HJ 838-2017 湖泊营养物基准制定技术指南.pdf

中华人民共和国国家环境保护标准中华人民共和国国家环境保护标准HJ 838-2017湖泊营养物基准制定湖泊营养物基准制定技术指南技术指南Technical guideline for deriving nutrient criteria for lakes本电子版为发布稿。请以中国环境科学出版社出版的正式标准本文为准。本电子版为发布稿。请以中国环境科学出版社出版的正式标准本文为准。2017-06-09 发布发布2017-09-01 实施实施环环境境保保护护部部发发 布布i目目次次前言.ii1 适用范围.12 规范性引用文件.13 术语和定义.14 营养物基准制定技术流程.15 数据收集与要求.26 候选指标及筛选.37 基准值推导.58 基准值验证与审核.99 营养物基准应用.10附录 A（规范性附录）陆域生态系统健康状况评估方法.11附录 B（规范性附录）参照湖泊筛选技术方法.13附录 C（规范性附录）拐点分析法.16附录 D（规范性附录）古湖沼学法.17ii前言为贯彻 中华人民共和国环境保护法 中华人民共和国水污染防治法 和 水污染防治行动计划，科学、规范地制定湖泊营养物基准，制定本标准。本标准规定了湖泊营养物基准制定的程序、方法与技术要求。本标准附录 A附录 D 为规范性附录。本标准为首次发布。本标准为指导性标准。本标准由环境保护部科技标准司组织制订。本标准主要起草单位：中国环境科学研究院（环境基准与风险评估国家重点实验室）。本标准由环境保护部 2017 年 6 月 9 日批准。本标准自 2017 年 9 月 1 日起实施。本标准由环境保护部解释。1湖泊营养物基准制定技术指南1 适用范围本标准规定了湖泊营养物基准制定的技术方法，包括营养物基准制定技术流程、数据收集与要求、候选指标及筛选、基准值推导、基准值验证与审核及营养物基准应用等。本标准适用于指导我国区域湖泊营养物基准制定，水库和单个湖泊营养物基准制定可以参照执行。2 规范性引用文件本标准引用了下列文件中的条款。凡是不注日期的引用文件，其有效版本适用于本标准。GB 11893 水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法HJ 636 水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法SL 88 水质 叶绿素的测定 分光光度法3 术语和定义下列术语和定义适用于本标准。3.1 营养物 nutrient是指衡量、评价或预测水体营养状态或富营养化程度的指标。3.2 营养物基准 nutrient criteria是指对湖泊产生的生态效应不危及其水体功能或用途的营养物浓度或水平。3.3 参照状态 reference condition是指受人为影响最小的状态或认为可达到的最佳状态。3.4 参照湖泊 reference lake是指未受人为影响或受人为影响非常小且维持最佳用途的湖泊。4 营养物基准制定技术流程湖泊营养物基准制定技术流程见图 1。2图 1 营养物基准制定技术流程图5 数据收集与要求5.1 数据来源3数据来源主要为环境监测机构、科研院所等机构以标准方法采集的数据。对于其他来源的数据（公开发表文献），应检查支持文件以保证采样、测量和分析方法具有一致性。5.2 数据筛选原则营养物基准制定需建立在大量数据的基础上，所需数据应符合以下原则：（1）数据完整性原则：对于监测数据比较完整的区域，如能满足划分湖泊类型和制定基准的需要，则其工作主要为对现有数据的收集、分析和筛选；对于监测数据缺乏或不足的区域，应及时开展现场采样和监测工作，以满足数据要求。（2）数据最少原则：监测数据最少应包括总磷、总氮、叶绿素 a 和透明度。其他数据包括判断人为营养物输入程度的基础数据（污染物排放数据、土地利用等信息）。5.3 数据质量评价可信的数据是指使用标准方法采集的数据，应从以下几个方面对数据质量进行评价。（1）监测站点：具有明确的站点信息，包括纬度和经度等与地理位置有关的参考信息。