富国：老来追梦或可圆

浅水湖泊富营养化治理难题具有复杂性、艰巨性、长期性的属性，美国及欧盟等先进国家虽然在水环境管理方面已经实现了从污染控制向生态管理的战略转型，但在湖泊营养物定量标准方面仍不能很好的满足实际管理需要，湖泊富营养化问题被认为是最普遍、最昂贵、最具挑战性的环境问题之一。

1983年，中国提出了湖泊营养物浓度参考标准，至今已有36年，在投入巨资治理的情况下，重富营养化湖泊得到了一定程度的改善，但距离基本解决还相去甚远，让众多湖泊环境管理及科技人员感叹道：“活干了，钱花了，胡子白了，湖未清。”由此可见，富营养化带来的危害威胁，成为了中国水环境的跨世纪之痛。彻底解决富营养化问题成为水环境科技人员的梦想。

在这样的背景下，2012年面临退休的中国环境科学研究院富国研究员，受院里委托接手了一个湖泊水质目标管理课题，步入了老来追“梦”之途。在“十二五”国家“水体污染控制与治理”重大专项“流域水环境监控预警技术与综合管理示范”项目的支持下，富国领导团队开展湖泊型流域技术集成推广研究，经过系统梳理及问题识别，以补湖泊水质目标管理体系适应性反馈及跟踪管理之不足为目标，探索创建了分湖控藻过程水质目标管理技术体系，提出了便于管理上应用的配套创新技术方法，和“分湖定标、分类施测”的管理理念及方法。

创建分湖控藻水质目标过程管理技术体系

富国研究员带领课题组针对集成过程中梳理的目前湖泊富营养化营养物水质目标管理的突出问题， 以具有较长历史数据的重富营养化湖泊为对象，总结现实管理问题，借鉴国内外湖泊环境管理的先进理念和方法，探索建立了一套科学合理更具普适性的分湖控藻过程水质目标的适应性管理体系，突出了营养物水质目标精准管控、富营养化灾害精准识别，背景条件综合效应的精准识别的管理价值；提出了多个便于管理的分湖营养物与藻类过程性水质目标的识别、诊断、评估、预估的技术工具，包括湖库返贫路径识别技术、富营养化综合评价方法-营养足迹指数法（TFI）、营养物水质目标概率定标和滤波轨线定标、富营养化治理绩效的分解评估、藻源COD内负荷分解识别等技术。该创新成果可服务于湖泊营养物标准的制定，富营养化状态跟踪识别及后评估等各类藻型富营养化湖泊水质目标适应性管理。可有效地减低入湖氮磷总量削减的盲目性、提高补水工程效果的有效性及确定过程目标的合理性，应对背景环境因子趋势性变化的管理需求。

本系统应用可引领我国湖泊水质目标管理实现四个“迈进”，即：实现营养物分区分类的多湖定标向分湖定标迈进，大幅降低定量标准的不确定空间，有助于“返贫”对策的本地化及高效性；实现营养物的静态水质目标管理向动态过程目标管理迈进，有效识别背景条件变化对营养物标准的影响；实现营养状态评估从多湖分权稳态向分湖变权动态迈进，体现了湖泊对富营养化间敏感性的差别，规避了营养物“全国一标”导致分湖评价偏差；实现治理降藻综合绩效评估向视在、实在、潜在绩效解析评估迈进，避免了责任不清的问题。研究成果在国内外数十个湖泊 “返贫路径”的逐一分析及过程概率定标中进行了应用验证，揭示了背景条件发生不利趋势变化的情况下营养物承载力下降过程等问题，形成了一套具有中国特色的湖泊控藻过程水质目标管理技术。

挑战湖泊营养物定量标准制定及管理难题

拓展恢复路径的识别模式

课题组研究开发的“低通滤波轨线技术”可用于营养物定标，该技术摒弃了传统方法带来的多湖模式定标带来的不确定性，将一般轨线的单一定性描述提升到多周期滤波的定量描述，识别周期降低噪声，等同于非线性相关而优于线性相关，这种非线性相关带有时序及趋势预报功能，是将传统不分时序散点相关图及单指标时间过程趋势分析表达整合到一起的多指标时序因果关系图，并有多种滤波带宽的选择，增加了识别不同时间尺度问题的可能性。该技术在不同类型湖泊的使用效果良好，形象表达及解释了磷限制湖泊的中低氮磷浓度条件下的“越治越污-磷降藻升” 等不协调形象、“越洁越脏-磷降氮升”等氮磷异步现象等。该技术让“依法被污染（如总氮劣Ⅴ类藻类超贫）”和“被依法污染（如饮用水源地营养物达标藻华成灾）”的两类错位定标问题形成过程变得更加形象清晰，为解决富营养化水质目标问题服务于管理打开了方便之门。

课题组开发的 “强时序营养物低通滤波轨线定标方法”，可通过拐点识别，避免错用历史数据带来“静态”营养物标准失效隐患。可用于适应随背景条件趋势变动的分时段的营养物浓度的“一湖多标”的识别。

