程模型图；

图3为实施例一中泸沽湖结构方程模型图；

图4为泸沽湖Chl-a浓度与达到用途的可能性之间的关系。

具体实施方式

图1为湖泊营养物基准向标准转化技术示意图。

本发明包括以下步骤：

1、湖泊功能分级

分析区域水体特征，并参照现有水环境功能区划，将水体分为：a自然保护区，b饮用水水源地、珍贵鱼类保护区、鱼虾产卵场，c一般渔业用水区、直接接触的娱乐用水区，d非直接接触的娱乐用水区、航运、防洪，e农业灌溉用水及一般景观水域。与之对应的水质标准为I～V级。

该分级方法可以用于国内所有湖泊水库的划分。该分级方法是结合地表现有水功能区划进行的分级，是一种比较适合目前我国湖泊水体功能划分现状的分级方法。

2、指标筛选

选取TP、TN作为本研究的基本控制指标，对于不同用途的水体，通过接下来的专家系统筛选出其余关键指标，并最终确定标准值。

湖泊的营养物基准指标主要包括营养物变量(磷、氮)、生物学变量(有机碳、叶绿素a、透明度、溶解氧、大型植物、生物群落结构)和流域特征(土地利用)等。能够反映湖泊营养状态的变量很多，但只有部分指标可用于评价营养状态，不同国家和地区所选取的指标也各不相同。我国湖泊营养物基准的营养物基准指标为TP、TN、Chl-a、SD。本发明采用统计学方法与专家系统相结合的方法，因TP、TN为引起湖泊富营养化的原因变量，所以选取TP、TN作为本研究的基本控制指标，对于不同用途的水体，通过专家系统筛选出其余关键指标，并最终确定标准值。

3、不同功能营养物阈值的确定

收集所研究区域多年水质、环境、生态、社会经济数据，展开调研，同时查阅科技文献，通过统计学、调研等方法，确定该区域不同水体功能对营养物要求的限值。阈值的确定方法多种多样，本发明所采用非人方法具有科学、客观的特点，与后续专家系统结合可以弥补专家系统过于依靠专家主观判断的缺陷。

不同功能的阈值的确定方法如下：

①自然保护区是典型的自然资源水体，水质接近自然状态，所以自然保护区采用湖区营养物基准作为阈值；

②饮用水水源地采用多年水质和水源地地区健康数据建立消化系统疾病与营养盐之间的剂量反应关系来确定人体饮用安全的营养盐阈值；

③珍贵鱼类保护区、鱼虾产卵场、一般渔业用水采用多年水质数据与生态数据分别建立区域有代表性的珍贵鱼类、一般鱼类生物量、种群数等生态指标与营养物之间的关系，得到适宜不同鱼类生存的营养盐阈值；

④直接接触的娱乐用水区、非直接接触的娱乐用水区、航运、防洪、农业灌溉用水及一般景观水采用文献查阅的方法确定阈值。

4、专家系统

专家系统包括专家咨询和专家打分两部分。

对于不同功能能等级的水体，分别邀请对被调查湖泊非常了解，并常年从事湖泊及富营养化相关研究，或长期参与当地湖泊调查、监测和评价工作的专家，描述所选湖泊所适宜的用途、在富营养化指标中此种用途最重要的影响因素，并对给出的若干组有代表性的监测数据，判断其达到湖泊用途的可能性，对湖泊的功能、水质标准进行评价。

第一步：专家咨询。邀请专家进行面谈或者电话咨询。请专家描述①所选湖泊所适宜的用途、②在富营养化指标中此种用途最重要的影响因素、③可以表述此种因素的常用营养物指标、④此指标的关键转折点(能与不能达到用途的转折点)、⑤所调查湖泊的营养状态。

第二步：专家打分。在专家打分表中给出所调查湖泊的若干组(数量见数据选择部分)有代表性的监测数据，针对在假设有100个湖泊的水质指标平均值为其中某组数据的前提下，请专家判断此假定的100个湖泊中有多少个湖泊能够达到该湖泊的指定用途，此数字作为这一组监测数据达到湖泊用途的可能性。请专家依次对每一组数据进行判断，给出达到功能的可能性。