（2）监测指标与分析方法：对同一监测指标应采用统一的标准分析方法。若采用某一种标准方法获取的监测数据太少，可使用其他标准方法得到的数据。（3）实验室质量控制：符合实验室质量控制要求的监测数据可全部采用。（4）数据时限：过去 10 年内至少连续 3 年的监测数据，若不满足需进行补充监测。（5）监测频次：一般情况下，需要在一个自然年内进行逐月监测；或者至少在一个自然年内春季、夏季、秋季各监测一次。（6）代表性湖泊数据：应随机选择具有代表性湖泊的监测数据。代表性湖泊要求面积大于 10 km2，数量达到区域内全部湖泊数量 80%以上。如果达不到上述要求，需补充监测。6 候选指标及筛选营养物基准候选指标包括营养物指标、生物学指标及辅助指标。6.1 营养物指标6.1.1 磷采用 GB 11893 分析水样中总磷（TP）的含量，包括所有有机和无机、溶解态和颗粒态的磷，单位为g/L 或 mg/L。TP 是营养物基准的必选指标。磷酸盐可作为营养物基准的可选指标。6.1.2 氮采用 HJ 636 分析水样中总氮（TN）的含量，包括水中所有硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氨氮和总有机氮，单位为g/L 或 mg/L。TN 是营养物基准的必选指标。氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮可作为营养物基准的可选指标。46.2 生物学指标6.2.1 叶绿素 a采用 SL 88 分析叶绿素 a（Chl a）含量，直接反映藻类生物量，单位为g/L 或 mg/m3。Chl a 是营养物基准的必选指标。6.2.2 透明度透明度（SD）的变化可以作为湖泊蓝绿藻水华爆发的预测指标，单位为 cm。SD 不适合作为水体色度较大（30 mg Pt/L）或无机悬浮物浓度较高湖泊的营养物基准指标。6.2.3 溶解氧溶解氧（DO）可作为营养状态变化潜在的早期预警指标，单位为 mg/L。6.2.4 总有机碳有机碳可以用来测定活的物质的重量，是营养状况分类和定义的基础，单位为 mg/L。总有机碳包括颗粒态有机碳和溶解态有机碳。6.2.5 大型水生植物大型水生植物是输入植物性营养物的潜在利用者，其群落组成或丰度与营养物浓度直接相关，是湖泊生态状况的一项关键指标。对监测数据较全面的湖泊可以考虑采用大型水生植物作为营养物基准候选指标。湖泊中大型水生植物的总生物量用公式（1）计算：BCSATSMB（1）式中：TSMB大型水生植物总生物量，mg/L；SA湖泊表面积，Km2；C大型水生植物覆盖率，%；B所采样本的平均生物量，mg/L。6.2.6 生物群落结构测定湖泊中硅藻、蓝绿藻、浮游动物、鱼类及底栖大型动物群落结构的变化情况，采用香农-维纳多样性指数（Shannon Wieners diversity index）或生物完整性指数（index of biological integrity，IBI），对生物群落结构进行定量分析。6.3 辅助指标6.3.1 温度采用温度探头直接插入采样点测量，在湖泊分类时需考虑温度对营养物-藻类生长响应关系的影响。6.3.2 pH 值采用测量精度为 0.1 的 pH 计测定，在湖泊分类时需考虑湖泊水体 pH 值。6.3.3 电导率采用电导率仪测定湖泊水体的电导率，单位为S/cm。电导率对盐度的变化非常敏感，可用于指示营养物富集状况，但不适用于含碳酸钙或溶解盐浓度较高的区域。56.3.4 土地利用土地利用类型是参照湖泊选择及陆域生态系统健康评价的重要指标，也是湖泊富营养化的早期预警指标。应绘制土地利用类型图，标示土地利用类型百分比，重点关注林地转变为农业或城市用地的变化情况，考虑自然水岸的比率及湖岸缓冲带宽度等生境情况。6.4 指标筛选应采用相关性分析、主成分分析、降维对应分析、典型对应分析等方法，筛选与藻类生长有明确相关关系的响应指标。（1）总磷、总氮（原因指标）和叶绿素 a、透明度（响应指标）为湖泊营养物基准制定的必选指标。