湖泊富营养化控制技术综合集成方法框架.pdf

湖泊富营养化控制技术综合集成方法框架 ＊ 毛国柱 刘 永 郭怀成 吕晓剑 周 丰 北京大学环境学院, 北京 100871 摘要 湖泊富营养化是人类社会活动对湖泊的影响导致的湖泊自然演变过程的浓缩, 而富营养湖泊的水污染治理与 生态恢复是一个长期的过程。 以综合集成方法论为方法论指导, 进行湖泊富营养化控制技术综合集成。 在信息分析 与发展预测、模型集成、技术评价的基础上, 通过人与计算机的结合、交互完成工程方案的决策, 湖泊富营养化控制技 术综合集成有利于发挥湖泊富营养化控制工程的综合效益和长期效益, 并为湖泊流域管理提供科学依据。 关键词 湖泊 富营养化 技术 综合集成 ＊国家“863”重大科技专项资助 2002AA601021 0 引言 湖泊是资源开发-环境矛盾转化的敏感地貌 体 [ 1] 。我国 20 余年来的快速城市化进程给湖泊水环 境带来了空前的压力 ,特别是东南沿海和长江中下游 平原地区的浅水湖泊多数已经富营养化或处于富营 养化中。“七五”以来 ,我国在江苏太湖 、 安徽巢湖 、 昆 明滇池、 武汉东湖开展了较为系统的湖泊富营养化研 究,并投入巨资实施治理工程, 但是几乎没有一个见 到明显效果 [ 2] 。 究其原因, 一个重要问题是对于湖泊生态系统复 杂性的认识不足。表现为对于湖泊富营养化控制技 术研究与工程实践更多地关注于单一要素,忽视了生 态系统整体性功能的发挥 ; 技术选择失当 [ 3] , 缺少对 于各种技术的耦合和集成研究 ,对于工程措施的适用 性,不同技术组合的集成应用以及工程技术措施对于 湖泊生态系统整体性功能影响的研究尚不充分,这导 致了技术应用与工程实践缺乏系统性和长期性考虑。 湖泊富营养化是人类社会活动对湖泊的影响导 致的湖泊自然演变过程的浓缩 [ 4] 。对于湖泊富营养 化控制,也需要从社会-经济-自然复合生态系统的复 杂系统特性角度出发 ,运用系统科学的理论和方法分 析问题,对湖泊富营养化控制技术进行综合集成。即 在对湖泊基础信息收集分析、模拟、技术评价筛选等 内容在分解后研究的基础上, 把经验知识和专家判断 力相结合, 通过人机交互 ,在空间和时间上合理安排 各项湖泊富营养化控制工程, 充分发挥技术体系的系 统优势 ,实现 112 的涌现 ,达到从整体上研究和 解决问题的目的 。 综合集成的方法在环境科学领域的研究主要集 中在环境模型 [ 5-8] 、 环境规划 [ 9] 和环境管理 [ 10-12] 方面。 本研究试图从湖泊富营养化控制技术综合集成的概 念与方法论出发 ,提出湖泊富营养化控制技术综合集 成的方法框架。 1 湖泊富营养化控制技术综合集成及其理论方法 湖泊水环境系统是一个社会-经济-自然复合生 态系统 ,不断地与外界环境进行物质、信息和能量的 交换 ,具有随机性、 动态性 、 非线性等复杂系统固有特 性。湖泊富营养化控制技术综合集成是从复杂系统 角度出发, 把环境科学理论、 生态学理论 、 水动力学理 论与水环境管理决策的经验知识和专家判断力相结 合,把专家知识 、 背景数据和各类信息与计算机技术 结合 ,通过人机交互发现 、 产生 、 构造和促进候选工程 实施方案, 在空间和时间上合理安排各项湖泊富营养 化控制工程 ,充分发挥技术的系统优势。 湖泊富营养化控制技术综合集成以钱学森先生 提出的“从定性到定量综合集成方法”和“从定性到定 量综合集成研讨体系”构成的综合集成方法论 [ 13] 为 方法论指导。综合集成方法论的实践由 3 个部分构 成 以计算机为核心的各种信息技术的集成与融合所 构成的机器体系 ,以及专家体系和知识体系。专家体 系和机器体系是知识体系的载体 。这 3 个部分的有 机结合构成了高度智能化的人 、 机结合, 人、 网结合体 系。它不仅具有信息 、 知识的采集、存储 、 传递 、 调用、 分析和综合集成的功能, 更重要的是具有产生新知识 的功能,是知识的生产系统。 应用综合集成方法进行湖泊富营养化控制技术 综合集成, 可以克服目前湖泊富营养化控制实践中存 在的缺乏整体性和长期性考虑 、技术选择失当等不 足,有利于发挥湖泊富营养化控制工程的综合效益和 65 环 境 工 程 2006年 2 月第24 卷第1 期 长期效益 。 2 湖泊富营养化控制技术综合集成的内容 2. 1 基础信息的集成 对于湖泊富营养化程度的评价以及对湖泊流域 社会经济状况、污染排放量 、 重点污染源属性等信息 的调查是制定富营养化控制方案的首要条件 ,地理信 息系统 GIS 是集成湖泊属性信息的良好工具 。 2. 2 模型的集成 湖泊流域的水环境模型是估算湖泊环境容量 、 模 拟富营养化控制技术对水环境的改善作用的工具。 水环境模型与信息系统的集成 ,有利于弥补环境模型 在数据管理、 结果显示、 空间分析等方面的不足,简化 了模型的应用, 提高了模型的易用性和预测效率 [ 8] 。 2. 3 技术方法的集成 在湖泊富营养化控制的勘查诊断 、 规划 、 决策的 不同阶段 ,可以采用系统动力学、 系统生态学 、 情景分 析、 层次分析等方法实现定性和定量的分析 ,将不同 方法集成 ,以定性指导定量,以定量充实和完善定性, 可以提高分析、决策的效率和可靠性。 