国外湖泊营养物基准向标准转化方法对我国的启示

纪丹凤，苏婧，席北斗，霍守亮，陈艳卿，王月

1.中国环境科学研究院水环境系统工程研究室，北京 100012

2.北京师范大学环境学院，北京 100875

国外湖泊营养物基准向标准转化方法对我国的启示

纪丹凤1，2，苏婧1*，席北斗1，霍守亮1，陈艳卿1，王月1

1.中国环境科学研究院水环境系统工程研究室，北京 100012

2.北京师范大学环境学院，北京 100875

由于我国现行水质标准中营养物标准的制定缺乏基于营养物基准的研究，急需通过借鉴国外经验，建立适宜我国社会经济现状的营养物标准体系。介绍了美国和其他发达国家的营养物标准体系，回顾了美国国家环境保护局(US EPA)及各州采用的不同营养物标准的制定程序和技术方法，重点分析国外营养物标准指标的选取和确定标准值的方法。从湖泊营养物基准入手，探讨制定我国湖泊营养物标准的方法及技术。

湖泊营养物基准;标准;结构方程模型;专家系统

1 国内外湖泊营养物基准、标准研究现状

近年来，湖泊富营养化已成为中国最为突出的环境问题之一［1］。而我国对湖泊营养物基准的相关研究刚刚起步，现行水质标准缺乏基于营养物基准的营养物标准体系，因此，从湖泊营养物基准入手，制定切实可行的湖泊营养物标准的任务颇为迫切，防治湖泊富营养化已成为我国湖泊水环境污染控制与管理的主要问题。

湖泊营养物标准是水质标准的一部分。水质标准是以水质基准为依据，在考虑自然条件以及国家或地区的社会、经济、技术等条件的基础上，经过一定综合分析后制定的，由国家有关管理部门或机关颁布，一般具有法律强制性;而水质基准是指环境中污染物对特定对象(人或其他生物)不产生不良或有害影响的最大剂量(无作用剂量)或浓度［2］，不具有法律效力，但其是制定水质标准的科学依据。

美国是较早开始研究水质基准的国家，其关于区域性营养物基准的制定工作开始于1998年，至今已颁布了14个生态区河流、湖泊的营养物水质基准，并先后完成了湖泊水库(2000年4月)、河流(2006年7月)、河口海岸(2001年10月)和湿地(2006年12月，草案)的营养物基准技术指南［3］。欧盟等国家和地区根据不同使用功能将水体划分为不同类型，分别制定相应的水质标准［4］。日本的相关标准主要是《水污染防治法》和《湖泊水质保全特别措施法》［5］。

我国对水质基准的研究起步较晚，早期主要是对国外资料的收集和整理。近年来对美国及其他一些地区和国家保护水生生物水质基准的制定方法和数据进行了概括［6-7］，如周忻等［8］研究了美国 2000年发布的方法学［9］。目前，越来越多的研究者开始致力于我国富营养化基准的研究，如张彤等［10-12］参照美国国家环境保护局(US EPA)推荐的《推导保护水生生物及其用途的国家水质基准的技术指南》，根据我国水生生物区系特点和相关试验，推导了一些物质的水生态基准;一些学者［13-20］根据 US EPA的方法分别获得了我国不同营养物基准的连续浓度，并分别研究了河口、湖泊、海岸、水库的营养物基准的制定方法、指标体系及参照状态的建立方法。但是国内关于湖泊营养物基准的研究仍然比较零散，至今还没有由国家主管部门颁布的湖泊富营养物基准规范，也没有在水环境基准的基础上形成的水环境标准体系。笔者从湖泊营养物基准入手，探讨制定我国湖泊营养物标准的方法，以期为现阶段我国营养物标准体系的制定提供技术参考。

2 美国营养物标准制定方法

水质基准是水质标准的依据。水质标准是在水质基准的基础上，综合考虑社会、环境、经济等因素后制定的，区域内技术经济可行的，具有法律效力的水环境标准值。以美国为例，US EPA将美国全国分为14个生态分区，分别给出由US EPA制定的营养物基准。各州在US EPA发布的水质基准基础上，结合其自然、经济、社会、技术等条件，经过综合分析，制定对于不同指定用途水体的具有法律效力的营养物标准。美国的水质标准体系包括反降级政策、指定用途、基准值三部分。基准向标准转化有两个关键问题:1)水体的用途是不能被直接测量的，需要用一个可度量的标准来代表某种用途，当水质达到这一标准，就说明其可以满足该用途;2)标准的制定需要在水质最优、污染物排放最小和污染治理费用最小三者之间权衡利弊。目前对于水质基准如何向水质标准转化，并没有标准化的方法。