通过上百个湖泊的数据分析，进行了分湖的返贫路径识别，归类为三类富营养化修复路径的七种轨线。他们把传统的营养盐浓度定标的线性、无时序、无路径方法拓展到非线性、有时序、有路径方法，可用于判断分湖富营养化返贫的难易程度及治理行动对返贫路径的影响。这些轨线既包含了传统3种经验模式的线性可逆、延时回归、状态转移条件下迟滞回归以及相应的背景条件变化，又拓展增加了4种经验模式，使复杂系统的整体论管理模式更适应背景条件导致的变化。这7种轨线在不同指标组合中会产生较多的多指标轨线组合及结构，构成复杂系统多种已知及未知的生物及非生物共同作用的轨线结构，这些轨线结构可为解释分湖系统的功能提供线索。

打破分湖营养物定标瓶颈

课题组针对营养物与藻类生物量的压力响应关系非协调导致的分湖定标难题展开研究工作，独辟蹊径的提出了以限制性营养物产藻效率作为所有已知及未知的生物及非生物背景条件共同作用的响应指标，并自主研发了适应性极强的“弱时序营养物双概率定标方法”。该方法强化了近期不利背景条件对营养物承载力的影响，避免了“静态”营养物标准导致标准偏松失效问题，解决了传统方法无法实现非协调状态下的定标问题。由于该方法能够用于协调及非协调的情景，其应用前景广阔。该方法可用于历史资料较长湖泊的管理。即，通过跟踪识别背景环境因子趋势变化对叶绿素a与营养物的响应关系的影响，依据功能区叶绿素a保护要求（阈值及重现期），确定营养物过程水质目标，实现营养物水质目标从“静态管理”到“动态管理”、“一湖一标”到“一湖多标”的转变。解决了具体湖泊叶绿素a对营养物的响应模式转变导致营养物水质目标“静态管理”失效的问题，实现了营养物承载浓度的目标跟踪管理。

实现分湖营养状态精准评估

课题组研究分析了现行综合营养状态指数（TLI、EI）利用多湖数据稳态建模多指标等权或加权平均方法，应用于分湖的营养状态评估的缺陷。其中，多指标分权平均带来的藻华危害的低估，构成“平坦效应”；多湖数据建模用于分湖带来的系统误差，构成“平移效应”；不分时段数据建模带来的单项指数失真，构成“ 平稳效应”。三个效应带来精准度损失使致综合营养状态指数（TLI、EI）用于分湖评价的有效性及实用性受到影响。

为了规避以上三种不确定性，他们提出了湖泊营养状态变权综合评价方法，该方法剔除了普适性较差的状态指标，在后果指标选用一个最敏感指标作为显势指标（表示实际藻灾水平），在原因指标选用一个限制性指标作为潜势指标（表示可能的藻灾水平），而最终的评价水平由显势及潜势富营养化水平的高者决定，避免了为得到单一综合值，而取平均和极大值带来的失准问题。

课题组开发的 营养足迹指数法（TFI）为分湖模式——利用分湖滤波轨线实现拐点识别及时段划分，采用参数或非参数方法建立藻类密度与营养物浓度响应关系多时段曲线，及非线性多时段营养指数TFI 关系，从显势和潜势两个方面表达富营养化灾害水平，实现营养状态评估的“ 一湖多标”。该方法的最大优势是可以在富营养化湖泊“返贫路径”中非响应关系段进行适当的预估和评价，这是现有方法无法实现的。

践行“分湖定标、分类施策”的管理之道

为了有效提升湖泊型流域水质目标管理技术体系的完整性、系统性和实施效率。使分湖控藻水质目标过程管理技术体系充分发挥跟踪、适应性反馈的概念，课题组提出了化解定标不准施策盲目导致的资源浪费及成本高昂难题的“分湖定标、分类施策”的管理理念：

通过分湖控藻的定标方法（经验模式） 识别分湖的过程结构（如“致富路径”、“返贫路径”、“再富路径”、营养物承载浓度过程线等），完成营养物浓度等的精准定标。根据结构决定功能的理念，通过多湖的结构的类比进行功能识别的归纳汇总，得到类别特征突出的实用范式，为精准施策（相对于盲目的采用综合治理措施）提供支持。

拓展“经验模式”引领“分湖定标”

经过100多年的发展，人类对营养供应增加所造成的水生生态系统结构和功能的变化进行了多尺度的定量研究，描绘出一幅复杂的影响图。然而在管理上，我们完全靠机理类的还原论方法解决多种正-负反馈关系相互嵌套缠绕的复杂生态系统问题，其局限性不言而喻。而现象归类、压力响应等整体论方法具有较好的实践效果，当我们能够对某类现象，采取有效的应对方法时，这种“经验模式”就可以在同类现象中使用，从而取得事半功倍的效果。特别是在人工智能空前强大的大数据时代，利用归纳方法或经验方法能够解决大量的实际问题，“经验模式”也将在环境管理中发挥更大的作用。