（2）受地理、气候和历史等自然与人为因素的影响，不同地区影响湖泊营养状态的关键指标存在一定差异，要因地制宜，适当增加特征指标。（3）对于饮用水源地等重要水环境功能区，需选择土地利用等早期预警指标。（4）所采用的指标应有标准监测分析方法，易于全国推广。7 基准值推导湖泊按照陆域生态系统健康状况（附录 A）分为受人为活动扰动较小湖泊和受人为活动扰动较大湖泊。陆域生态系统健康状况为良好及其以上状态的湖泊为受人为活动扰动较小的湖泊，其他湖泊为受人为活动扰动较大湖泊。区域内受人为活动扰动较小湖泊营养物基准制定采用统计分析法，受人为活动扰动较大湖泊营养物基准制定采用压力-响应模型法。7.1 统计分析法统计分析法包括参照湖泊法、湖泊群体分布法及三分法。根据区域湖泊可获得的数据情况，选择一种或几种方法确定营养物基准。7.1.1 参照湖泊法区域内参照湖泊的数量超过全体湖泊数量 10%时，可优先考虑采用参照湖泊法确定营养物基准。具体推导技术流程（图 2）如下：（1）确定区域内参照湖泊。参照湖泊筛选技术方法见附录 B。（2）数据筛选：选择区域内参照湖泊的全部原始数据。（3）数据分布检验：对参照湖泊的全部数据进行正态分布检验（如 t 检验、F 检验），符合正态分布方可用于基准值推导；若不符合正态分布，需甄别异常值和极端值，并采用对数转换等方法进行变换（以 10 为底数），重新进行检验直到符合正态分布。（4）营养物基准值推导：符合正态分布检验的数据进行频数分布分析（按水质从高到低的顺序分6别排列），选择上 25%点位（透明度采用频数分布图的相对端）作为营养物基准值（见图 3）。图 2 参照湖泊法推导营养物基准技术流程图 3（a）参照湖泊法与（b）湖泊群体分布法示意图7.1.2 湖泊群体分布法当区域内参照湖泊数量不能达到全体湖泊数量 10%时，可采用湖泊群体分布法，本方法不需要进行参照湖泊筛选。具体推导方法如下：（1）数据筛选：选择区域内湖泊全部原始数据。（2）数据分布检验：同参照湖泊法。（3）营养物基准值推导：符合正态分布检验的数据进行频数分布分析（按水质从高到低的顺序分别排列），选择下 25%点位（透明度采用频数分布图的相对端）作为营养物基准值（见图 3）。7.1.3 三分法当区域内参照湖泊数量不能达到全体湖泊数量 10%时，也可以用三分法，本方法不需要进行参照湖泊筛选。具体推导方法如下：（1）数据筛选：选择区域内湖泊全部数据中水质最佳的 1/3 数据。（2）数据分布检验：同参照湖泊法。7（3）营养物基准值推导：将所获得 1/3 数据的中位数（频数分布的 50点位）作为营养物基准值。7.2 压力-响应模型法压力-响应模型法包括线性回归模型法、分类回归树模型法、贝叶斯拐点分析法和非参数拐点分析法，需同时采用四种模型法确定营养物基准值。符合下列两种情况之一的，须采用分类回归树模型法、贝叶斯拐点分析法和非参数拐点分析法确定营养物基准值：（1）响应指标与营养物浓度之间的关系无法用线性关系表示，呈现非线性、非正态和异质性；（2）湖泊水质指标不能满足线性回归中设定的条件。7.2.1 线性回归模型法线性回归模型法包括简单线性回归模型和多元线性回归模型，简单线性回归模型的具体推导技术流程如下（图 4）：图 4 线性回归模型推导营养物基准技术流程（1）数据筛选：选取区域内全部湖泊 49 月份数据的平均值进行线性回归分析；用于模型拟合的独立样本数不少于 20 个。（2）数据检验：检验数据是否满足以下条件：1）线性回归方程是否反映营养物浓度与响应指标的关系；2）营养物浓度抽样是否满足正态分布；3）营养物浓度抽样变异性的大小是否在预测区间内；4）使用的数据样本是否相互独立。若不满足上述假设，需甄别异常值和极端值，并对数据进行对数转换（以10 为底数）。（3）线性回归模型建立：经检验后的数据代入线性回归方程式（2），采用最小二乘法对模型进行拟合，得到 a 和 b。yabx（2）式中：yChl a、SD 估计值，g/L、cm；8x氮磷浓度监测值，mg/L；a截距，无量纲；b线性回归斜率，无量纲。（4）模型评价：采用相关性系数（R2）、均方根（RMSE）、残差与拟合值的关系、残差与累积概率百分比的关系等参数