CN103425853A - 一种湖泊富营养化控制标准定值及评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种湖泊富营养化控制标准定值及评估方法。该方法由湖泊富营养化状况评价方法计算综合营养状态指数，根据综合营养状态指数将湖泊营养物控制标准分为五级，对湖区的湖泊水库的TN、TP、SD、COD_Mn、Chl.a样本做频率统计分析，将所有采样点的资料根据综合营养状态指数分级建议值归类，分别得到对应的TN、TP、SD、COD_Mn、Chl.a的样本群，针对每个样本群采用SPSS软件得到相应的频率分布，得到标准定值。然后根据标准定值，确定污染物削减量，计算削减成本，考察标准值的社会经济承受度。本发明突破基于湖泊营养物基准制定富营养化控制标准的关键科学问题，为我国湖泊富营养化控制和管理提供依据。

Description

一种湖泊富营养化控制标准定值及评估方法

技术领域

本发明涉及水生态领域的评估方法，特别涉及一种湖泊富营养化控制标准定值及评估方法。

背景技术

防治湖泊富营养化已成为我国湖泊水环境污染控制与管理的主要问题。经过多年的努力，我国在湖泊富营养化和蓝藻水华暴发机理研究，以及湖泊生态修复工程实践方面取得了重要的进展。与发达国家相比较，我国在湖泊富营养化控制和管理方面尚存在不足之处,特别是在湖泊富营养化控制标准研究与实践方面。

目前我国尚未制定湖泊富营养化控制分级标准，这给我国湖泊富营养化问题的识别、评估、管理，乃至营养物负荷的工程削减和有效控制带来了很大难度。尽管国家和地方已经在太湖、滇池和巢湖等投入了大量资金落实治理措施，但由于缺乏湖泊富营养化控制标准作为科学的依据，治理目标不明确，效果也不理想，湖泊富营养化总体状况仍然呈现不断加重的趋势。

随着湖泊富营养化的加剧，藻类水华暴发的频率也越来越高，规模越来越大，可能造成全国范围的湖泊富营养化和水资源灾害，成为制约我国社会和国民经济持续发展的重大环境瓶颈问题；而湖泊富营养化控制分级标准是对湖泊富营养化进行风险评估、科学预防、有效控制和综合管理的科学依据和手段。因此，如何统筹湖泊功能、社会经济和环境管理目标等制定富营养化控制分级标准，并开展标准的应用和达标技术评估，是急需从根本上解决的重大科学问题，湖泊富营养化控制标准研究必将为我国湖泊富营养化防治和综合管理提供关键科学技术支撑。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种湖泊富营养化控制标准定值及评估方法，为我国湖泊富营养化防治和综合管理提供关键科学技术支撑。

为解决上述技术问题，所述的湖泊富营养化控制标准定值及评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）采用国标法测定水体中的TN、TP、SD、COD_Mn、Chl.a;

（2）根据步骤（1）测定的TN、TP、SD、COD_Mn、Chl.a值，计算营养状态指数，计算公式为：

TLI（Chl）=10（2.5+1.086（LnChl））

TLI（TP）=10（9.436+1.624（LnTP））

TLI（TN）=10（5.453+1.694（LnTN））

TLI（COD_Mn）=10（0.109+2.661（Ln COD_Mn））

TLI（SD）=10（5.118-1.94（LnSD））;

（3）根据参数之间的相关关系r_ij及r_ij ²，计算各参数的营养状态指数相关权重W_j:

$W_j={r_{\mathrm{ij}}}^2/\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{r^2}_{\mathrm{ij}};$

参数之间的相关关系r_ij及r_ij ²

参数	Chl.a	TP	TN	CODMn	SD
						rij	1	0.84	0.82	0.83	-0.83
rij 2	1	0.7056	0.6724	0.6889	0.6889

（4）根据上述步骤（2）和步骤（3）得到的值，计算综合营养状态指数，计算公式： $\mathrm{TLI}\left(\mathrm{\Σ}\right)=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{W}_j\×\mathrm{TLI}\left(j\right);$

（5）根据上述步骤（4）得到的值，参照以下评估标准对湖区的水质进行分级：

当TLI(∑)值小于30时，定为Ⅰ级贫营养;

当TLI(∑)值介于[30，50]范围时，定为Ⅱ级中营养;

当TLI(∑)值介于（50，60]范围时，定为Ⅲ级轻富营养;

