國外湖泊營養物基準向標準轉化方法對我國的啟示

紀丹鳳，蘇婧，席北斗，霍守亮，陳艷卿，王月

1.中國環境科學研究院水環境系統工程研究室，北京 100012

2.北京師范大學環境學院，北京 100875

國外湖泊營養物基準向標準轉化方法對我國的啟示

紀丹鳳1，2，蘇婧1*，席北斗1，霍守亮1，陳艷卿1，王月1

1.中國環境科學研究院水環境系統工程研究室，北京 100012

2.北京師范大學環境學院，北京 100875

由于我國現行水質標準中營養物標準的制定缺乏基于營養物基準的研究，急需通過借鑒國外經驗，建立適宜我國社會經濟現狀的營養物標準體系。介紹了美國和其他發達國家的營養物標準體系，回顧了美國國家環境保護局(US EPA)及各州采用的不同營養物標準的制定程序和技術方法，重點分析國外營養物標準指標的選取和確定標準值的方法。從湖泊營養物基準入手，探討制定我國湖泊營養物標準的方法及技術。

湖泊營養物基準;標準;結構方程模型;專家系統

1 國內外湖泊營養物基準、標準研究現狀

近年來，湖泊富營養化已成為中國最為突出的環境問題之一［1］。而我國對湖泊營養物基準的相關研究剛剛起步，現行水質標準缺乏基于營養物基準的營養物標準體系，因此，從湖泊營養物基準入手，制定切實可行的湖泊營養物標準的任務頗為迫切，防治湖泊富營養化已成為我國湖泊水環境污染控制與管理的主要問題。

湖泊營養物標準是水質標準的一部分。水質標準是以水質基準為依據，在考慮自然條件以及國家或地區的社會、經濟、技術等條件的基礎上，經過一定綜合分析后制定的，由國家有關管理部門或機關頒布，一般具有法律強制性;而水質基準是指環境中污染物對特定對象(人或其他生物)不產生不良或有害影響的最大劑量(無作用劑量)或濃度［2］，不具有法律效力，但其是制定水質標準的科學依據。

美國是較早開始研究水質基準的國家，其關于區域性營養物基準的制定工作開始于1998年，至今已頒布了14個生態區河流、湖泊的營養物水質基準，并先后完成了湖泊水庫(2000年4月)、河流(2006年7月)、河口海岸(2001年10月)和濕地(2006年12月，草案)的營養物基準技術指南［3］。歐盟等國家和地區根據不同使用功能將水體劃分為不同類型，分別制定相應的水質標準［4］。日本的相關標準主要是《水污染防治法》和《湖泊水質保全特別措施法》［5］。

我國對水質基準的研究起步較晚，早期主要是對國外資料的收集和整理。近年來對美國及其他一些地區和國家保護水生生物水質基準的制定方法和數據進行了概括［6-7］，如周忻等［8］研究了美國 2000年發布的方法學［9］。目前，越來越多的研究者開始致力于我國富營養化基準的研究，如張彤等［10-12］參照美國國家環境保護局(US EPA)推薦的《推導保護水生生物及其用途的國家水質基準的技術指南》，根據我國水生生物區系特點和相關試驗，推導了一些物質的水生態基準;一些學者［13-20］根據 US EPA的方法分別獲得了我國不同營養物基準的連續濃度，并分別研究了河口、湖泊、海岸、水庫的營養物基準的制定方法、指標體系及參照狀態的建立方法。但是國內關于湖泊營養物基準的研究仍然比較零散，至今還沒有由國家主管部門頒布的湖泊富營養物基準規范，也沒有在水環境基準的基礎上形成的水環境標準體系。筆者從湖泊營養物基準入手，探討制定我國湖泊營養物標準的方法，以期為現階段我國營養物標準體系的制定提供技術參考。

2 美國營養物標準制定方法

水質基準是水質標準的依據。水質標準是在水質基準的基礎上，綜合考慮社會、環境、經濟等因素后制定的，區域內技術經濟可行的，具有法律效力的水環境標準值。以美國為例，US EPA將美國全國分為14個生態分區，分別給出由US EPA制定的營養物基準。各州在US EPA發布的水質基準基礎上，結合其自然、經濟、社會、技術等條件，經過綜合分析，制定對于不同指定用途水體的具有法律效力的營養物標準。美國的水質標準體系包括反降級政策、指定用途、基準值三部分。基準向標準轉化有兩個關鍵問題:1)水體的用途是不能被直接測量的，需要用一個可度量的標準來代表某種用途，當水質達到這一標準，就說明其可以滿足該用途;2)標準的制定需要在水質最優、污染物排放最小和污染治理費用最小三者之間權衡利弊。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。

