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水專項:從被動應急到主動預警保障水質安全

點擊次數:   更新時間:18/02/22 16:02:02     來源:www.qw72.cn關閉
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時間:2019-12-27 來源:中國環境報 作者:秦延文 王麗婧等

壓力源是指在常規條件下,或者在累積性環境風險條件下,人類開發活動對水環境質量產生不良影響的壓力。

課題組負責人表示,為了給監控預警提供“目標”,必須有效識別影響水質安全的壓力源。為此,課題組以流域水生態係統為受體,以保障飲水安全、水環境質量安全以及維護水生態健康為核心,針對流域特點,從累積性風險的概念範疇出發,全麵考慮上遊來水汙染、流域內社會經濟發展(工業化、城鎮化)、區域土地開發利用等脅迫因素,綜合運用理論研究與探索、文獻資料分析、現場調查研究、數值模型模擬、數理統計分析等多種方法,通過“壓力源特征分析—壓力源與水質安全關係概念關係構建—壓力源指標篩選-壓力源評估”的技術流程,開展流域水質安全壓力源識別技術研究。


構建流域水環境壓力源識別技術,實現“源頭”的風險防控

首先,確定流域水質安全所要評估的壓力源。針對流域特點,兼顧水體使用功能及流域水生態係統的特征,主要圍繞流域上遊來水汙染輸入、流域社會經濟發展、區域土地開發、以及其他人類活動(如水庫調度)等幾類壓力源,明確各典型流域的壓力源;其次,構建了流域壓力源與水質安全相互作用關係的概念模型,分別針對每一類壓力源開展研究,從而進一步明晰和揭示壓力源脅迫對水質受體的影響過程、效應範圍,厘清兩者之間的作用關係;再者,開展了流域壓力源的特征分析,關注壓力源自身演變特征及其影響的定量化核算方法,明確壓力源定性描述方法、主要壓力源因子識別方法,分析壓力源因子變化趨勢;最後,構建了流域壓力源的評估方法,分別針對每一類壓力源的特征,選擇合適的評估終點,構建定性、定量評估方法,提出壓力源級別。

本次課題建立的水質安全壓力源識別技術體係,分別針對遼河流域、三峽庫區和太湖流域進行了應用,確定了不同流域類型(水庫、湖泊、入海河流)水質安全所要評估的壓力源,並進行了壓力源分級。課題組在三峽庫區進行了水質安全壓力源評估,結果顯示庫區城鎮化、工業化、上遊來水影響和土地利用是三峽庫區的主要安全壓力源。

構建流域水質安全評估技術,強化水環境質量目標管理

在全麵、準確識別典型流域的水質安全問題基礎上,課題組進一步精準描述流域水質狀態,構建了水質安全評估技術。課題組負責人介紹:“課題借鑒了OECD和UNEP的壓力-狀態-響應概念框架,構建流域水質安全評估技術體係,在考慮了水質安全問題的動態性、係統性後,課題從水質超標狀況、耦合水質狀態與變化趨勢、兼顧壓力風險與受體響應3個層麵來構建水質安全評估技術。”

滿足短時段內(年內、月內)水體本身的安全狀況評估需求,側重於狀態評估,以水質超標特征來衡量是否安全,是基於水質超標狀況的水質安全評估技術的特點。課題組使用了水質指數(Water Quality Index,簡稱WQI指數)評價水質總體狀況,WQI指數主要綜合三方麵的信息,即未達標指標的數量(範圍)、未達標指標的頻次(頻次)以及超標的幅度,課題組以WQI指數評分,將流域水分為五個安全等級,以不同顏色表征水質汙染情況。課題組負責人說:“WQI分數值在95以上的,安全等級為優,用綠色來標記,表示水質基本未受汙染;80~94分為良,標記為藍色,表示水質僅微退化,水質良好;分數值在65~79的,安全等級為中,用黃色標記,表示水質偶爾超標,輕度汙染;水質退化比較嚴重、經常超標和中度汙染的流域WQI分數在50~65,安全等級僅為及格,標記為橙色;差則是最低的安全等級,分數值在0~50,標記為紅色,表示水質退化非常嚴重,幾乎長期超標,屬於重度汙染。”