专家调查表的制定：

①湖泊选择：考虑湖泊面积、流域面积、蓄水量等因素，筛选每个功能类型下的重点湖泊。根据湖区具体情况确定重点湖泊数量。原则上每种功能类型不少于5个湖泊。

②制定专家调查表：制定专家打分表，表内提供的湖泊信息包括湖泊基本信息(名称、位置)和监测数据。由专家填写内容为①湖泊用途，②达到该用途的关键指标，③对每组监测数据能达到所选定用途的可能性(0～100之间的数字)。专家调查表见表1。

③数据选择：依据湖泊情况确定调查表中给定监测数据数量。建议重点调查湖泊监测数据数量不少于50个，一般调查湖泊数据不少于10个；可以根据现有湖泊监测数据情况适当增减。保证每种功能下数据总数不少于200个；数据应有代表性，覆盖该功能湖泊监测值的整个范围；应包括不同季节数据，依据湖区特征，富营养化高发季节的数据应占到60％及以上比例；打分表内水质数据指标依湖区监测数据情况不同可以适当调整，但至少包括总氮(TN)、总磷(TP)、叶绿素a(CHl-a)、透明度(SD)、高锰酸盐指数(COD_Mn)、溶解氧(DO)。

④专家的选择：每种功能等级的湖泊选择专家数不少于5个。同一湖区不同功能等级湖泊的调查可选择同一组专家(参阅表1)。

5、结构方程模型

(1)结构方程模型

通过结构方程模型，根据专家打分结果建立营养物指标与湖泊用途可达性之间的关系。模型见图2，方程见式1-式4。将步骤3中确定的营养物阈值代入，判断其达到指定用途的可能性，并最终给出标准推荐值。结构方程模型的具体方程式因所掌握的监测指标、监测数据的多少以及专家的判断水平不同而略有区别，可以在执行中根据实际情况做适当的调整。

(2)确定营养物标准

将专家打分表中的数据带入方程，求得不同营养物指标与达到功能可能性之间的关系，得到对“达到用途的可能性”影响较大的关键指标。调整模型，得到适合不同等级或者不同水体用途的方程。

建立关键指标与用途可达性之间的关系，将不同等级下营养物阈值带入，求得改营养物水平下达到指定用途的可能性。如果达到用途的可能性大于80％，则将此阈值作为营养物标准，如果不能达到80％，则通过关键指标与用途可达性之间的关系，求得可以80％达到可能性的营养物指标值，作为该等级的营养物标准值。

实施例一

以云贵高原湖区(以下简称云贵湖区)泸沽湖为案例。泸沽湖位于云南省与四川省交界处，为云贵湖区一类水体，参照云南省水环境功能区划，其用途为省级自然保护区。参照“我国湖泊营养物基准和富营养化控制标准研究”课题给出的云贵湖区营养物基准，其营养物阈值为TN：0.2mg/L，TP：0.01mg/L，Chl-a：2.0mg/L，SD：5.5m。

收集云贵湖区多年监测数据，制作专家打分表并邀请专家对其进行打分。

建立结构方程模型，如式1～式4：

y₁＝λ₁₁x₁+λ₁₂x₂+λ₁₃x₃+σ₁    式1

y₂＝λ₂₁x₁+λ₂₂x₂+λ₂₃x₃+σ₂    式2

y₃＝λ₃₁x₁+λ₃₂x₂+λ₃₃x₃+σ₃    式3

z＝η₁x₁+η₂x₂+η₃x₃+η₄y₁+η₅y₂+η₆y₃+η₇y₄+η₈y₅+ε    式4

其中：x1，TN浓度；x2，TP浓度；x3，温度；y1，透明度；y2，叶绿素a；y3，DO；y4，pH；y5，CODMn；Z，达到用途的可能性。ξ、λ、η为回归系数，δ、σ、ε为误差。

