太湖流域水資源保護(hù)天地一體化監(jiān)測體系構(gòu)想

左一鳴，李 健，林荷娟

（太湖流域管理局水文局（信息中心），上海 200434）

0 引言

太湖流域是我國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)、大中城市最密集的地區(qū)之一。隨著太湖流域經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展和人口的快速增長，流域水資源不足和污染已嚴(yán)重制約了流域經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。

目前，太湖流域常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測站點(diǎn) 549 處，基本覆蓋了流域內(nèi)的重要河流、湖泊、水庫。按照治水新思路和適應(yīng)水資源保護(hù)工作新形勢的要求，近年來流域內(nèi)陸續(xù)建設(shè)了 26 個水質(zhì)自動監(jiān)測站。常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測頻次基本為每月 1 次，監(jiān)測項(xiàng)目涵蓋了GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的 24 項(xiàng)基本項(xiàng)目，另外湖泊站點(diǎn)增加富營養(yǎng)化評價項(xiàng)目，水源地站點(diǎn)增加水源地水質(zhì)補(bǔ)充項(xiàng)目。水量水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)在流域水資源保護(hù)工作中發(fā)揮了重要作用，但仍存在以下問題：

1）流域內(nèi)未建立統(tǒng)一的水資源監(jiān)測和預(yù)警體系。目前流域內(nèi)水利和環(huán)保等部門對太湖、重要河流、水源地均布有地表水監(jiān)測站網(wǎng)，導(dǎo)致多個監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)并行，監(jiān)測站點(diǎn)和內(nèi)容重復(fù)，監(jiān)測體系不盡統(tǒng)一，水資源水環(huán)境信息一致性和可比性較差。

2）水資源監(jiān)測能力不能滿足工作需要。水質(zhì)監(jiān)測站點(diǎn)尚未全面覆蓋流域劃定的水功能區(qū)；水生態(tài)和富營養(yǎng)化指標(biāo)的監(jiān)測尚未普及；監(jiān)測方式以定期巡測、人工監(jiān)測為主，監(jiān)控手段以地面監(jiān)測為主，信息時效性較差，監(jiān)測頻次難以滿足決策需要。

為貫徹落實(shí)《太湖流域管理?xiàng)l例》，落實(shí)最嚴(yán)格的水資源管理制度，全面提升太湖流域水環(huán)境監(jiān)測預(yù)警能力和水平，在現(xiàn)有地面監(jiān)測站網(wǎng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合水環(huán)境綜合治理要求，按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一方法、分級建設(shè)、資源整合、信息共享的要求，提出結(jié)合現(xiàn)有的地面和衛(wèi)星遙感監(jiān)測的優(yōu)勢開展全方位的太湖流域水資源保護(hù)一體化監(jiān)測的構(gòu)想。

1 基于衛(wèi)星遙感的水資源監(jiān)測應(yīng)用

由于受到自然條件和時空等因素限制，傳統(tǒng)的水環(huán)境監(jiān)測方法具有一定的局限性。隨著遙感技術(shù)的不斷進(jìn)步，遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用也越來越多。例如，用激光熒光雷達(dá)監(jiān)測水體中葉綠素，可用來確定水中藻類類型及生長密度，掌握水體富營養(yǎng)化程度[1]；利用紅外遙感測量水體表面水溫，可用于繪制大面積水體等溫線路；從紅外掃描圖像，可確定進(jìn)入水體的污水?dāng)U散特征及苑圖；紫外攝影，可用于地表水體油污染的監(jiān)測；此外，利用水體中懸容物對紫外光的特征吸收，還可用于測量水體中的泥沙含量[2]。

遙感監(jiān)測技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)，不受時間、地點(diǎn)的限制，可進(jìn)行大面積水體的快速同步監(jiān)測，迅速測定水體污染特征、污染源狀況等；而且，通過不同季節(jié)、時間的連續(xù)監(jiān)測，重復(fù)成像，可了解和掌握水體污染的動態(tài)變化及變化趨勢。遙感技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用，有效地提高了現(xiàn)代區(qū)域水質(zhì)監(jiān)測的科學(xué)合理性[3-4]。

