湖泊控藻水质目标精准过程管理探究

——水专项为湖泊型流域水环境管理模式和管理体制战略转型提供技术支撑
作者:童克难 富…    文章来源:中国环境报    点击数:876    更新时间:2018-1-16

流域水质目标管理技术体系集成

滇池推广会现场。

 

 

花费巨资却给人以“越治越污——乱花钱”、“治理无效——白花钱”、“方法不对——错花钱”的尴尬印象,是浅水湖泊富营养化治理的世界性难题,也是当前面临的实际问题。

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)浓度的恢复并未带来叶绿素a的同步下降,藻华灾害仍未缓解到预期水平,有些湖泊藻华还有加重的趋势。

在城市化进程加速导致营养物入湖率提高和湖内营养物负荷累积增长持续中、耗水量增加及气候变暖导致的湖泊营养物环境容量下降的背景下,“十二五”期间由中国环境科学研究院承担的“水体污染控制与治理”国家科技重大专项“流域水环境监控预警技术与综合管理示范”主题“太湖流域水环境管理技术集成综合示范”综合示范项目设置了“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”(2012ZX07506-008)课题,旨在寻找合理可行便利成套的水质目标管理方法,识别湖泊富营养化的可逆程度。这对实现湖泊营养物水质目标的精准识别及管理具有重要的战略价值及实践意义。

构建分湖控藻水质目标过程管理技术体系

据相关负责人介绍,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,依据湖泊流域富营养化控制,力争走“系统性层次控制、精确性误差控制、适应性反馈管理、技术性追踪管理”的水环境管理思路,开展了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,实现了水质目标管理关键技术的规范化、标准化、模式化,形成了水质目标管理的技术库、配套政策库及管理平台;提出了滇池、巢湖、三峡水库等重点流域水环境管理技术推广战略,为全国重点流域水质目标管理技术全面推广和运行提供支撑,为国家层面的湖泊流域水质目标管理模式和管理体制战略转变提供实施建议。

据了解,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,对具有较长历史数据的重富营养化湖泊,总结现实管理问题,借鉴国内外湖泊环境管理的先进理念和方法,探索建立了一套科学合理更具普适性的分湖控藻过程水质目标的适应性管理体系,突出营养物水质目标精准管控、富营养化灾害精准识别,背景条件综合效应的精准识别的管理价值,提出了便于管理的分湖营养盐与藻类过程性水质目标的识别、诊断、评估、预估等多个技术工具,以应对气候变暖、水资源消耗、水文调控等背景条件趋势变化带来的营养物水质目标管理问题。

实现营养物分区分类的多湖定标向分湖定标迈进

据介绍,目前主流的分区分类多湖建模定基(标)研究方法对具体湖泊的营养物定标存在时空上的较大不确定性,指导作用不强。为此,课题提出了分湖(全湖或重点湖区)定标的概念及方法,可适用于有长序列数据的重富营养化湖泊,可有效提高营养物定标的准度。

课题通过上百个湖泊的数据分析,进行了分湖的返贫路径识别,归类为三类富营养化修复路径(左旋——综合措施修复也不一定可逆、右旋——生境修复可减低总量减排要求、原路径——总量减排即可逆)的七种轨线。把传统的营养盐浓度定标的线性、无时序、无路径方法拓展到非线性、有时序、有路径方法,可用于判断分湖富营养化返贫的难易程度及治理行动对返贫路径的影响。

课题开发的“低通滤波轨线技术”用于营养物定标,摒弃了传统方法导致多湖模式带来的不确定性,将一般轨线的单一定性描述提升到多周期滤波的定量描述,同时等同于非线性相关而优于线性相关,这种非线性相关又带有时序及趋势预报功能,是将传统不分时序散点相关图及单指标时间过程趋势分析表达整合到一起的多指标时序因果关系图(相空间表达),并有多种滤波带宽的选择,增加了识别不同时间尺度问题的可能性。本方法在不同类型湖泊的使用效果良好,形象表达及解释了磷限制湖泊的中低氮磷浓度条件下的“越治越污——磷降藻升” 等不协调形象、“越洁越脏——磷降氮升”等氮磷异步现象等。

“分湖定标使滤波轨线方法对‘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)的两类错位定标问题形成过程的理解提供了形象技术工具,为解决富营养化水质目标问题服务于管理打开了方便之门。”课题组负责人表示。

实现营养物的稳态水质目标管理向动态过程目标管理跨越

气温、入湖水量、水位、滞留时间等生境指标的非平稳的趋势变化将对湖泊营养物产藻效率产生影响,因而采用不变的稳态营养物水质目标,将可能丧失水质目标管理的准度。而跟踪背景条件的趋势效应,减少水质目标的滞后效应对管理的干扰,是实现营养物水质目标精准管理的必要选择。