将专家打分结果代入方程，进行计算并修正，修正后的模型方程见图3，方程式见式5～式7，结果见表2。

y₁＝λ₁₂x₂+λ₁₃x₃+σ₁            式5

y₂＝λ₂₂x₂+λ₂₃x₃+σ₂            式6

z＝η₁x₁+η₄y₁+η₅y₂+η₆y₃+ε    式7

由图3及表2可知，对本例中指定用途可达性影响最大的指标是Chl-a，其对“达到用途的可能性”的效应分别为-0.94，远大于其它指标(TN：-0.055；DO：0.149；SD：-0.161)。所以Chl-a为影响水体达到自然保护区用途的关键指标。

以达到功能的可能性对Chl-a作图，见图4。

将阈值代入，得到Chl-a：2.0mg/L时，对自然保护区的用途可达性约为97.5％，大于80％，认为该阈值可以作为泸沽湖营养物标准。

表1专家打分表示例

表2达到用途的可能性与影响因子之间的效应关系

影响因子	效应值
		Chl-a	-.941
TN	-.055
		DO	.149
SD	-.161

注：其中效应值为正值时表示随着影响因子增大，达到浓度的可能性增大；效应值为负值时表示随着影响因子增大，达到浓度的可能性减小。

Claims (5)

1.一种湖泊营养物基准向标准转化技术，其特征在于：该技术包括下列各步骤：

1)按研究区域不同水体的功能对水体进行分类，每类水体分别对应一种水质标准；

2)确定该区域不同水体功能对营养物要求的限值；

3)建立专家系统，通过向专家咨询得到不同功能水体最重要的营养物指标信息；并请专家对所研究区域水体若干组有代表性的检测数据进行打分，给出达到功能的可能性；

4)建立反映营养物指标与功能可达性之间关系的结构方程模型；通过专家打分的数据，求得不同营养物指标与达到功能可能性之间的关系及对达到用途的影响最大的1～2种指标，得到适合不同等级或者不同水体用途及建立关键指标与用途可达性之间的关系。

2.如权利要求1所述的技术，其特征在于：步骤1)中所述的按不同水体的功能对水体进行分类是指将水体按用途分为：

a自然保护区；

b饮用水水源地、珍贵鱼类保护区、鱼虾产卵场；

c一般渔业用水区、直接接触的娱乐用水区；

d非直接接触的娱乐用水区、航运、防洪；

e农业灌溉用水及一般景观水域；

与之对应的水质标准为I～V级。

3.如权利要求1所述的技术，其特征在于：步骤2)中所述的确定该区域不同水体功能对营养物要求的限值是通过收集所研究区域多年水质、环境、生态、社会经济数据，展开调研，同时查阅科技文献，通过统计学、调研方法确定得到不同水体功能对营养物要求的限值。

4.如权利要求1所述的技术，其特征在于：步骤3)中所述的通过向专家咨询得到的不同功能水体最重要的营养物指标信息包括：

①所选湖泊所适宜的用途、②在富营养化指标中此种用途最重要的影响因素、③可以表述此种因素的常用营养物指标、④此指标的关键转折点和⑤所调查湖泊的营养状态。

5.如权利要求1所述的技术，其特征在于：步骤4)中所述的结构方程模型为：

x₁＝ξ₁x₂+δ₁

x₂＝ξ₁x₁+δ₂

y₁＝λ₁₁x₁+λ₁₂x₂+λ₁₃x₃+σ₁

y₂＝λ₂₁x₁+λ₂₂x₂+λ₂₃x₃+σ₂

y₃＝λ₃₁x₁+λ₃₂x₂+λ₃₃x₃+σ₃

z＝η₁x₁+η₂x₂+η₃y₁+η₄y₂+η₅y₃+η₆y₄+η₇y₅+ε

其中：x₁，TN浓度；x₂，TP浓度；x₃，温度；y₁，透明度；y₂，叶绿素a；y₃，DO；y₄，pH；y₅，COD_Mn；Z，达到用途的可能性。ξ、λ、η为回归系数。

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