耦合水質狀態與變化趨勢的水質安全評估技術,則側重於解決長時段內(年際)水體本身的安全狀況評估需求,兼顧評估時段內的狀態與變化趨勢,強調、突出水質安全在時間層麵的動態性和相對性,以不利的變化幅度和不達標的當前狀態來衡量是否安全。“耦合水質狀態小於等於標準值,年均變幅低於5%則屬於安全;變化趨勢年均變幅超過5%的,耦合狀態超標10%為一般,超標50%屬於不安全,超標50%以上就是很不安全”,課題組負責人說。

兼顧壓力風險與受體響應的綜合評估技術,適用於長時期綜合管理決策,可以避免以往單純以理化因子評估水質的局限,能夠針對受體的使用功能,綜合考慮壓力風險和受體響應,以理化因子、水生態或人體健康響應狀態全麵評估水質安全狀況。

課題組根據這3個層麵的評估需求,借鑒“壓力-狀態-響應(PSR)”的評估框架,確定評估指標、評估標準、評估數學模式、分級及結果表征方式,並在太湖流域進行了驗證。

據課題組負責人介紹,太湖水質安全整體較差,水華、富營養化問題是影響太湖水質安全最重要的兩個因素。根據研究計算,太湖東區水質級別為中級,其他湖區水質級別均為及格,其中水質指數最低的竺山湖水質級別接近差。

構建流域水質安全預警技術,實現水環境質量“預警監控”

環境預警是指對環境質量和生態係統逆化演替、退化、惡化的及時報警。課題組負責人說:“環境預警具有先覺性、預見性的超前功能,具有對演化趨勢、方向、速度、後果的警覺作用,具有為環境整治和生態建設服務的科學功能和基礎功能”,她說,水質安全預警主要是針對水質不安全相關狀況做出的預測性評價,以便提前發現與未來有關的水環境可能出現的惡化、退化問題,並判斷其成因,從而把握水環境及其相關生態係統中潛在威脅的時空變化趨勢,進而提出環境預防措施。

課題以累積性水環境風險為關注對象,以模型為主要手段,研究建立麵向不同預警需求的流域水質安全預警技術。課題組負責人說:“具體來說,這一安全預警技術分兩個層麵。一是,著眼於長時間尺度的水質退化風險宏觀管理決策需求,建立了基於壓力-驅動效應的流域水質安全趨勢預警技術方法;二是,著眼於短時間尺度的水質異常波動風險快速應對需求,建立基於受體敏感特征的流域水質安全狀態響應預警技術。”

對應上述兩個不同層麵的預警技術,課題組研發了麵向不同需求的預警模型、模型變量設置、預警結果判定、預警指標識別及預警信號表征等技術,並且在典型流域進行了驗證。

在三峽庫區,課題組基於“社會經濟(S)-汙染負荷(L)-水動力水質模型(W)”綜合預警模型框架,以係統動力學(System Dynamics,簡稱SD)模型和環境過程模擬(The Environment Fluid Dynamics Code,簡稱EFDC)模型為主要依托,構建了三峽庫區水質安全預警模型,實現了多個社會經濟發展情景、風險管理決策場景的水質預警。

“根據庫區高、中、低不同發展模式情景假設,以2010年為基準年,開展S-L-W模型模擬,得到2020年、2025年庫區主要控製斷麵(朱沱、寸灘、清溪場、篩網壩、培石、銀杏沱)主要因子(COD、氨氮和總磷濃度)水質安全狀況預警結果”,課題組負責人說。

課題組利用2025年模型結果對庫區水質安全進行了綜合評估,結果顯示,清溪場和培石斷麵水質安全為輕警狀態。課題負責人告訴記者,其輕警的主要原因為清溪場斷麵受上遊來水壓力較大,培石斷麵受汙染物排放強度過大。

