自動監(jiān)測系統(tǒng)在長江口水文監(jiān)測站網(wǎng)應(yīng)用中的展望

陳志錚，殷 健，梁珊珊

(1．上海市水文總站，上海 200232;2．上海市排水管理處，上海 200001)

1 背景資料

1．1 長江口地理及水環(huán)境概況

長期的歷史演變使得長江口區(qū)域呈現(xiàn)出三級分汊，四口入海的地貌形態(tài)。長江口自徐六涇以下呈喇叭狀，流經(jīng)崇明島將其分為南支與北支，而長興島和橫沙島則將南支分為南港與北港，九段沙又將南港分為南槽與北槽。

長江口是我國最大的河流入?？?，自然條件復(fù)雜多變，是河流與海洋相互影響、相互作用最活躍的區(qū)域之一，其大面積的沖淡水區(qū)以及毗鄰的水域構(gòu)成了一個獨特的生態(tài)系統(tǒng)，由于同時受潮汐、河流雙重控制的影響，系統(tǒng)抵抗外界干擾能力、整體穩(wěn)定性、對生態(tài)變化的敏感性都相當脆弱，生態(tài)平衡很容易被打破。

長江口水質(zhì)條件同樣復(fù)雜多樣，有研究表明:河口江段明顯具有有機污染的特征，主要的污染因子為總磷、化學(xué)需氧量和氨氮;河口江段斷面水質(zhì)目前狀況尚可，但近岸水域水質(zhì)明顯劣于中泓水質(zhì);汛期水質(zhì)劣于非汛期水質(zhì);內(nèi)岸邊水域落潮期水質(zhì)劣于漲潮期水質(zhì)［1］。

1．2 長江口監(jiān)測站網(wǎng)規(guī)劃概述

為進一步加強長江口水文監(jiān)測工作，推進長江河口的綜合治理、資源開發(fā)和環(huán)境保護，上海市水務(wù)局于2010年啟動了《長江口水文監(jiān)測站網(wǎng)規(guī)劃》的編制工作，經(jīng)過反復(fù)研究論證和不斷細化完善，該規(guī)劃已于日前順利編制完成并獲市政府批準同意發(fā)布。

該規(guī)劃鑒于長江口現(xiàn)狀水文站網(wǎng)存在的布局不夠合理、監(jiān)測要素不夠齊全、資料共享率不高及運行維護缺乏長效保障等不足，針對各行業(yè)、各部門水文監(jiān)測需求的多樣化、差別化等特點，按照“保障重點、統(tǒng)籌兼顧”的原則進行監(jiān)測站網(wǎng)的規(guī)劃布局和監(jiān)測項目篩選，形成以控制站和關(guān)鍵節(jié)點代表水文站為主體的“一網(wǎng)47站”的長江口站網(wǎng)布局，系統(tǒng)開展潮位、流量、波浪、鹽度、泥沙、水質(zhì)和風速風向等水文要素的監(jiān)測和觀測。

1．3 長江口水質(zhì)監(jiān)測站規(guī)劃概述

長江口的水質(zhì)監(jiān)測是長江口水域水質(zhì)評價、長江入海污染物通量分析、水源地保護等工作主要的數(shù)據(jù)來源。目前建成青草沙(上、下)、吳淞口3個常規(guī)自動水質(zhì)監(jiān)測站，規(guī)劃以現(xiàn)有3個站點為基礎(chǔ)，建設(shè)徐六涇站、牛棚港站、顧園沙站、東風西沙站、陳行站、長興島站、堡鎮(zhèn)站、陳家鎮(zhèn)站、九段沙站、沒冒沙站、南匯咀站、佘山站、雞骨礁站、綠華礁站等14個自動水質(zhì)監(jiān)測站，17個站點建成后，能夠?qū)崿F(xiàn)對長江口區(qū)域?qū)崟r監(jiān)控水質(zhì)。上述規(guī)劃的17個自動水質(zhì)監(jiān)測站點布局如圖1所示。

圖1 長江口自動水質(zhì)監(jiān)測規(guī)劃布局圖Fig．1 Location of the Automatic Water Quality Monitoring Stations

