流域水环境累积型风险分级预警技术
流域水环境累积型风险分级预警技术,供应,水专项,监测与预警,预警技术
流域水环境累积型风险分级预警技术
技术简介/摘要
1. 借鉴国内外相关评估框架，着眼于流域-水体相互作用关系和流域尺度预警内涵，首次提出了基于警源-警兆-警情-警策（W-S-S-S-C）的流域水环境安全累积型预警指标体系及评估预警方法。建立社会经济-土地利用-负荷排放-水质水动力（S-L-L-W）多模块集成的流域水环境安全预警综合模型；采用SD/CA-MARKOV/SWAT/EFDC模块联用，实现了各模块模型的有效集成和模拟；结合情景分析方法，可实现多情景条件下的流域水环境安全预测预警。
2. 基于水库使用功能和水生态健康状况，综合典型水库水华暴发的驱动因子和响应因子，构建水库水华风险预警评估技术。采用因子分值-多元线性回归、决策树-分段性回归、人工神经网络、遥感反演等方法分别进行了水库水华灾害预警模型实证研究；以此为基础，针对不同水库类型水华特征，确立了水华暴发预警的最适模型及其输入参数，并通过对原始监测数据标准化及模型优化的方法，提高预测精度。
3. 以生物对污染物胁迫做出的生理响应为理论依据，以鱼类呼吸频率和强度作为预警指标，首次利用斑马鱼在线系统监测示范区三峡水库水环境质量，研究构建了基于鱼类个体行为的生物预警技术；以鲫鱼生物标志物（基因表达）为预警指标，采用IBR方法表达浑河示范区水环境生态风险，研究构建了基于鱼类生理特征的生物预警技术。
二、工艺流程
1. 采用数理统计、数学模型、专家咨询等方式，梳理和分析流域调查信息，对水环境安全的主要问题进行初步识别。结合优先关注问题甄别成果，对关键问题进行定量分析和研究。在此基础上，进一步水环境安全问题进行分类和清单构建，甄别得出水环境安全的优先关注问题。另一方面，着眼于流域水环境安全的驱动力—压力一状态一影响—响应框架模式，分析流域水环境安全评估的技术要点，研究构建水环境安全预警评估指标体系和模型。最后，流域水环境安全预警实现的核心工作在于综合考虑社会经济-土地利用-负荷排放-水质水动力等要素的耦合作用，建立了基于S-L-L-W的水环境预警综合模型框架。结合典型流域的社会经济、土地利用面源污染以及水质水动力的数据，分别调整、完善、建立各个子模块，开展各模块的参数率定、验证；在各模块数据衔接、集成的基础上，共同实现流域水环境安全预测预警。技术路线图如下：
2. 水华预警所用方法和参数需要具有推广性强、参数容易获得等特点。数据驱动方法是较常用的方法，但在构建过程中，由于各原始监测指标量纲不同以及相互间存在共线性关系等问题，影响模型预测效果，因此需要对原始监测数据进行标准化处或者赋予不同权重来提高预警模型的预测效果。可考虑采用因子分值-多元线性回归法、人工神经网络法、决策树-分段性回归法、水华遥感快速监测和预警法等来对水库水华进行模拟预测。在对比各方法优缺点的基础上，最终选择出最适用于研究区域特征的水华预警模型。基本流程如下图所示：
3. 在对研究区域进行充分调查的基础上，分析得出该区域的生物个体特征及其影响因子。以生物压力响应基因（热休克蛋白（Heat Shock Protein）-30、-60、-70和-90，以下简称HSP-30, HSP-60, HSP-70, HSP-90）、抗氧化系统包括超氧化物歧化酶(Superoxide Dismutase, SOD）和机体胁迫指示标志物 -β-转化生长因子 (Transforming growth factor - beta, TGF-beta)、过氧化氢酶（Catalase, CAT），谷胱甘肽硫转移酶（Glutathione S-transferase, GST）和谷胱甘肽过氧化物酶（Glutathione peroxidase, GPx）响应、重金属污染标志物-金属硫蛋白（metallothionein, MT）、雌激素类污染物的标志物-卵黄蛋白原（Vitellogenin, Vtg）、多环芳烃类物质的标志物-细胞色素P450 1A（Cytochrome P450 1A, CYP1A）、有机磷类污染标志物-乙酰胆碱酯酶（Acetylcholinesterase, AchE）等不同生物标志物角度对野生鲫鱼进行分析，以期筛选出能够预警环境污染的特定生物标志物，建立从分子水平上对水环境污染与生态风险进行生物早期预警技术。提取鲫鱼肝组织总RNA并逆转录成cDNA，应用建立好的实时定量PCR方法进行目标基因定量。最后，利用采用生物标志物综合响应法对研究区域的水环境质量进行预警。
三、关键技术
1. 基于流域-水体作用关系的流域水环境安全预警技术
2. 基于水库类型及其水华暴发综合特征的水华风险预警技术
3. 基于生物响应的生物早期预警技术
推广应用案例
基于S-L-L-W框架的流域水环境安全预警模拟技术综合考虑社会经济-土地利用-负荷排放-水质水动力等要素的耦合作用，构建了社会经济与资源利用模型模块、土地利用预测模型模块、流域面源污染负荷模拟模块和流域水环境水质水动力模拟模块等四个子模块，在各模块数据衔接、集成的基础上，共同实现流域水环境安全预测预警。
该关键技术在沈阳市环境监测中心站研发的“沈阳市水环境安全压力预警和响应预警综合模型”中得到了示范应用，直接支撑了“沈阳市水环境风险评估与预警平台”的构建，为沈阳市环境监测中心的水环境常态管理和风险管理提供了决策支撑。
