基于環境基準的太湖氨氮最大容量研究

陳峻崎，賈劍波，朱建剛*

1. 北京林業大學水土保持學院，100083 北京；2. 北京市園林綠化國際合作項目管理辦公室，100013 北京

基于環境基準的太湖氨氮最大容量研究

陳峻崎1,2，賈劍波1，朱建剛2*

1. 北京林業大學水土保持學院，100083 北京；2. 北京市園林綠化國際合作項目管理辦公室，100013 北京

環境基準反映了環境介質中污染物的閾值劑量與保護對象的臨界效應之間的對應性，其本質是一種下限閾值。經由推導和檢驗而得到的環境基準，可以在環境管理方面廣泛應用。太湖位于我國經濟最發達的地區之一——長江三角洲，其水質直接影響著該地區的生活與經濟，太湖水環境污染主要是氨氮污染。該研究以太湖為對象，推導出太湖的氨氮環境容量，確定氨氮濃度控制目標和最大容許排放量，為今后太湖氨氮減排與治理提供理論依據。通過環境基準共性推導模式，建立和率定了水環境系統閾值響應模型；為了確定環境容量，開展了多種情景的模型模擬，將實測值與模擬值進行獨立樣本T檢驗，得出模擬值與實測值之間并無差異；建立的水環境系統的閾值響應模型具有一定的有效性。基于模擬結果比較而確定了氨氮的環境容量為1.334 mg·L-1，將其作為氨氮污染控制目標。以太湖流域2010氨氮年均濃度0.26 mg·L-1為初始濃度，以20 a為模擬期，模擬不同排放強度下氨氮的濃度變化。將控制目標代入閾值響應模型，分析了不同排放情景下氨氮的濃度，通過情景模擬發現，氨氮的綜合響應、消極響應（水體氨氮濃度對氨氮排放的響應）和積極響應（水體的自凈能力）在不同排放強度下呈現出不同的變化特征。發現如果以20 a為目標期限，為保證氨氮濃度不超過污染物濃度控制目標，氨氮年度排放量要低于7.2×104t。

太湖；氨氮；污染控制目標；環境基準

環境基準是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（林玉鎖，1994；孟偉等，2006）。環境基準反映了環境介質中污染物的閾值劑量與保護對象的臨界效應之間的對應性，以保護對象是否發生穩態轉換（臨界效應）為前提，其本質是一種閾值，且是一種下限閾值。環境基準是基礎依據，根據客觀的事實判斷，僅基于科學研究結果；而環境標準是管理工具，由主觀價值判斷，考慮社會、經濟、技術及管理等因素，具有法律約束力。環境基準研究耗資大、費時長，需要逐步推進。總體而言，我國的環境基準研究起步較晚，尚處于初步探索階段。我國環境基準研究基礎十分薄弱，尚未在國家層面上系統全面地開展過環境基準研究。盡管如此，零星分散開展的有關環境基準的研究也取得了一定成果，為推動我國國家層面上的環境基準研究做出了有益的探索（Wu et al.，2010）。當前，世界各國對環境基準研制格外關注，發達國家及國際組織從環境基準的科學定值入手，紛紛從國家或全球層面上推進環境基準的研制工作，現已開展了大量的環境基準典型案例研究，獲取了一系列環境基準值。然而，到目前為止，國內外幾乎沒有文獻針對環境基準共性技術做過專門的探討。本文認為，“環境基準共性技術”是指應對和解決環境基準典型案例研究中涉及的各類共性問題的通用技術方法和綜合解決方案，包括根據基礎信息首次推導環境基準和由已有的參考性環境基準推導新環境基準。在根據基礎信息首次推導環境基準時，又有兩種模式可以采納，即安全劑量（如參考劑量RfD）外推模式和劑量-響應關系模式（分別簡稱為外推模式和響應模式），二者的區別在于環境介質是否與響應過程（閾值形成）有關。

經由推導和檢驗而得到的環境基準，可以在環境管理方面得到應用。如環境基準可用于確定污染物最大容許排放總量、環境資源的價值，并用于制定環境質量標準。水環境系統是一個非線性系統。一方面，污染物排放會對水體造成消極影響，導致水質下降；另一方面，由于水體具有一定的自凈能力（或自我恢復能力），能夠產生積極影響，促使水質好轉。閾值特征是水循環系統自身運行所體現的非線性特征之一，當水質不超出某一閾值時，水體才具有自凈能力，若超出此閾值，水體的自凈能力會喪失，此閾值表現為環境容量。與此同時，為保護人體健康和生態安全，水質指標也不能超出某一閾值（或閾值范圍），此閾值表現為環境基準（Hitchens et al.，2003；Li et al.，2011）。環境容量和環境基準均體現為水體污染物濃度的某些特殊值，而水體污染物濃度又與污染物排放量具有趨同關系。因此，為達到環境基準或環境容量（一般選取二者中最嚴格值作為水環境完整保護的目標值），必須確定污染物最大容許排放量（Koren et al.，2003；Cooke et al.，2005；Newman，2015）。

