一种用于湖库水体污染溯源的指纹图谱库构建方法及装置与流程

本发明涉及环境领域，特别是指一种用于湖库水体污染溯源的指纹图谱库构建方法及装置。

背景技术：

随着工农业的快速发展和人民生活水平的提升，湖库等地表水环境受到严重威胁。工业三废的排放、农药化肥的大面积使用、生活垃圾和城镇污水的排放，不仅导致水环境受到污染，而且威胁当地人民的生产生活和身体健康。然而，由于水体污染来源广泛、成分复杂、污染途径不明确等原因，对于污染物来源的快速识别成为围绕水环境安全管理的技术难点，也是水环境安全保障的重要技术方法。如何在源头上堵住缺口，快速解析污染来源成为国内外学者研究的重点。

近年来，我国的湖库型地表水环境保护工作取得了长足进步，基本实现了常态化的地表水常规指标监测预警。然而，常规监测指标(如化学需氧量、生化需氧量和总有机碳等)只能反映污染总量，而不能反映污染物的毒性及其来源。更为重要的是，我国地表水污染形势依然严峻，突发性水污染事故、企业污水偷排现象屡有发生，对流域生态环境及社会经济发展造成了严重影响。当污染事件发生时，只有快速诊断突发污染事故的来源，才可以及时切断污染源，防止污染情况进一步恶化；而当偷排现象出现时，只有准确的辨析偷排行为，才可以认定追究排污企业责任，对其进行更好的监管。

当前，先进的水污染溯源技术，是结合排污企业的监管技术来实现的。如果排污企业的超标污水流经正常工作的安装在企业排污口的在线自动监测设备，则可以通过设备迅速的找到非法排污责任方。如果排污企业的超标污水未流经正常工作的安装在企业排污口的在线自动监测设备(比如设备遭到人为改动破坏以及隐蔽排污口等)，则需要采集受污染的下游水样和上游多家排污企业排污口的水样，开展同步分析检测，通过对检测结果的分析比对，找到违规排污的责任方。若上游的涉污企业较多，怀疑面大，则进行污染溯源的工作量大，耗费时间精力大，甚至耽误突发污染事故的应急处置，带来不必要的社会经济损失。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种用于湖库水体污染溯源的指纹图谱库构建方法及装置，以解决现有技术所存在的当涉污企业较多时，进行污染溯源的工作量大、耗时长的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种用于湖库水体污染溯源的指纹图谱库构建方法，包括：

