CN103902850B - 一种获得湖泊营养物标准值的方法 - Google Patents

Abstract

一种制定湖泊营养物标准的方法，其步骤为：1）按研究区域不同水体的功能对水体进行分类和分级，确定研究区域不同等级水体对应的营养物上下限值；2）计算营养物的富营养化负荷；3）建立优化模型，通过富营养化负荷最低和经济发展最快为目标的多目标优化，得到适合不同等级或者不同水体用途的最优化营养物标准值。

Description

一种获得湖泊营养物标准值的方法

技术领域

本发明涉及水环境保护领域，具体涉及一种获得湖泊营养物标准值的方法。

背景技术

水生生物区系具有地域性，不同区域的湖泊根据其地理、气候、水力等条件的不同，其水生态情况呈现出不同的区域特征，导致同样的营养物水平下富营养化程度呈现出巨大差异。营养物基准反应了区域水环境特征，是营养物标准制定的依据。另一方面区域社会经济发展也给区域湖泊的水力、水质及水生态带来很大的影响，同时，营养物标准的实施又会对经济带来一定的反作用，主要体现在较严格的标准实施对经济发展的制约，以及污染治理的成本方面。营养物标准的制定需要在营养物基准的基础上综合考虑社会、环境、经济等方面因素，确保区域内技术经济可行。

近年来美国和欧盟及其它发达国家大力推进湖泊营养物标准研究。其中美国最早进行水体营养物基准和标准研究。美国EPA推荐的制定营养物基准标准的方法主要有参照状态法、压力响应关系法、沉积物历史反演法和预测或外推模型法。此外美国各州制定营养物标准的方法还有专家判断法、结构方程模型法、水生态学及毒理学分析方法等。

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对TN、TP浓度的规定。该标准是一个全国范围的统一标准，考虑到了不同水体功能对水质的不同要求，但是没有考虑到区域差异性。我国基于区域差异和湖泊营养物基准的标准研究尚在摸索之中。郑炳辉等(2009)采用频数分布统计的方法提出了太湖的营养物标准，陈艳卿等(2011)采用概率密度分布曲线和回归分析的方法提出了洱海的营养物标准，揣小明(2011)通过概率统计和卡尔森模型相结合的方法得出不同湖区的28个湖泊总磷的基准和标准。陈晓华(2011)等采用概率密度曲线及回归分析的方法，对云贵湖区洱海TP、TN、SD和Chl-a的标准建议值。以上研究均采用基于湖泊水质数据的统计分析方法，缺少对水质与功能关系的考虑。纪丹凤等(2013)采用结构方程模型与专家系统相结合的方法给出了云贵湖区饮用水源地保护区湖泊营养物标准，此方法建立了水体功能与水质指标之间的关系，但是忽略了经济发展因素。

云贵湖区地处祖国的边陲，经济欠发达，农业经济是当地经济的主线。大力发展经济是提高人民生活水平的迫切需要。但是近年来其经济发展给湖泊水环境带来了很大的压力，部分水质良好的湖泊，其入湖点源和非点源污染迅速增长，存在富营养化的趋势。所以在云贵湖区建立标准需同时考虑经济发展和环境保护的双重需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种获得湖泊营养物标准值的方法，拟采用多目标优化的方法，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快为目标，寻找合理可行的营养物标准值。

为实现上述目的，本发明提供的获得湖泊营养物标准值的方法，其步骤为：

1)按研究区域不同水体的功能对水体进行分类和分级，确定研究区域不同等级水体对应的营养物上下限值；

2)计算营养物的富营养化负荷；

3)建立优化模型，通过富营养化负荷最低和经济发展最快为目标的多目标优化，得到适合不同等级或者不同水体用途的最优化营养物标准值。

所述的方法中，步骤1中对水体进行分类是将水体分为自然保护区、饮用水源地保护区、鱼类保护区、鱼虾产卵场、娱乐用水区、航运、防洪农业灌溉用水和一般景观水；对水体进行分级是将所述分类的水体相对应的营养物分为Ⅰ～Ⅴ级水质标准；通过统计学、毒理学、生态学方法得到各级水质标准的上下限值。