氨氮是總氮在自然水體中的存在形式之一，是各形態氮中危害影響最大的一種（Liang et al.，2008；Ferard et al.，2013）。氨氮中的非離子氨是引起水生生物毒害的主要因子，對水生生物有較大的毒害，其毒性比銨鹽要大幾十倍。在氧氣充足的情況下，氨氮可被微生物氧化為亞硝酸鹽氮，進而分解為硝酸鹽氮，亞硝酸鹽氮與蛋白質結合生成亞硝胺，具有致癌和致畸作用（Yan et al.，2015）。同時氨氮是水體中的營養素，可為藻類生長提供營養源，增加水體富營養化發生的幾率（Scholten et al.，2005）。氨氮減排是我國“十二五”環境保護的約束性指標。

本研究以太湖為對象，通過水環境系統閾值響應模型，推導出太湖的氨氮環境容量，確定氨氮濃度控制目標和最大容許排放量，為今后太湖氨氮減排與治理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究對象選定

太湖地處長江三角洲中心，是我國第三大淡水湖泊，其水體污染以有機污染為主，水質呈逐漸惡化趨勢，富營養化程度逐年加劇。太湖治污不容樂觀（Qin et al.，2007；陳潤等，2010；余輝，2014），其中氨氮是太湖水質惡化的主要因素（毛新偉等，2009）。

1.2 數據來源

研究收集了1998—2010年太湖的地表水資源量、氨氮污染物濃度、氨氮排放量的數據（中華人民共和國水利部，1999—2011；水利部太湖管理局，1999—2011；中華人民共和國環境保護部，1999—2011；錢益春等，2009）作為模型的基礎數據。

1.3 模型建立

基于環境基準共性推導技術確定污染物最大容許排放量的總體思路是：（1）選定保護對象及污染物；（2）建立污染物排放量與水體污染物濃度的閾值響應模型，將環境容量視為未知參數，率定模型參數后推求環境容量；（3）通過相關途徑獲取環境基準值，選出環境基準與環境容量中的較嚴格者作為控制目標；（4）將控制目標帶入閾值響應模型，進行情景分析，反推污染物濃度控制目標要求的污染物年最大容許排放量和年限要求。

本文在進行環境基準推導時，選擇劑量-響應關系模型，響應模式下的環境基準共性推導流程可分為4步，如圖1。

在響應模式的基礎上，延伸出閾值-響應模型，即將環境基準視為一個待定參數，在實現模型參數化（參數率定）后計算獲得環境基準值。基于閾值響應特征，建立水環境系統閾值響應模型，如式1至式3。

式中，t為第t年；Y為目標污染物濃度（mg·L-1）；NR為消極響應，即污染物排放的影響（mg·L-1）；PR為積極響應，即水體自凈能力（mg·L-1）；r為有效驅動貢獻率；D為驅動變量，即污染物排放量（t·a-1）；V為地表水資源量變量（m3）；q為水體的自凈系數；A為保護對象能夠自身恢復的最大閾值，即環境容量（mg·L-1）。

模型假設條件為：（1）某一時刻水污染程度決定于3個方面：上一時段水污染程度、該時段內污染物的排放情況、該時段內水體的自凈能力；（2）水環境系統的自凈能力具有閾值范圍，超過此環境容量后該系統不再具備自凈能力。

水環境系統閾值響應的目標函數和模型函數以及模型的參數率定均在Matlab語言環境下進行編程（Holzbecher，2007；Dixon，2012）。

2 結果與分析

2

.1 模型參數率定

根據水環境系統閾值響應模型，模型的控制參量共有3個，分別為r（有效驅動貢獻率）、q（水體自凈系數）和A（環境容量）。R、q和A的初始范圍設置見表1，參數率定的優化過程曲線見圖2。

圖1 響應模式下環境基準的共性推導流程Fig. 1 General steps for deriving environmental benchmark under response mode

表1 水環境系統閾值響應模型的參數初始范圍設置Table 1 Initial parameter range setting for water system threshold-response model

圖2 水環境系統模型參數化的優化過程曲線Fig. 2 Optimization curve of parameterization for water model