获取湖库水环境信息；

基于获取的湖库水环境信息，按照预先设置的指标筛选原则从湖库污染物指纹图谱库候选指标中选择若干个指纹图谱指标；

采集湖库样品和污染源样品；

根据采集的湖库样品和污染源样品，对选择出的指纹图谱指标进行分析测试，得到指纹图谱指标值；

根据得到的指纹图谱指标值，确定湖库污染物指纹图谱库，根据确定的湖库污染物指纹图谱库，结合湖库基础数据和应用数据，构建湖库污染指纹图谱数据库。

进一步地，所述获取湖库水环境信息包括：

获取湖库水环境中的特征污染物以及湖库周边的污染排放源类型及重点污染源。

进一步地，所述获取湖库水环境中的特征污染物包括：

综合利用环境质量评价、污染风险评价、检出频率分析和环境功能区划分析，辨识、筛选出湖库水体中的特征污染物。

进一步地，所述获取湖库周边的污染排放源类型及重点污染源包括：

根据行业污水排放标准、污染源历史监测数据以及现场调研与采样分析结果，确定与湖库水体特征污染物关联度超过关联度阈值的排放源类型；

通过排放负荷估算方法，筛选出各类特征污染物的重点污染源；

结合湖库水环境功能区划，确定湖库水环境重点污染源清单。

进一步地，所述指标筛选原则包括：可分辨性、特异性、稳定性以及敏感性。

进一步地，所述湖库污染物指纹图谱库候选指标包括：水质荧光指标、重金属指标、微生物指标以及其他特征污染物指标；

其中，其他特征污染物指标为除水质荧光指标、重金属指标和微生物指标以外的湖库特征污染物指标。

进一步地，所述湖库样品为湖库水体及其入水河流的环境样本；

所述污染源包括：和湖库有水利联系的工业污染源、农业污染源和生活污染源。

进一步地，湖库基础数据包括：湖库及流域信息、流域水文与环境监测数据和流域污染源信息，其中，所述流域污染源信息包括：污染排放源类型及重点污染源信息；

湖库应用数据包括：监测评价、预测预警、统计分析中的一个或多个。

进一步地，在构建湖库污染指纹图谱数据库之后，所述方法还包括：

当发生污染事件时，对受污染水体的相关指标进行测试，将测试结果同构建的湖库污染物指纹图谱数据库中的污染排放源类型及重点污染源的指纹图谱指标值进行比对，通过污染源的单个或多个指纹图谱指标值的相似度实现污染源追溯，其中，所述相关指标为与湖库污染物指纹图谱库所选的指标一致。

本发明实施例一种用于湖库水体污染溯源的指纹图谱库构建装置，包括：

获取模块，用于获取湖库水环境信息；

筛选模块，用于基于获取的湖库水环境信息，按照预先设置的指标筛选原则从湖库污染物指纹图谱库候选指标中选择若干个指纹图谱指标；

采集模块，用于采集湖库样品和污染源样品；

分析模块，用于根据采集的湖库样品和污染源样品，对选择出的指纹图谱指标进行分析测试，得到指纹图谱指标值；

构建模块，用于根据得到的指纹图谱指标值，确定湖库污染物指纹图谱库，根据确定的湖库污染物指纹图谱库，结合湖库基础数据和应用数据，构建湖库污染指纹图谱数据库。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，获取湖库水环境信息；基于获取的湖库水环境信息，按照预先设置的指标筛选原则从湖库污染物指纹图谱库候选指标中选择若干个指纹图谱指标；采集湖库样品和污染源样品；根据采集的湖库样品和污染源样品，对选择出的指纹图谱指标进行分析测试，得到指纹图谱指标值；根据得到的指纹图谱指标值，确定湖库污染物指纹图谱库，根据确定的湖库污染物指纹图谱库，结合湖库基础数据和应用数据，构建湖库污染指纹图谱数据库。这样，当发生污染事件时，对受污染水体的相关指标进行测试，将测试结果同构建的湖库污染物指纹图谱数据库中的污染排放源类型及重点污染源的指纹图谱指标值进行比对，通过污染源的单个或多个指纹图谱指标值的相似度，快速、准确地实现污染源追溯，从而大量减少水污染溯源的工作量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的用于湖库水体污染溯源的指纹图谱库构建方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的用于湖库水体污染溯源的指纹图谱库构建方法的详细流程示意图；

图3为本发明实施例提供的湖库水环境调查工作流程示意图；

图4为本发明实施例提供的用于湖库水体污染溯源的指纹图谱库构建装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的当涉污企业较多时，进行污染溯源的工作量大、耗时长的问题，提供一种用于湖库水体污染溯源的指纹图谱库构建方法及装置。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供的用于湖库水体污染溯源的指纹图谱库构建方法，包括：

s101，获取湖库水环境信息；

s102，基于获取的湖库水环境信息，按照预先设置的指标筛选原则从湖库污染物指纹图谱库候选指标中选择若干个指纹图谱指标；

s103，采集湖库样品和污染源样品；

s104，根据采集的湖库样品和污染源样品，对选择出的指纹图谱指标进行分析测试，得到指纹图谱指标值；

s105，根据得到的指纹图谱指标值，确定湖库污染物指纹图谱库，根据确定的湖库污染物指纹图谱库，结合湖库基础数据和应用数据，构建湖库污染指纹图谱数据库。

本发明实施例所述的用于湖库水体污染溯源的指纹图谱库构建方法，获取湖库水环境信息；基于获取的湖库水环境信息，按照预先设置的指标筛选原则从湖库污染物指纹图谱库候选指标中选择若干个指纹图谱指标；采集湖库样品和污染源样品；根据采集的湖库样品和污染源样品，对选择出的指纹图谱指标进行分析测试，得到指纹图谱指标值；根据得到的指纹图谱指标值，确定湖库污染物指纹图谱库，根据确定的湖库污染物指纹图谱库，结合湖库基础数据和应用数据，构建湖库污染指纹图谱数据库。这样，当发生污染事件时，对受污染水体的相关指标进行测试，将测试结果同构建的湖库污染物指纹图谱数据库中的污染排放源类型及重点污染源的指纹图谱指标值进行比对，通过污染源的单个或多个指纹图谱指标值的相似度，快速、准确地实现污染源追溯，从而大量减少水污染溯源的工作量。

