藍(lán)藻治理工程環(huán)境績效評估指標(biāo)體系構(gòu)建與實證研究

陸 海，楊逢樂，張先智

(云南省生態(tài)環(huán)境工程評估中心，云南 昆明 650028)

0 引言

水體富營養(yǎng)化及其導(dǎo)致的藍(lán)藻水華是目前我國眾多湖泊和水庫面臨的重要環(huán)境問題[1]，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對藻類的快速、有效治理已成為對富營養(yǎng)化水體治理中最緊迫的任務(wù)之一[2]。目前國內(nèi)外除藻方法大體可分為物理法、化學(xué)法、生物法和綜合處理法四類[3]，其中將多種方法聯(lián)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(yōu)勢。然而上述除藻工程在實際運用中面臨著系統(tǒng)性不足、建設(shè)程序和管理不到位、重建設(shè)輕管理運行等諸多問題，大大影響了工程成效的發(fā)揮。環(huán)境績效評價是提高項目實施效果的重要抓手，針對藍(lán)藻治理工程開展環(huán)境績效評價，對于促進(jìn)已建項目的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

目前，已有一些學(xué)者針對藍(lán)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(shù)據(jù)比較的方法，分析了水庫藍(lán)藻水華的生態(tài)治理措施對水質(zhì)、水生動植物等水生態(tài)指標(biāo)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(xué)除藻劑的除藻效果。李大剛[6]通過構(gòu)建藻類水華治理決策的一級指標(biāo)，應(yīng)用貝葉斯決策理論獲得藻類水華治理的最優(yōu)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(guān)聯(lián)度方法尋求最優(yōu)解，得到環(huán)境影響和經(jīng)濟(jì)成本最優(yōu)的藻類水華治理方案。白玉廷[8]等針對水質(zhì)監(jiān)測信息和藻類水華暴發(fā)的特點，建立基于Vague集的藻類水華治理的多目標(biāo)、多屬性決策方法，取得良好效果。王昭洋[9]等提出基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)動態(tài)關(guān)聯(lián)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?，F(xiàn)有評估方法為藍(lán)藻治理工程的效益評價提供了多條解決思路，但側(cè)重于模型的運用和數(shù)據(jù)對比分析，尚未形成緊扣工程目標(biāo)的評價指標(biāo)體系。研究和建立藍(lán)藻治理工程環(huán)境績效評估指標(biāo)體系，豐富藍(lán)藻治理工程環(huán)境效益的評價途徑，可使評價結(jié)果的準(zhǔn)確率和效率進(jìn)一步提高。

本文通過文獻(xiàn)查閱、實地調(diào)研、經(jīng)驗總結(jié)、頻度分析、專家咨詢等方法[10]，從有效性、可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)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(biāo)，建立評價指標(biāo)體系，確立評價標(biāo)準(zhǔn)，用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)方法構(gòu)建評價模型。以大理市洱海藍(lán)藻控制與應(yīng)急處置工程為典型案例，確定評價指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)，評價工程實施的環(huán)境績效，識別存在的主要問題，總結(jié)示范經(jīng)驗支撐政府決策，為政府在今后湖泊藍(lán)藻水華防控體系構(gòu)建及長效管理機(jī)制方面提供寶貴的經(jīng)驗和有力的科學(xué)支撐。

1 指標(biāo)體系的構(gòu)建

建立合理的評價指標(biāo)體系是對藍(lán)藻治理工程環(huán)境績效進(jìn)行科學(xué)分析、正確評價的基礎(chǔ)。遵循獨立客觀性、可信性、可操作性、現(xiàn)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(chǎn)出、成果與影響之間的邏輯性與系統(tǒng)性的指標(biāo)，建立合理的指標(biāo)體系，并確定指標(biāo)權(quán)重和評價標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建評價模型，以便客觀、全面、科學(xué)地評價其環(huán)境績效。

1.1 建立指標(biāo)體系

從“有效性、可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性”4 個一級指標(biāo)要素方面共選取11個二級指標(biāo)要素(表1)。

表1 環(huán)境績效評估指標(biāo)體系

1.2 指標(biāo)表征含義

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

B可靠性指標(biāo)：是指工程措施在評估期內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定地完成工作任務(wù)的能力。涉及系統(tǒng)的實際處理能力、運行時間、設(shè)施或設(shè)備運行質(zhì)量、運行的穩(wěn)定性等多個方面。