經參數率定，得到r、q和A3個參數的取值分別為0.074、0.836和1.334，其中A即為環境容量（mg·L-1）。將3參數帶入模型，得到氨氮濃度的模擬值（圖3）。將實測值與模擬值進行獨立樣本T檢驗，T檢驗的顯著性水平為0.638，大于0.05，模擬值與實測值并無差異，即模擬值與實測值擬合效果較好，說明本文建立的水環境系統的閾值響應模型具有一定的有效性。

圖3 太湖氨氮實測值與模擬值Fig. 3 Simulation and observation values of ammonia nitrogen in Taihu Lake

2.2 氨氮濃度控制目標的確定

閆振廣等（2011）對我國的淡水保護生物的氨氮基準進行了研究，認為氨氮水質基準表現為以水體pH值和溫度為自變量的函數，在pH值為6.5～9.0、溫度0～30 ℃的取值范圍內，我國氨氮急性和慢性基準的數值范圍分別為0.403～38.9和0.066～3.92 mg·L-1，可見氨氮水質基準的可選范圍較寬。石小榮等（2012）特別以太湖流域為例，探討了保護淡水生物的氨氮基準，提出在pH值為8、溫度為25 ℃時，太湖流域淡水水生生物氨氮基準最大濃度（CMC）和基準連續濃度（CCC）分別為3.20和1.79 mg·L-1（以N計，下同）；在pH值為6.9～9.0、溫度為4～34 ℃的取值范圍內，CMC和CCC的范圍分別為0.24～25.78和0.20～4.51 mg·L-1。

在本研究中，為保護大多數水生生物，選取在pH值為8、溫度為25 ℃時的基準連續濃度（CCC）1.79 mg·L-1作為太湖流域的氨氮的典型環境基準值。與經過參數率定確定的環境容量1.334 mg·L-1相比，太湖流域氨氮的典型環境基準值比環境容量略高，即當氨氮濃度達到環境基準值時，已超過了環境容量。根據最小限制性原則，選擇環境容量與環境基準中較低者作為控制目標，即選定1.334 mg·L-1作為污染物濃度控制目標。控制目標對應的排放強度即為最大容許污染物排放強度。在實踐中，應避免出現如此高強度的排放。

2.3 最大容許污染物排放量的確定

當水體污染物濃度達到控制目標時，對應的污染物排放量即為最大容許排放量。最大容許污染物排放量以當前污染程度為初始濃度，以環境基準或環境容量為污染物濃度控制目標來反推計算。計算過程表示為污染物年度排放量與排放年限的乘積，即如果年度排放量放大，則排放年限會縮小；相反地，如果年度排放量減小，則排放年限會拉長。

以太湖流域2010年氨氮年均濃度0.26 mg·L-1為初始濃度，通過設定污染物濃度控制目標（1.334 mg·L-1），以20 a為模擬期，模擬不同排放強度下氨氮的濃度變化。假設20 a內地表水資源量維持平均值（1.71×1010m3）不變。

通過情景模擬發現，氨氮的綜合響應、消極響應（水體氨氮濃度對氨氮排放的響應）和積極響應（水體的自凈能力）在不同排放強度下呈現出不同的變化特征。選取了典型的污染物排放強度（5×104、6.7×104、7.2×104t·a-1）進行分析，見圖4。

通過情景模擬發現以下幾個規律，（1）氨氮濃度的綜合響應受自身原有狀態、消極響應和積極響應三者的綜合影響。消極影響在不同情景下為一個恒定值，但積極響應即水體的自凈能力是不斷變化的。（2）在排放量較低（低于約5×104t·a-1）時，自凈能力的增加會與污染排放產生的影響相互持平，即使有污染排放，也會被自凈能力所中和，氨氮濃度的綜合響應會平穩地維持在一個較低水平。當排放量介于5×104～6.7×104t·a-1時，氨氮濃度的綜合響應會逐漸增大至控制目標的一半，此時自凈能力是不斷增加的。當排放量介于6.7×104～7.2×104t·a-1時，氨氮濃度的綜合響應會大于控制目標的一半，此時積極響應則開始減小。當排放量較高（高于7.2×104t·a-1）時，自凈能力會減弱直至喪失，形成一個先高后低的弧形，并最終導致氨氮濃度綜合響應快速升高。（3）根據情景c，7.2×104t·a-1的氨氮排放量連續排放17 a將導致氨氮濃度超過控制目標。因此，如果以20 a為目標期限，為保證氨氮濃度不超過污染物濃度控制目標，氨氮年度排放量要低于7.2×104t。