截至2008年，美國《各州采納的數字化營養物標準》發布針對湖泊水庫的營養物標準，美國50個州中，19個州有一項或以上的數字性標準［21］。US EPA及各州制定營養物基準和標準的方法主要有以下幾種。

2.1 US EPA基于參照水體制定營養物基準

參照狀態是指未受損的、原始狀態的或者受影響較小的水體狀態。US EPA按照相似的地理、土壤、水文、氣候、植物和野生動物環境把美國全國劃分為14個生態分區，基于每個生態分區內的湖泊和水庫的參照狀態制定營養物基準。US EPA認為，可以用參照狀態來設定給定的生態分區的湖泊、水庫保持達到天然狀態或者可達到的上界［7，22］。

US EPA期望水質標準能同時反映水體富營養化的原因和反應變量狀況，推薦采用總氮(TN)濃度、總磷(TP)濃度、葉綠素 a(Chl-a)濃度和透明度(SD)四個指標。通過每個生態分區內所有湖泊和水庫各季節的頻率分布，對四個指標分別進行排序，選取其營養物變量頻數分布的25%，作為基準值［23］。US EPA認為，采用該參照狀態法制定的基準值可以保護水體的指定用途，并給管理者一定的靈活性。該標準值不是直接與指定用途相聯系的，因為它沒有解釋基準指標和基準值指定的理由［24］。

2.2 明尼蘇達州營養物標準的制定方法

受US EPA生態分區參照水體狀態的影響，明尼蘇達州將州內湖泊和水庫按照生態分區和參照狀態分類，此外還在各分類之下按照指定用途、深度、湖泊/水庫進行二級分類。由于湖泊和水庫有著多種用途，選擇最敏感的用途作為受保護的指定用途。如果最敏感的用途控制得當，則其余的用途也就得到了保護。

明尼蘇達州采用三項指標(TP濃度、Chl-a濃度、SD)作為標準指標。因為該州內湖泊受磷的限制，所以未對TN濃度做出約束。同時該州內Chl-a濃度和SD這兩個反應變量與TP濃度的變化關系高度相關［24］。

明尼蘇達州的營養物標準制定方法經多年研究，考慮了明尼蘇達州湖泊的營養狀態。然而其選擇的指標，雖然旨在保護指定用途，但是并沒有明確地與特定的指定用途相關聯。

2.3 弗吉尼亞州營養物標準制定方法

浮游植物是弗吉尼亞州自然湖泊和絕大部分水庫的主導初級生產者，所以該州采用葉綠素a濃度作為確定營養物基準的基礎。該州制定并公布了地方和全球湖泊的漁場生產力和初級生產力與磷濃度之間的經驗關系。初級生產力與漁場生產力之間高度正相關，TP濃度與漁場生產力之間的相關性強度類似。根據文獻、湖泊資料和了解這些湖泊的研究者的專業判斷，確定了詳細而精確的湖泊營養物標準［24］。

弗吉尼亞州的營養物標準制定方法參考了大量的水質和水生態數據，充分利用了專家判斷系統，找到最能影響湖泊營養狀態的因素及富營養化控制的關鍵指標。然而該州選擇的指標和標準值的確定沒有與指定用途相聯系。

2.4 亞利桑那州營養物標準“變換量”方法

亞利桑那州采用變換量的方法，將敘述性營養物標準轉變成數字性標準［23］。通過分類與回歸樹(classification and regression tree)算法模型，將該州的湖泊和水庫分類成組，采用證據權重(weight of evidence)法對監測數據和由文獻、該州營養狀態指數以及數據庫分析提供的目標進行對比。

通過這種方法，亞利桑那州選擇了Chl-a濃度作為首要標準指標。其次考慮SD、TP濃度、TN濃度和凱氏氮濃度。次級營養物指標的制定以其與Chl-a濃度之間的相關性而定。

2.5 北卡羅萊納州專家小組制定營養物標準方法

Kenney［24］認為，生態分區湖泊參照狀態和專家組判斷的方法不能將湖泊營養物標準指標及標準值與水體功能相聯系，提出通過專家系統和結構方程模型(SEM)結合的方法來篩選最能顯示水體達到指定用途可能性的營養物指標，并判斷標準值的水體達到指定用途的可能性。

