自1993年以來，我國已發(fā)生近3萬起突發(fā)環(huán)境事件，重、特大突發(fā)環(huán)境事件1000多起，其中約53%是水污染事故。2005年11月松花江發(fā)生硝基苯重大水污染事件，導致哈爾濱市中斷供水，數(shù)百萬居民生產(chǎn)生活受到影響，經(jīng)濟損失巨大，并產(chǎn)生一系列跨省、跨國環(huán)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(yǎng)鹽大量積累，引發(fā)藍藻水華災害，同樣帶來較嚴重的水環(huán)境問題。如2007年5月太湖藍藻事件，幾乎使無錫市供水系統(tǒng)陷入癱瘓。然而，相對于日益嚴峻的水環(huán)境風險防范形勢，我國水環(huán)境風險的監(jiān)控預警能力仍然薄弱，監(jiān)控預警機制尚未建立?，F(xiàn)有的水環(huán)境監(jiān)測體系缺乏必要的風險管理機制，不能有效支撐水環(huán)境監(jiān)控預警等風險管理的需求。
針對這些突出問題，在分區(qū)、分類、分級、分期的流域水環(huán)境管理理念指導下，水專項“流域水環(huán)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(tài)分區(qū)及控制單元劃分為基礎，充分利用流域水環(huán)境質量監(jiān)測與污染源監(jiān)測信息，開展污染源監(jiān)管與風險評估技術、流域水環(huán)境風險評估方法、流域水環(huán)境預警技術、流域水環(huán)境管理平臺技術等研究，建立并完善流域水環(huán)境管理技術體系，為構建國家、流域水環(huán)境管理決策平臺，提高水環(huán)境管理水平以及促進水環(huán)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(qū)和松花江跨界河流4個示范流域，設計開發(fā)穩(wěn)定、高效的流域水環(huán)境風險評估及預警信息系統(tǒng)。在示范區(qū)系統(tǒng)建設及運行經(jīng)驗基礎上，結合流域水環(huán)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(huán)境風險評估、風險管理及水環(huán)境風險預警相關標準、規(guī)范，構筑國家級流域水環(huán)境風險評估及預警平臺。
項目有三大研究方向：完善常規(guī)的流域水環(huán)境質量評估技術;建立流域水環(huán)境風險評估與預警技術;建立流域水環(huán)境風險評估與預警技術平臺并進行業(yè)務化應用。課題組的目標是：到2020 年，研發(fā)流域水環(huán)境風險評估與預警關鍵技術，形成中國特色的流域水環(huán)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(yè)務化運用，完善現(xiàn)有的流域水環(huán)境管理技術，逐步引導流域水環(huán)境管理理念創(chuàng)新，提升流域水環(huán)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。
建立流域突發(fā)性水環(huán)境風險快速模擬與應急技術體系，納入國家環(huán)境標準制定計劃
當前，我國流域突發(fā)性水污染事故屢有發(fā)生。事故發(fā)生后，快速、科學評估污染事故對生態(tài)系統(tǒng)和人體健康的風險，確立基于保護生態(tài)系統(tǒng)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(fā)性水污染事故具有重要意義。
項目為此開展了流域水環(huán)境風險源識別技術、風險監(jiān)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(fā)性水環(huán)境風險管理技術研究，初步建立流域突發(fā)性水環(huán)境風險評估預警技術體系，部分成果已經(jīng)納入國家環(huán)境標準制修訂計劃，為流域水環(huán)境應急管理提供了技術支持。
對于三峽庫區(qū)而言，這是一個從無到有、從有到優(yōu)的改變。三峽庫區(qū)及上游水環(huán)境安全不僅關系到庫區(qū)周邊湖北省和重慶市20個區(qū)縣人民的生產(chǎn)生活，也關系到長江中下游和南水北調(diào)沿線幾億人的用水安全。課題組歷經(jīng)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(huán)境模型體系，實現(xiàn)了兩小時內(nèi)預測三峽庫區(qū)水體20米精度內(nèi)未來兩天水環(huán)境變化趨勢，5分鐘內(nèi)模擬預測突發(fā)事故未來兩天內(nèi)的演進過程，實現(xiàn)了對三峽庫區(qū)水環(huán)境風險的高精度、高效率評估與預警。
項目建立的流域水環(huán)境突發(fā)性風險源識別技術，涵蓋了水環(huán)境風險源的調(diào)查辨識、分級和標準、定性定量評估等技術內(nèi)容。項目構建的流域水環(huán)境突發(fā)性環(huán)境風險快速模擬技術，是在滿足不同地區(qū)對流域水環(huán)境風險模擬預測需要上，研究流域突發(fā)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(qū)和資料詳實地區(qū)的流域突發(fā)性水環(huán)境風險應急模擬預測模型體系、突發(fā)性風險模擬模型參數(shù)庫和風險模擬模型軟件。項目提出一套基于維護水生生態(tài)系統(tǒng)健康的突發(fā)性水污染事故應急生態(tài)風險評估方法，確定突發(fā)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(jù)。
