遼河保護(hù)區(qū)多尺度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

于會(huì)彬，宋永會(huì) ，段亮，彭劍峰，高紅杰

中國環(huán)境科學(xué)研究院城市水環(huán)境科技創(chuàng)新基地，北京 100012

遼河是我國七大江河之一，經(jīng)過“十一五”的水污染治理和生態(tài)修復(fù)，遼河干流水質(zhì)得到了明顯的改善，已經(jīng)消滅劣Ⅴ類水質(zhì)［1-2］。但是，遼河治理和保護(hù)中存在的一些深層次問題和矛盾仍十分突出。2010年，遼寧省借鑒國外河流管理經(jīng)驗(yàn)［3-4］，劃定遼河保護(hù)區(qū)，設(shè)立遼河保護(hù)區(qū)管理局。在保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)統(tǒng)一依法行使環(huán)保、水利、國土資源、交通、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、海洋與漁業(yè)等部門的監(jiān)督管理和行政執(zhí)法職責(zé)以及保護(hù)區(qū)建設(shè)職責(zé)，保護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)的物理完整性、化學(xué)完整性和生態(tài)完整性，進(jìn)而體現(xiàn)了流域綜合管理的理念［5］。

遼河保護(hù)區(qū)范圍始于東西遼河交匯處(鐵嶺福德店)，終于盤錦入?？?。分布在121°41＇E ～123°55.5＇E，40°47＇N ～43°02＇N，面積為1 869.2 km2。遼河保護(hù)區(qū)劃區(qū)設(shè)局，改變了過去的多龍治水、分段管理、條塊分割的工作方法，整合環(huán)保、水利現(xiàn)有監(jiān)管設(shè)施，綜合協(xié)調(diào)和配套，完善了監(jiān)測(cè)、信息管理等方面的能力建設(shè)，使保護(hù)區(qū)具有較為堅(jiān)實(shí)的監(jiān)管能力基礎(chǔ)［6］。為完善監(jiān)測(cè)體系和數(shù)據(jù)綜合處理能力，建設(shè)綜合管理平臺(tái)和環(huán)境信息體制，開展多尺度監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，包括水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、生態(tài)監(jiān)測(cè)站和低空航測(cè)系統(tǒng)建設(shè)。建立水質(zhì)污染自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括中心站、支流匯入口子站;選取生態(tài)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，確定監(jiān)測(cè)內(nèi)容和監(jiān)測(cè)設(shè)備;設(shè)計(jì)低空航測(cè)系統(tǒng)，遴選航測(cè)設(shè)備和設(shè)置監(jiān)測(cè)航線。

1 綜合監(jiān)測(cè)能力現(xiàn)狀

遼河干流有水文站8 處，包括福德店、通江口、鐵嶺、馬虎山、平安堡、遼中、六間房和盤山閘;水質(zhì)監(jiān)測(cè)站(斷面)13 處，包括福德店、三合屯、通江口、鐵嶺、沙寶臺(tái)、朱爾山、馬虎山、毓寶臺(tái)、紅廟子、六間房、興安、曙光大橋和趙圈河(圖1)。在支流匯入口均建有水文站和水質(zhì)監(jiān)測(cè)站(斷面)。

圖1 遼河保護(hù)區(qū)位置與監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布示意Fig.1 The location of Liaohe Conservation Area and distribution of monitoring sites

遼河流域存在監(jiān)測(cè)部門職能不明確、監(jiān)測(cè)水平落后、應(yīng)急響應(yīng)能力滯后等問題，具體表現(xiàn)在:遼河干流水文站和水質(zhì)監(jiān)測(cè)站(斷面)，長期以來分屬水利和環(huán)保部門，二者數(shù)據(jù)采集缺乏統(tǒng)一口徑，不利于數(shù)據(jù)的使用和對(duì)照，需要增設(shè)與現(xiàn)有水文站對(duì)應(yīng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)站(斷面);監(jiān)測(cè)水平落后，水質(zhì)監(jiān)測(cè)站以人工站為主，缺乏自動(dòng)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)施;生態(tài)監(jiān)測(cè)水平十分落后，基本處于空白狀態(tài)，不利于保護(hù)區(qū)摸清生態(tài)資源家底;動(dòng)態(tài)觀測(cè)和應(yīng)急響應(yīng)能力相對(duì)滯后，不利于應(yīng)急處理突發(fā)環(huán)境事件。因此，圍繞遼河保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)能力建設(shè)的目標(biāo)，開展水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、巡護(hù)與生態(tài)監(jiān)測(cè)站和低空航測(cè)系統(tǒng)建設(shè)，對(duì)遼河干流水質(zhì)、水量、水生態(tài)與水安全進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，構(gòu)建遼河保護(hù)區(qū)多尺度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(圖2)。