2. 4 人与计算机体系集成 湖泊富营养化控制技术方案的制定是非结构化 问题 ,必须由人机结合来解决 。其中人与计算机的分 工表现为 人进行复杂的高层次的协调和决策 ,计算 机进行信息存储和计算 [ 14] 。 3 湖泊富营养化控制技术综合集成方法框架 首先调查湖泊污染现状及污染源分布情况,在此 基础上分析不同技术的适用性 ,根据工程实施后所产 生的环境 、 经济 、 社会效益 ,考察不同技术之间耦合的 综合效益与制约因素, 并通过专家研讨 , 得到备选的 受污染水体修复技术组合。 通过对地理信息系统 GIS 和水文-水质-水生态模型的集成, 考察不同技 术实施的综合效益 ,辅助专家对备选方案进行优选, 得到符合受污染水体实际情况的技术集成体系,指导 湖泊富营养化控制工程实施 。同时建立GIS 信息平 台和管理决策支持平台, 为湖泊流域管理提供依据。 湖泊富营养化控制技术综合集成的技术路线见图 1。 3. 1 湖泊流域基础信息分析与发展预测 湖泊流域社会情况以及污染源分布信息的调查 和分析是进行湖泊富营养化控制综合集成的首要条 件。收集湖泊流域社会经济状况 、污染排放量 、 重点 污染源属性等基础信息 , 利用地理信息系统 GIS 建 立湖泊信息系统, 为技术综合集成提供基础信息支 图 1 湖泊富营养化控制技术综合集成技术路线 持。湖泊信息系统主要实现以下功能 湖泊水体特征 数据采集、数据编辑 、 信息查询 。 其中, 对于水体单元水质分布、城市排污管网分 布采用地图形式存储管理 ,污染物种类和数量用兼容 的数据库形式存储管理。对各种特征信息 包括空间 信息 、 属性信息 、 统计信息等 可进行查询调用和部分 特征信息的空间分析 。 根据获取的社会发展和环境信息,采用系统动力 学 SD 方法可以对湖泊流域社会发展情况进行模 拟,对人口规模 、 污染情况等进行预测。 3. 2 环境GIS 信息系统与湖泊水环境模型集成 GIS 与湖泊水模型集成为工程决策提供了定量 分析工具。通过对湖泊群 GIS 信息系统与湖泊水环 境模型的集成, 实现对湖泊水质、水生态变化的动态 模拟和工程决策的定量分析。以空间分析为核心功 能的地理信息系统和以过程动态模拟见长的环境数 学建模的有机集成, 为富营养化湖泊水体修复提供了 一个强有力的时空分析和决策支持体系 。 3. 3 湖泊富营养化控制技术评价与筛选 在掌握湖泊富营养化情况和污染源分布的基础 上,开展湖泊富营养化控制技术的评价与筛选工作 。 评价分为两个方面, 首先是确定评价指标 。通过 多方面征求意见和专家讨论, 确定采用的评价指标 。 1 污染控制效果的评价指标 污染物削减能 力、 效益估算、 总投资 、 维护成本, 此部分应用费用-效 益分析定量评价各种技术的适用性 。 2 生态修复措施的评价指标 生态价值 、 总投 资、 维护和景观适配性。 采用双向比较方法确定权重 , 并采用特尔菲法 Delphi 确定各指标值 ,然后加和得到总分,得到对于 备选技术的综合评价 。 3. 4 湖泊富营养化控制技术组合生成 66 环 境 工 程 2006年 2 月第24 卷第1 期 在进行单项的水体修复技术适用性评价基础上, 分析不同技术间的相关性 ,对各种技术间的耦合关系 进行分析, 如水力调度中引水流速、水量与水生植被 恢复的水位控制的制约关系等 。 邀请各课题执行人及相关领域专家进行研讨 ,对 各项技术进行有机组合, 得到综合效益优化的多种技 术组合方案,即备选技术组合 。 3. 5 湖泊富营养化控制技术方案决策 利用湖泊水环境模型模拟湖泊水质情况,预测未来 的污染负荷变化,对技术组合实施效果进行动态模拟。 遵循“全面性”和“可操作性”的要求, 建立湖泊健 康评价指标体系, 应用情景分析预测技术来判别未来 的污染变化和不同方案对湖泊健康指标的改善程度 , 对备选技术组合进行多目标决策,确定最终实施方案。 引入生态系统服务功能评价方法 。从城市生态 学、 经济学的视角对湖泊水体的生态系统服务功能进 行货币化评估, 可以统一度量水体的多项服务功能, 水体的生态系统服务功能主要包括 净化环境功能价 值、 物质生产功能价值 、生物栖息地功能价值和休闲 娱乐功能价值等 。 同时建立湖泊 GIS 信息平台和管理决策支持平 台,为湖泊流域管理提供依据 。 4 研究展望 湖泊富营养化控制技术综合集成在我国的富营 养湖泊治理中具有广阔的应用前景 ,今后需要深入研 究的内容包括 1 如何利用有限的湖泊水文、水质和水生态的 基础数据在工程实践中建立兼具精度和可操作性的 的湖泊水环境模型。 2 建立和完善富营养化湖泊水质改善与生态修 复的评价标准体系。 3 建立和完善各种湖泊生态修复工程设计和评 价规范。 随着湖泊科学研究的不断深入和湖泊富营养化 控制工程实践的发展 ,以及系统科学与工程方法的广 泛引入,研究者对于湖泊生态系统与富营养化响应关 系的认识将不断深化 ,湖泊富营养化控制综合集成的 工程实践也必将不断地得到新的应用与发展 。 参考文献 [ 1] 牛振国, 张祖陆. 地理学与国土研究. 中国湖泊环境若干问题探 讨, 1997,13 04 46 -50. 