專利名稱：湖泊營養物基準向標準轉化技術的制作方法
技術領域：
本發明涉及水環境保護領域的ー種湖泊營養物標準制定技木。
背景技術：
我國目前的湖泊富營養化的管理主要依靠地表水環境質量標準中TN、TP范圍的規定。其中，《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)依據地表水域使用功能和保護目標劃 分為5類功能區，并按照高功能區高要求、低功能區低要求的原則，分別賦予了 I類到V類的水質標準。其標準值主要是參考美國的水質基準數據以及美國各州、日本、蘇聯、歐洲等國家的水質標準確定的。但是由于水生生物區系具有地域性，其它國家的水質基準不能夠完全反映中國的水生生物保護的要求，所以如果參考其它國家的水質基準來制定我國的水質標準，將會降低我國水質標準的科學性，導致保護不夠或過分保護的可能性。因此，在我國開展基于營養物基準的富營養化控制標準研究是保護湖泊水生態系統、完善和健全水環境基準體系的要求。水質基準是指環境中污染物對特定對象(人或其它生物)不產生不良或有害影響的最大劑量(無作用劑量)或濃度(USEPA. 1980a)，它是水質標準的依據。而標準是綜合考慮社會、環境、經濟等方面因素后制定的、區域內技術經濟可行的、具有法律效カ的水環境標準值。美國EPA將全國50個州分為14個生態分區，分別給出由EPA制定的營養物基準。各州在EPA發布的水質基準的基礎上，結合各州自然、經濟、社會、技術等條件，經過一定的綜合分析，制定對于不同指定用途的水體的具有法律效カ的營養物標準。美國的標準體系包括基準、指定用途和反降級政策。有些州還在基于水質基準的水質標準基礎上制訂了污染物排放標準。目前對于水質基準如何向水質標準轉化，并沒有標準化的方法。我國對于湖泊營養物基準和標準的制定方法，尚在研究和摸索之中。而我經濟發展迅速、人民生活水平不斷提高，相應的環境保護措施大發展速度和治理カ度不能與之匹配，導致湖泊富營養化問題日益嚴重，藍藻、水華現象時有發生，已經成為我國湖泊環境的首要問題。在我國湖泊營養物基準研究的基礎上，亟需ー種適宜我國國情的、適用于我國不同地區的地理、自然、經濟、人文等巨大差異的營養物基準向標準轉化的方法。基于環境保護和經濟發展的雙重考慮，本研究擬采用多目標規劃的方法，在營養物基準的基礎上，以環境影響最小和區域經濟發展最大為目標，尋找合理可行的營養物標準值。
發明內容
營養物基準是基于區域參照狀態和營養物效應，制定營養物標準和保障湖泊生態系統健康的重要依據。本發明以基準為出發點，建立區域湖泊功能分級體系，通過數據統計分析、調查調研等方式確定不同功能營養物指標閾值，運用結構方程模型與專家系統相結合的方法，通過湖泊水質指標與達到功能百分數建立區域湖泊功能分級體系及標準建議值。該技術能在區域湖泊營養物基準的基礎上，將營養物標準與湖泊功能相聯系，對不同功能湖泊營養物標準進行分級，制定標準值。為實現上述目的，本發明提供的湖泊營養物基準向標準轉化技術，主要步驟為I)按研究區域不同水體的功能對水體進行分類，每類水體分別對應ー種水質標準；2)確定該區域不同水體功能對營養物要求的限值；3)建立專家系統，通過向專家咨詢得到不同功能水體最重要的營養物指標信息；設計專家打分表，請專家對所研究區域水體若干組有代表性的檢測數據進行打分，給出達到功能的可能性； 4)建立反映營養物指標與功能可達性之間關系的結構方程模型；將專家打分表中的數據代入方程，求得不同營養物指標與達到功能可能性之間的關系及對“達到用途的可能性”影響較大的關鍵指標，得到適合不同等級或者不同水體用途的方程及建立關鍵指標與用途可達性之間的關系。所述的按不同水體的功能對水體進行分類是指將水體按用途分為a自然保護區，b飲用水水源地、珍貴魚類保護區、魚蝦產卵場，c 一般漁業用水區、直接接觸的娛樂用水區，d非直接接觸的娛樂用水區、航運、防洪，e農業灌溉用水及一般景觀水域；與之對應的水質標準為I V級。所述的確定該區域不同水體功能對營養物要求的限值是通過收集所研究區域多年水質、環境、生態、社會經濟數據，展開調研，同時查閱科技文獻，通過統計學、調研等方法確定得到不同水體功能對營養物要求的限值。所述的通過向專家咨詢得到的不同功能水體最重要的營養物指標信息包括①所選湖泊所適宜的用途、②在富營養化指標中此種用途最重要的影響因素、③可以表述此種因素的常用營養物指標、④此指標的關鍵轉折點(能與不能達到用途的轉折點)和⑤所調查湖泊的營養狀態。所述的結構方程模型為Y1 = A nXl+ 入 12x2+ 入 13x3+ O I