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(fā)、應急措施預案的詳細說明?？疾榱藨贝胧┑亩挝廴竞蛻碧幚淼臅r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(huán)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(jù)。
突破關鍵技術，建立流域水環(huán)境累積性環(huán)境風險評估與預警技術體系
湖泊富營養(yǎng)化是我國主要環(huán)境問題之一，湖泊藍藻水華暴發(fā)直接影響到湖泊飲用水源的安全。項目集成開發(fā)了太湖流域水環(huán)境污染源管理、水環(huán)境質量管理、水環(huán)境風險評估預警及水環(huán)境應急響應等子系統(tǒng)，構建了太湖流域以及重污染區(qū)、河網(wǎng)區(qū)、湖蕩區(qū)3個專題的水環(huán)境風險評估和預警技術平臺。該平臺在太湖流域實現(xiàn)污染源、水環(huán)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(diào)處等方面得到全面應用。
項目圍繞累積性環(huán)境風險內(nèi)涵與管理需求，借鑒歐美等發(fā)達國家生態(tài)風險評估的方法和技術流程，針對水生態(tài)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(huán)節(jié)，突破了一系列關鍵技術，包括流域水生態(tài)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(tài)聯(lián)合風險表征和等級劃分技術，水生態(tài)系統(tǒng)災變風險預警模型等，初步構建了適合我國區(qū)域特點的流域水環(huán)境風險評估與預警技術框架和體系。
流域水生態(tài)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(chǎn)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(nèi)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(tài)暴露評價技術
針對常規(guī)監(jiān)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(huán)境到被生物吸收或對生態(tài)受體發(fā)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(tài)風險暴露評價技術，針對污染物在環(huán)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(jīng)網(wǎng)絡等適用于中國生物區(qū)系的暴露評價方法。為更科學地反應環(huán)境中污染物的真實暴露風險，通過研發(fā)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(huán)境典型有機污染物的生態(tài)暴露評估技術體系，用生物可利用濃度代替水環(huán)境污染物總濃度，對水生態(tài)系統(tǒng)進行更科學、更有效的暴露評估。
流域水生態(tài)效應評價技術
為在實際生態(tài)系統(tǒng)中，更準確解決多類物種，多暴露途效應表征的困難，研發(fā)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(shù)概率密度模型等生態(tài)系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)了金屬理化要素與生物毒性之間的顯著相關性，研發(fā)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(huán)境生物毒性評價方法，為科學、有效評估流域水生態(tài)效應提供了有益補充。
項目對太湖流域開展生態(tài)風險評估工作，繪制了生態(tài)風險分區(qū)圖，對多環(huán)芳烴、有機氯農(nóng)藥、8種典型重金屬等主要累積性污染源進行了基于分區(qū)的生態(tài)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(qū)域內(nèi)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(tài)聯(lián)合風險表征和等級劃分技術。
項目基于生態(tài)系統(tǒng)能質理論，研發(fā)了水生態(tài)系統(tǒng)突變風險預警技術，初步建立湖泊生態(tài)系統(tǒng)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(tài)變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了災變發(fā)生的關鍵時間節(jié)點、早期信號和災變閾值。研究成果表明，太湖生態(tài)系統(tǒng)兩次災變均是沉水植物先衰亡，次年出現(xiàn)藻類暴發(fā)，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(yǎng)鹽的對手，沉積物再懸浮和沉水植物死亡后營養(yǎng)鹽釋放，促使湖泊水體營養(yǎng)鹽濃度升高，為藻類暴發(fā)提供重要鋪墊。綜合評價所得的災變時間節(jié)點與各湖泊的重大災變歷史事件發(fā)現(xiàn)，閾值可提前1年左右預警生態(tài)系統(tǒng)災變現(xiàn)象。項目運用這一災變預警模型，對國內(nèi)幾個重要湖泊(滇池、巢湖、洱海和撫仙湖)生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)進行評價，為我國的水環(huán)境風險管理提供了有力的技術支撐。
