基于環(huán)境基準(zhǔn)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(yè)大學(xué)水土保持學(xué)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(huán)境基準(zhǔn)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(yè)大學(xué)水土保持學(xué)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(huán)境基準(zhǔn)反映了環(huán)境介質(zhì)中污染物的閾值劑量與保護(hù)對象的臨界效應(yīng)之間的對應(yīng)性，其本質(zhì)是一種下限閾值。經(jīng)由推導(dǎo)和檢驗而得到的環(huán)境基準(zhǔn)，可以在環(huán)境管理方面廣泛應(yīng)用。太湖位于我國經(jīng)濟最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一——長江三角洲，其水質(zhì)直接影響著該地區(qū)的生活與經(jīng)濟，太湖水環(huán)境污染主要是氨氮污染。該研究以太湖為對象，推導(dǎo)出太湖的氨氮環(huán)境容量，確定氨氮濃度控制目標(biāo)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(jù)。通過環(huán)境基準(zhǔn)共性推導(dǎo)模式，建立和率定了水環(huán)境系統(tǒng)閾值響應(yīng)模型；為了確定環(huán)境容量，開展了多種情景的模型模擬，將實測值與模擬值進(jìn)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(huán)境系統(tǒng)的閾值響應(yīng)模型具有一定的有效性?；谀M結(jié)果比較而確定了氨氮的環(huán)境容量為1.334 mg·L-1，將其作為氨氮污染控制目標(biāo)。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(biāo)代入閾值響應(yīng)模型，分析了不同排放情景下氨氮的濃度，通過情景模擬發(fā)現(xiàn)，氨氮的綜合響應(yīng)、消極響應(yīng)（水體氨氮濃度對氨氮排放的響應(yīng)）和積極響應(yīng)（水體的自凈能力）在不同排放強度下呈現(xiàn)出不同的變化特征。發(fā)現(xiàn)如果以20 a為目標(biāo)期限，為保證氨氮濃度不超過污染物濃度控制目標(biāo)，氨氮年度排放量要低于7.2×104t。

太湖；氨氮；污染控制目標(biāo)；環(huán)境基準(zhǔn)

環(huán)境基準(zhǔn)是環(huán)境中污染物對特定對象（人或其他生物）不產(chǎn)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(huán)境基準(zhǔn)反映了環(huán)境介質(zhì)中污染物的閾值劑量與保護(hù)對象的臨界效應(yīng)之間的對應(yīng)性，以保護(hù)對象是否發(fā)生穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換（臨界效應(yīng)）為前提，其本質(zhì)是一種閾值，且是一種下限閾值。環(huán)境基準(zhǔn)是基礎(chǔ)依據(jù)，根據(jù)客觀的事實判斷，僅基于科學(xué)研究結(jié)果；而環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)是管理工具，由主觀價值判斷，考慮社會、經(jīng)濟、技術(shù)及管理等因素，具有法律約束力。環(huán)境基準(zhǔn)研究耗資大、費時長，需要逐步推進(jìn)?？傮w而言，我國的環(huán)境基準(zhǔn)研究起步較晚，尚處于初步探索階段。我國環(huán)境基準(zhǔn)研究基礎(chǔ)十分薄弱，尚未在國家層面上系統(tǒng)全面地開展過環(huán)境基準(zhǔn)研究。盡管如此，零星分散開展的有關(guān)環(huán)境基準(zhǔn)的研究也取得了一定成果，為推動我國國家層面上的環(huán)境基準(zhǔn)研究做出了有益的探索（Wu et al.，2010）。當(dāng)前，世界各國對環(huán)境基準(zhǔn)研制格外關(guān)注，發(fā)達(dá)國家及國際組織從環(huán)境基準(zhǔn)的科學(xué)定值入手，紛紛從國家或全球?qū)用嫔贤七M(jìn)環(huán)境基準(zhǔn)的研制工作，現(xiàn)已開展了大量的環(huán)境基準(zhǔn)典型案例研究，獲取了一系列環(huán)境基準(zhǔn)值。然而，到目前為止，國內(nèi)外幾乎沒有文獻(xiàn)針對環(huán)境基準(zhǔn)共性技術(shù)做過專門的探討。本文認(rèn)為，“環(huán)境基準(zhǔn)共性技術(shù)”是指應(yīng)對和解決環(huán)境基準(zhǔn)典型案例研究中涉及的各類共性問題的通用技術(shù)方法和綜合解決方案，包括根據(jù)基礎(chǔ)信息首次推導(dǎo)環(huán)境基準(zhǔn)和由已有的參考性環(huán)境基準(zhǔn)推導(dǎo)新環(huán)境基準(zhǔn)。在根據(jù)基礎(chǔ)信息首次推導(dǎo)環(huán)境基準(zhǔn)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(yīng)關(guān)系模式（分別簡稱為外推模式和響應(yīng)模式），二者的區(qū)別在于環(huán)境介質(zhì)是否與響應(yīng)過程（閾值形成）有關(guān)。

