“水專項”流域水環境風險評估項目突破關鍵技術

時間：2018-02-22 來源：中國環境報

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    自1993年以來，我國已發生近3萬起突發環境事件，重、特大突發環境事件1000多起，其中約53%是水污染事故。2005年11月松花江發生硝基苯重大水污染事件，導致哈爾濱市中斷供水，數百萬居民生產生活受到影響，經濟損失巨大，并產生一系列跨省、跨國環境問題；同年12月，廣東省北江鎘污染事件導致下游10余萬人無法從北江取水。此外，在一些湖泊、大型水庫及河口，由于氮磷營養鹽大量積累，引發藍藻水華災害，同樣帶來較嚴重的水環境問題。如2007年5月太湖藍藻事件，幾乎使無錫市供水系統陷入癱瘓。然而，相對于日益嚴峻的水環境風險防范形勢，我國水環境風險的監控預警能力仍然薄弱，監控預警機制尚未建立。現有的水環境監測體系缺乏必要的風險管理機制，不能有效支撐水環境監控預警等風險管理的需求。

　　針對這些突出問題，在分區、分類、分級、分期的流域水環境管理理念指導下，水專項“流域水環境風險評估與預警技術研究和示范項目”（以下簡稱“項目”）以流域水生態分區及控制單元劃分為基礎，充分利用流域水環境質量監測與污染源監測信息，開展污染源監管與風險評估技術、流域水環境風險評估方法、流域水環境預警技術、流域水環境管理平臺技術等研究，建立并完善流域水環境管理技術體系，為構建國家、流域水環境管理決策平臺，提高水環境管理水平以及促進水環境管理機制轉變提供了科技支撐。

　　項目選擇了太湖、遼河、三峽庫區和松花江跨界河流4個示范流域，設計開發穩定、高效的流域水環境風險評估及預警信息系統。在示范區系統建設及運行經驗基礎上，結合流域水環境風險管理體系及預警管理體系研究成果，再制定國家級流域水環境風險評估、風險管理及水環境風險預警相關標準、規范，構筑國家級流域水環境風險評估及預警平臺。

　　項目有三大研究方向：完善常規的流域水環境質量評估技術；建立流域水環境風險評估與預警技術；建立流域水環境風險評估與預警技術平臺并進行業務化應用。課題組的目標是：到2020 年，研發流域水環境風險評估與預警關鍵技術，形成中國特色的流域水環境風險評估與預警技術體系，并在重點流域開展技術集成、綜合示范及業務化運用，完善現有的流域水環境管理技術，逐步引導流域水環境管理理念創新，提升流域水環境管理能力，為我國流域水質目標管理和風險管理技術體系提供支撐。

　　自2012年項目實施至今，已取得了多項重要進展。

　　項目組從武警部隊調用沖鋒舟對突發水環境事故進行風險評估。

   建立流域突發性水環境風險快速模擬與應急技術體系，納入國家環境標準制定計劃

　　當前，我國流域突發性水污染事故屢有發生。事故發生后，快速、科學評估污染事故對生態系統和人體健康的風險，確立基于保護生態系統或飲用水安全為目的的污染事故特征污染物應急控制閾值，進而采取科學、有效的污染事故應急處置技術，對于正確處理處置突發性水污染事故具有重要意義。

　　項目為此開展了流域水環境風險源識別技術、風險監控預警技術、風險快速模擬技術、風險評估技術以及風險應急處置技術等突發性水環境風險管理技術研究，初步建立流域突發性水環境風險評估預警技術體系，部分成果已經納入國家環境標準制修訂計劃，為流域水環境應急管理提供了技術支持。

　　對于三峽庫區而言，這是一個從無到有、從有到優的改變。三峽庫區及上游水環境安全不僅關系到庫區周邊湖北省和重慶市20個區縣人民的生產生活，也關系到長江中下游和南水北調沿線幾億人的用水安全。課題組歷經三年時間，構建了具有動力學機理的、引入高效能計算技術的“空-地-水”一體化水環境模型體系，實現了兩小時內預測三峽庫區水體20米精度內未來兩天水環境變化趨勢，5分鐘內模擬預測突發事故未來兩天內的演進過程，實現了對三峽庫區水環境風險的高精度、高效率評估與預警。

　　項目建立的流域水環境突發性風險源識別技術，涵蓋了水環境風險源的調查辨識、分級和標準、定性定量評估等技術內容。項目構建的流域水環境突發性環境風險快速模擬技術，是在滿足不同地區對流域水環境風險模擬預測需要上，研究流域突發性水污染事故風險的預測方法，建立能同時應用于資料缺乏地區和資料詳實地區的流域突發性水環境風險應急模擬預測模型體系、突發性風險模擬模型參數庫和風險模擬模型軟件。項目提出一套基于維護水生生態系統健康的突發性水污染事故應急生態風險評估方法，確定突發性水污染事故風險分級以及風險表征方法，為進一步加強管理提供了依據。