2 太湖流域水資源保護(hù)天地一體化監(jiān)測體系建設(shè)思路

傳統(tǒng)的水資源保護(hù)監(jiān)測僅限于水資源保護(hù)監(jiān)測分析工作，側(cè)重于數(shù)據(jù)的采集。隨著政府和社會對水資源保護(hù)監(jiān)測工作重要性認(rèn)識的逐步深入，發(fā)現(xiàn)這種認(rèn)識是片面的，因此，提出將與水資源保護(hù)監(jiān)測相關(guān)的監(jiān)測、評價、預(yù)測預(yù)警等整合起來，形成的監(jiān)測體系稱為水資源保護(hù)天地一體化監(jiān)測體系。

2.1 建設(shè)目標(biāo)

在太湖流域現(xiàn)有水文遙測、水量水質(zhì)監(jiān)測和巡測等站網(wǎng)的基礎(chǔ)上，充分利用地面和衛(wèi)星遙感監(jiān)測的優(yōu)勢，通過國家、省、市、縣 4 級監(jiān)測部門密切配合，以星地信息同步采集、傳輸和匯集，天地一體化水資源保護(hù)信息快速集成、處理和分析，監(jiān)測成果快速輸出并展示為基礎(chǔ)，建立一整套完善的水資源保護(hù)監(jiān)測預(yù)警體系，為貫徹落實(shí)《太湖流域管理?xiàng)l例》和實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

2.2 監(jiān)測對象

為落實(shí)水資源管理的“三條紅線”，水資源監(jiān)測對象應(yīng)包括：

1）重要水體、省界河湖、重點(diǎn)水功能區(qū)、藍(lán)藻易發(fā)地等的監(jiān)測和國控及省控斷面，自動、常規(guī)監(jiān)測及應(yīng)急加測的水量和水質(zhì)信息；

2）重點(diǎn)水功能區(qū)的入河排污口，國控和省控重點(diǎn)污染源（點(diǎn)源、面源）自動、常規(guī)監(jiān)測及應(yīng)急加測信息；

3）自來水廠水質(zhì)、污水處理廠排污信息及運(yùn)行情況；

4）太湖及環(huán)湖口門、望虞河干流及支流、太浦河干流及支流沿線的口門工情信息及運(yùn)行狀況。

2.3 監(jiān)測體系架構(gòu)

太湖流域水資源保護(hù)天地一體化監(jiān)測體系包括網(wǎng)絡(luò)保障、標(biāo)準(zhǔn)、星地監(jiān)測、分析評價和預(yù)警等系統(tǒng)。其中標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)保障了監(jiān)測數(shù)據(jù)的一致性；網(wǎng)絡(luò)保障體系建設(shè)保障了數(shù)據(jù)的完整性；星地監(jiān)測體系建設(shè)保障了數(shù)據(jù)的全面性；分析評價系統(tǒng)是對監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)用性表達(dá)；預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)基于以往的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對未來進(jìn)行預(yù)測。由星地監(jiān)測體系監(jiān)測的水資源保護(hù)數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)存儲到根據(jù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的數(shù)據(jù)中心，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行分析評價，并進(jìn)行預(yù)警。監(jiān)測體系架構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 太湖流域水資源保護(hù)監(jiān)測體系圖

2.4 建設(shè)內(nèi)容

2.4.1 網(wǎng)絡(luò)保障體系

在太湖流域水資源保護(hù)天地一體化同步監(jiān)測體系中，為保障信息及時、安全、準(zhǔn)確地傳輸至數(shù)據(jù)中心，必須建立完善的信息網(wǎng)絡(luò)保障體系，保障衛(wèi)星遙感大尺度觀測、自動監(jiān)測站實(shí)時監(jiān)測、人工巡測和外部共享等數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。