經(jīng)由推導(dǎo)和檢驗而得到的環(huán)境基準(zhǔn)，可以在環(huán)境管理方面得到應(yīng)用。如環(huán)境基準(zhǔn)可用于確定污染物最大容許排放總量、環(huán)境資源的價值，并用于制定環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。水環(huán)境系統(tǒng)是一個非線性系統(tǒng)。一方面，污染物排放會對水體造成消極影響，導(dǎo)致水質(zhì)下降；另一方面，由于水體具有一定的自凈能力（或自我恢復(fù)能力），能夠產(chǎn)生積極影響，促使水質(zhì)好轉(zhuǎn)。閾值特征是水循環(huán)系統(tǒng)自身運行所體現(xiàn)的非線性特征之一，當(dāng)水質(zhì)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(xiàn)為環(huán)境容量。與此同時，為保護(hù)人體健康和生態(tài)安全，水質(zhì)指標(biāo)也不能超出某一閾值（或閾值范圍），此閾值表現(xiàn)為環(huán)境基準(zhǔn)（Hitchens et al.，2003；Li et al.，2011）。環(huán)境容量和環(huán)境基準(zhǔn)均體現(xiàn)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(guān)系。因此，為達(dá)到環(huán)境基準(zhǔn)或環(huán)境容量（一般選取二者中最嚴(yán)格值作為水環(huán)境完整保護(hù)的目標(biāo)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(tài)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(jìn)而分解為硝酸鹽氮，亞硝酸鹽氮與蛋白質(zhì)結(jié)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(yǎng)素，可為藻類生長提供營養(yǎng)源，增加水體富營養(yǎng)化發(fā)生的幾率（Scholten et al.，2005）。氨氮減排是我國“十二五”環(huán)境保護(hù)的約束性指標(biāo)。

本研究以太湖為對象，通過水環(huán)境系統(tǒng)閾值響應(yīng)模型，推導(dǎo)出太湖的氨氮環(huán)境容量，確定氨氮濃度控制目標(biāo)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(jù)。

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(zhì)呈逐漸惡化趨勢，富營養(yǎng)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(zhì)惡化的主要因素（毛新偉等，2009）。

1.2 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)（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(huán)境保護(hù)部，1999—2011；錢益春等，2009）作為模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.3 模型建立

基于環(huán)境基準(zhǔn)共性推導(dǎo)技術(shù)確定污染物最大容許排放量的總體思路是：（1）選定保護(hù)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(yīng)模型，將環(huán)境容量視為未知參數(shù)，率定模型參數(shù)后推求環(huán)境容量；（3）通過相關(guān)途徑獲取環(huán)境基準(zhǔn)值，選出環(huán)境基準(zhǔn)與環(huán)境容量中的較嚴(yán)格者作為控制目標(biāo)；（4）將控制目標(biāo)帶入閾值響應(yīng)模型，進(jìn)行情景分析，反推污染物濃度控制目標(biāo)要求的污染物年最大容許排放量和年限要求。

