藍藻治理工程環境績效評估指標體系構建與實證研究

陸 海，楊逢樂，張先智

(云南省生態環境工程評估中心，云南 昆明 650028)

0 引言

水體富營養化及其導致的藍藻水華是目前我國眾多湖泊和水庫面臨的重要環境問題[1]，隨著社會經濟的發展，對藻類的快速、有效治理已成為對富營養化水體治理中最緊迫的任務之一[2]。目前國內外除藻方法大體可分為物理法、化學法、生物法和綜合處理法四類[3]，其中將多種方法聯合使用的綜合處理法在有效性和實用性方面具有更大的優勢。然而上述除藻工程在實際運用中面臨著系統性不足、建設程序和管理不到位、重建設輕管理運行等諸多問題，大大影響了工程成效的發揮。環境績效評價是提高項目實施效果的重要抓手，針對藍藻治理工程開展環境績效評價，對于促進已建項目的可持續發展具有重要意義。

目前，已有一些學者針對藍藻治理工程效益開展了評估評價研究。如羅歡等[4]以江西省尋烏縣九曲灣水庫為例，運用治理前后數據比較的方法，分析了水庫藍藻水華的生態治理措施對水質、水生動植物等水生態指標的治理效果。陳思莉等[5]以廣東某湖為例，開展最佳藥劑以及最佳投藥量的實驗研究，對比三種化學除藻劑的除藻效果。李大剛[6]通過構建藻類水華治理決策的一級指標，應用貝葉斯決策理論獲得藻類水華治理的最優治理方法。李林[7]等提出水華治理決策的層次模型，利用灰色關聯度方法尋求最優解，得到環境影響和經濟成本最優的藻類水華治理方案。白玉廷[8]等針對水質監測信息和藻類水華暴發的特點，建立基于Vague集的藻類水華治理的多目標、多屬性決策方法，取得良好效果。王昭洋[9]等提出基于復雜網絡動態關聯特性的水華治理案例推理方法，建立通用本體模型，尋找最佳治理方案。現有評估方法為藍藻治理工程的效益評價提供了多條解決思路，但側重于模型的運用和數據對比分析，尚未形成緊扣工程目標的評價指標體系。研究和建立藍藻治理工程環境績效評估指標體系，豐富藍藻治理工程環境效益的評價途徑，可使評價結果的準確率和效率進一步提高。

本文通過文獻查閱、實地調研、經驗總結、頻度分析、專家咨詢等方法[10]，從有效性、可靠性、安全性、經濟性4個方面選取能夠表征和反映該類工程特點的11項指標，建立評價指標體系，確立評價標準，用層次分析法確定指標權重，應用模糊數學方法構建評價模型。以大理市洱海藍藻控制與應急處置工程為典型案例，確定評價指標及標準，評價工程實施的環境績效，識別存在的主要問題，總結示范經驗支撐政府決策，為政府在今后湖泊藍藻水華防控體系構建及長效管理機制方面提供寶貴的經驗和有力的科學支撐。

1 指標體系的構建

建立合理的評價指標體系是對藍藻治理工程環境績效進行科學分析、正確評價的基礎。遵循獨立客觀性、可信性、可操作性、現實性、全面性、反饋性和合作性原則，篩選可以表征和反映工程投入、產出、成果與影響之間的邏輯性與系統性的指標，建立合理的指標體系，并確定指標權重和評價標準，構建評價模型，以便客觀、全面、科學地評價其環境績效。

1.1 建立指標體系

從“有效性、可靠性、安全性、經濟性”4 個一級指標要素方面共選取11個二級指標要素(表1)。

表1 環境績效評估指標體系

1.2 指標表征含義

A有效性指標：是指工程措施對目標的實現程度，主要是指工程對藻類及相關污染指標的去除程度。根據工藝原理的不同，可通過水質、水量等方面的指標進行評估。水質評估既評估指標的變化率(去除率)，同時也考慮指標的變化量。