2.4.2 標(biāo)準(zhǔn)體系

在統(tǒng)籌考慮現(xiàn)有各部門和地方監(jiān)測體系的基礎(chǔ)上，太湖流域管理局應(yīng)組織流域 2 省 1 市（江蘇、浙江、上海）水利、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、氣象、城建等多部門共同開展太湖流域水環(huán)境監(jiān)測站網(wǎng)規(guī)劃編制，完成相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制訂和修訂，開展水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)、監(jiān)測規(guī)范、分析方法、質(zhì)量評價的技術(shù)體系研究，進(jìn)一步完善水資源保護(hù)監(jiān)測體系，更好地為流域水資源保護(hù)管理和社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。

2.4.3 星地監(jiān)測體系

隨著衛(wèi)星遙感、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)的日益成熟，其快速、簡便、同步、客觀、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢為水資源保護(hù)和藍(lán)藻預(yù)警監(jiān)測提供了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)保障，有效彌補(bǔ)了地面常規(guī)監(jiān)測成本高、耗時長、同步性差，難以全面及時反映水環(huán)境質(zhì)量狀況及發(fā)展趨勢的不足，為建立遙感衛(wèi)片大尺度觀測、自動監(jiān)測站實(shí)時監(jiān)測、常規(guī)巡測和移動加測的 4 位一體星地監(jiān)測體系，奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1）遙感監(jiān)測。利用遙感衛(wèi)星大范圍、全天候、全天時的優(yōu)勢，定期監(jiān)測太湖流域土地利用、水面面積變化、太湖岸線利用等狀況，以及太湖、淀山湖藍(lán)藻爆發(fā)情況，并通過對遙感影像數(shù)據(jù)的實(shí)時解析，為藍(lán)藻預(yù)警提供技術(shù)支撐。遙感監(jiān)測的缺點(diǎn)是解析精度相對人工和自動站監(jiān)測低些，但可通過與人工監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，提高數(shù)據(jù)精度。

2）自動站監(jiān)測。采用先進(jìn)可靠的信息采集技術(shù)，在太湖湖體、流域性引供水河道、環(huán)太湖主要出入湖河道、省際邊界主要河湖建設(shè)水量和水質(zhì)自動監(jiān)測站網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)最快 2 h 監(jiān)測 1 次數(shù)據(jù)，能夠及時掌握出入太湖、省市間的水量水質(zhì)交換情況。自動站監(jiān)測的缺點(diǎn)是監(jiān)測站的維護(hù)成本較高。

3）常規(guī)巡測。對《太湖流域水功能區(qū)劃》確定的 380 個水功能區(qū)和《太湖流域管理?xiàng)l例》中確定的 22 個入太湖河道控制斷面開展地表水質(zhì)和湖泊水庫富營養(yǎng)化等的監(jiān)測[5-6]，按月發(fā)布流域省界水體、重點(diǎn)水功能區(qū)水資源質(zhì)量狀況通報。常規(guī)巡測的精度是幾種監(jiān)測方式中最高的，但缺點(diǎn)是需要大量的人力和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備投入，監(jiān)測頻次低，難以全面及時反映水環(huán)境質(zhì)量狀況。

4）移動加測。為了提高應(yīng)對太湖流域突發(fā)性水污染事件的應(yīng)急監(jiān)測能力，提高應(yīng)急效率，確保突發(fā)水污染事件應(yīng)急工作有序、高效的開展，需建立移動式流域水資源保護(hù)自動監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)移動監(jiān)測水溫，pH，DO，電導(dǎo)率，氨氮，COD 等指標(biāo)，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時傳送至數(shù)據(jù)中心，供監(jiān)督管理部門決策使用。移動監(jiān)測的成本較高，只適合特定時期、小范圍的應(yīng)急監(jiān)測。