在遼河流域,課題組以大遼河作為“渾河-太子河-大遼河”流域的受體區域,在考慮流域內部汙染壓力以及大遼河作為感潮河段的特點基礎上,篩選出大遼河水質預警指標,構建了基於EFDC模型的大遼河流域水質安全預警模型。課題組負責人說:“在考慮大遼河曆史觀測數據以及風險因素變化態勢的基礎上,根據大遼河水質安全評估結果,確定大遼河水質安全預警係統重點關注水的化學需氧量(COD)、水中氨氮含量指標(NH3-N)、總磷(TP)指標。”

課題組還根據大遼河水質“反降級”特點,確定了大遼河及河口區的預警級別和反映狀態,將警情分成4種狀態。“正常狀態,就是水質維持現狀甚至好轉的狀態,即水體汙染物濃度低於確定水質預警閾值低值;不同站點水質現狀不同,要求不同。輕微警情,即水質惡化,水體汙染物濃度超過確定水體汙染物預警低值,但低於中值。中度警情,就是水質進一步惡化,超過確定水體汙染物預警中值,但低於高值。重度警情,就是水質嚴重惡化,水質超過確定的水體汙染物預警高值。”課題組負責人說。根據大遼河水質模型結果,課題組構建了近十年水體汙染物濃度累積概率分布曲線,通過插值法,確定了大遼河及河口區3種預警指標的預警閾值。

基於飲用水水源地受體敏感特征的流域水質安全預警,課題組則選擇了太湖貢湖灣小流域進行驗證。根據貢湖灣的水質和水生態特點,課題組建立適用於貢湖的三維數值預警模型,基於人體健康的角度,根據水質風險評估結果,確定了以葉綠素a(Chl-a)和溶解氧(DO)作為水源地水質預警指標,初步建立了與水質風險級別相對應的水質預警級別。課題組負責人介紹:“水質正常對應的指標水體中 Chl-a 濃度低於 80 μg/L, DO濃度大於4 mg/L;輕微警情對應的指標水體中 Chl-a 高於80μg/L,低於120μg/L,DO濃度小於4mg/L,大於2mg/L;嚴重警情對應的指標水體中 Chl-a 高於 120μg/L,DO濃度小於2mg/L。”

形成示範流域水質安全預警係統,實現業務化運行

在“十一五”示範流域風險評估與預警平台研發和集成應用示範的基礎上, 針對水庫、河流、湖泊典型流域的累積性水環境風險,課題組調研了地方相關業務需求,並確定了“控總量、提質量、評措施、嚴準入、防風險”的水質安全預警平台建設目標,構建起涵蓋“受體壓力識別-安全評估-安全預警-安全管理”的全過程流域水質安全評估與預警技術體係。課題組負責人介紹說:“課題還設計了集風險評估、監測分析、趨勢預警、汙染防治和治理績效五大功能的係統總體架構,形成了可業務化運行的示範流域水質安全評估與預警模型係統,並將係統應用於示範流域,也就是遼河、太湖、三峽庫區的水質安全預警平台,實現業務化運行,為示範流域‘環境準入、汙染防治、控製總量、改善質量’的環境風險管理需求提供技術支撐。”

流域層麵社會經濟、水庫調度方式以及汙染物排放是影響三峽庫區幹流水質安全的主要風險,課題組按照“模型封裝-模型接口服務-係統集成”思路構建了三峽庫區水質安全評估與預警係統。課題組負責人介紹說:“該係統在總體上分數據采集層、數據層、服務層、業務層和目標層5個邏輯層次,係統功能主要包括環境基礎數據的集成、水質安全壓力源評估、水質安全評估及預警。”她表示,該係統集成在“重慶市水汙染防治管理係統”裏,主要應用在流域整治、汙水工程、垃圾工程、企業減排、上遊來水等管理場景中,實現了對COD、總氮、總磷等指標的水質安全預警,為重慶市“水十條”考核斷麵的達標形勢預判分析和日常管理決策提供了輔助支撐。