课题建立的营养物承载浓度定标方法,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 与营养物响应关系的影响,依据功能区叶绿素a 保护要求(阈值及重现期),确定营养物过程水质目标,实现营养盐水质目标从“稳态管理”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 “稳态管理”失效问题。

同时,课题开发的“弱时序营养物双概率定标方法” 强化近期不利背景条件对营养物承载力的影响,避免“稳态”营养物标准导致标准偏松失效问题。实现营养物承载浓度的目标跟踪管理 。“强时序营养物低通滤波轨线定标方法”通过拐点识别,避免错用历史数据带来“稳态”营养物标准失效隐患。可用于适应随背景条件趋势变动的分时段的营养物承载浓度“一湖多标”的识别。

实现营养状态多湖建模分权稳态评估向分湖建模变权动态跨越

现行综合营养状态指数(TLI、EI)利用多湖数据稳态建模多指标等权或加权平均而应用于分湖的营养状态评估。其中多指标分权平均带来的藻华危害的低估,构成“平坦效应”;多湖数据建模用于分湖带来的系统误差,构成“平移效应” ;不分时段数据建模带来的单项指数失真,构成“平稳效应”。三个效应带来精准度损失使致综合营养状态指数(TLI、EI)用于分湖评价的有效性及实用性受到影响。

课题提出的湖泊营养状态变权综合评价方法,剔除普适性较差或处于时段非协调状态指标,在后果指标选用一个最敏感指标作为显势指标(表示实际藻灾水平),在原因指标选用一个限制性指标作为潜势指标(表示可能藻灾水平)。最终的评价水平由显势及潜势富营养化水平的高者决定,避免为得到单一综合值,而取平均和极大值带来的失准问题。用于多湖模式可去除“平坦效应”,用于分湖模式可去除“平坦效应”和“平稳效应”,若能在背景条件出现趋势变化时分时段使用则可进一步去除“平稳效应”,从而使评价结果更具防灾的指导意义。

课题开发的“变权营养状态指数法(TLIcw)”可从显势和潜势两个方面表达富营养化灾害水平,更精准地描述营养化水平; “营养足迹指数法(TFI或TFIcw)”为分湖模式——利用滤波轨线实现拐点识别及时段划分,采用参数或非参数方法建立藻类密度与营养物浓度响应关系多时段曲线,及非线性多时段营养指数TFI关系,从显势和潜势两个方面表达富营养化灾害水平,实现营养状态评估的 “一湖多标”。该方法的最大优势是可以在富营养化湖泊“返贫路径”中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。

实现治理降藻综合绩效评估向视在、实在、潜在绩效解析评估迈进

富营养化浅水湖泊治理过程的降藻成效往往存在延迟及不可逆现象(如草藻跃迁)。因此,公众存在“治理无效——白花钱”的疑惑;人类活动导致湖泊物理生境变化(如气候变暖的人为贡献)也经常导致湖泊的产藻效率的提高,出现限制性营养物浓度回到污染前而藻密度上升等不可逆状况,公众存在“越治越污——乱花钱”的疑惑;对于营养盐浓度过高导致的异营养化状态(如重富营养化城市湖泊),也存在营养浓度下降藻密度上升的阶段,公众存在“方法不对——错花钱”的疑惑。在降藻效果为负或零的情况下,使纳税人、管理者、投资者明确治理工程的实际绩效,对提振信心、强化管理、增加投资显得至关重要。

课题建立的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浓度的减量)、实在效率(治理工程措施减量)、潜在效率(背景条件影响减量)的解析方法,可以分析背景条件发生趋势变化时,如何从视在效率中看到减污工程的实在效率,可以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,从而避免误判投资效益;而潜在效率的持续为负,往往会促进治理投资向湖泊生境的恢复及保护倾斜。

课题开发的“基于低通滤波轨线绩效分解评估方法”可用于湖泊协调时段;“基于产藻效率射线的绩效分解评估方法”可用于湖泊非协调时段或协调时段。

完善配套政策体系保障水质目标管理技术有效实施

科学有效的水环境管理政策体系与管理机制是实现太湖流域水环境改善和水生态保护的重要保障。

针对太湖流域当前相关管理政策体系与管理机制不够完善的现状,课题以江苏省太湖流域为研究区域,系统梳理了目前以“功能分区——基准标准——总量控制——监测监管——风险评估——污染治理——预警”为核心的水质目标管理技术体系配套政策。构建了包括“国家——流域——省——市”垂直层面的配套管理政策库:面对不同污染源(点源、面源),采用“行政手段——经济手段——社会手段”等不同维度、多种类型的配套政策体系保障水质目标管理技术的有效实施。课题组基于对太湖流域水质目标管理技术相关配套政策的识别与整理,构建了全生命周期的政策评估体系,筛选了政策评估适用的方法与评估逻辑框架。基于对国内外相关文献的总结,针对不同环节的不同指标,研究给出了多个评估方法选择,可根据具体的情况选择合适的方法进行政策评估。