课题组利用拓展的恢复轨线类型，丰富了经验模式的应用空间，扩大了经验模式覆盖的范围。并开发双概率法这种全新模式，使经验模式定标功能及效率大幅度提高。此外，研究提出的分湖经验模式相对于多湖经验模式可较大的降低具体湖泊管理的不确定性：如分湖建模提高定标的准度、实测水质数据建模避免外负荷统计误差、状态变量滤波可直接过滤降噪及周期变化的识别。在有效数据的支持下，分湖定标直接体现了湖泊间的目标差异性，差异性的本地湖泊控藻方略可将湖泊流域水质目标与监控预警管理技术体系的应用价值最大化。

归纳“实用范式”指导“分类施策”

课题组将范式理解为一种适应性反馈评估的分类方法，是经验模式的一种应用，其重点在于描述事实，尽可能的表达真像，不强求阐述机理。该方法可根据实际发生案例分析归纳范式，研究针对性的适应性管理对策，以帮助识别最适合该类分湖的恢复方法。实用范式归并探讨类同的响应机理、研判实际影响因子，摸清背景条件的非平稳贡献，可为选择高效最具成本价格优势的本地应对措施提供机会。从这一角度考虑，范式可以作为湖泊水质目标管理的决策支持工具。

对众多分湖状态变量的滤波轨线进行归类分析，研判可能的因果关联或其他关联，采取有针对性的措施是范式归纳研判的内容。课题组根据国内外资料初步归纳了一些以氮磷轨线组合结构为主的范式并探讨一些基本应对策略：1）氮磷异步-磷限制高氮贫藻范式； 2）浅湖草藻跨年振荡演替范式；3）浅湖跨年代循环右旋范式；4）浅湖温致降轨右旋范式 ；5）氮磷异步-清洁深湖温致藻藻迁跃（演替）范式；6）氮磷同步转异步-较浅湖泊草藻（藻藻）迁跃范式 ；7）浅湖多因素导致的草藻跃迁范式；8）较清洁湖泊增藻固氮范式；9）封闭湖氮限制范式等。

难忘跨世纪之痛  追祛“富贵病”之梦

近期课题组制定完成的《湖泊控藻过程水质目标管理技术导则》成套标准的5个单项导则，作为中国环境科学学会的团体标准正式颁布执行，为地方制定分湖营养物标准制定、营养状态评估、控藻绩效评估等提供了新的标准化技术工具。富国研究员告诉记者5年多的研究终于可以实际应用于湖泊管理，让他倍感欣慰。他认为国家为满足市场和创新需要支持可严于国家标准团体标准的制定，为科技成果转化为生产力提供了新的优胜劣汰通道，他希望标准出台后尽快在实践中接受挑战，进行更多的检验及完善。已退休他仍在发挥余热，指导及推进研究成果在长江经济带大保护中的应用。

富国认为，从趋势上看，长江之病中富营养化问题将是关联最大、治理最难、风险最高的“富贵病”。长江流域如果不进行更有效率的全流域级别的磷（氮）总量控制，滇池、巢湖、太湖及三峡水库或可维持现有态势，但沿江湖库、敏感河流、感潮河网、长江口外临近海区的富营养化问题会加快累积态势，在气候变暖等极端事件的影响下，可能会出现江河湖海的藻华全面爆发，大面积影响饮用水安全、水产品安全及水生态系统安全的难于收拾的局面。近年来国内外一些湖泊治理“返贫”成功后重新富营养化的“再富”案例（如美国的伊利湖）敲响了新世纪全球变化影响的警钟。图1、图2显示长江经济带湖泊 生境变化导致的的营养物承载浓度的变化趋势及现有水平，意味着跨世纪之痛更加难以忍受。他希望课题的研究成果对长江经济带的富营养化湖泊的尽快“返贫”和避免“再富”提供支持，为祛病长江贡献绵薄之力。

图1  长江经济带西部三湖藻密度设计目标下总磷承载浓度的下降趋势

图2  长江经济带东部三湖藻密度设计目标下总磷承载浓度的震荡趋势

富国建议根据长江流域的总体性，将江河湖海富营养化的治理作为一个特大型流域从山顶到海洋的整体生态系统的系统工程考虑，整合长江流域全流域资源，利用新的环保理念进行总体顶层设计，调配资源、整体推进、重点突破，把富营养化治理的作为“长江经济带发展中保护、在保护中发展”重要的一环，依托长江流域水量充足，引、补、调水条件较好的特点，进行长江流域健康水循环重构，进行氮磷污染的有效拦截、高效处理、资源再生、合理引排、避让富营养化高敏感湖库，从战略、规划、实施、监管等各个层面将社会水循环的优化管控提升到可持续发展，规避可能带来的大面积大规模河湖富营养化所导致的饮用水源危机，有效管控海区富营养化导致的食品安全及生态安全危机。并以饮用水安全、控制藻华型富营养化灾害为主，促进长江流域的绿色开发，坚持不懈、久久为功，上下求索，使富营养问题不再成为长江经济带发展的安全障碍。他希望尽快实施江河湖海本地化差异化的营养物定量标准，从而对化解“最普遍、最昂贵、最具挑战性”难题作出贡献，分享祛病长江追梦圆的过程。