本实施例构建的湖库污染物指纹图谱数据库不仅适用于污染物来源追溯，还可以为湖库水环境质量评价、污染风险评价、水质监测预警、水源保护、总量减排、生态修复、污染事故调查、损害赔偿提供必要的科技支撑，对于有效地控制湖库环境污染，保障水生态安全具有重要的现实意义。

本实施例中，污染物指纹图谱用于表征环境介质污染特征的特异性指标或指标集合。

在前述用于湖库水体污染溯源的指纹图谱库构建方法的具体实施方式中，进一步地，如图2所示，所述获取湖库水环境信息包括：

获取湖库水环境中的特征污染物以及湖库周边的污染排放源类型及重点污染源。

在前述用于湖库水体污染溯源的指纹图谱库构建方法的具体实施方式中，进一步地，所述获取湖库水环境中的特征污染物包括：

综合利用环境质量评价、污染风险评价、检出频率分析和环境功能区划分析，辨识、筛选出湖库水体中的特征污染物。

本实施例中，所述综合利用环境质量评价、污染风险评价、检出频率分析和环境功能区划分析，辨识、筛选出湖库水体中的特征污染物的具体步骤可以包括：

a1，利用单因子指数法和综合指数法，对湖库水环境质量进行评价，识别出“超标”的污染指标；

a2，利用地累积指数、富集因子指数、潜在生态风险指数、健康风险评价模型等评价方法，开展湖库水环境污染风险评价，识别出具有环境风险的典型污染指标；

a3，利用前期调查和历史监测数据，对上述识别出的污染指标和风险指标的检出频率进行统计分析；

a4，根据湖库水环境功能区划，结合当地实际管理需求，筛选出湖库水体的特征污染物。

在前述用于湖库水体污染溯源的指纹图谱库构建方法的具体实施方式中，进一步地，所述获取湖库周边的污染排放源类型及重点污染源包括：

根据行业污水排放标准、污染源历史监测数据以及现场调研与采样分析结果，确定与湖库水体特征污染物关联度超过关联度阈值的排放源类型；

通过排放负荷估算方法，筛选出各类特征污染物的重点污染源；

结合湖库水环境功能区划，确定湖库水环境重点污染源清单。

如图3所示，在湖库水体特征污染物辨识工作的基础上，根据行业污水排放标准、污染源历史监测数据以及现场调研与采样分析结果，确定与湖库水体特征污染物紧密关联的主要排放源类型；进一步采用排放负荷估算等方法，筛选出各类特征污染物的重点污染源；最后结合湖库水环境功能区划，提出湖库水环境重点污染源清单。

在前述用于湖库水体污染溯源的指纹图谱库构建方法的具体实施方式中，进一步地，如图2所示，所述湖库污染物指纹图谱库候选指标包括：水质荧光指标、重金属指标、微生物指标以及其他特征污染物指标；

其中，其他特征污染物指标为除水质荧光指标、重金属指标和微生物指标以外的湖库特征污染物指标。

本实施例中，水质荧光指标包括：指荧光图谱中的荧光峰、三维荧光图谱、荧光指数(fluorescenceindex，fi)、生物指数(biologicalindex，bi)、腐殖化指数(humificationindex，hi)；其中，荧光指数(fi)是指荧光激发波长在370nm时，发射波长470nm与520nm或者发射波长450nm与500nm的荧光强度比值，无量纲；生物指数(bi)是指激发波长在310nm时，发射波长为380nm与430nm的荧光强度比值，无量纲。腐殖化指数(hi)是指激发波长在254nm时，发射波长在435～480nm与300～345nm之间的荧光峰面积比，无量纲。

本实施例中，重金属指标易富集于湖库沉积物中，且环境性质相对稳定，是较好的湖库水环境特征指示剂，通常包括镉(cd)、铬(cr)、砷(as)、汞(hg)、铅(pb)、铜(cu)、锌(zn)、镍(ni)、铁(fe)、锰(mn)、钒(v)、钴(co)铝(al)、钡(ba)、铍(be)等。

