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湖泊控藻水质目标过程分湖管理技术体系——中国环境科学研究院水专项创新成果

2017-11-15

尽管2015年前后太湖、滇池、巢湖等重点湖泊的主要营养物浓度已下降到20世纪80年代末90年代初的水平(回到25年前的水平),但总磷(总氮)浓度的恢复并未实现叶绿素a的同步下降,出现了迟滞(叶绿素a修复过程相位落后于总磷的回落过程的延时,坚持减污可恢复)、时滞(受草藻跃迁、不利的温度跃迁及水文跃迁等产生的恢复限制,存在一定程度的不可逆性)、逆滞(受不利温度跃迁、水文跃迁等产生的恢复限制,较长时间趋势性的总磷浓度下降叶绿素a抬升过程,存在较大程度的不可逆性)等不同程度的不可逆现象,藻华灾害仍未缓解到预期水平,形成“越治越污”的尴尬现象。

从2013年开始,中国环境科学研究院水环境研究所河流与海岸带创新基地在“十二五”国家水体污染控制与治理重大专项“流域水环境监控预警技术与综合管理示范”——“太湖流域水环境管理技术集成综合示范”综合示范项目的支持下,开展了“太湖流域水质目标管理示范效果评估与湖泊型流域技术集成推广”研究。课题紧密围绕构建湖泊型流域水质目标管理技术体系的现实需求,依据“分区、分类、分级、分期”的流域水环境管理思路,开展水质目标管理技术体系实施效果的全过程评估分析,优化水质目标管理技术体系系统结构和适用条件,实现水质目标管理关键技术的规范化、标准化、模式化,形成水质目标管理的技术库和配套政策库。课题在集成过程中针对目前湖泊富营养化营养物水质目标管理的突出问题,重点进行了背景环境因子发生不利趋势变化的情况下营养物承载力下降问题的研究,研发了营养物水质目标过程管理的技术方法,以分湖的控藻过程水质目标的适应性管理应对气候变暖、水文调控等趋势变化带来的冲击。

一、创新成果

以针对性的有效控制富营养化为核心,在借鉴国外水环境管理先进理念和方法的基础上,探索建立了一套更具普适性、科学合理的湖泊水质目标适应性管理体系,提出了多个分湖营养盐与藻类过程性水质目标的识别、诊断、评估、预估的技术工具,包括返贫路径识别技术、湖库富营养化综合评价方法-变权综合营养状态指数法(TLIcw)、湖库富营养化综合评价方法-营养足迹指数法(TFI、TFIcw)、富营养化湖库控藻营养物水质目标过程管理的弱时序概率定标和强时序低通滤波轨线定标、富营养化治理效率评估等关键技术。通过不同湖泊案例识别的“返贫路径范式”,可应用推广到各类湖泊藻型富营养化水质目标的适用性管理中,可有效地减低入湖氮磷总量削减的盲目性,提高补水工程效果的有效性及确定过程目标的合理性。提出了应对背景环境因子趋势性变化的管理需求。

研究提出的湖泊控藻水质目标过程分湖管理技术体系,以分湖(全湖或重要湖区)营养物过程定标管理为目标,可以排除多湖系统定标较高的不确定性,排除历史数据定标可能带来的偏差,识别背景环境因子的趋势贡献,将各种已知及未知背景环境因子的影响包含在营养物产藻系数的变动过程中,充分考虑时程变化,对路径依赖及某种程度不可逆过程进行识别。对富营养化湖泊的恢复可实现较一般方法更精准的管理。

二、成果特色

1.提出将叶绿素a列为主控指标(依使用功能分类确定),实施总磷、总氮的分区标准。历史资料较长的湖泊依据使用功能建立总磷(总氮)的分湖标准,可解决“依法被污染(如总氮劣Ⅴ类藻类超贫)”和“被依法污染”(如营养物达标藻华成灾)的两大错位定标问题,逐步实现从“全国一标”“多湖一标”到“一湖一标”的转变。

2.建立的营养物双概率定标及轨线滤波定标方法,可用于历史资料较长湖泊的管理。通过跟踪识别背景环境因子趋势变化对叶绿素a与营养物的响应关系的影响,依据叶绿素a标准,确定营养物过程水质目标,实现营养盐水质目标从“静态管理”到“动态管理”、“一湖一标”到“一湖多标”的转变。可解决具体湖泊叶绿素a对营养物的响应模式转变导致营养物水质目标 “静态管理”失效的问题。

3.建立的湖库富营养化综合评价方法TLIcw(群湖模式)和TFIcw(分湖模式),通过采用叶绿素a、总磷、总氮3个指标确定显势及潜势富营养化水平,最终的评价水平由显势及潜势富营养化水平的高者决定,使评价结果更具防灾的指导意义。

4.建立营养足迹指数法(TFI),借助低通轨线滤波技术可以对叶绿素a与营养物浓度的轨线进行拐点识别轨迹,划分出不同的响应阶段,识别不同阶段符合功能区叶绿素a目标要求的营养物浓度标准,营养物的TFI值用于不同阶段的承载水平的评估,并可与其他湖泊的TFI值做比对。该方法的突出优势是可以在富营养化湖泊“返贫路径”中的非响应关系段进行适当的预估和评价,这是现有方法无法实现的。

5.建立富营养化治理绩效评估方法,采用视在效率(治理过程前后叶绿素a的减量)、实在效率(减污工程对叶绿素a的减量贡献)、潜在效率(背景环境因子对叶绿素的减量贡献)的解析方法,分析背景环境因子发生趋势变化时,如何从视在效率中看到减污工程的实在效率,识别实在效率与潜在效率的相对变化,从而不会因视在效率低而否认减污过程的贡献,也不会因视在效率高而夸大减污过程的贡献。

三、推广应用前景

研究成果在国内外数十个湖泊的“返贫路径”的逐一分析及过程概率定标中,体现了很好的适用性及水质目标的跟踪特性,可以较早发现湖泊营养物承载力的趋势变化并有较好的稳定性。因此,“太湖流域水质目标管理示范效果评估与湖泊型流域技术集成推广”的研究成果“湖泊控藻水质目标过程分湖管理技术体系”可以实现富营养化湖泊控藻营养物水质目标精准跟踪及适应性管理。

专家简介

富国,中国环境科学研究院水环境研究所河流与海岸带创新基地研究员,在环境水力学、水质数值模拟,水环境整治规划方面具有三十多年的经验,研究涉及感潮河流、河网、湖泊、水库、海洋的离散特征分析,河道整治工程的水质变化特征分析,跨流域调水工程的水环境容量变化分析,污水海洋处置工程的近区模拟分析,排污混合区分析,海域及河流水环境容量估算及容量分配方法研究等。近年来的主要研究方向是河流污染物入海通量的估算技术,海域及流域污染物总量控制的合理性分配原则及方法,水环境容量分析中的设计水文条件选择方法、富营养化敏感分级及分区方法,富营养化湖泊“返贫路径”识别、营养物过程水质目标跟踪及承载力变动跟踪等。