截至2008年，美国《各州采纳的数字化营养物标准》发布针对湖泊水库的营养物标准，美国50个州中，19个州有一项或以上的数字性标准［21］。US EPA及各州制定营养物基准和标准的方法主要有以下几种。

2.1 US EPA基于参照水体制定营养物基准

参照状态是指未受损的、原始状态的或者受影响较小的水体状态。US EPA按照相似的地理、土壤、水文、气候、植物和野生动物环境把美国全国划分为14个生态分区，基于每个生态分区内的湖泊和水库的参照状态制定营养物基准。US EPA认为，可以用参照状态来设定给定的生态分区的湖泊、水库保持达到天然状态或者可达到的上界［7，22］。

US EPA期望水质标准能同时反映水体富营养化的原因和反应变量状况，推荐采用总氮(TN)浓度、总磷(TP)浓度、叶绿素 a(Chl-a)浓度和透明度(SD)四个指标。通过每个生态分区内所有湖泊和水库各季节的频率分布，对四个指标分别进行排序，选取其营养物变量频数分布的25%，作为基准值［23］。US EPA认为，采用该参照状态法制定的基准值可以保护水体的指定用途，并给管理者一定的灵活性。该标准值不是直接与指定用途相联系的，因为它没有解释基准指标和基准值指定的理由［24］。

2.2 明尼苏达州营养物标准的制定方法

受US EPA生态分区参照水体状态的影响，明尼苏达州将州内湖泊和水库按照生态分区和参照状态分类，此外还在各分类之下按照指定用途、深度、湖泊/水库进行二级分类。由于湖泊和水库有着多种用途，选择最敏感的用途作为受保护的指定用途。如果最敏感的用途控制得当，则其余的用途也就得到了保护。

明尼苏达州采用三项指标(TP浓度、Chl-a浓度、SD)作为标准指标。因为该州内湖泊受磷的限制，所以未对TN浓度做出约束。同时该州内Chl-a浓度和SD这两个反应变量与TP浓度的变化关系高度相关［24］。

明尼苏达州的营养物标准制定方法经多年研究，考虑了明尼苏达州湖泊的营养状态。然而其选择的指标，虽然旨在保护指定用途，但是并没有明确地与特定的指定用途相关联。

2.3 弗吉尼亚州营养物标准制定方法

浮游植物是弗吉尼亚州自然湖泊和绝大部分水库的主导初级生产者，所以该州采用叶绿素a浓度作为确定营养物基准的基础。该州制定并公布了地方和全球湖泊的渔场生产力和初级生产力与磷浓度之间的经验关系。初级生产力与渔场生产力之间高度正相关，TP浓度与渔场生产力之间的相关性强度类似。根据文献、湖泊资料和了解这些湖泊的研究者的专业判断，确定了详细而精确的湖泊营养物标准［24］。

弗吉尼亚州的营养物标准制定方法参考了大量的水质和水生态数据，充分利用了专家判断系统，找到最能影响湖泊营养状态的因素及富营养化控制的关键指标。然而该州选择的指标和标准值的确定没有与指定用途相联系。

2.4 亚利桑那州营养物标准“变换量”方法

亚利桑那州采用变换量的方法，将叙述性营养物标准转变成数字性标准［23］。通过分类与回归树(classification and regression tree)算法模型，将该州的湖泊和水库分类成组，采用证据权重(weight of evidence)法对监测数据和由文献、该州营养状态指数以及数据库分析提供的目标进行对比。

通过这种方法，亚利桑那州选择了Chl-a浓度作为首要标准指标。其次考虑SD、TP浓度、TN浓度和凯氏氮浓度。次级营养物指标的制定以其与Chl-a浓度之间的相关性而定。

2.5 北卡罗莱纳州专家小组制定营养物标准方法

Kenney［24］认为，生态分区湖泊参照状态和专家组判断的方法不能将湖泊营养物标准指标及标准值与水体功能相联系，提出通过专家系统和结构方程模型(SEM)结合的方法来筛选最能显示水体达到指定用途可能性的营养物指标，并判断标准值的水体达到指定用途的可能性。