　　同時，項目完成六類120種典型危險化學品對土壤及水體污染的應急控制技術研究，提出應急控制預案，并以典型污染物為例進行了技術研發、應急措施預案的詳細說明。考查了應急措施的二次污染和應急處理的時效性，在應急方案研究基礎上編寫了應急處理研究報告及技術指南手冊。研究成果為建立水環境事故定性、定量的應急處理體系，支撐危險化學品事故水污染應急處理提供了理論依據。

   突破關鍵技術，建立流域水環境累積性環境風險評估與預警技術體系

　　湖泊富營養化是我國主要環境問題之一，湖泊藍藻水華暴發直接影響到湖泊飲用水源的安全。項目集成開發了太湖流域水環境污染源管理、水環境質量管理、水環境風險評估預警及水環境應急響應等子系統，構建了太湖流域以及重污染區、河網區、湖蕩區3個專題的水環境風險評估和預警技術平臺。該平臺在太湖流域實現污染源、水環境質量的日常信息管理的基礎上，在水華預警、跨界水污染糾紛調處等方面得到全面應用。

　　項目圍繞累積性環境風險內涵與管理需求，借鑒歐美等發達國家生態風險評估的方法和技術流程，針對水生態健康，著眼于危害識別、暴露評估、效應評估、風險表征和風險預警等主要環節，突破了一系列關鍵技術，包括流域水生態風險識別技術，原位被動采樣技術，金屬毒性效應預測模型和野外實際樣品污染物毒性效應識別技術，重金屬水生態聯合風險表征和等級劃分技術，水生態系統災變風險預警模型等，初步構建了適合我國區域特點的流域水環境風險評估與預警技術框架和體系。

   流域水生態風險識別技術

　　針對水體中重金屬和持久性有機污染等風險因子難以通過化學檢測的方法評估其潛在毒性的問題，研究風險識別技術，包括危險物質識別、危險設施（設備）識別、危險生產工藝識別、危險功能單元識別、危險類別識別、重大危險源識別、風險評價工作等級識別、風險評價范圍識別等8項內容；建立基于暴露—響應過程分析的對風險受體對風險源暴露途徑過程識別技術；基于生物標志物作為敏感的生物效應“早期預警”工具，建立特異性、敏感性、快速指示水體重金屬污染對生物體的影響的風險識別技術。

   流域水生態暴露評價技術

　　針對常規監測水體污染物濃度不能準確反映生物接觸的實際污染物劑量問題，研究有害污染物從污染源排放進入環境到被生物吸收或對生態受體發生作用過程的評價技術，從源強分析、遷移過程分析、轉歸分析、受體暴露途徑分析、暴露程度分析等五大方面重點突破水生態風險暴露評價技術，針對污染物在環境中的行為特性和生物受體類型及行為特征建立了被動采樣技術、多介質逸度模型、人工神經網絡等適用于中國生物區系的暴露評價方法。為更科學地反應環境中污染物的真實暴露風險，通過研發開放水體被動采樣裝置、沉積物-水界面交換通量被動采樣裝置和沉積物孔隙水被動采樣器等一系列被動采樣裝置，建立了以原位被動采樣技術為主體的流域水環境典型有機污染物的生態暴露評估技術體系，用生物可利用濃度代替水環境污染物總濃度，對水生態系統進行更科學、更有效的暴露評估。

   流域水生態效應評價技術

　　為在實際生態系統中，更準確解決多類物種，多暴露途效應表征的困難，研發了用于預測水體中重金屬的生物有效性以及重金屬的毒性生物配體模型，改進了利用化學結構或理化性質預測污染物毒性效應的結構-活性效應模型（QSAR）用于生物個體水平效應評價，集成了種群繁殖力模型、預測矩陣模型、蒙特卡羅模擬等種群水平效應評價技術，集成和完善了物種敏感度曲線法、高斯非參數概率密度模型等生態系統水平效應評價技術。通過對重金屬污染物毒性信息開展深入研究，首次發現了金屬理化要素與生物毒性之間的顯著相關性，研發了金屬生物效應預測模型，獲得了50種以上金屬的生物毒性值和風險閾值；構建了含生物可利用性測定的沉積物毒性評價概念模型，結合原位仿生萃取技術，針對流域典型污染物建立考慮生物可利用性濃度表征手段的流域水環境生物毒性評價方法，為科學、有效評估流域水生態效應提供了有益補充。

　　項目對太湖流域開展生態風險評估工作，繪制了生態風險分區圖，對多環芳烴、有機氯農藥、8種典型重金屬等主要累積性污染源進行了基于分區的生態風險評估。項目針對目前亟需解決的復合污染風險評估問題，以潛在受影響物種百分比來嘗試表征研究區域內物種可能受到危害的比例，建立了重金屬復合污染的水生態聯合風險表征和等級劃分技術。