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The study shows that wavelet trans can clearly demonstrate the features of air pollutant time series of concentration. Keywords wavelet analysis, decomposition and reconstruction, PM10 and time series DETERMINATION OF CODCrIN CHEMICAL WASTEWATER CONTAINING HIGH CHLORINE BASED ONM-ESTIMATIONLi Feng He Linyu 64 Abstract Contrast tests have shown that chlorine calibration can eliminate the interference of high content of Cl - in the determination of CODCr.In fact, so far as specific high chlorine wastewater is concerned, to it has been found that the CODCris related to Cl-content in actual samples. Making use of CODCrdetermined by national standard and Cl-content in wastewater samples can give expression to CODCr determined by chlorine correction . The calibration equation can be obtainedwithM-estimationand least square respectively . What smore, the results of the test show that the er can be an improvement on the latter for the system with individual abnormal values. Keywords chemical wastewater containing high chlorine, CODCr, determination and M -estimation COMPREHENSIVE INTEGRATION OF LAKE EUTROPHICATION CONTROL TECHNIQUE Mao Guozhu LiuYong Guo Huaicheng et al 65 Abstract Eutrophication of lakesthat is condensationof the natural evolutionof lakesis caused by human social activities. However, there is a long way to recover the water quality and repair the ecological system which has been damaged by lake eutrophication. From the view of comprehensive integration, the techniques of lake eutrophication control may be integrated. , which starts with the data analysis, modeling integration and technique uation, makes the decisionof program by the way of human -computer combination and intercourse. The integration is good to per the overall and long term efficiency of the techniques, which provides a scientific basis for the management of the lakes. Keywords lake, eutrophication, technique and overall integration THE QUANTITATIVE ASSESSMENT OF CLEAN PRODUCTION BY AN ACTUAL PROJECTShu Xingwu 68 Abstract A quantitative assessment of clean production was introduced according to an actual project. Based on certain assessment standard