通過建設(shè)遙感監(jiān)測、自動站監(jiān)測、常規(guī)巡測和移動加測 4 位一體的星地監(jiān)測體系，以常規(guī)巡測和自動站監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過與遙感衛(wèi)片解析數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，建立相關(guān)關(guān)系，并根據(jù)該關(guān)系，類推出全流域水環(huán)境現(xiàn)狀分布情況，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)監(jiān)測到全面監(jiān)測的轉(zhuǎn)變，為流域水環(huán)境綜合治理，水資源保護(hù)，以及流域水資源優(yōu)化配置和調(diào)度等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和決策支撐。

2.4.4 分析評價系統(tǒng)

目前太湖流域水環(huán)境質(zhì)量評價主要采用單因子評價方法，即用最差的指標(biāo)項(xiàng)類別代表水體的類別，缺點(diǎn)是不能綜合反應(yīng)湖區(qū)的污染狀況。為科學(xué)、高效、全面地評價太湖流域水環(huán)境改善的效果，應(yīng)在星地一體化同步監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，開發(fā)水資源保護(hù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析評價系統(tǒng)，根據(jù)不同的監(jiān)測數(shù)據(jù)類別，采用單因子、多目標(biāo)決策、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析、層次分析、模糊綜合評價和數(shù)理統(tǒng)計(jì)等多種評價方法，從不同的分析視角進(jìn)行動態(tài)分析評價，并將評價結(jié)果在系統(tǒng)中進(jìn)行直觀、友好的表達(dá)。通過對不同方法的評價結(jié)果進(jìn)行綜合分析，全面了解太湖流域水環(huán)境狀況。

2.4.5 預(yù)警系統(tǒng)

水資源保護(hù)預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)包括實(shí)時信息、評價結(jié)果和預(yù)測等預(yù)警。實(shí)時信息預(yù)警是對遙感衛(wèi)星、自動監(jiān)測、常規(guī)巡測、移動加測等實(shí)時信息超標(biāo)情況進(jìn)行預(yù)警；評價結(jié)果預(yù)警是對太湖流域重要河道湖庫和省際邊界河道水質(zhì)指標(biāo)類別、重點(diǎn)水功能區(qū)達(dá)標(biāo)情況、太湖等重要湖庫富營養(yǎng)化和藍(lán)藻狀況等評價結(jié)果超標(biāo)情況進(jìn)行預(yù)警；預(yù)測預(yù)警是對藍(lán)藻和水資源預(yù)測模型預(yù)測結(jié)果超標(biāo)情況進(jìn)行預(yù)警。及時對太湖流域水資源水環(huán)境狀況進(jìn)行預(yù)警，有助于提高水資源合理配置和科學(xué)調(diào)度水平，可為太湖流域水資源管理與保護(hù)輔助決策提供技術(shù)支撐。

3 結(jié)語

在整合建立遙感衛(wèi)片大尺度觀測、自動監(jiān)測站實(shí)時監(jiān)測、常規(guī)巡測和移動加測 4 位一體的星地監(jiān)測體系的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了監(jiān)測體系內(nèi)涵，在傳統(tǒng)監(jiān)測體系的基礎(chǔ)上補(bǔ)充了標(biāo)準(zhǔn)和網(wǎng)絡(luò)保障體系等保障環(huán)境內(nèi)容，同時將分析評價和預(yù)警系統(tǒng)等監(jiān)測業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)納入監(jiān)測體系，使得太湖流域水資源保護(hù)天地一體化監(jiān)測體系包含了保障環(huán)境、監(jiān)測手段和業(yè)務(wù)應(yīng)用 3 個層面的內(nèi)容。下一步可基于星地監(jiān)測體系 4 種監(jiān)測方式，從整合資源、共享交換的角度，進(jìn)一步細(xì)化研究能有效整合信息采集、傳輸、存儲、共享的標(biāo)準(zhǔn)體系，為太湖流域水資源保護(hù)天地一體化監(jiān)測體系構(gòu)想的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)保障。

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