当TLI(∑)值介于（60，70]范围时，定为Ⅳ级中富营养;

当TLI(∑)值介于大于70时，定为Ⅴ级重富营养;

（6）将所有采样点的资料根据上述步骤（5）分级建议值归类，分别得到对应的TN、TP、SD、CODMn、Chl.a的样本群，针对每个样本群采用SPSS软件得到相应的频率分布图，分别得到了5%、25%、50%、75%、95%频率的统计特征值;

（7）通过比对分析，选取各控制指标的50%频数分布值作为湖泊富营养化控制标准定值，从而得到不同营养分级水平下各控制指标的控制标准定值;

（8）将上述步骤（7）中的TN、TP控制标准定值代入到下面公式中，计算出不同分级的氮、磷水环境容量：

$W=(A\×C_S\×\stackrel{\‾}{Z}\×\frac{Q_C}{V})/(1-R)$

式中：

W——湖泊最大允许容量，t/a;

A——湖泊水面积，km²;

Cs——控制标准，mg/L;

V——湖泊设计体积，m³;

QC——湖泊年出水量，m³/a;

——湖泊平均深度，m;

R——滞留系数， $R={0.426e}^{{-0.274q}_{\mathrm{\ϵ}}}+0.574e^{-0.00949q_{\mathrm{\ϵs}}};q_{\mathrm{\ϵs}}=Q_i/V$

Qi——湖泊年入水量，m³/a;

（9）基于系统动力学模型构建湖区社会经济环境耦合模型，测算湖区污染物的产生量；然后根据富营养化控制目标及上述步骤（8）的计算值，计算污染物削减量，从而估算污染物削减费用，得出环保投入;

（10）采用环保投入占GDP的比例评估控制标准定值的社会经济承受程度：环保投入占GDP的比例超过3%，则不接受控制标准定值，回到步骤（7）重新评估控制标准定值；环保投入占GDP的比例不超过3%，则接受控制标准定值。

本发明湖泊富营养化控制标准定值及评估方法突破基于湖泊营养物基准制定富营养化控制标准的关键科学问题，建立湖泊富营养化控制分级标准技术体系，并选择典型湖泊生态区开展富营养化控制标准研究制定工作，从而在湖泊富营养化控制标准制定的理论体系、技术方法和应用的主要科学问题和关键技术方面取得突破，为我国湖泊富营养化控制和管理提供依据。

具体实施方式

取历年的东部湖区湖泊水库监测数据，并按照以下步骤进行:

（1）采用国标法测定水体中的TN、TP、SD、COD_Mn、Chl.a;

（2）根据步骤（1）测定的TN、TP、SD、COD_Mn、Chl.a值，计算营养状态指数，计算公式为：

TLI（Chl）=10（2.5+1.086（LnChl））

TLI（TP）=10（9.436+1.624（LnTP））

TLI（TN）=10（5.453+1.694（LnTN））

TLI（COD_Mn）=10（0.109+2.661（Ln COD_Mn））

TLI（SD）=10（5.118-1.94（LnSD））;

（3）根据参数之间的相关关系r_ij及r_ij ²，计算各参数的营养状态指数相关权重W_j:

$W_j={r_{\mathrm{ij}}}^2/\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{r^2}_{\mathrm{ij}};$

参数之间的相关关系r_ij及r_ij ²

参数	Chl.a	TP	TN	CODMn	SD
						rij	1	0.84	0.82	0.83	-0.83
rij 2	1	0.7056	0.6724	0.6889	0.6889

（4）根据上述步骤（2）和步骤（3）得到的值，计算综合营养状态指数，计算公式： $\mathrm{TLI}\left(\mathrm{\Σ}\right)=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{W}_j\×\mathrm{TLI}\left(j\right);$

（5）根据上述步骤（4）得到的值，参照以下评估标准对湖区的水质进行分级：

当TLI(∑)值小于30时，定为Ⅰ级贫营养;

当TLI(∑)值介于[30，50]范围时，定为Ⅱ级中营养;

当TLI(∑)值介于（50，60]范围时，定为Ⅲ级轻富营养;

当TLI(∑)值介于（60，70]范围时，定为Ⅳ级中富营养;

当TLI(∑)值介于大于70时，定为Ⅴ级重富营养;