2 自動監(jiān)測方法的選擇及影響討論

常見的水質(zhì)指標有pH、溶解氧、濁度、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、氨氮、總氮等，現(xiàn)根據(jù)海洋監(jiān)測規(guī)范并參考市場上出售的儀器設(shè)備所選擇的方法，歸納總結(jié)了各監(jiān)測方法的特性及各影響因素對監(jiān)測的影響程度，如表1所示。

由表1可見，采用光學(xué)法的監(jiān)測方法受含沙量和絮體破壞影響顯著，因此當采用光學(xué)法作為自動監(jiān)測方法時必須經(jīng)常維護，尤其在數(shù)據(jù)波動較大時應(yīng)采取人工法進行比對，保證數(shù)據(jù)可靠性。另外，生物質(zhì)和水體污染幾乎對每種監(jiān)測方法的每個指標都有影響，因此建議在發(fā)生水體污染及生物質(zhì)大面積繁殖事故后也應(yīng)該采取及時的人工干涉，在事故處理后重新矯正儀器設(shè)備。

建立水質(zhì)自動監(jiān)測站時應(yīng)根據(jù)站點歷年的水質(zhì)情況并結(jié)合站點處各類影響因素的變化程度，選取相適應(yīng)的監(jiān)測方法和設(shè)備，確保監(jiān)測站建立后設(shè)備的平穩(wěn)運行，同時盡可能方便管理。

3 長江口自動監(jiān)測站的建設(shè)及應(yīng)用建議

3．1 監(jiān)測站分類管理模式的創(chuàng)新

以上17個水質(zhì)監(jiān)測站具有分布廣、數(shù)據(jù)量大的特點，管理周期也相對較長，不利于水質(zhì)監(jiān)測站的平穩(wěn)運行。為便于統(tǒng)一管理，對技術(shù)提出了更高要求，因此提出以下兩種分類方式進行區(qū)別管理。

表1 監(jiān)測指標方法及各影響因素Tab．1 Monitoring Indicators and Various Factors

3．1．1 按地理位置

根據(jù)規(guī)劃中17個監(jiān)測站所在位置、水環(huán)境檢測中心所在地以及上海城市建設(shè)規(guī)劃，建議設(shè)置三個管理站，分別為崇明站、吳淞站以及滴水湖站。其中，崇明站依托現(xiàn)有的崇明水環(huán)境檢測中心建立，主要負責管理崇明島及附近的徐六涇站、牛棚港站、東風西沙站、堡鎮(zhèn)站、陳家鎮(zhèn)站、佘山站及顧園沙站等7個監(jiān)測站點;吳淞站依托地處吳淞口的上海市水環(huán)境檢測中心實驗室建立，主要負責管理吳淞口及長興島區(qū)域的陳行站、長興島站、沒冒沙站、青草沙(上、下)、吳淞口等6個監(jiān)測站點;滴水湖站根據(jù)現(xiàn)有城市規(guī)劃新建，主要負責九段沙站、南匯咀站、雞骨礁站、綠華礁等4個監(jiān)測站點，同時滴水湖站還擔任服務(wù)于整個臨港新城的水環(huán)境檢測任務(wù)。

3．1．2 按監(jiān)測站功能

根據(jù)17個監(jiān)測站不同的功能、檢測項目，為了實現(xiàn)技術(shù)上的統(tǒng)一管理，根據(jù)各監(jiān)測站功能不同進行區(qū)別管理。其中，東風西沙站、陳行站、沒冒沙站以及青草沙(上、下)五個監(jiān)測站分別服務(wù)于四大水庫，除了常規(guī)指標外，還需增加揮發(fā)酚和揮發(fā)性有機物等指標，以確保百姓的飲水安全，因此這5個監(jiān)測站可以共同管理;徐六涇、牛棚港站以及吳淞口站分別是長江水、回流水以及黃浦江水流入長江口的必經(jīng)地，這三個監(jiān)測站的水質(zhì)監(jiān)測工作意義重大，通過監(jiān)測這三個站的水質(zhì)情況，可以得到每天、每月甚至是每年各類污染物的通量，這為實現(xiàn)污染物控制提供了有力的數(shù)據(jù)支持，為實施最嚴格的水資源管理制度邁出了重要的一步，因此這3個監(jiān)測站可以統(tǒng)一管理，根據(jù)不同的污染物控制需求增加測試指標，為進一步?jīng)Q策提供可靠數(shù)據(jù);堡鎮(zhèn)站、陳家鎮(zhèn)站、佘山站、顧園沙、長興島站、段沙站、南匯咀站、雞骨礁站以及綠華礁這9個監(jiān)測站相對測試指標穩(wěn)定、檢測任務(wù)較輕，可以進行統(tǒng)一管理，但若在其附近發(fā)生化學(xué)品、油類或其他危險品泄漏事故時，也需要增加測試頻率，監(jiān)控水質(zhì)變化情況。