C安全性指標(biāo)：是指系統(tǒng)在建設(shè)和運行過程中對人身傷害、財產(chǎn)損失和環(huán)境危害等各類風(fēng)險的防范能力。包括設(shè)施出水對受納水體影響的常規(guī)控制指標(biāo)和特征控制指標(biāo)。

D經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)：是指系統(tǒng)建設(shè)和運行成本的合理性。主要是對工程的單位建設(shè)費用、運行費用和占地面積進(jìn)行分析和評估。

1.3 指標(biāo)權(quán)重的確定

采用層次分析法確定各級指標(biāo)權(quán)重。將目標(biāo)分解為多個目標(biāo)或準(zhǔn)則(一級指標(biāo))，進(jìn)而分解為多指標(biāo)(二級指標(biāo))的若干層次，對兩兩指標(biāo)相互比較，通過定性指標(biāo)模糊量化方法算出各指標(biāo)權(quán)重，作為目標(biāo)、多方案優(yōu)化決策的方法[11]。兩兩指標(biāo)對比分析步驟：首先在各層次上根據(jù)評定尺度(運用Santy提出的1-9標(biāo)度法，見表2)確定各因素的重要程度，據(jù)此構(gòu)建判斷矩陣(見表3)，通過和積法確定評價指標(biāo)權(quán)重，并進(jìn)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(biāo)對最高層總目標(biāo)的權(quán)重，據(jù)此得到評價指標(biāo)的最終排序。

表2 1-9標(biāo)度表

表3 五階判斷矩陣形式

1.4 評價模型的建立

應(yīng)用模糊關(guān)系合成的原理，根據(jù)被評價對象本身存在的性態(tài)或隸屬上的亦此亦彼性，從數(shù)量上對其所屬成分給予刻畫和描述。采用模糊數(shù)學(xué)的方法建模[12]如下 ：

Z=W×U

(1)

式中 ：Z為藍(lán)藻治理工程環(huán)境績效評估矩陣，W為4個一級指標(biāo)(有效性、可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性)對綜合績效水平的權(quán)重矩陣，W=(W1，W2，W3，W4) ；U為一級指標(biāo)對各評定等級(“優(yōu)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(biāo)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(biāo)的權(quán)重矩陣，例如，若m=2時，w為B1，B2，B3的權(quán)重矩陣；r為二級指標(biāo)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)的隸屬度為0；

③當(dāng)Xy

良好和一般等級取范圍的平均值。

2 實證研究—洱海藍(lán)藻控制與應(yīng)急工程環(huán)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(nèi)，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(yǎng)化向富營養(yǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)型的敏感時期[13]，生態(tài)基礎(chǔ)脆弱，特別是隨著流域內(nèi)城鎮(zhèn)化、工業(yè)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程加快，旅游業(yè)快速發(fā)展，人口增加和經(jīng)濟(jì)社會進(jìn)一步發(fā)展，大面積暴發(fā)水華的風(fēng)險日益增加，趨勢嚴(yán)峻[14]。以1996年、2003年秋季暴發(fā)的大面積藍(lán)藻水華最為突出。水華發(fā)生期間，水體透明度由4m驟降至不足1m，嚴(yán)重影響了洱海水源的安全[15]。針對洱海藍(lán)藻水華風(fēng)險問題及水華災(zāi)害應(yīng)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(yīng)急控制措施的多方面現(xiàn)場調(diào)研和對洱海藻類水華特征的系統(tǒng)分析，大理市政府自2017年開始在洱海實施了一系列藍(lán)藻應(yīng)急控制及常態(tài)化清理措施，截止2019年在洱海周邊共建設(shè)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(lán)藻打撈加壓控藻船等多種類型的應(yīng)急控藻設(shè)備(見表4)。上述各類工程涵蓋了物理法、化學(xué)法、生物法和綜合處理法各類控藻工藝。

2019年全年，洱海藍(lán)藻控制與應(yīng)急工程各類設(shè)施和設(shè)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(shè)施和設(shè)備合計處理水量占比8.83%[16]。基于前文構(gòu)建的評估指標(biāo)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(shè)定評價指標(biāo)進(jìn)行環(huán)境績效評價，以此說明環(huán)境績效評估指標(biāo)體系的應(yīng)用。

表4 工程基本建設(shè)情況表

2.1 評價指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)