第一步，邀請對所研究湖泊非常熟悉的專家，請專家提出所調查湖泊的最適宜用途，以及最能反映這種用途是否能達到的營養物指標，給出若干組該湖泊的監測數據，請專家分別對各組數據進行打分，判斷其能達到所選用途的可能性。第二步，建立SEM，將專家打分結果輸入模型中，確定最能反映水體能夠滿足指定用途的變量作為營養物指標［25］。將現行營養物標準輸入方程，即可得到該標準值達到指定用途的可能性。

對于標準值的確定，Kenney［24］認為需要考慮水體營養狀態和社會經濟之間的利弊。基于上述研究，對營養物標準進行效用分析，請決策者參與判斷水環境狀態和富營養化控制成本之間的權衡，通過兩個模型(水質模型和多屬性效應分析模型)求得合適的標準值。

該方法成功地建立了營養物標準指標與水體達到指定用途的可能性之間的關系，將水體的指定用途這一難以測量的概念用指標和數值的方式表達出來，使對于水體達到指定用途可能性的判斷有據可依。同時，也成功地建立了如何在環境效益和控制成本之間權衡的量化方法，將決策者的價值傾向包含在標準值的制定當中。

3 國外營養物標準制定方法評述及對我國的借鑒意義

美國水環境標準的核心是基于生態分區的營養物標準。與美國情況類似，我國幅員遼闊，不同地區地理、生態、社會、經濟環境情況差異相當大，由于水生生物區系的地域性，目前全國范圍內采用統一的營養物標準不能完全反映不同地區水生生物保護的要求，容易導致保護不夠或過分保護。所以我國營養物標準制定可以借鑒US EPA的生態分區方法，將我國按照不同的地理、氣候、生態條件，分成不同的分區，對各分區制定相應的水質基準，并借鑒美國標準體系，結合不同分區的自然、經濟、社會、技術等條件，在基準基礎上制定出水環境標準。

營養物基準向標準轉化的關鍵是找到一個可度量的指標來反映水體達到指定用途的情況，以及在水質保護和經濟發展之間做出權衡，這兩點與美國標準制定的關鍵問題是一致的，所以基準向標準轉化的方法可以借鑒美國的方法。

US EPA與各州分別采用不同的方法制定營養物標準值。但富營養化的影響很難由幾個營養物指標來說明，因為任何一個指標在一系列的水平中，都只是作為自然系統的一部分。此外，在營養物標準和指定用途之間應該有種直接的關系，而US EPA推薦的四項指標的營養物水平沒有顯示其與指定用途的關聯。與US EPA的方法不同，美國一些州在制定營養物標準時，采用專家判斷的方法，考慮了指定用途。但這其中大部分的方法沒能建立標準指標和指定用途之間的直接關聯。

北卡羅萊納州［24］采用SEM與專家系統相結合的方法，建立了營養物標準指標、標準值與達到指定用途的可能性之間的關系。該方法是制定營養物基準的一種值得借鑒的方法，但是用該方法制定標準值過于依靠專家和決策者的經驗和判斷。

由于國外富營養化治理的研究已經進行了很多年，其水體富營養化狀況較好，同時其對環境保護的投入較多，民眾的環保意識較強，因此，其水體營養物標準值接近參照狀態。而我國正處于經濟高速發展階段，粗獷型的生產方式致使水體富營養化嚴重，想要恢復其較好的營養狀態需要經過較長的過程。現階段，需從水體的功能出發，首先考慮滿足水體功能的指定用途，建立針對不同水體用途的營養物分級標準，使水質標準與指定用途相對應，做到既不會因欠保護而損害水體功能，又不會因過保護而帶來超出我國社會經濟承受能力的控制成本。

綜上所述，我國營養物標準制定可以借鑒美國北卡羅萊納州的專家系統與SEM結合的方法，篩選出最能反映水體指定用途的指標，同時基于該模型判斷水體的營養狀態。但由于該方法偏于主觀，在我國營養物標準研究中可以采用統計分析的方法，尋找營養狀態與不同水體功能之間的關系，確定不同用途下的營養物標準的閾值，再通過專家系統與SEM結合的方法去驗證該閾值達到指定用途的可能性。圖1為我國湖泊營養物標準的制定技術路線。

圖1 我國湖泊營養物標準的制定技術路線Fig.1 Research technique route of transforming nutriment criterion to standard in China

由圖1可以看出，我國湖泊營養物標準的制定分為四步。

(1)基于不同水體功能的分級體系。將水體按用途分為:1)自然保護區;2)飲用水水源地、珍貴魚類保護區、魚蝦產卵場;3)一般漁業用水區、直接接觸的娛樂用水區;4)非直接接觸的娛樂用水區、航運、防洪;5)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。