第一步，邀请对所研究湖泊非常熟悉的专家，请专家提出所调查湖泊的最适宜用途，以及最能反映这种用途是否能达到的营养物指标，给出若干组该湖泊的监测数据，请专家分别对各组数据进行打分，判断其能达到所选用途的可能性。第二步，建立SEM，将专家打分结果输入模型中，确定最能反映水体能够满足指定用途的变量作为营养物指标［25］。将现行营养物标准输入方程，即可得到该标准值达到指定用途的可能性。

对于标准值的确定，Kenney［24］认为需要考虑水体营养状态和社会经济之间的利弊。基于上述研究，对营养物标准进行效用分析，请决策者参与判断水环境状态和富营养化控制成本之间的权衡，通过两个模型(水质模型和多属性效应分析模型)求得合适的标准值。

该方法成功地建立了营养物标准指标与水体达到指定用途的可能性之间的关系，将水体的指定用途这一难以测量的概念用指标和数值的方式表达出来，使对于水体达到指定用途可能性的判断有据可依。同时，也成功地建立了如何在环境效益和控制成本之间权衡的量化方法，将决策者的价值倾向包含在标准值的制定当中。

3 国外营养物标准制定方法评述及对我国的借鉴意义

美国水环境标准的核心是基于生态分区的营养物标准。与美国情况类似，我国幅员辽阔，不同地区地理、生态、社会、经济环境情况差异相当大，由于水生生物区系的地域性，目前全国范围内采用统一的营养物标准不能完全反映不同地区水生生物保护的要求，容易导致保护不够或过分保护。所以我国营养物标准制定可以借鉴US EPA的生态分区方法，将我国按照不同的地理、气候、生态条件，分成不同的分区，对各分区制定相应的水质基准，并借鉴美国标准体系，结合不同分区的自然、经济、社会、技术等条件，在基准基础上制定出水环境标准。

营养物基准向标准转化的关键是找到一个可度量的指标来反映水体达到指定用途的情况，以及在水质保护和经济发展之间做出权衡，这两点与美国标准制定的关键问题是一致的，所以基准向标准转化的方法可以借鉴美国的方法。

US EPA与各州分别采用不同的方法制定营养物标准值。但富营养化的影响很难由几个营养物指标来说明，因为任何一个指标在一系列的水平中，都只是作为自然系统的一部分。此外，在营养物标准和指定用途之间应该有种直接的关系，而US EPA推荐的四项指标的营养物水平没有显示其与指定用途的关联。与US EPA的方法不同，美国一些州在制定营养物标准时，采用专家判断的方法，考虑了指定用途。但这其中大部分的方法没能建立标准指标和指定用途之间的直接关联。

北卡罗莱纳州［24］采用SEM与专家系统相结合的方法，建立了营养物标准指标、标准值与达到指定用途的可能性之间的关系。该方法是制定营养物基准的一种值得借鉴的方法，但是用该方法制定标准值过于依靠专家和决策者的经验和判断。

由于国外富营养化治理的研究已经进行了很多年，其水体富营养化状况较好，同时其对环境保护的投入较多，民众的环保意识较强，因此，其水体营养物标准值接近参照状态。而我国正处于经济高速发展阶段，粗犷型的生产方式致使水体富营养化严重，想要恢复其较好的营养状态需要经过较长的过程。现阶段，需从水体的功能出发，首先考虑满足水体功能的指定用途，建立针对不同水体用途的营养物分级标准，使水质标准与指定用途相对应，做到既不会因欠保护而损害水体功能，又不会因过保护而带来超出我国社会经济承受能力的控制成本。

综上所述，我国营养物标准制定可以借鉴美国北卡罗莱纳州的专家系统与SEM结合的方法，筛选出最能反映水体指定用途的指标，同时基于该模型判断水体的营养状态。但由于该方法偏于主观，在我国营养物标准研究中可以采用统计分析的方法，寻找营养状态与不同水体功能之间的关系，确定不同用途下的营养物标准的阈值，再通过专家系统与SEM结合的方法去验证该阈值达到指定用途的可能性。图1为我国湖泊营养物标准的制定技术路线。

图1 我国湖泊营养物标准的制定技术路线Fig.1 Research technique route of transforming nutriment criterion to standard in China