所述的方法中，营养物为氮和磷。

所述的方法中，步骤2是采用基于当量因子的环境负荷计量方法，计算公式为：

式中：

EL为环境负荷总量；

m_j为排放的第j类污染物的量，kg；

p_j为污染物对环境影响贡献的潜力的大小，是以一个参照物为基准的相对量，即当量因子，kg/kg参照物。

所述的方法中，步骤3建立的优化模型为：

A、经济目标：

a)经济增长最大：

b)治理费用最小：

B、环境目标：

EP_TP(i,t)＝Q_TP(i,t)×EF_TP＝α_t×GDP×a_i,t％×(1+b_i,t％)ⁿ×EF_TP

EP_TN(i,t)＝Q_TN(i,t)×EF_TN＝β_t×GDP×a_i,t％×(1+b_i,t％)ⁿ×EF_TN

C、约束条件：

a)经济约束：

b)环境约束：

其中：

f_i,t：第t年第一、二、三产业增加值；

f₄：水污染治理费用；

QTP_t：总磷的入湖总量；

QTN_t：总氮的入湖总量；

W_i,t：第t年第一、二、三产业污水及生活污水处理量；

CC_i,t：污水处理设施建设成本；

CO_i,t：污水处理设施运行成本；

EP_TP(i,t)：总磷产生的富营养化负荷；

EP_TN(i,t)：总氮产生的富营养化负荷；

Q_TP(i,t)：第t年一二三产业或生活污水中TP排放量；

Q_TN(i,t)：第t年一二三产业或生活污水中TN排放量；

EF_TP：总磷的富营养化当量因子；

EF_TN：总氮的富营养化当量因子；

a_i,t％：第t年,第i产业在三次产业中所占比例；

b_i,t％：第t年,第i产业增加值增长系数；

α_t：第t年单位增加值总磷排放系数；

β_t：第t年单位增加值总氮排放系数；

P_t：第t年区域人口总数；

M_t：第t年适宜当地发展水平的人均GDP；

S：区域营养物基准；

LM：对应水体功能的营养物允许最大浓度；

DC：区域环境容量。

本发明通过建立区域湖泊功能分级体系，采用基于区域环境负荷的当量因子法，计算不同指定用途的湖泊流域的氮、磷导致的区域湖泊富营养化负荷。采用多目标优化的方法，寻找满足功能需要、保证区域经济发展、同时使区域富营养化负荷最小的TN、TP值。从而得到营养物分级标准的建议值。

附图说明

图1为本发明的方法示意图。

具体实施方式

为实现上述目的，本发明提供的获得湖泊营养物标准值的方法，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、分级，确定研究区域不同等级水体对应的营养物上下限值；

所述的按不同水体的功能对水体进行分类、分级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工业用水、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。

所述不同功能水体的营养物上下限值确定方法为：

①自然保护区采用“0”为下限，湖区营养物基准作为上限；

②饮用水水源地保护区采用“0”为下限，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物浓度之间的剂量反应关系来确定人体饮用安全的营养物浓度阈值为上限；

③珍贵鱼类保护区、鱼虾产卵场、采用“0”为下限，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生物量、种群数等生态指标与营养物浓度之间的关系，得到适宜不同鱼类生存的营养物浓度阈值为上限；

④一般渔业用水采用区域营养物基准为下限，采用多年水质数据与生态数据分别建立区域有代表性的经济鱼类产量及渔业产值等生经济指标与营养物浓度之间的关系，得到适宜渔业生产的营养物浓度阈值为上限；

⑤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。

⑥在同一标准等级下包含不同功能的水体，且不同功能分类的阈值不同时，采用其中最严格的数字作为其上下限。

2)计算营养物(氮、磷)的富营养化负荷

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，但其原因变量主要是氮和磷。本发明中采用基于当量因子的环境负荷计量方法，根据不同环境干扰因子(氮、磷)对同一种环境影响类型(富营养化)的相对贡献大小来进行计量。

根据当量因子理论，富营养化基准为NO^3-。TN和TP的当量因子分别为4.43和32。经过污染源调查得到湖泊的TN和TP的入湖量，通过当量因子将其转换为总的富营养化负荷。