B可靠性指標：是指工程措施在評估期內持續穩定地完成工作任務的能力。涉及系統的實際處理能力、運行時間、設施或設備運行質量、運行的穩定性等多個方面。

C安全性指標：是指系統在建設和運行過程中對人身傷害、財產損失和環境危害等各類風險的防范能力。包括設施出水對受納水體影響的常規控制指標和特征控制指標。

D經濟性指標：是指系統建設和運行成本的合理性。主要是對工程的單位建設費用、運行費用和占地面積進行分析和評估。

1.3 指標權重的確定

采用層次分析法確定各級指標權重。將目標分解為多個目標或準則(一級指標)，進而分解為多指標(二級指標)的若干層次，對兩兩指標相互比較，通過定性指標模糊量化方法算出各指標權重，作為目標、多方案優化決策的方法[11]。兩兩指標對比分析步驟：首先在各層次上根據評定尺度(運用Santy提出的1-9標度法，見表2)確定各因素的重要程度，據此構建判斷矩陣(見表3)，通過和積法確定評價指標權重，并進行一致性檢驗。最后通過綜合層次總排序的計算，確定各評價指標對最高層總目標的權重，據此得到評價指標的最終排序。

表2 1-9標度表

表3 五階判斷矩陣形式

1.4 評價模型的建立

應用模糊關系合成的原理，根據被評價對象本身存在的性態或隸屬上的亦此亦彼性，從數量上對其所屬成分給予刻畫和描述。采用模糊數學的方法建模[12]如下 ：

Z=W×U

(1)

式中 ：Z為藍藻治理工程環境績效評估矩陣，W為4個一級指標(有效性、可靠性、安全性、經濟性)對綜合績效水平的權重矩陣，W=(W1，W2，W3，W4) ；U為一級指標對各評定等級(“優秀(S總≥90)、良好(80≤S總<90)、一般(60≤S總<80)、較差(S總<60)”4 個級別)的隸屬度矩陣。

(2)

Umn=w×r

(3)

式中：Umn為第m個一級指標對第n級評定等級的隸屬度矩陣，m=1，2，3，4，n=1，2，3，4；w為m中二級指標的權重矩陣，例如，若m=2時，w為B1，B2，B3的權重矩陣；r為二級指標對各評定等級的隸屬度矩陣。

相對隸屬度的計算方法如下：

①Xy>Sy1時，ry1=1，ry2=ry3=ry4=0；

②當Syj≥Xy≥Syj+1時，ryj+1= (Syj-Xy)/(Syj-Syj+1)，

ryj=1-ryj+1；(j=1，2，3)，剩下2個健康標準的隸屬度為0；

③當Xy

良好和一般等級取范圍的平均值。

2 實證研究—洱海藍藻控制與應急工程環境績效評價

洱海是我國重要的淡水湖泊、云南省第二大高原淡水湖泊，位于大理白族自治州境內，地跨大理市和洱源縣，流域面積2565km2，湖面積251km2，平均深度10.6m，容積27.40億m3。

洱海目前正處于中營養化向富營養狀態轉型的敏感時期[13]，生態基礎脆弱，特別是隨著流域內城鎮化、工業化、農業現代化進程加快，旅游業快速發展，人口增加和經濟社會進一步發展，大面積暴發水華的風險日益增加，趨勢嚴峻[14]。以1996年、2003年秋季暴發的大面積藍藻水華最為突出。水華發生期間，水體透明度由4m驟降至不足1m，嚴重影響了洱海水源的安全[15]。針對洱海藍藻水華風險問題及水華災害應急處置能力不足的情況，基于對太湖、巢湖、滇池等國家重要湖泊藻類水華應急控制措施的多方面現場調研和對洱海藻類水華特征的系統分析，大理市政府自2017年開始在洱海實施了一系列藍藻應急控制及常態化清理措施，截止2019年在洱海周邊共建設了5座藻水分離站和2項近岸湖灣控藻工程，并購置了集裝箱式藻水分離裝置、藍藻打撈加壓控藻船等多種類型的應急控藻設備(見表4)。上述各類工程涵蓋了物理法、化學法、生物法和綜合處理法各類控藻工藝。

2019年全年，洱海藍藻控制與應急工程各類設施和設備共計處理水量4954.49萬m3，其中，上半年處理水量占比26.40%，下半年占比73.60%。5座藻水分離站合計處理水量占比57.86%；2座湖灣控藻工程合計處理水量占比29.06%；12套集裝箱式藻水分離裝置合計處理水量占比4.25%；其他設施和設備合計處理水量占比8.83%[16]。基于前文構建的評估指標體系，選取處理能力最大、處理工藝最完備的挖色藻水分離站為代表，設定評價指標進行環境績效評價，以此說明環境績效評估指標體系的應用。