values andweight values of sorting the assessment targets, the marked and graded all the assessment targets scientifically and displayed the extent of clean production directly and quantitatively by the magnitude of total mark. Keywords environment impact assessment, clean production and assessment target APPLICATION OF BAMBOO VINEGAR IN COMPOSTING Wang Dunqiu Zhao Min Pan Sheng 70 Abstract The static aerobic composting testwas made with straw, sawdust and pig dung as the raw materials and using bamboo vinegar as the additive. Changes in temperature, pH, organic matter, total nitrogen during composting were analyzed to study the acceleration effect of different bamboo vinegar concentration on composting. The analysis of the decomposed compost shows that the proper concentration of bamboo vinegar can accelerate the activation of microorganism, shorten the time of reaching the higher temperature. Comparedwith the blank pile, N -loss of the piles with bamboo vinegar can be reduced by 10. Keywords bamboo vinegar, pig dung, composting and study EXPERIMENT ON FEASIBILITY OF DIRECT FILTRATION OF WASTEWATER BY MEMBRANE Hao Xiaodi Li Huihai Chen Xinhua 73 Abstract The experiment was intended with membrane separation to trap pathogens and viruses and keep nutrient elements in domestic wastewater for the purposes of bothwater and nutrient reuses. The experimental results indicated that both micro -filtration and ultra -filtration were good enough to trap bacteria and or fecal coli removal efficiency 99. 9～ 99. 999and that organic matter of 32～ 67, nitrogen of 72～ 78 and phosphorus of 60～ 62 in raw wastewater could be kept. When irrigating wheat, the permeate could increase the wheat production by 13 and 7. 5 compared with tap water and tap water plus chemical fertilizer. Keywords reuse of wastewater, membrane filtration, micro -ultra -filtration, cross -flow and irrigation TREATMENT OF CAR -COATING WASTEWATER BY BIOLOGICAL AERATED FILTER Zhu Lehui Fu Chaochen 76 Abstract Biological aerated filter BIOFORis used to treatwastewater of cat-coating in Jiangling GroupCo . , Ltd, and a good effect is 5 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 24, No. 1,Feb. , 2006