遼河屬於資源性缺水河流,上遊來水即渾-太子河汙染負荷輸入,對遼河口水質安全有著風險影響,課題組采用麵向服務構架(SOA)的設計思想,構建了大遼河河口水質安全評估與預警係統。這一係統集成在“十二五”遼河流域水環境安全智能監管係統門戶平台上,作為“安全監管係統”的一個重要功能,在2015年12月完成了安裝、調試,並開展業務化運行,實現了對大遼河及其河口區水質的評估分級以及水質安全的預警分級。課題組負責人說:“截至目前,係統模塊性能穩定,運行良好,效果明顯,對COD、NH4-N等的指標預警準確率較高,顯現出良好的應用前景,和經濟、社會、環境效益。”

“太湖貢湖灣小流域存在的安全風險影響主要是流域氮、磷負荷輸入,氮、磷負荷輸入帶來的高富營養化嚴重影響了湖泊型飲用水水源地水質安全”,課題組負責人說。她告訴記者,課題組基於SOA架構體係,采用多層架構的設計,結合數據建模、業務模型、可視化流程引擎、等多種實現工具,構建了太湖流域貢湖飲用水水源地水質安全評估與預警係統。“該係統實現了對貢湖的水質安全評價、飲用水水源地人體健康風險評估以及貢湖灣水質安全預警”,她說。據了解,這一係統集成在“無錫市環境質量自動監測(控)係統”平台的“太湖新城水生態動態監控與評估係統”上,係統模塊性能穩定,對葉綠素、藻密度等的指標預警準確率較高。

在總結課題取得的成果時,課題組負責人說:“課題組共研發關鍵技術5項,發表相關學術論文104篇,授權計算機軟件著作權8項,申請專利6項,凝練形成水環境質量管理相關政策建議5份。”

項目背景

流域是人類文明的搖籃, 是國民經濟和區域經濟持續發展的空間載體, 是產業集中、城市發達和人居條件相對優越的地區。在過去十餘年中, 我國正處於新型工業化、信息化、城鎮化和農業現代化快速發展階段,與此同時,流域的水環境狀況也日趨惡化。我國的水環境問題十分複雜,水資源短缺、水汙染嚴重、水生態惡化三大問題並存,水環境質量改善麵臨著前所未有的多重壓力,水汙染防治任務繁重艱巨。

《水汙染防治行動計劃》(水十條)明確規定,要切實加強水環境管理,分強化環境質量目標管理、深化汙染物排放總量控製、嚴格環境風險控製三步走。當前,我國的環境管理正處於從總量控製向環境風險防範過渡的階段。《國家環境保護“十二五”規劃》將防範環境風險列為“十二五”期間國家環境保護的主要任務之一。環境風險管理是管理的最高階段,特點是強調風險防範、事先評估和預防決策,而環境風險評估和預警是風險管理的關鍵技術和基礎。

目前,流域水質安全評估與預警管理的重點工作是在我國已有汙染物的濃度和總量控製基礎上,加強包括常規汙染物在內的眾多有毒有害汙染物及其累積毒性效應的水環境風險評估,強化風險防範和預警,從源頭上進行主動管理,促進我國水環境管理向風險管理戰略轉變。

“十二五”期間,中國環境科學研究院承擔了“流域水質安全評估與預警管理技術研究”課題,針對水環境管理最為棘手的累積性水環境問題開展研究,突破了一係列關鍵技術,為進一步推動水環境管理從“質量管理”向“風險管理”轉變提供了技術支撐。據課題組負責人介紹,這一課題立足於常態條件的累積性水環境風險,以水環境質量作為風險受體,強調“源-途徑-彙”作用過程及暴露-效應關係的流域多要素綜合管理,從流域整體層麵,曆經5年研究,構建了涵蓋“受體壓力識別-安全評估-安全預警-安全管理”的全過程流域水質安全評估與預警技術體係。據介紹,這一體係是課題組取得的標誌性成果之一,具體主要包括流域水環境壓力源識別技術、流域水質安全評估技術以及流域水質安全預警技術等3項關鍵技術。

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