本文在進(jìn)行環(huán)境基準(zhǔn)推導(dǎo)時，選擇劑量-響應(yīng)關(guān)系模型，響應(yīng)模式下的環(huán)境基準(zhǔn)共性推導(dǎo)流程可分為4步，如圖1。

在響應(yīng)模式的基礎(chǔ)上，延伸出閾值-響應(yīng)模型，即將環(huán)境基準(zhǔn)視為一個待定參數(shù)，在實現(xiàn)模型參數(shù)化（參數(shù)率定）后計算獲得環(huán)境基準(zhǔn)值?；陂撝淀憫?yīng)特征，建立水環(huán)境系統(tǒng)閾值響應(yīng)模型，如式1至式3。

式中，t為第t年；Y為目標(biāo)污染物濃度（mg·L-1）；NR為消極響應(yīng)，即污染物排放的影響（mg·L-1）；PR為積極響應(yīng)，即水體自凈能力（mg·L-1）；r為有效驅(qū)動貢獻(xiàn)率；D為驅(qū)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(shù)；A為保護(hù)對象能夠自身恢復(fù)的最大閾值，即環(huán)境容量（mg·L-1）。

模型假設(shè)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(nèi)污染物的排放情況、該時段內(nèi)水體的自凈能力；（2）水環(huán)境系統(tǒng)的自凈能力具有閾值范圍，超過此環(huán)境容量后該系統(tǒng)不再具備自凈能力。

水環(huán)境系統(tǒng)閾值響應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)和模型函數(shù)以及模型的參數(shù)率定均在Matlab語言環(huán)境下進(jìn)行編程（Holzbecher，2007；Dixon，2012）。

2 結(jié)果與分析

2

.1 模型參數(shù)率定

根據(jù)水環(huán)境系統(tǒng)閾值響應(yīng)模型，模型的控制參量共有3個，分別為r（有效驅(qū)動貢獻(xiàn)率）、q（水體自凈系數(shù)）和A（環(huán)境容量）。R、q和A的初始范圍設(shè)置見表1，參數(shù)率定的優(yōu)化過程曲線見圖2。

圖1 響應(yīng)模式下環(huán)境基準(zhǔn)的共性推導(dǎo)流程Fig. 1 General steps for deriving environmental benchmark under response mode

表1 水環(huán)境系統(tǒng)閾值響應(yīng)模型的參數(shù)初始范圍設(shè)置Table 1 Initial parameter range setting for water system threshold-response model

圖2 水環(huán)境系統(tǒng)模型參數(shù)化的優(yōu)化過程曲線Fig. 2 Optimization curve of parameterization for water model

經(jīng)參數(shù)率定，得到r、q和A3個參數(shù)的取值分別為0.074、0.836和1.334，其中A即為環(huán)境容量（mg·L-1）。將3參數(shù)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(jìn)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(huán)境系統(tǒng)的閾值響應(yīng)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(biāo)的確定