3．2 數(shù)據(jù)管理與信息共享的創(chuàng)新

長江口的水質(zhì)監(jiān)測工作，目前仍處在“九龍治水”的多頭管理階段，各單位都以本單位的業(yè)務(wù)需求作為出發(fā)點，分頭建設(shè)了各自相對獨立的采集系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、分析評價系統(tǒng)、資料整編系統(tǒng);但在系統(tǒng)框架、數(shù)據(jù)格式、表現(xiàn)形式、軟件平臺等方面標準不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)不一致。系統(tǒng)功能多局限于信息監(jiān)測、圖表展示、查詢統(tǒng)計和資料管理等簡單功能，缺乏深層次的數(shù)據(jù)整合、系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)分析能力，也未能把信息采集、傳送、處理、分析、發(fā)布等環(huán)節(jié)有機組合起來，整體上存在“布局不全面、功能不齊全、標準不統(tǒng)一、監(jiān)測不系統(tǒng)、信息不共享”的問題［2］。

按照長江口水文監(jiān)測信息共享的技術(shù)要求，必須建立有效支撐多目標、多任務(wù)和多層次應(yīng)用的長江口水文監(jiān)測信息系統(tǒng)共享平臺的總體架構(gòu);需研發(fā)一項基于中間件的數(shù)據(jù)匯聚整合和統(tǒng)一交換技術(shù);采用WebGIS的跨部門跨行業(yè)應(yīng)用集成技術(shù)，冀建設(shè)起基于一個平臺、一個門戶、一張地圖的多源異構(gòu)信息集成、多級多層的信息共享系統(tǒng)，為長江口水文監(jiān)測站網(wǎng)依法實施“統(tǒng)一規(guī)劃，統(tǒng)一標準，統(tǒng)一整編，資料共享”提供后臺支持。

3．3 事故應(yīng)急監(jiān)測能力的配套提升

長江口地處長江東西運輸通道與海上南北運輸通道的交匯點，是上海港及長江干線的通海咽喉，在內(nèi)陸航運及海路航運中占據(jù)重要地位，年貨運吞吐量超過7億t。在巨大的吞吐量背后，每年在長江口發(fā)生的各類化學(xué)品、油類等泄漏事故也是長江口水質(zhì)監(jiān)測的一大難題。相關(guān)部門通常會在接到相關(guān)信息后2～3 h內(nèi)達到事故現(xiàn)場，隨后進行采樣檢測，經(jīng)常發(fā)生數(shù)據(jù)更新不及時、應(yīng)急措施緩慢，甚至污染水源地等問題，通過建設(shè)水質(zhì)監(jiān)測站，能夠在第一時間采取應(yīng)急措施，及時加強事故水域的監(jiān)控和發(fā)生在水源地附近的污染事故;同時加強了水源地水質(zhì)監(jiān)測站的監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)污染擴散至水源地，可及時關(guān)閉水源地供水，待污染排除、水質(zhì)重新檢測合格后再重新啟用。也就是說，通過建設(shè)17個監(jiān)測站，有效提高了長江口區(qū)域事故應(yīng)急監(jiān)測能力，應(yīng)充分考慮到以上因素，制定快速、高效、靈活、機動的應(yīng)急預(yù)案及機制，預(yù)案及機制的建立必須有針對性，必須根據(jù)實際情況，采取多點同步調(diào)查監(jiān)測的方法和走航跟蹤監(jiān)測方法。通過自動監(jiān)測系統(tǒng)能夠獲得事故發(fā)生后即刻的水質(zhì)變化情況，有利于長江口區(qū)域污染物擴散模型的建立，并且能夠較準確地建立起應(yīng)急響應(yīng)方案庫，應(yīng)對各類污染物泄漏事故的發(fā)生，為將來這類事故的處理決策提供全面參考。