同时，应用该水环境安全预警技术对澎溪河流域的水环境安全进行了预警模拟。其中，社会经济与资源利用模型模块（SD模型）以澎溪河流域2005-2009年的相关社会经济资料为基础，给出了三种不同发展模式下，2010年至2025年该流域的社会经济发展和污染负荷排放（点源）预测结果；土地利用预测模型模块在对澎溪河流域1995～2010年期间的土地利用进行动态分析和转移特征分析的基础上，给出了三种不同情景下2015年和2020年的澎溪河流域土地利用预测结果；流域面源污染负荷模拟模块（SWAT模型）采用澎溪河流域2002年至2008年已有的水文水质等资料进行了模型的率定和验证，在此基础上，结合土地利用模块预测给出的土地利用结果，模拟得出了2010年、2015年和2020年下澎溪河流域的面源污染负荷；流域水环境水质水动力模拟模块（EFDC模型）以点源模拟结果和面源模拟结果为基础，给出了不同组合情景下未来年份澎溪河水质的变化预测结果。该技术模拟结果为三峡库区上游开县环境保护局进行水环境保护和监督管理的重要决策参考，为汉丰湖水环境保护以及三峡水库及其上游水污染防治十二五规划的实施提供了技术支撑。其中，小江流域水环境安全演变过程分析和水环境安全预警评估成果的应用提升了开县环保监管的针对性和有效性，水环境安全多情景预测预警成果的应用提升了开县水环境保护风险管理水平。
联系单位：中国环境科学研究院
联系人：王丽婧
电话：010-84915302
E-mail：wanglj@craes.org.cn
地址：北京市朝阳区安外大羊坊8号
实际应用案例:
应用单位：巫山县环境监测站
基于因子分值-多元线性回归水华预警模型技术（关键技术2），以巫山县环境监测中心站为应用单位，为三峡水库支流大宁河富营养化的监测和管理提供技术支持。大宁河是三峡水库的重要支流之一，其下游即为重要的风景旅游区'小三峡'，因此大宁河的水环境质量受到社会和相关学者的广泛关注，本方法采用因子分析简化水质指标之间的相关性，以因子得分（Score values）为自变量用于多元线性回归分析中，不仅解决了原始监测数据量纲不同的问题，也克服了多元回归过程中各变量间的共线性问题，提高了统计稳定性，避免了单纯使用多元线性回归方法的局限性，提高了预测精度。基于本项技术的研究成果已经在国际SCI期刊公开发表：Wang Liping and Zheng Binghui. 2013. Prediction of Chlorophyll-a in the Daning River of Three Gorges Reservoir by principal component scores in multiple linear regression models. Water Science and Technology, 67(5), 1150-1158. 该技术提升了巫山县监测站的水华预测能力，从而为及早发现警情、提前发出警报和水华控制提供了科学依据。
联系单位：中国环境科学研究院
联系人：王丽平
电话：010-84915316
E-mail：wanglp@craes.org.cn
地址：北京市朝阳区安外大羊坊8号
实际应用案例:
应用单位：沈阳市环境监测中心站、重庆市环保局
基于生物响应的生物早期预警技术（关键技术3）主要包含基于生理特征的生物预警技术和基于个体行为的生物预警技术。针对环境微量污染物的低剂量、长期暴露的污染特征，建立以生物分子标志物监控预警水环境质量的技术方法；针对环境突发污染事故的高剂量、短时的污染特征，建立以生物行为在线监控预警水环境突发污染的技术方法。
对于生物分子标志物预警流域水环境质量技术，根据在浑河流域尤其是沈抚段复合污染和低氧环境下的生物畸变现象，建立了以生物抗氧化酶代表的等共计13个分子标志物为指标的流域水环境生物早期预警技术，并对浑河不同时期野生鲫鱼肝组织13个生物标志物基因表达进行了定量研究和表征。在此基础上，进一步采用数学方法将不同基因表达水平进行标准归一化，以IBR值指示浑河流域各点的水环境质量并用于预警流域水环境潜在风险，发现夏季时期浑河流域东陵大桥、浑河大闸（沈阳市内）和三叉河的水环境风险较高，秋季时期东陵大桥、黄腊坨大桥的生物风险较高。另外，发现夏季鲫鱼IBR明显高于秋季IBR值，说明面源污染对浑河流域水环境风险高于点源污染。
对于生物早期预警水环境突发污染监测体系，筛选小球藻和斑马鱼作为敏感指示生物，建立以单胞藻的抑制率、斑马鱼的呼吸行为（呼吸强度和呼吸频率）为监测指标的预警方法。结果表明小球藻对重金属的敏感性依次为Cu2+、Hg2+、Cd2+和Zn2+。Hg2+、斑马鱼对Cu2+、Cd2+、Zn2+和Pb2+5种重金属的预警浓度分别为0.08、0.08、4.8、7.5、105mg/L，预警反应时间分别为40、32、30、24、24min。在此基础上，在三峡库区香溪河段开展了生物早期监控水环境质量的示范应用。
联系单位：中国环境科学研究院
联系人：安立会
电话：010-84913914
E-mail：anlh@craes.org.cn
地址：北京市朝阳区安外大羊坊8号
工艺流程图：
- 联系人：王丽婧
- 电话：
- 单位：中国环境科学研究院
- 地址：北京朝阳区安外大羊坊8号