閆振廣等（2011）對我國的淡水保護(hù)生物的氨氮基準(zhǔn)進(jìn)行了研究，認(rèn)為氨氮水質(zhì)基準(zhǔn)表現(xiàn)為以水體pH值和溫度為自變量的函數(shù)，在pH值為6.5～9.0、溫度0～30 ℃的取值范圍內(nèi)，我國氨氮急性和慢性基準(zhǔn)的數(shù)值范圍分別為0.403～38.9和0.066～3.92 mg·L-1，可見氨氮水質(zhì)基準(zhǔn)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(hù)淡水生物的氨氮基準(zhǔn)，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(zhǔn)最大濃度（CMC）和基準(zhǔn)連續(xù)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(nèi)，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(hù)大多數(shù)水生生物，選取在pH值為8、溫度為25 ℃時的基準(zhǔn)連續(xù)濃度（CCC）1.79 mg·L-1作為太湖流域的氨氮的典型環(huán)境基準(zhǔn)值。與經(jīng)過參數(shù)率定確定的環(huán)境容量1.334 mg·L-1相比，太湖流域氨氮的典型環(huán)境基準(zhǔn)值比環(huán)境容量略高，即當(dāng)氨氮濃度達(dá)到環(huán)境基準(zhǔn)值時，已超過了環(huán)境容量。根據(jù)最小限制性原則，選擇環(huán)境容量與環(huán)境基準(zhǔn)中較低者作為控制目標(biāo)，即選定1.334 mg·L-1作為污染物濃度控制目標(biāo)?？刂颇繕?biāo)對應(yīng)的排放強度即為最大容許污染物排放強度。在實踐中，應(yīng)避免出現(xiàn)如此高強度的排放。

2.3 最大容許污染物排放量的確定

當(dāng)水體污染物濃度達(dá)到控制目標(biāo)時，對應(yīng)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(dāng)前污染程度為初始濃度，以環(huán)境基準(zhǔn)或環(huán)境容量為污染物濃度控制目標(biāo)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(shè)定污染物濃度控制目標(biāo)（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(shè)20 a內(nèi)地表水資源量維持平均值（1.71×1010m3）不變。

通過情景模擬發(fā)現(xiàn)，氨氮的綜合響應(yīng)、消極響應(yīng)（水體氨氮濃度對氨氮排放的響應(yīng)）和積極響應(yīng)（水體的自凈能力）在不同排放強度下呈現(xiàn)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(jìn)行分析，見圖4。

通過情景模擬發(fā)現(xiàn)以下幾個規(guī)律，（1）氨氮濃度的綜合響應(yīng)受自身原有狀態(tài)、消極響應(yīng)和積極響應(yīng)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(yīng)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(chǎn)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(yīng)會平穩(wěn)地維持在一個較低水平。當(dāng)排放量介于5×104～6.7×104t·a-1時，氨氮濃度的綜合響應(yīng)會逐漸增大至控制目標(biāo)的一半，此時自凈能力是不斷增加的。當(dāng)排放量介于6.7×104～7.2×104t·a-1時，氨氮濃度的綜合響應(yīng)會大于控制目標(biāo)的一半，此時積極響應(yīng)則開始減小。當(dāng)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(dǎo)致氨氮濃度綜合響應(yīng)快速升高。（3）根據(jù)情景c，7.2×104t·a-1的氨氮排放量連續(xù)排放17 a將導(dǎo)致氨氮濃度超過控制目標(biāo)。因此，如果以20 a為目標(biāo)期限，為保證氨氮濃度不超過污染物濃度控制目標(biāo)，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(jié)論

通過對水環(huán)境系統(tǒng)的閾值響應(yīng)模型的建立，選擇環(huán)境基準(zhǔn)與環(huán)境容量中的較小者作為控制目標(biāo)，反推了太湖污染物濃度達(dá)到控制目標(biāo)時對應(yīng)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(huán)境基準(zhǔn)值1.79 mg·L-1，比模型確定的環(huán)境容量1.334 mg·L-1略高，根據(jù)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(biāo)。

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

太湖位于我國經(jīng)濟最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一長江三角洲，其水質(zhì)直接影響著該地區(qū)的生活與經(jīng)濟（Li et al.，2007；Qin，2008）。流域發(fā)展日漸蓬勃的種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)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(yīng)從加強農(nóng)業(yè)節(jié)水、控制農(nóng)藥化肥使用量、加強農(nóng)業(yè)污染源治理等方面進(jìn)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(huán)境基準(zhǔn)的太湖氨氮最大容量研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)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(xué)基金項目（41271033）

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

2015-06-20