（6）将所有采样点的资料根据上述步骤（5）分级建议值归类，分别得到对应的TN、TP、SD、CODMn、Chl.a的样本群，针对每个样本群采用SPSS软件得到相应的频率分布图，分别得到了5%、25%、50%、75%、95%频率的统计特征值，具体数值见下面表1、表2、表3、表4和表5。

表1TP特征值

表2TN特征值

表3SD特征值

表4COD_Mn特征值

表5Chl.a特征值

通过比对分析，选取各控制指标的50%频数分布值作为湖泊富营养化控制标准定值，从而得到不同营养分级水平下各控制指标的控制标准定值,具体数值见下面表6。

表6基于TLI定值的富营养化控制分级标准建议值

营养分级

标准分级

TLI

TP

TN

CODMn

Chl.a

透明度

贫营养

I

＜30

0.06

1.1

2.2

0.3

63

中营养	II	[30，50]	0.10	1.3	2.8	1.5	39
								轻富营养	III	（50，60]	0.14	2.0	4.8	10.3	34
中富营养	IV	（60，70]	0.27	3.4	5.9	25.0	40
								重富营养	V	>70	0.43	3.7	11.0	119.0	40

将上述表6的TN、TP控制标准定值代入到下面狄龙模型公式中，计算出不同分级的氮、磷水环境容量：

$W=(A\×C_S\×\stackrel{\‾}{Z}\×\frac{Q_C}{V})/(1-R)$

式中：

W——湖泊最大允许容量，t/a；

A——湖泊水面积，km²；

Cs——控制标准，mg/L；

V——湖泊设计体积，m³；

QC——湖泊年出水量，m³/a；

——湖泊平均深度，m；

R——滞留系数， $R={0.426e}^{{-0.274q}_{\mathrm{\ϵ}}}+0.574e^{-0.00949q_{\mathrm{\ϵs}}};q_{\mathrm{\ϵs}}=Q_i/V$

Qi——湖泊年入水量，m³/a。

东部平原湖区湖泊大部分均受到人类活动干扰，目前的水质状况分均达到中营养至富营养阶段。从上海市淀山湖TN、TP水环境容量计算结果得出，狄龙模型可作为东部湖泊TN、TP计算容量模型。本次计算由于数据数据收集的原因，只通过各省主要湖泊TN、TP环境容量，然后根据主要湖泊在各省的面积推算出各省湖泊的TN、TP环境容量。

东部湖区主要15个湖泊面积为11562.25km²，蓄容量为445.75亿m³，当取TN和TP水质标准分别为1.3mg/L和0.10mg/L时，主要湖泊的TN和TP的水环境容量分别约为881414t/a和67801.1t/a。对东部湖区主要15个湖泊的面积与容积分析，目前此15个主要湖泊分别占到东部湖区总量的53.70%和64.88%。因此根据湖泊面积比，当东部湖区的TN和TP水质标准为中富营养级别1.3mg/L和0.10mg/L时，东部湖区所有湖泊TN、TP水环境容量约为1641366t/a和126259t/a；当东部湖区的TN和TP水质标准为轻富营养级别2.0mg/L和0.14mg/L时，东部湖区所有湖泊TN、TP水环境容量约为2558530t/a和179097t/a。各标准值所对应的东部湖区理论环境容量如下表7所示。

表7东部湖区理论环境容量估算

东部湖区的富营养化控制标准制订的是否科学合理可行，需要结合东部湖区社会技术经济的实际情况，进行技术经济分析。本研究以轻度富营养化标准为执行标准，按照环保投入占GDP的比例进行标准实施的可行性进行分析。

20世纪90年代，世界上大多数国家的环境保护投入约占本国GDP的0.5%～2.0%，其中发达国家约为1%～2%，发展中国家约为0.5%～1.0%，个别发达国家个别年份达到3%。许多国际组织和各国环境专家对这一问题进行研究，其结论基本一致，即在现代的生产规模、技术水准和自然资源条件下，只要拿出GDP的1%～1.5%的投资，就可以控制住大部分污染，从而使环境状况保持在一个人们可以接受的水平上。把GDP的2%用于环境保护，就有可能阻止环境恶化的趋势，并使之初步改善。如果要完全拉制这一进程，使环境得到根本改善，则需拿出更多的投资。长期以来，我国城市环境欠账很多，最近几年来，有相当多的重点城市增加了环保投资，城市环境保护投资指数保持在2%～3%之间，甚至更高，使城市环境质量有了明显改善，城市环境基础建设有了长足进步。在“十一五”国家环境保护模范城市考核指标及其实施细则”中规定，环境保护投资指数≥1.7%。如果要较好地解决城市环境问题，在今后相当长一段时间内，城市环境保护投资指数还应努力维持在一个较高的水平上。