表4 工程基本建設情況表

2.1 評價指標和標準

挖色藻水分離站處理水量來源于湖灣藻水量(占86.30%)和挖色中心溝水量(占13.70%)。結合所選取各項工程的工藝特征，在總體評價指標體系框架下，構建藻水分離設施評價指標及評估標準見表5。

2.2 評價結果

評估期間委托有資質單位于2019年6—12月對藻水分離站湖灣進水口、中心溝進水口、出水口水質進行監測，每月監測1次，每次采樣時間段為上午11點—下午3點。在洱海藍藻密度較高的9月和10月，每月增加1次監測。監測指標包括：水溫、pH、溶解氧、藻細胞密度、葉綠素a、透明度、懸浮物、濁度、COD、總磷、總氮、鐵、鋁、氯化物。利用該工程在不同月份的處理水量對各月份監測得到的進、出水水質進行加權處理，計算工程對污染指標的總去除率和去除量。可靠性及經濟性指標中的部分指標值來源于設備運維方日常臺賬記錄及現場調查。表6～表7給出了評估期內該藻水分離站環境績效的評估指標得分及隸屬度。

表5 藻水分離設施評價指標及評價標準

表6 環境績效評估指標得分及隸屬度

表7 環境績效等級評估結果(隸屬度)

2.3 分析與討論

通過表7可以看出，該藻水分離站中有效性、可靠性、安全性、經濟性4個方面屬于優秀和良好等級的隸屬度最大，按照最大隸屬度原則，該藻水分離站在4個方面均處于良好以上狀態。一級指標隸屬度矩陣以及前文所得一級指標權重W=(0.45，0.25，0.25，0.05)，通過評價模型Z=W×C，得出該藻水分離站整體狀況的概率值為優秀55.2%，良好23.0%，一般19.1%，較差2.7%，按照最大概率值原則，該工程整體狀況屬于優秀，總體環境績效較好。

影響該工程環境績效的限制因子主要是處于較差等級的要素，即“主要污染指標去除量”指標，包括藻細胞去除量、COD去除量。藻細胞去除量低是由于藻水站進水來源之一的中心溝進水藻細胞密度較低，與湖灣水體混合處理在一定程度上削弱了該藻水分離站對藻細胞的去除效果。COD去除量低是由于該藻水站主要為物化處理工藝，對COD去除效果一般，加之進水濃度本身較低。建議今后加強進水水量調控，同時加大藍藻富集技術的研發，以提高進水藻細胞濃度，進而強化對藻水中污染負荷的去除。

由評價結果可知，該藻水分離站作為典型的藍藻治理工程，通過藍藻收集、打撈、輸送，藻水分離、膜生物處理、濕地凈化等多種治理技術，在洱海藻類水華控制和應急清理中發揮了較好的作用，評估結果便于管理部門對治理效果進行定量考核。本研究建立的評價指標體系適用性明確，通過直觀明確的得分值對藍藻治理效果進行定量評價，可用于洱海藍藻治理效果的評價與日常管理，對科學治理藍藻有積極的指導作用，也為其他湖泊藍藻治理效果評價與管理提供了參考。

3 結語

(1)本文在研究湖泊藍藻治理工程實施情況的基礎上，建立了藍藻治理工程環境績效評估的指標體系，確立評價標準，用層次分析法確定指標權重，應用模糊數學方法構建評價模型。以大理市洱海藍藻控制與應急工程為例，對其環境績效進行綜合評價，該工程環境績效整體屬于良好狀態，其限制因子主要來自有效性和安全性指標。

(2)不同湖泊水環境特點及富營養化程度不同，藍藻防治規劃目標有所不同，針對不同的評價對象，評價標準應有所區別。

(3)研究一項環境治理工程產生的環境績效是一個長期的持續過程，隨著時間的推移以及研究數據的不斷豐富，應將環境績效評估作為一項長期工作予以開展。

(4)本評價體系僅為藍藻治理效果評估的初步探索，在今后的研究和管理中可根據工作需要在安全性指標中引入水生態系統影響評價指標，水生態系統影響可通過調查和監測水生植物浮游植物底棲生物等水生生物的生物量及生物多樣性指數進行定量表達，進一步構建更為宏觀可持續應用的綜合評價體系。