圖4 太湖不同排放強度情景下氨氮的濃度變化Fig. 4 Concentration dynamic of NH3-N under different discharge scenario in Taihu Lake

3 結論

通過對水環境系統的閾值響應模型的建立，選擇環境基準與環境容量中的較小者作為控制目標，反推了太湖污染物濃度達到控制目標時對應的最大容許年排放量和排放年限。從中得出以下兩點：

（1）太湖流域氨氮的典型環境基準值1.79 mg·L-1，比模型確定的環境容量1.334 mg·L-1略高，根據最小限制性原則，最終選擇1.334 mg·L-1作為污染物濃度控制目標。

（2）通過設定污染物濃度控制目標（1.334 mg·L-1）模擬了不同排放強度下氨氮的濃度變化，結果表明其綜合響應、消極響應和積極響應在不同排放強度下呈現出不同的變化特征。連續17 a以7.2×104t·a-1的排放量排放氨氮將導致氨氮濃度超過控制目標。因此，若以20 a為目標期限，氨氮年度排放量應低于7.2×104t，否則將導致太湖氨氮含量超標。

太湖位于我國經濟最發達的地區之一長江三角洲，其水質直接影響著該地區的生活與經濟（Li et al.，2007；Qin，2008）。流域發展日漸蓬勃的種植業、養殖業和不合理的化肥使用方法是氨氮濃度有增無減的主要原因（程波等，2005；陸亞秋等，2010），所以氨氮排放量的控制應從加強農業節水、控制農藥化肥使用量、加強農業污染源治理等方面進行（劉兆德等，2003；孔祥智等，2010）。

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Research on Maximum Capacity of Ammonia Nitrogen in Taihu Lake Based on Environmental Benchmark

CHEN Junqi1,2, JIA Jianbo1, ZHU Jiangang1,2

1. College of soil and water Conservation, Beijing Forestry University, 100083 Beijing, China;
2. Beijing Forestry and Parks Department of International Cooperation, 100013 Beijing, China

Environmental benchmark reflects the correspondence between threshold dose of pollutants in environmental media and critical effect of protected object, and its essence is a lower threshold. And environmental benchmark can be applied in environmental management after derivations and tests. Taihu Lake is located in one of the most economically developed regions of China, of which water quality directly affects the life and economy in the Yangtze Delta. Ammonia nitrogen is the main pollutant in Taihu Lake. Taking Taihu Lake as the object, this study derives capacity of ammonia nitrogen in Taihu Lake and sets control objective of ammonia nitrogen concentration as well as maximum permissible emissions to provide a theoretical basis for the future governance and emission reduction of ammonia nitrogen in Taihu Lake. In this paper, a threshold-response model of water environmental system was established based on general derivation mode of environmental benchmark, and model simulations based on different scenarios were carried out to determine the capacity of the environment, which comes out that there is no difference between the simulated and measured values by independent sample T-test. The threshold-response model of water environmental system established in this paper has certain effectiveness. Environmental capacity was determined as 1.334 mg·L-1by means of simulation results comparison and the capacity was applied as control objective of ammonia nitrogen pollution. This research sets 0.26 mg·L-1(2010 annual average ammonia nitrogen concentration of Taihu Lake Basin) as initial concentration and 20 years as simulation period, simulating the concentration changes under different emission intensity levels. Putting the control objective into model, and ammonia nitrogen concentration in different discharge scenarios was analyzed in this paper. Simulations indicates that the comprehensive response and negative response (water ammonia nitrogen concentration in response to ammonia nitrogen emissions) and the positive response (water self-purification capacity) in different emission intensity levels show different changes. The results showed that annual emissions should not exceed 72 000 tons to ensure the ammonia nitrogen concentration does not exceed the control objective.

Taihu Lake; ammonia nitrogen; control objective of ammonia nitrogen pollution; environmental benchmark

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.01.014

X26

A

1674-5906（2017）01-0089-06

陳峻崎, 賈劍波, 朱建剛. 2017. 基于環境基準的太湖氨氮最大容量研究[J]. 生態環境學報, 26(1): 89-94.

CHEN Junqi, JIA Jianbo, ZHU Jiangang. 2017. Research on maximum capacity of ammonia nitrogen in Taihu Lake based on environmental benchmark [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(1): 89-94.

科技部國際合作項目（2015DFR31130）；國家自然科學基金項目（41271033）

陳峻崎（1968年生），教授級高級工程師，主要從事環境科學及工程綠化研究。E-mail: desert608@126.com

*通信作者：朱建剛（1982年生），男，高級工程師，主要從事環境科學及工程綠化研究。E-mail: zhujg@bfdic.com

2015-06-20