所述计算营养物(氮、磷)的富营养化负荷的计算公式为：

式中：EL为环境负荷总量；m_j为排放的第j类污染物的量，kg；p_j为污染物对环境影响贡献的潜力的大小(以一个参照物为基准的相对量，即当量因子，kg/kg参照物)

3)建立基于区域环境负荷理论的多目标优化模型

所述优化模型为以步骤1)中确定的不同等级水体上下限值值为边界，采用基于区域环境负荷理论的多目标优化模型获得标准的最优值。根据由当量因子法计算出的湖泊流域的氮、磷导致的区域湖泊富营养化负荷，采用多目标优化的方法，寻找在营养物基准的基础上、满足功能需要、保证区域经济发展，同时使区域富营养化负荷最小的TN、TP值(即以区域经济增长最快、富营养化负荷最小的多目标优化模型)，从而得到富营养化控制分级标准的建议值。

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。

图1为一种基于多目标优化获得湖泊营养物标准值的方法的示意图。

本发明包括以下步骤：

1、按研究区域现有水环境功能区划以及水质现状调查，按照水体的功能和水质情况对水体进行分类、分级，收集所研究区域多年水质、环境、生态、社会经济数据，通过统计学、毒理学、生态学等方法确定研究区域不同等级水体对应的营养物上下限值。

2、计算营养物(氮、磷)的富营养化负荷

在所选择的湖泊流域进行区域经济及污染源调查，收集5～10年人口、环境、经济数据，计算区域排污系数及污染物排放量，建立经济发展-营养物入湖量-湖泊营养物浓度响应关系方程，采用基于区域环境负荷理论的当量因子法计算流域的TN、TP的环境影响负荷方程。

3、建立基于区域环境负荷理论的多目标优化模型

建立以区域经济发展最快、治理成本最低为经济目标，以区域富营养化负荷最小为环境目标的多目标优化模型，求解能同时满足经济发展和环境保护的营养物标准值。

分析区域经济数据，了解区域经济发展水平、发展速度及产业结构，得出经济发展目标方程；结合步骤2中的环境数据、排污系数，计算营养物削减成本，得出治理成本的目标方程；根据步骤2中的环境影响负荷方程，得出环境目标方程。

求解模型，得出营养物标准值。

采用的多目标优化模型为：

A、经济目标：

a)经济增长最大：

b)治理费用最小：

B、环境目标：

EP_TP(i,t)＝Q_TP(i,t)×EF_TP＝α_t×GDP×a_i,t％×(1+b_i,t％)ⁿ×EF_TP

EP_TN(i,t)＝Q_TN(i,t)×EF_TN＝β_t×GDP×a_i,t％×(1+b_i,t％)ⁿ×EF_TN

C、约束条件：

a)经济约束：

b)环境约束：

其中：

f_i,t：第t年第一、二、三产业增加值；

f₄：水污染治理费用；

QTP_t：总磷的入湖总量；

QTN_t：总氮的入湖总量；

W_i,t：第t年第一、二、三产业污水及生活污水处理量；

CC_i,t：污水处理设施建设成本；

CO_i,t：污水处理设施运行成本；

EP_TP(i,t)：总磷产生的富营养化负荷；

EP_TN(i,t)：总氮产生的富营养化负荷；

Q_TP(i,t)：第t年一二三产业或生活污水中TP排放量；

Q_TN(i,t)：第t年一二三产业或生活污水中TN排放量；

EF_TP：总磷的富营养化当量因子；

EF_TN：总氮的富营养化当量因子；

a_i,t％：第t年,第i产业在三次产业中所占比例；

b_i,t％：第t年,第i产业增加值增长系数；

α_t：第t年单位增加值总磷排放系数；

β_t：第t年单位增加值总氮排放系数；

P_t：第t年区域人口总数；

M_t：第t年适宜当地发展水平的人均GDP；

S：区域营养物基准；

LM：对应水体功能的营养物允许最大浓度；

DC：区域环境容量。

实施例一

(1)以云贵湖区某湖泊为例，其用途为自然保护区，一类水体。根据云贵湖区营养物基准，其标准下限值为“0”，上限值为TN：0.2mg/L，TP：0.01mg/L。

(2)收集5年来流域人口、经济、环境数据，计算TN、TP入湖系数，建立经济发展-营养物入湖量-湖泊营养物浓度响应关系方程，采用基于区域环境负荷理论的当量因子法计算TN、TP的湖泊富营养化负荷。