J2 —入 2iXj+ 入 22X2+ 入 23 + 0 2
y3 —入 31X1+ 入 32X2+ 入 33X3+ 0 3z = H1X1+n2x2+I^y1+n4y2+n5y3+n6y4+n7y5+e其中x1;TN濃度；x2,TP 濃度；x3,溫度 J1,透明度；y2,葉綠素 a ；y3,D0 ；y4,pH ；y5,CODfc ;Z，達到用途的可能性。I、X、n為回歸系數。本發明能得到適合不同等級或者不同水體功能的方程及建立關鍵指標與用途可達性之間的關系，因此能夠在區域湖泊營養物基準的基礎上，將營養物標準與湖泊功能相聯系，對不同功能湖泊營養物標準進行分級，制定標準值。下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進ー步的詳細描述。
圖I為本發明的湖泊營養物基準向標準轉化技術示意圖；圖2為本發明的結構方程模型圖；圖3為實施例一中瀘沽湖結構方程模型圖4為瀘沽湖Chl-a濃度與達到用途的可能性之間的關系。
具體實施例方式圖I為湖泊營養物基準向標準轉化技術示意圖。本發明包括以下步驟I、湖泊功能分級分析區域水體特征，并參照現有水環境功能區劃，將水體分為a自然保護區，b飲 用水水源地、珍貴魚類保護區、魚蝦產卵場，c 一般漁業用水區、直接接觸的娛樂用水區，d非直接接觸的娛樂用水區、航運、防洪，e農業灌溉用水及一般景觀水域。與之對應的水質標準為I V級。該分級方法可以用于國內所有湖泊水庫的劃分。該分級方法是結合地表現有水功能區劃進行的分級，是ー種比較適合目前我國湖泊水體功能劃分現狀的分級方法。2、指標篩選選取TP、TN作為本研究的基本控制指標，對于不同用途的水體，通過接下來的專家系統篩選出其余關鍵指標，并最終確定標準值。湖泊的營養物基準指標主要包括營養物變量(磷、氮)、生物學變量(有機碳、葉綠素a、透明度、溶解氧、大型植物、生物群落結構)和流域特征(土地利用)等。能夠反映湖泊營養狀態的變量很多，但只有部分指標可用于評價營養狀態，不同國家和地區所選取的指標也各不相同。我國湖泊營養物基準的營養物基準指標為TP、TN、Chl-a、SD。本發明采用統計學方法與專家系統相結合的方法，因TP、TN為引起湖泊富營養化的原因變量，所以選取TP、TN作為本研究的基本控制指標，對于不同用途的水體，通過專家系統篩選出其余關鍵指標，并最終確定標準值。3、不同功能營養物閾值的確定收集所研究區域多年水質、環境、生態、社會經濟數據，展開調研，同時查閱科技文獻，通過統計學、調研等方法，確定該區域不同水體功能對營養物要求的限值。閾值的確定方法多種多樣，本發明所采用非人方法具有科學、客觀的特點，與后續專家系統結合可以彌補專家系統過于依靠專家主觀判斷的缺陷。不同功能的閾值的確定方法如下①自然保護區是典型的自然資源水體，水質接近自然狀態，所以自然保護區采用湖區營養物基準作為閾值；②飲用水水源地采用多年水質和水源地地區健康數據建立消化系統疾病與營養鹽之間的劑量反應關系來確定人體飲用安全的營養鹽閾值；③珍貴魚類保護區、魚蝦產卵場、一般漁業用水采用多年水質數據與生態數據分別建立區域有代表性的珍貴魚類、一般魚類生物量、種群數等生態指標與營養物之間的關系，得到適宜不同魚類生存的營養鹽閾值；④直接接觸的娛樂用水區、非直接接觸的娛樂用水區、航運、防洪、農業灌溉用水及一般景觀水采用文獻查閱的方法確定閾值。4、專家系統專家系統包括專家咨詢和專家打分兩部分。