本实施例中，微生物溯源主要指利用微生物指示菌或其基因标志物，追溯湖库水体中粪便等污染物的潜在来源。微生物指示剂通常包括噬菌体、病毒、宿主特异性标志菌或者环境dna宏条形码等。

本实施例中，其他特征污染物指标为除上述指标以外的湖库特征污染物指标，主要包括：富营养化指标(例如，总有机碳、总磷、总氮等)和有机物指标，其中，有机物指标种类繁多，这里不再一一列举。

本实施例中，总有机碳为水体中溶解性和悬浮性有机物含碳的总量。总磷包括：无机磷和有机磷；水样经消解后将各种形态的磷转变成正磷酸盐总量。总氮为水中有机氮和无机氮的总称，包括：氨氮(nh3-n)、硝酸根(no3-)、亚硝酸根(no2-)等无机氮和蛋白质、氨基酸和有机胺等有机氮。

在前述用于湖库水体污染溯源的指纹图谱库构建方法的具体实施方式中，进一步地，指标筛选原则包括：可分辨性、特异性、稳定性以及敏感性。

本实施例中，可分辨性表示所选指标在湖库水体及其潜在排放源中的浓度或者含量要可检出；特异性表示在不同类型或同种类型的不同排放源中，所选指标或指标组合要存在明显的差异；稳定性表示污染物从排放源到湖库的迁移过程中，所选指标的浓度或含量保持相对稳定；敏感性表示所选指标能灵敏地表征湖库水质的动态变化。

本实施例中，根据上述指标筛选原则(可分辨性、特异性、稳定性以及敏感性)，参考表1，结合不同的湖库环境，从湖库污染物指纹图谱库候选指标中选择若干个指纹图谱指标。

表1指纹图谱指标的主要特征及其筛选参考

本实施例中，湖库污染物指纹图谱库构建采样分析主要针对和湖库有水利联系的工业污染源、农业污染源和生活污染源，采样对象还可以包括：区域背景；采样分析主要包括：采样设计、样品采集、测试以及质量控制；其中，采样设计是本实施例的重点环节，如表2所示，表2主要包括采样对象、单个排放源采样次数以及单次采样要点等内容。

表2湖库指纹图谱库指标监测采样设计

对表2中的上标a、b、c、d进行说明：

a指前期环境调查筛选出的湖库特征污染物潜在来源排放行业类型及其重点污染源。一般地，应重点考虑电镀行业、金属制造加工业、印染行业、纺织行业、化工行业、皮革加工制造业、有色金属冶炼业、电池行业、造纸行业、制药行业、石化行业、炼油行业等工业污染源。

b包括种植业、水产养殖以及畜禽养殖的重点排放源；其中，种植业包括水稻、玉米、小麦等农作物；水产养殖包括鱼类、虾类、蟹类等；畜禽养殖包括猪、鸡、鸭、鹅、牛、羊、马、驴、骆驼、兔、鹿、貂等。

c包括城镇生活污水处理厂和垃圾填埋场。

d包括不受人类活动影响或影响较小的区域背景土壤。

本实施例中，还须根据湖库环境管理的具体情况，定期采集湖库水体及其主要入水河流的环境样本作为湖库样品。

样品的采集与测试应按照国家或行业的采样标准及测试标准进行，水质荧光指标采用三维荧光技术测试，微生物指标使用pcr、qpcr或宏基因组测序等进行测试。在整个的采样、测试环节要保证操作的规范性，每一个环节都应该有相应质量控制。

本实施例中，根据采集的湖库样品和污染源样品，对选择出的指纹图谱指标进行分析测试，得到指纹图谱指标值；其中，所述指纹图谱指标值包括：湖库的水质指纹图谱指标值和排放源污染指纹图谱指标值。

本实施例中，根据得到的指纹图谱指标值，确定湖库污染物指纹图谱库，根据确定的湖库污染物指纹图谱库，结合湖库基础数据和应用数据，构建湖库污染指纹图谱数据库；其中，湖库污染指纹图谱数据库主要由湖库基础信息(湖库及流域信息、流域水文与环境监测数据和流域污染源信息，其中，所述流域污染源信息包括：污染排放源类型及重点污染源信息)、湖库污染物指纹图谱库(湖库的水质指纹图谱指标值数据和排放源污染指纹图谱指标值数据)以及湖库应用数据(监测评价、预测预警、统计分析等)等三部分组成；其中，基础信息主要通过与其他环境信息系统的数据交换获得。