(3)通过优化模型，优化结果为当GDP增长率7％时，其入湖量见表1，最优化的标准值为：TN：0.18mg/L；TP：0.01mg/L。

表1：优化的污染源入湖量

Claims (4)

1.一种获得湖泊营养物标准值的方法，其步骤为：

1)按研究区域不同水体的功能对水体进行分类和分级，确定研究区域不同等级水体对应的营养物浓度上下限值；

2)计算水体中营养物的富营养化负荷；

3)建立优化模型，通过富营养化负荷最低和经济发展最快为目标的多目标优化，得到适合不同等级和水体用途的最优化营养物标准值；

其中，步骤3)建立的优化模型为：

A、经济目标：

$\max f=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}{f}_{i,t}-f_4$

a)经济增长最大：

$\max f_{i,t}=\underset{t=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}\[GDP\×a_{i,t}\%\×{(1+b_{i,t}\%)}^n\]$

b)治理费用最小：

$\min f_4=\underset{t=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{4}{\Σ}}\[W_{i,t}\×({\mathrm{CC}}_{i,t}+{\mathrm{CO}}_{i,t})\]$

B、环境目标：

$\min f_5=\underset{t=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{4}{\Σ}}({\mathrm{EP}}_{TP(i,t)}+{\mathrm{EP}}_{TN(i,t)})$

EP_TP(i,t)＝Q_TP(i,t)×EF_TP＝α_t×GDP×a_i,t％×(1+b_i,t％)ⁿ×EF_TP

EP_TN(i,t)＝Q_TN(i,t)×EF_TN＝β_t×GDP×a_i,t％×(1+b_i,t％)ⁿ×EF_TN

C、约束条件：

a)经济约束：

$\frac{{\mathrm{GDP}}_p}{P_t}\≥M_t$

b)环境约束：

$\underset{t=1}{\overset{n}{\Σ}}{Q}_t\≤DC$

$S\≤\frac{Q_t}{W_t}\≤LM$

其中：

f_i,t：第t年第一、二、三产业增加值；

f₄：水污染治理费用；

QTP_t：总磷的入湖总量；

QTN_t：总氮的入湖总量；

W_i,t：第t年第一、二、三产业污水及生活污水处理量；

CC_i,t：污水处理设施建设成本；

CO_i,t：污水处理设施运行成本；

EP_TP(i,t)：总磷产生的富营养化负荷；

EP_TN(i,t)：总氮产生的富营养化负荷；

Q_TP(i,t)：第t年一二三产业或生活污水中TP排放量；

Q_TN(i,t)：第t年一二三产业或生活污水中TN排放量；

EF_TP：总磷的富营养化当量因子；

EF_TN：总氮的富营养化当量因子；

a_i,t％：第t年,第i产业在三次产业中所占比例；

b_i,t％：第t年,第i产业增加值增长系数；

α_t：第t年单位增加值总磷排放系数；

β_t：第t年单位增加值总氮排放系数；

P_t：第t年区域人口总数；

M_t：第t年适宜当地发展水平的人均GDP；

S：区域营养物基准；

LM：对应水体功能的营养物允许最大浓度；

DC：区域环境容量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤1)中对水体进行分类是将水体分为自然保护区、饮用水水源地、鱼类保护区、鱼虾产卵场、娱乐用水区、工业用水、航运、防洪农业灌溉用水和一般景观水；对水体进行分级是将所述分类的水体相对应的营养物浓度分为Ⅰ～Ⅴ级；通过统计学、毒理学、生态学方法得到各级水质标准的上下限值。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，营养物为氮和磷。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤2)是采用基于当量因子的环境负荷计量方法，计算公式为：

$EL=\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{m}_j{p}_j$

式中：

EL为环境负荷总量；

m_j为排放的第j类污染物的量，kg；

p_j是当量因子，为污染物对环境影响贡献的潜力的大小，是以一个参照物为基准的相对量。