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(jié)合所選取各項工程的工藝特征，在總體評價指標(biāo)體系框架下，構(gòu)建藻水分離設(shè)施評價指標(biāo)及評估標(biāo)準(zhǔn)見表5。

2.2 評價結(jié)果

評估期間委托有資質(zhì)單位于2019年6—12月對藻水分離站湖灣進(jìn)水口、中心溝進(jìn)水口、出水口水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，每月監(jiān)測1次，每次采樣時間段為上午11點—下午3點。在洱海藍(lán)藻密度較高的9月和10月，每月增加1次監(jiān)測。監(jiān)測指標(biāo)包括：水溫、pH、溶解氧、藻細(xì)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(jiān)測得到的進(jìn)、出水水質(zhì)進(jìn)行加權(quán)處理，計算工程對污染指標(biāo)的總?cè)コ屎腿コ??？煽啃约敖?jīng)濟(jì)性指標(biāo)中的部分指標(biāo)值來源于設(shè)備運維方日常臺賬記錄及現(xiàn)場調(diào)查。表6～表7給出了評估期內(nèi)該藻水分離站環(huán)境績效的評估指標(biāo)得分及隸屬度。

表5 藻水分離設(shè)施評價指標(biāo)及評價標(biāo)準(zhǔn)

表6 環(huán)境績效評估指標(biāo)得分及隸屬度

表7 環(huán)境績效等級評估結(jié)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(jīng)濟(jì)性4個方面屬于優(yōu)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(tài)。一級指標(biāo)隸屬度矩陣以及前文所得一級指標(biāo)權(quán)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(yōu)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(yōu)秀，總體環(huán)境績效較好。

影響該工程環(huán)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(biāo)去除量”指標(biāo)，包括藻細(xì)胞去除量、COD去除量。藻細(xì)胞去除量低是由于藻水站進(jìn)水來源之一的中心溝進(jìn)水藻細(xì)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(xì)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(jìn)水濃度本身較低。建議今后加強(qiáng)進(jìn)水水量調(diào)控，同時加大藍(lán)藻富集技術(shù)的研發(fā)，以提高進(jìn)水藻細(xì)胞濃度，進(jìn)而強(qiáng)化對藻水中污染負(fù)荷的去除。

由評價結(jié)果可知，該藻水分離站作為典型的藍(lán)藻治理工程，通過藍(lán)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(shù)，在洱海藻類水華控制和應(yīng)急清理中發(fā)揮了較好的作用，評估結(jié)果便于管理部門對治理效果進(jìn)行定量考核。本研究建立的評價指標(biāo)體系適用性明確，通過直觀明確的得分值對藍(lán)藻治理效果進(jìn)行定量評價，可用于洱海藍(lán)藻治理效果的評價與日常管理，對科學(xué)治理藍(lán)藻有積極的指導(dǎo)作用，也為其他湖泊藍(lán)藻治理效果評價與管理提供了參考。

3 結(jié)語

(1)本文在研究湖泊藍(lán)藻治理工程實施情況的基礎(chǔ)上，建立了藍(lán)藻治理工程環(huán)境績效評估的指標(biāo)體系，確立評價標(biāo)準(zhǔn)，用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)方法構(gòu)建評價模型。以大理市洱海藍(lán)藻控制與應(yīng)急工程為例，對其環(huán)境績效進(jìn)行綜合評價，該工程環(huán)境績效整體屬于良好狀態(tài)，其限制因子主要來自有效性和安全性指標(biāo)。

(2)不同湖泊水環(huán)境特點及富營養(yǎng)化程度不同，藍(lán)藻防治規(guī)劃目標(biāo)有所不同，針對不同的評價對象，評價標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)有所區(qū)別。

(3)研究一項環(huán)境治理工程產(chǎn)生的環(huán)境績效是一個長期的持續(xù)過程，隨著時間的推移以及研究數(shù)據(jù)的不斷豐富，應(yīng)將環(huán)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(lán)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(jù)工作需要在安全性指標(biāo)中引入水生態(tài)系統(tǒng)影響評價指標(biāo)，水生態(tài)系統(tǒng)影響可通過調(diào)查和監(jiān)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(shù)進(jìn)行定量表達(dá)，進(jìn)一步構(gòu)建更為宏觀可持續(xù)應(yīng)用的綜合評價體系。