通過分級體系，將水體按照不同的功能需要分為不同等級，在我國富營養化現象嚴重，環保力度有限的情況下，可以滿足從水體的功能出發，首先滿足水體功能指定用途的現狀。在未來湖泊富營養化情況得到改善之后，再進一步制定更加嚴格的水質標準。

(2)湖泊營養物指標的篩選。TP濃度和TN濃度是引起湖泊富營養化的原因變量，建議選取TP濃度和TN濃度作為基本控制指標。其他的控制指標，需要針對不同用途的水體，通過專家系統篩選出最能影響達到指定用途的可能性的關鍵指標。

由于不同的水體功能的限制因素不同，篩選關鍵指標可以在現階段快速有效地找到控制的關鍵因子，提高水環境治理效率，節約治理成本。

(3)不同水體功能標準閾值的確定。以大量歷史數據為基礎，進行統計學分析，結合不同水體用途對水質的要求，以水體用途對水質要求為上限，確定不同用途水體功能對應級別的閾值。

由于基準向標準轉化采用專家判斷與SEM結合的方法，為避免過于依靠專家的主觀判斷，閾值的確定采用統計學、調研和試驗的方法得到，以彌補這一不足。

(4)標準建議值的確定。利用專家系統與SEM相結合確定不同功能湖泊的主要控制指標和標準值:1)將敘述性的指定用途轉變成可定量的標準，在該步驟中，選擇對所研究湖泊情況非常了解的專家和學者進行咨詢，請他們判斷所研究湖泊的營養狀態、湖泊的適宜用途、該用途最重要的營養物指標;2)給專家提供多組湖泊水質數據(選自所研究湖泊的監測數據)，由專家對每組數據進行打分，判斷每組數據達到所選功能用途的可能性。通過SEM，建立環境參數與達到指定用途可能性之間的關系，篩選出對水體達到指定用途可能性影響最大的營養物指標，得到所定閾值達到功能的可能性，給出標準建議值。

經過該方法，可以成功地建立營養物指標與達到指定用途可能性之間的關系，使水體達到用一個或幾個簡單的指標來度量用途這一抽象概念，即營養物標準。

4 結論

我國對于湖泊富營養化的研究處于起步階段，特別是在湖泊營養物基準和標準研究與實踐方面，存在著嚴重的不足。目前我國尚未制定湖泊營養物基準，鮮有可體現湖泊營養物基準的營養物分級標準，給我國湖泊富營養化問題的識別、評價、管理帶來了很大難度。現行標準的指標值制定主要參考了歐美等發達國家的營養物基準和標準。但是由于生態系統的地域性，國外的標準不能完全反映我國水生態環境的需要，所以如果參考其他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。

由于我國處于經濟發展高速時期，正在從粗獷型經濟向集約型經濟轉變，環境污染較嚴重，所以需要一套循序漸進的、分級分功能的標準體系，在保證水體功能的基礎上，不對經濟發展產生重大影響，逐步控制和改善湖泊富營養化狀況。基于此，建立了基于“不同水體功能的分級體系—湖泊營養物指標的篩選—不同水體功能標準閾值的確定—標準建議值確定”為思路的，基于統計學、專家系統和SEM相結合的基準向標準轉化的湖泊營養物標準制定方法。通過這種方法制定的標準，可以滿足現階段水體功能的保護，同時使經濟發展不會受到很大的影響。

［1］吳豐昌，孟偉，宋永會，等.中國湖泊水環境基準的研究進展［J］.環境科學學報，2008，28(12):2385-2393.

［2］US EPA.Ambient water quality criteria［S］.Washington DC:Office of Regulation Standards，Criteria and Standars Division，1980.

［3］GIBSON G，CAELSON R，SIMPSON J.Nutrient criteria technical guidance manual:lakes and reservoirs(EPA-822-B-00-001)［R］.Washington DC:United States Environment Protection Agency，2000.

［4］MARTIN G.歐盟水質框架指令手冊［M］.北京:中國水利水電出版社，2008.

［5］高娟，李貴寶，華珞，等.日本水環境標準及其對我國的啟示［J］.中國水利，2005(11):41-43.

［6］孟偉，閆振廣，劉征濤.美國水質基準技術分析與我國相關基準的構建［J］.環境科學研究，2009，22(7):757-761.

［7］張彤，金洪鈞.美國對水生態基準的研究［J］.上海環境科學，1996，15(30):7-9.

［8］周忻，劉存，張愛茜.非致癌有機物水質基準的推導方法研究［J］.環境保護科學，2005，31(1):20-22，26.