课题组选取当前太湖流域水质目标管理技术配套政策体系中的主要政策,结合文本分析、专家访谈、统计数据分析等方法进行了相应的评估。评估结果显示,总量减排、企业环保信用、生态补偿在对政策目标的明确性、惩处机制、部门责任的清晰度、监督机制几个方面设计比较合理,因此能够保障政策比较有效的实施,并取得相对较好的政策效果。而排污许可证、排污权有偿使用与交易、排污收费、测土配方等政策则在惩处机制、部门责任的清晰度等方面存在不足。企业环保信用的参评企业数量也在稳步上升,生态补偿工作有序开展,绿色保险参保企业数逐步增加。

“目前有些政策的执行还有待进一步提升。”课题负责人表示,例如最早开始试点的排污权有偿使用与交易政策的执行情况较差,排污许可证制度在“十二五”初期也没有得到足够的重视。研究还表明现阶段相关政策之间的协调性有待进一步提高。

他表示,目前太湖流域正在逐步实现以排污许可证为核心的环境管理体系,通过这一改革可以将排污许可证制度与环境影响评价、“三同时”、总量控制、排污权交易、排污申报和排污收费等制度进行有效衔接,提高整体的管理效率,实现排污单位在建设、生产、关闭等生命周期不同阶段的全过程管理,提高政策设计精准度,通过“一证对外”降低执法和守法成本。

“但现阶段,太湖流域相关水环境管理政策在实际排放量核算、数据来源的规定、违规的处罚规定等方面存在不协调的问题,为了实现‘一证式’管理,必须从政策设计环节解决不同政策之间的协调问题,保障政策体系的顺利实施。”课题组负责人表示。

为实现太湖流域水质目标管理提供技术支撑

“十二五”期间“太湖流域水环境管理技术集成与综合示范项目”在“十一五”研究的基础上,围绕太湖流域水生态功能分区、水污染物排放许可证实施、水生态监控系统、主要水污染物总量监控与风险预警平台、跨界水环境综合管理平台等管理技术进行了进一步研究完善并形成综合示范。

据介绍,课题组作为“太湖流域水环境管理技术集成与综合示范项目”的集成课题,构建了太湖流域水质目标管理技术绩效评估方法体系,并对管理技术实施效果进行了全过程评估,根据分析结果提出了太湖流域“十三五”水质目标管理技术体系全面推进计划。此外,课题组通过集成各管理技术研究成果集成了太湖流域水环境综合管理决策支持平台。

课题组系统分析了“十二五”期间太湖流域水质目标管理技术,根据水质目标管理技术体系结构特征和要求,构建了太湖流域水质目标管理技术体系实施效果的绩效评估方法体系,并对综合示范区内水质目标管理技术体系实施对水环境管理能力提高、流域污染减排、水生态环境改善、区域经济及环保产业促进等的效果评估。根据对太湖流域水质目标管理技术的评估结果,课题组从技术适用、执行过程、体制机制和政策保障等方面,总结分析了“十二五”太湖流域水质目标管理体系实施过程中存在的问题,识别了影响水质目标管理技术推广实施的主要障碍。最后,课题组通过结合太湖流域水环境管理现状与“十三五”水专项管理科技需求,研究提出了太湖流域“十三五”水质目标管理技术体系全面推进计划与战略部署,在水生态环境功能分区、排污许可证管理、水生态监测等方面提出了进一步研究的方向,为“十三五”水专项“太湖流域水环境管理技术集成与业务化运行”项目研究内容的制定提供了理论指导。

同时,课题组通过整合、凝练“十二五”水专项“太湖流域水环境管理技术集成综合示范”项目内各课题研究形成的太湖流域水生态管理、基于容量总量的排污许可证动态管理、太湖水生态变化监控、太湖流域(江苏)主要水污染物总量动态监控与评估等子平台和系统,构建了太湖流域(江苏)水环境综合管理数字化决策支持平台。能够从企业管理、功能分区管理、流域水质管理三条主线实现对太湖流域(江苏)的水环境管理。例如针对企业(污染源)管理:平台实现了对主要污染源的自动监控,从平台上可以直接获取企业的所有基本信息、排口信息、监测因子信息以及实时的监测数据,在自动监控的基础上统计企业的年度统计排放量,管理部门可以实现对该企业的许可量的动态管控。

“这个平台的构建也实现了‘十二五’水专项‘太湖流域水环境管理技术集成综合示范’项目各课题研究成果之间的信息交流,为水环境管理部门提供了流域的日常监控查询、环保数据综合信息管理、指挥调度和综合决策的集成平台。”负责人表示,平台通过江苏省生态环境监测中心在污染源信息监控、数据动态管控等水生态环境信息管理工作中得到应用,为江苏省环境保护厅及地方水环境管理部门开展以水生态环境功能分区为基础的太湖流域(江苏)水环境管理提供了技术支持。

 

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