本实施例中，构建湖库污染指纹图谱数据库主要涉及数据库的设计、数据库管理平台选择以及数据库应用于数据接口；其中，

湖库污染指纹图谱数据库既包括结构化的各类监测指标数据，也包括荧光指纹图谱等非结构化的数据，因此在管理数据库平台的选择方面，需要结合湖库生态环境管理的信息化水平，采用符合当地实际管理需求的数据库平台。一般地，可考虑选用关系型数据库平台(oracle、db2、sqlserver、mysql、postgresql等)，亦可结合nosql非关系型数据库平台进行综合管理。

构建的湖库污染物指纹图谱数据库可应用于湖库环境质量评价、污染风险评价、水质监测预警以及污染物来源追溯等。一般地，应根据湖库生态环境管理的实际需求，开发对应的污染指纹图谱数据库应用模块，通常包括湖库水体污染预警模块、污染物源解析模块、污染风险评价模块、污染物迁移转化过程模拟等。实际应用中，还可通过开放数据接口，为其他生态、环境、水利等电子政务系统提供水质指纹图谱的数据支持。

综上，本实施例中，根据指纹图谱指标值，确定湖库污染物指纹图谱库，根据确定的湖库污染物指纹图谱库，结合湖库基础数据和应用数据，构建湖库污染指纹图谱数据库，利用构建的湖库污染物指纹图谱数据库来完成污水溯源的技术，可以大量减少水污染溯源的工作量，快速及时得实现污染物溯源；为流域水环境质量评估、风险评价、水源保护、总量减排、生态修复、污染事故调查、损害赔偿提供必要的科技支撑，对于有效地控制湖库环境污染，保障水生态安全具有重要的现实意义。

实施例二

本发明还提供一种用于湖库水体污染溯源的指纹图谱库构建装置的具体实施方式，由于本发明提供的用于湖库水体污染溯源的指纹图谱库构建装置与前述用于湖库水体污染溯源的指纹图谱库构建方法的具体实施方式相对应，该用于湖库水体污染溯源的指纹图谱库构建装置可以通过执行上述方法具体实施方式中的流程步骤来实现本发明的目的，因此上述用于湖库水体污染溯源的指纹图谱库构建方法具体实施方式中的解释说明，也适用于本发明提供的用于湖库水体污染溯源的指纹图谱库构建装置的具体实施方式，在本发明以下的具体实施方式中将不再赘述。

如图4所示，本发明实施例还提供一种用于湖库水体污染溯源的指纹图谱库构建装置，包括：

获取模块11，用于获取湖库水环境信息；

筛选模块12，用于基于获取的湖库水环境信息，按照预先设置的指标筛选原则从湖库污染物指纹图谱库候选指标中选择若干个指纹图谱指标；

采集模块13，用于采集湖库样品和污染源样品；

分析模块14，用于根据采集的湖库样品和污染源样品，对选择出的指纹图谱指标进行分析测试，得到指纹图谱指标值；

构建模块，用于根据得到的指纹图谱指标值，确定湖库污染物指纹图谱库，根据确定的湖库污染物指纹图谱库，结合湖库基础数据和应用数据，构建湖库污染指纹图谱数据库。

本发明实施例所述的用于湖库水体污染溯源的指纹图谱库构建装置，获取湖库水环境信息；基于获取的湖库水环境信息，按照预先设置的指标筛选原则从湖库污染物指纹图谱库候选指标中选择若干个指纹图谱指标；采集湖库样品和污染源样品；根据采集的湖库样品和污染源样品，对选择出的指纹图谱指标进行分析测试，得到指纹图谱指标值；根据得到的指纹图谱指标值，确定湖库污染物指纹图谱库，根据确定的湖库污染物指纹图谱库，结合湖库基础数据和应用数据，构建湖库污染指纹图谱数据库。这样，当发生污染事件时，对受污染水体的相关指标进行测试，将测试结果同构建的湖库污染物指纹图谱数据库中的污染排放源类型及重点污染源的指纹图谱指标值进行比对，通过污染源的单个或多个指纹图谱指标值的相似度，快速、准确地实现污染源追溯，从而大量减少水污染溯源的工作量。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。