3．4 監(jiān)測站運行維護及其配套建設(shè)

3．4．1 監(jiān)測站日常運行及維護

按照功能或地理位置等將17個水質(zhì)監(jiān)測站進行分類管理后，由各管理站分別對其所管轄的站進行統(tǒng)一管理及后期維護。參照現(xiàn)有在線自動監(jiān)測點的管理辦法，按照《水質(zhì)在線自動監(jiān)測管理辦法》要求進行維護管理，每月或每季度定期對水質(zhì)監(jiān)測站進行維護，建立水質(zhì)自動監(jiān)測站管理工作例會制度，明確上級單位、運行管理單位以及運行維護單位或監(jiān)測設(shè)備供應(yīng)單位參加的專人名單。

3．4．2 供電防雷系統(tǒng)的特殊需求

傳感器、通訊設(shè)備部分在戶外工作，室內(nèi)設(shè)備能夠通過信號線、通信線、電源線與之直接鏈接，安裝儀器的站房本身也暴露在大氣中，因此傳感器、通訊設(shè)備的室外部分和站房都必然會受到雷電的影響。而且監(jiān)測系統(tǒng)中大量應(yīng)用了微電子器件，耐壓程度很低，雷電感應(yīng)極易對它們造成破壞性的損壞。因此，系統(tǒng)的防雷工作非常重要。防雷要求包括:防直擊雷要求，防感應(yīng)雷要求和防電磁脈沖輻射危害。采用的方法包括外部防雷保護系統(tǒng)，內(nèi)部防雷等電位聯(lián)接，信號線、電源、通訊線路防雷等。

3．4．3 實驗室建設(shè)

實驗室是各水質(zhì)自動監(jiān)測站有力的后勤保障，它肩負著數(shù)據(jù)收集、比對，試劑補給，儀器維護等任務(wù)，除此之外，許多無法采用自動監(jiān)測方法測試的數(shù)據(jù)還需要在實驗室中完成，因此建立一支業(yè)務(wù)素質(zhì)過硬的實驗室隊伍對于整個水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)的正常運行至關(guān)重要。由于歷史原因，上海地區(qū)的海洋環(huán)境監(jiān)測起步較晚，目前大部分水環(huán)境實驗室在海洋水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)上還比較滯后，但隨著國家建設(shè)海洋強國戰(zhàn)略的部署，通過東海海洋局的技術(shù)指導(dǎo)與支持，結(jié)合各類計量認證及實驗室測評等方法，海洋實驗室建設(shè)會日益完善。

4 展望

長江口水文監(jiān)測站網(wǎng)規(guī)劃將建成17座水質(zhì)監(jiān)測站，待監(jiān)測站建成后將服務(wù)于整個長江口的水環(huán)境監(jiān)測。屆時將大大提升長江口水域的應(yīng)急響應(yīng)速度，同時能與現(xiàn)有的海洋水環(huán)境實驗室配套，提高海洋水環(huán)境測試水平，加強海洋環(huán)境管理能力。準確的水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)是執(zhí)行最嚴格的水資源管理制度的有力支撐，也是建設(shè)海洋強國策略的重要保障。

除了文中提到的建議，咸潮［3］、風暴潮［4］等也是長江口常見的惡劣條件，對于監(jiān)測數(shù)據(jù)也可能有一定的影響，在實際建設(shè)過程中應(yīng)當予以考慮。

［1］邱訓(xùn)平，穆宏強，支俊峰，等．長江口水環(huán)境現(xiàn)狀及趨勢分析［J］．人民長江，2001，32(7):26-28．

［2］顧圣華．上海地區(qū)水文特性探討［J］．上海水務(wù)，2003(4):38-40．

［3］陳慶紅，徐建益，朱建榮，等．長江口水源地咸潮控制臨界流量確定及保障措施［J］．人民長江，2011，42(8):68-72．

［4］盧永金．上海風暴潮防御的形式與對策探討［J］．上海水務(wù)，2008(1):6-10．