對于不同功能能等級的水體，分別邀請對被調查湖泊非常了解，并常年從事湖泊及富營養化相關研究，或長期參與當地湖泊調查、監測和評價工作的專家，描述所選湖泊所適宜的用途、在富營養化指標中此種用途最重要的影響因素，并對給出的若干組有代表性的監測數據，判斷其達到湖泊用途的可能性，對湖泊的功能、水質標準進行評價。第一歩專家咨詢。邀請專家進行面談或者電話咨詢。請專家描述①所選湖泊所適宜的用途、②在富營養化指標中此種用途最重要的影響因素、③可以表述此種因素的常用營養物指標、④此指標的關鍵轉折點(能與不能達到用途的轉折點)、⑤所調查湖泊的營養狀態。
第二步專家打分。在專家打分表中給出所調查湖泊的若干組(數量見數據選擇部分)有代表性的監測數據，針對在假設有100個湖泊的水質指標平均值為其中某組數據的前提下，請專家判斷此假定的100個湖泊中有多少個湖泊能夠達到該湖泊的指定用途，此數字作為這ー組監測數據達到湖泊用途的可能性。請專家依次對每ー組數據進行判斷，給出達到功能的可能性。專家調查表的制定①湖泊選擇考慮湖泊面積、流域面積、蓄水量等因素，篩選每個功能類型下的重點湖泊。根據湖區具體情況確定重點湖泊數量。原則上每種功能類型不少于5個湖泊。②制定專家調查表制定專家打分表，表內提供的湖泊信息包括湖泊基本信息(名稱、位置)和監測數據。由專家填寫內容為①湖泊用途，②達到該用途的關鍵指標，③對每組監測數據能達到所選定用途的可能性(0 100之間的數字)。專家調查表見表I。③數據選擇依據湖泊情況確定調查表中給定監測數據數量。建議重點調查湖泊監測數據數量不少于50個，一般調查湖泊數據不少于10個；可以根據現有湖泊監測數據情況適當增減。保證每種功能下數據總數不少于200個；數據應有代表性，覆蓋該功能湖泊監測值的整個范圍；應包括不同季節數據,依據湖區特征,富營養化高發季節的數據應占到60%及以上比例；打分表內水質數據指標依湖區監測數據情況不同可以適當調整，但至少包括總氮(TN)、總磷(TP)、葉綠素a(CHl-a)、透明度(SD)、高錳酸鹽指數(CODsfa)、溶解氧(DO)。④專家的選擇每種功能等級的湖泊選擇專家數不少于5個。同一湖區不同功能等級湖泊的調查可選擇同一組專家(參閱表I)。5、結構方程模型(I)結構方程模型通過結構方程模型，根據專家打分結果建立營養物指標與湖泊用途可達性之間的關系。模型見圖2，方程見式I-式4。將步驟3中確定的營養物閾值代入，判斷其達到指定用途的可能性，并最終給出標準推薦值。結構方程模型的具體方程式因所掌握的監測指標、監測數據的多少以及專家的判斷水平不同而略有區別，可以在執行中根據實際情況做適當的調整。(2)確定營養物標準將專家打分表中的數據帶入方程，求得不同營養物指標與達到功能可能性之間的關系，得到對“達到用途的可能性”影響較大的關鍵指標。調整模型，得到適合不同等級或者不同水體用途的方程。
建立關鍵指標與用途可達性之間的關系，將不同等級下營養物閾值帶入，求得改營養物水平下達到指定用途的可能性。如果達到用途的可能性大于80%，則將此閾值作為營養物標準，如果不能達到80%，則通過關鍵指標與用途可達性之間的關系，求得可以80%達到可能性的營養物指標值，作為該等級的營養物標準值。實施例一以云貴高原湖區(以下簡稱云貴湖區)瀘沽湖為案例。瀘沽湖位于云南省與四川省交界處，為云貴湖區ー類水體，參照云南省水環境功能區劃，其用途為省級自然保護區。參照“我國湖泊營養物基準和富營養化控制標準研究”課題給出的云貴湖區營養物基準，其營養物閾值為 TN :0. 2mg/L, TP :0. 01mg/L, Chl-a :2. Omg/L, SD :5. 5m。收集云貴湖區多年監測數據,制作專家打分表并邀請專家對其進行打分。 建立結構方程模型，如式I 式4 Y1 = A11XfA12XjA13Xjo1 式 Iy2 =入 21X!