根据国内外的经验，本文采用环保投资指数不超过3%来评估标准的社会经济可行性。

2015年

环保投资指数=3672/217265=1.69%

计算结果显示，该指数低于3%，说明标准的实施对当地经济没有影响。

2020年

环保投资指数=3805/290750=1.31%

计算结果显示，该指数低于3%，说明标准的实施对当地经济没有影响。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及其优点。本行业的技术人士应该了解，本发明不受上述实施条例的限制，上述实施条例和说明书中描述的只是用于说明本发明的原理，在不脱离本发明原理和范围的前提下，本发明还可有各种变化和改进，这些变化和改进都属于要求保护的本发明范围内。

本发明要求保护范围同所附的权利要求书及其它等效物界。

Claims (1)

1.一种湖泊富营养化控制标准定值及评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）采用国标法测定水体中的TN、TP、SD、COD_Mn、Chl.a;

（2）根据步骤（1）测定的TN、TP、SD、COD_Mn、Chl.a值，计算营养状态指数，计算公式为：

TLI（Chl）=10（2.5+1.086（LnChl））

TLI（TP）=10（9.436+1.624（LnTP））

TLI（TN）=10（5.453+1.694（LnTN））

TLI（COD_Mn）=10（0.109+2.661（Ln COD_Mn））

TLI（SD）=10（5.118-1.94（LnSD））;

（3）根据参数之间的相关关系r_ij及r_ji ²，计算各参数的营养状态指数相关权重W_j:

$W_j={r_{\mathrm{ij}}}^2/\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{r^2}_{\mathrm{ij}};$

（4）根据上述步骤（2）和步骤（3）得到的值，计算综合营养状态指数，计算公式： $\mathrm{TLI}\left(\mathrm{\Σ}\right)=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{W}_j\×\mathrm{TLI}\left(j\right);$

（5）根据上述步骤（4）得到的值，参照以下评估标准对湖区的水质进行分级：

当TLI(∑)值小于30时，定为Ⅰ级贫营养;

当TLI(∑)值介于[30，50]范围时，定为Ⅱ级中营养;

当TLI(∑)值介于（50，60]范围时，定为Ⅲ级轻富营养;

当TLI(∑)值介于（60，70]范围时，定为Ⅳ级中富营养;

当TLI(∑)值介于大于70时，定为Ⅴ级重富营养;

（6）将所有采样点的资料根据上述步骤（5）分级建议值归类，分别得到对应的TN、TP、SD、CODMn、Chl.a的样本群，针对每个样本群采用SPSS软件得到相应的频率分布图，分别得到了5%、25%、50%、75%、95%频率的统计特征值;

（7）通过比对分析，选取各控制指标的50%频数分布值作为湖泊富营养化控制标准定值，从而得到不同营养分级水平下各控制指标的控制标准定值;

（8）将上述步骤（7）中的TN、TP控制标准定值代入到下面公式中，计算出不同分级的氮、磷水环境容量：

$W=(A\×C_S\×\stackrel{\‾}{Z}\×\frac{Q_C}{V})/(1-R)$

式中：

W——湖泊最大允许容量，t/a;

A——湖泊水面积，km²;

Cs——控制标准，mg/L;

V——湖泊设计体积，m³;

QC——湖泊年出水量，m³/a;

——湖泊平均深度，m;

R——滞留系数， $R={0.426e}^{{-0.274q}_{\mathrm{\ϵ}}}+0.574e^{-0.00949q_{\mathrm{\ϵs}}};q_{\mathrm{\ϵs}}=Q_i/V$

Qi——湖泊年入水量，m³/a;

（9）基于系统动力学模型构建湖区社会经济环境耦合模型，测算湖区污染物的产生量；然后根据富营养化控制目标及上述步骤（8）的计算值，计算污染物削减量，从而估算污染物削减费用，得出环保投入;

（10）采用环保投入占GDP的比例评估控制标准定值的社会经济承受程度：环保投入占GDP的比例超过3%，则不接受控制标准定值，回到步骤（7）重新评估控制标准定值；环保投入占GDP的比例不超过3%，则接受控制标准定值。