　　項目基于生態系統能質理論，研發了水生態系統突變風險預警技術，初步建立湖泊生態系統災變預警模型。該模型在太湖開展示范應用，綜合分析了太湖1960~2013年期間水質、水生態變化規律，發現了災變發生的關鍵時間節點、早期信號和災變閾值。研究成果表明，太湖生態系統兩次災變均是沉水植物先衰亡，次年出現藻類暴發，且TP不是沉水植物衰亡的關鍵驅動因子。沉水植物消亡使得藻類失去競爭營養鹽的對手，沉積物再懸浮和沉水植物死亡后營養鹽釋放，促使湖泊水體營養鹽濃度升高，為藻類暴發提供重要鋪墊。綜合評價所得的災變時間節點與各湖泊的重大災變歷史事件發現，閾值可提前1年左右預警生態系統災變現象。項目運用這一災變預警模型，對國內幾個重要湖泊（滇池、巢湖、洱海和撫仙湖）生態系統狀態進行評價，為我國的水環境風險管理提供了有力的技術支撐。

　　目前，項目已經初步形成適合我國區域特點的流域水生態風險評估預警技術體系，初步完成流域水生態風險評估技術導則建議稿、太湖流域水生態風險評估與預警綜合報告、太湖流域水生態風險評估與預警綜合管理信息庫，為提高我國水環境風險管理能力提供了有利支撐。

   業務化運行技術平臺在多地建立，科技支撐作用開始顯現

　　三峽、太湖的工作只是項目的一個縮影。此前，我國水環境信息一直缺乏有效的整合與綜合利用。為了提升水環境管理能力，為政府有效評估和管理示范流域水環境風險、有效保障流域水環境安全提供重要決策，項目借鑒歐美等發達國家經驗，研究技術體系方法、流程之間的系統接口，實現了示范區各類數據庫建設及接口設計與開發。在此基礎上，課題組構建出了一套完整的流域水環境風險評估與預警技術體系及平臺，并在示范流域成功實現業務化運行。

　　三峽庫區水環境風險評估與預警技術平臺，按照“一個體系、一張網、一張圖、一個表、一個流程”的技術思路構建了應急指揮信息系統需求設計方案，開發了應急指揮系統和現場單兵系統，實現了“看得見、調得動”的水污染事件應急決策系統。

　　這套業務化平臺集水質監測、實時評價、實時預報、實時預警于一體，當水質自動監測值與模擬值存在較大誤差且實測值大于先前三天平均值2倍以上時，監控平臺自動發出水質濃度超標預警信息，并推送至管理員手機信息平臺，從而有效保障了水環境安全。

　　課題組在三峽庫區及其上游流域部署的業務化平臺自2014年運行以來，每天無間斷持續運行，自動獲取水文監測站、氣象監測站的水文氣象信息，進行未來72小時的水質預報。據一份2017年初的資料顯示，自2014年到2017年，平臺共獲得了120余萬條水質自動監測數據，向四川省環保廳和重慶市環境科學研究院等單位累積發送了水質預報短信28140條。

　　同時，太湖流域水環境風險評估預警平臺目前已集成進入江蘇省“1831”平臺支撐太湖流域水生態風險評估預警業務化運行工作。平臺綜合集成流域水生態風險分區、風險源解析、生態系統災變預警、風險管理等多項技術，具備了太湖流域水環境信息查詢、重要風險源監管、污染事故應急響應、累積性風險評估預警等多項功能。

　　而在此前，環境保護部華東督察局（原環境保護部華東督查中心）已經利用這套平臺開展太湖流域國控重點污染源總量減排核算、跨省界矛盾協調和環境稽查，大大減輕了野外調查工作量，有效提高了工作效率。太湖流域重污染區藍藻水華風險預警子平臺在江蘇省環保廳實現了業務化應用，該平臺逐日提供未來7日重污染區總磷、總氮、氨氮、高錳酸鹽指數及溶解氧的濃度分布，以及未來3日重污染區域內的葉綠素濃度預測結果，并進行藍藻水華預報預警，指導地方政府水華應急處置，確保太湖飲用水安全。

　　而在遼河流域，這套平臺從2010年起就已投入應用。遼河流域是我國水污染治理的重點流域，其上游大伙房水庫是遼中平原2000萬人口的飲用水水源地。項目構建的遼河流域水環境風險評估與預警技術平臺包括水環境污染源管理、水環境質量管理、風險評估與預警、水環境應急響應、綜合信息服務等5個子系統，并以流域總平臺為統領，重點構建大伙房飲用水水源和沈陽城市水環境兩個子平臺。在遼河流域實現污染源、水環境質量的日常信息管理的基礎上，該平臺在飲用水水源地、城市景觀水體風險預警等方面得到全面應用。

　　平臺實現了遼河全流域水環境數據的統一采集與傳輸，飲用水水源地的水質安全預警，市域污染源排放監控評估，景觀水體環境適宜度評估，城市水污染物總量、跨市界通量的監控、預警與評估，流域水環境信息發布功能，為遼河流域飲用水水源安全提供了技術保障，為遼河流域水環境綜合整治和跨市之間水質生態補償提供了及時高效的信息和技術服務支撐，提升了水環境管理決策的時效性和科學性。