［9］US EPA.Ambientwaterqualitycriteriarecommendations:information supporting the development of state and tribal nutrient criteria for lakes and reservoirs in nutrient ecoregion:XIV(EPA 822-B-01-011)［R］.Washington DC:Office of Water，2001.

［10］張彤，金洪鈞.硫氰酸鈉的水生態基準研究［J］.應用生態學報，1997，8(1):99-103.

［11］張彤，金洪鈞.乙睛的水生態基準［J］.水生生物學報，1997，21(3):226-233.

［12］張彤，金洪鈞.丙烯腈水生態基準研究［J］.環境科學學報，1997，17(1):75-81.

［13］曹宇靜，吳豐昌.淡水中重金屬鎘的水質基準制定［J］.安徽農業科學，2010，38(3):1378-1380.

［14］閆振廣，孟偉，劉征濤，等.我國淡水水生生物鎘基準研究［J］.環境科學學報，2009，29(11):2393-2406.

［15］孟偉，王麗婧，鄭丙輝，等.河口區營養物基準制定方法［J］.生態學報，2008，28(10):5133-5140.

［16］鄭丙輝，許秋瑾，周保華，等.水體營養物及其響應指標基準制定過程中建立參照狀態的方法:以典型淺水湖泊太湖為例［J］.湖泊科學，2009，21(1):21-26.

［17］霍守亮，陳奇，席北斗，等.湖泊營養物基準的候選變量和指標［J］.生態環境學報，2010，19(6):1445-1451.

［18］霍守亮，陳奇，席北斗，等.湖泊營養物基準的制定方法研究進展［J］.生態環境學報，2009，18(2):743-748.

［19］胡瑩瑩，王菊英，張志鋒，等.遼河口近岸海域水體營養物推薦基準值的制定方法［J］.中國環境科學，2011，31(6):996-1000.

［20］穆景利，王菊英，洪鳴.海水水質基準的研究方法與我國海水水質基準的構建［J］.生態毒理學報，2010，5(6):761-768.

［21］US EPA Office of Water.States adoption of numeric nutrient standards(1998-2008)［R］.Washington DC:Officeof Water，2008.

［22］US EPA.Ambientwaterqualitycriteriarecommendations:Information supporting the development of state and tribal nutrient criteria for lakes and reservoirs in nutrient ecoregion:XI(EPA 822-B-00-012)［R］.Washington DC:Office of Water，2000.

［23］WALKER J L，YOUNOS T，ZIPPER C E.Nutrients in lakes and reservoirs-a literature review for use in nutrientcriteria development［R］.Blacksburg:Virginia Water Resources Research Center，2007.

［24］KENNEY M A.Which nutrient criteria should states and tribes choose to determine waterbody impairment:using science and judgments to inform decision making［D］.Durham:Duke University，2007.

［25］RECKHOW K H，ARHONDITSIS G B，KENNEY M A，et al.A predictive approach to nutrient criteria［J］.Environ Sci Technol，2005，9(9):2913-2919.

The Method of Transforming Lake Nutrient Criteria into Standards in Foreign Countries and the Enlightenment to China

JI Dan-feng1，2，SU Jing1，XI Bei-dou1，HUO Shou-liang1，CHEN Yan-qing1，WANG Yue1
1.Laboratory of Water Environmental Systems Engineering，Chinese Research Academy of Environmental Science，Beijing 100012，China，
2.School of Environment，Beijing Normal University，Beijing 100875，China

The set of nutrient standard of current water quality standard in China is short of research on nutrient criterion.It is badly in need of establishing nutrient standard system appropriate to China's socioeconomic situations by reference to foreign experience.The nutrient standard systems of the USA and other developed countries were introduced，and the procedure and technical methods to develop lake nutrient standards of US EPA and several states reviewed.The methods to select the nutrient variables and to determine the standard levels in foreign countries were focus.Finally，the methods and techniques of nutrient standard establishment based on nutrient criteria in China were discussed.

lake nutrient criterion;standard;structural equation modeling;expert system

X524

A

10.3969/j.issn.1674-991X.2012.03.035

1674-991X(2012)03-0229-05

2012-01-13

國家水體污染控制與治理重大專項(2009ZX07106-001);國家自然科學基金項目(71103166)

紀丹鳳(1981—)，女，博士，主要從事環境管理相關研究，danfeng_j@163.com

*責任作者:蘇婧(1981—)，女，副研究員，博士，主要從事環境管理相關研究，sujing169@163.com