目前，項目已經(jīng)初步形成適合我國區(qū)域特點的流域水生態(tài)風險評估預警技術體系，初步完成流域水生態(tài)風險評估技術導則建議稿、太湖流域水生態(tài)風險評估與預警綜合報告、太湖流域水生態(tài)風險評估與預警綜合管理信息庫，為提高我國水環(huán)境風險管理能力提供了有利支撐。
業(yè)務化運行技術平臺在多地建立，科技支撐作用開始顯現(xiàn)
三峽、太湖的工作只是項目的一個縮影。此前，我國水環(huán)境信息一直缺乏有效的整合與綜合利用。為了提升水環(huán)境管理能力，為政府有效評估和管理示范流域水環(huán)境風險、有效保障流域水環(huán)境安全提供重要決策，項目借鑒歐美等發(fā)達國家經(jīng)驗，研究技術體系方法、流程之間的系統(tǒng)接口，實現(xiàn)了示范區(qū)各類數(shù)據(jù)庫建設及接口設計與開發(fā)。在此基礎上，課題組構建出了一套完整的流域水環(huán)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(xiàn)業(yè)務化運行。
三峽庫區(qū)水環(huán)境風險評估與預警技術平臺，按照“一個體系、一張網(wǎng)、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(tǒng)需求設計方案，開發(fā)了應急指揮系統(tǒng)和現(xiàn)場單兵系統(tǒng)，實現(xiàn)了“看得見、調(diào)得動”的水污染事件應急決策系統(tǒng)。
這套業(yè)務化平臺集水質監(jiān)測、實時評價、實時預報、實時預警于一體，當水質自動監(jiān)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(jiān)控平臺自動發(fā)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(huán)境安全。
課題組在三峽庫區(qū)及其上游流域部署的業(yè)務化平臺自2014年運行以來，每天無間斷持續(xù)運行，自動獲取水文監(jiān)測站、氣象監(jiān)測站的水文氣象信息，進行未來72小時的水質預報。據(jù)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(jiān)測數(shù)據(jù)，向四川省環(huán)保廳和重慶市環(huán)境科學研究院等單位累積發(fā)送了水質預報短信28140條。
同時，太湖流域水環(huán)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(tài)風險評估預警業(yè)務化運行工作。平臺綜合集成流域水生態(tài)風險分區(qū)、風險源解析、生態(tài)系統(tǒng)災變預警、風險管理等多項技術，具備了太湖流域水環(huán)境信息查詢、重要風險源監(jiān)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(huán)境保護部華東督察局(原環(huán)境保護部華東督查中心)已經(jīng)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(xié)調(diào)和環(huán)境稽查，大大減輕了野外調(diào)查工作量，有效提高了工作效率。太湖流域重污染區(qū)藍藻水華風險預警子平臺在江蘇省環(huán)保廳實現(xiàn)了業(yè)務化應用，該平臺逐日提供未來7日重污染區(qū)總磷、總氮、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)及溶解氧的濃度分布，以及未來3日重污染區(qū)域內(nèi)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(huán)境風險評估與預警技術平臺包括水環(huán)境污染源管理、水環(huán)境質量管理、風險評估與預警、水環(huán)境應急響應、綜合信息服務等5個子系統(tǒng)，并以流域總平臺為統(tǒng)領，重點構建大伙房飲用水水源和沈陽城市水環(huán)境兩個子平臺。在遼河流域實現(xiàn)污染源、水環(huán)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(xiàn)了遼河全流域水環(huán)境數(shù)據(jù)的統(tǒng)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(jiān)控評估，景觀水體環(huán)境適宜度評估，城市水污染物總量、跨市界通量的監(jiān)控、預警與評估，流域水環(huán)境信息發(fā)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(huán)境綜合整治和跨市之間水質生態(tài)補償提供了及時高效的信息和技術服務支撐，提升了水環(huán)境管理決策的時效性和科學性。
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