由图1可以看出，我国湖泊营养物标准的制定分为四步。

(1)基于不同水体功能的分级体系。将水体按用途分为:1)自然保护区;2)饮用水水源地、珍贵鱼类保护区、鱼虾产卵场;3)一般渔业用水区、直接接触的娱乐用水区;4)非直接接触的娱乐用水区、航运、防洪;5)农业灌溉用水及一般景观水域。与之对应的水质标准为Ⅰ～Ⅴ级。

通过分级体系，将水体按照不同的功能需要分为不同等级，在我国富营养化现象严重，环保力度有限的情况下，可以满足从水体的功能出发，首先满足水体功能指定用途的现状。在未来湖泊富营养化情况得到改善之后，再进一步制定更加严格的水质标准。

(2)湖泊营养物指标的筛选。TP浓度和TN浓度是引起湖泊富营养化的原因变量，建议选取TP浓度和TN浓度作为基本控制指标。其他的控制指标，需要针对不同用途的水体，通过专家系统筛选出最能影响达到指定用途的可能性的关键指标。

由于不同的水体功能的限制因素不同，筛选关键指标可以在现阶段快速有效地找到控制的关键因子，提高水环境治理效率，节约治理成本。

(3)不同水体功能标准阈值的确定。以大量历史数据为基础，进行统计学分析，结合不同水体用途对水质的要求，以水体用途对水质要求为上限，确定不同用途水体功能对应级别的阈值。

由于基准向标准转化采用专家判断与SEM结合的方法，为避免过于依靠专家的主观判断，阈值的确定采用统计学、调研和试验的方法得到，以弥补这一不足。

(4)标准建议值的确定。利用专家系统与SEM相结合确定不同功能湖泊的主要控制指标和标准值:1)将叙述性的指定用途转变成可定量的标准，在该步骤中，选择对所研究湖泊情况非常了解的专家和学者进行咨询，请他们判断所研究湖泊的营养状态、湖泊的适宜用途、该用途最重要的营养物指标;2)给专家提供多组湖泊水质数据(选自所研究湖泊的监测数据)，由专家对每组数据进行打分，判断每组数据达到所选功能用途的可能性。通过SEM，建立环境参数与达到指定用途可能性之间的关系，筛选出对水体达到指定用途可能性影响最大的营养物指标，得到所定阈值达到功能的可能性，给出标准建议值。

经过该方法，可以成功地建立营养物指标与达到指定用途可能性之间的关系，使水体达到用一个或几个简单的指标来度量用途这一抽象概念，即营养物标准。

4 结论

我国对于湖泊富营养化的研究处于起步阶段，特别是在湖泊营养物基准和标准研究与实践方面，存在着严重的不足。目前我国尚未制定湖泊营养物基准，鲜有可体现湖泊营养物基准的营养物分级标准，给我国湖泊富营养化问题的识别、评价、管理带来了很大难度。现行标准的指标值制定主要参考了欧美等发达国家的营养物基准和标准。但是由于生态系统的地域性，国外的标准不能完全反映我国水生态环境的需要，所以如果参考其他国家的水质基准来制定我国的水质标准，将会降低我国水质标准的科学性，导致保护不够或过分保护的可能性。因此，在我国开展基于营养物基准的富营养化控制标准研究是保护湖泊水生态系统、完善和健全水环境基准体系的要求。

由于我国处于经济发展高速时期，正在从粗犷型经济向集约型经济转变，环境污染较严重，所以需要一套循序渐进的、分级分功能的标准体系，在保证水体功能的基础上，不对经济发展产生重大影响，逐步控制和改善湖泊富营养化状况。基于此，建立了基于“不同水体功能的分级体系—湖泊营养物指标的筛选—不同水体功能标准阈值的确定—标准建议值确定”为思路的，基于统计学、专家系统和SEM相结合的基准向标准转化的湖泊营养物标准制定方法。通过这种方法制定的标准，可以满足现阶段水体功能的保护，同时使经济发展不会受到很大的影响。

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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

国家水体污染控制与治理重大专项(2009ZX07106-001);国家自然科学基金项目(71103166)

纪丹凤(1981—)，女，博士，主要从事环境管理相关研究，danfeng_j@163.com

*责任作者:苏婧(1981—)，女，副研究员，博士，主要从事环境管理相关研究，sujing169@163.com