+ 入 22x2+ 入 23x3+ O2 式 2y3 —入 31X1+ 入 32X2+ 入 33X3+ 0 3 式 3z = n ^1+ n 2x2+ n 3x3+ n 4yi+ n 5y2+ n 6y3+ n 7y4+ n 8y5+ e 式 4其中xl,TN濃度；x2,TP 濃度；x3,溫度；yl,透明度；y2,葉綠素 a ；y3,D0 ；y4,pH ；y5, CODMn ;Z,達到用途的可能性。I、X、n為回歸系數，S、o、e為誤差。將專家打分結果代入方程，進行計算并修正，修正后的模型方程見圖3，方程式見式5 式7，結果見表2。Y1 =入 12x2+ 入 13x3+ O1式 5y2 = A 22x2+ 入 23x3+ O 2式 6Z= H1X1+H4Y1+n5y2+n6y3+e 式 7由圖3及表2可知，對本例中指定用途可達性影響最大的指標是Chl-a，其對“達到用途的可能性”的效應分別為-0.94，遠大于其它指標(TN -0. 055 ；D0 :0. 149 ；SD -0. 161)。所以Chl-a為影響水體達到自然保護區用途的關鍵指標。以達到功能的可能性對Chl-a作圖，見圖4。將閾值代入，得到Chl-a 2. Omg/L時，對自然保護區的用途可達性約為97. 5%，大于80%，認為該閾值可以作為瀘沽湖營養物標準。表I專家打分表示例
權利要求
1.一種湖泊營養物基準向標準轉化技術，其特征在于該技術包括下列各步驟 1)按研究區域不同水體的功能對水體進行分類，每類水體分別對應ー種水質標準； 2)確定該區域不同水體功能對營養物要求的限值； 3)建立專家系統，通過向專家咨詢得到不同功能水體最重要的營養物指標信息；并請專家對所研究區域水體若干組有代表性的檢測數據進行打分，給出達到功能的可能性； 4)建立反映營養物指標與功能可達性之間關系的結構方程模型；通過專家打分的數據，求得不同營養物指標與達到功能可能性之間的關系及對達到用途的影響最大的I 2種指標，得到適合不同等級或者不同水體用途及建立關鍵指標與用途可達性之間的關系。
2.如權利要求I所述的技術，其特征在于步驟I)中所述的按不同水體的功能對水體進行分類是指將水體按用途分為 a自然保護區； b飲用水水源地、珍貴魚類保護區、魚蝦產卵場； c 一般漁業用水區、直接接觸的娛樂用水區； d非直接接觸的娛樂用水區、航運、防洪； e農業灌溉用水及一般景觀水域； 與之對應的水質標準為I V級。
3.如權利要求I所述的技術，其特征在干步驟2)中所述的確定該區域不同水體功能對營養物要求的限值是通過收集所研究區域多年水質、環境、生態、社會經濟數據，展開調研，同時查閱科技文獻，通過統計學、調研方法確定得到不同水體功能對營養物要求的限值。
4.如權利要求I所述的技術，其特征在干步驟3)中所述的通過向專家咨詢得到的不同功能水體最重要的營養物指標信息包括 ①所選湖泊所適宜的用途、②在富營養化指標中此種用途最重要的影響因素、③可以表述此種因素的常用營養物指標、④此指標的關鍵轉折點和⑤所調查湖泊的營養狀態。
5.如權利要求I所述的技術，其特征在于步驟4)中所述的結構方程模型為
全文摘要
一種湖泊營養物基準向標準轉化技術，包括下列各步驟1)按研究區域不同水體的功能對水體進行分類，每類水體分別對應一種水質標準；2)確定該區域不同水體功能對營養物要求的限值；3)建立專家系統，通過向專家咨詢得到不同功能水體最重要的營養物指標信息；并請專家對所研究區域水體若干組有代表性的檢測數據進行打分，給出達到功能的可能性；4)建立反映營養物指標與功能可達性之間關系的結構方程模型；通過專家打分的數據，求得不同營養物指標與達到功能可能性之間的關系及對達到用途的可能性影響最大的1～2個指標，得到適合不同等級或者不同水體用途及建立關鍵指標與用途可達性之間的關系。
文檔編號G06F19/00GK102646162SQ20121004388
公開日2012年8月22日 申請日期2012年2月24日 優先權日2012年2月24日
發明者呂寧磬, 席北斗, 紀丹鳳, 蘇婧, 霍守亮 申請人:中國環境科學研究院