圖2 遼河保護(hù)區(qū)多尺度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架示意Fig.2 The outline of the integrated monitoring capacity in Liaohe Conservation Area

2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

設(shè)計(jì)在遼河保護(hù)區(qū)內(nèi)建設(shè)水質(zhì)污染自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(WPMS)，系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)中心站(保護(hù)區(qū)綜合管理平臺(tái)所在地)與監(jiān)測(cè)子站(支流匯入口子站與干流子站)組成，隨時(shí)對(duì)區(qū)域的水質(zhì)污染狀況進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，形成一個(gè)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)近期(2013—2017年)建設(shè)1 處中心站(保護(hù)區(qū)綜合管理平臺(tái)所在地)、1 處干流子站、9 處支流匯入口子站和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)(圖3(a))，結(jié)合水利部門、環(huán)保部門的監(jiān)測(cè)站建設(shè)計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)信息共享;遠(yuǎn)期(2018—2020年)增加24 個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面(圖3(b))。

2.1 監(jiān)測(cè)中心站系統(tǒng)

中心站是各子站的網(wǎng)絡(luò)指揮中心，又是信息數(shù)據(jù)中心，需配有功能齊全、存貯容量大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，由通信聯(lián)絡(luò)設(shè)備及數(shù)據(jù)顯示、分析、傳輸和接收的管理軟件構(gòu)成［7］。中心站的主要功能:數(shù)據(jù)通信、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、報(bào)警、安全管理、數(shù)據(jù)打印。水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中心站選址要能滿足通信聯(lián)絡(luò)方便和交通運(yùn)輸便利，中心站選址在遼河保護(hù)區(qū)管理局機(jī)關(guān)。

2.2 監(jiān)測(cè)子站系統(tǒng)

圖3 近期和遠(yuǎn)期建設(shè)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)示意Fig.3 Automatic monitoring sites for water quality during short and long term in Liaohe Conservation Area

子站內(nèi)裝有用于測(cè)定各種污染物的單項(xiàng)指標(biāo)、綜合指標(biāo)以及氣象參數(shù)的分析儀器、數(shù)據(jù)采集通信控制器及通信設(shè)備。子站完成自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息采集、整理，并通過通信系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將各類信息傳送給中心站，使決策部門及時(shí)了解水質(zhì)狀況，發(fā)布水質(zhì)公報(bào)，為控制水質(zhì)和治理水環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。信息采集系統(tǒng)的建設(shè)主要包括自動(dòng)采樣器、自動(dòng)分析儀和多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀、水量測(cè)定裝置的配備、設(shè)計(jì)和安裝，以及采樣場所的基建工程。信息采集系統(tǒng)的建設(shè)主要包括自動(dòng)采樣器、自動(dòng)分析儀和多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀、水量測(cè)定裝置的配備、設(shè)計(jì)和安裝，以及采樣場所的基建工程。

2.2.1 子站場址確定

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅能獲得大量、連續(xù)、完整的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，而且對(duì)上游水質(zhì)變化及污染過境情況、判斷突發(fā)性污染事故、有效監(jiān)控水質(zhì)起著重要的作用。在遼河538 km 干流和一級(jí)支流及排干匯入口處，目前僅有朱爾山、興安2 處水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，已經(jīng)滿足不了管理工作的需要，為此需建立遼河干流及一級(jí)支流、排干匯入口水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)在遼河干流新建1 處水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，位于石佛寺水庫;另外，在遼河干流一級(jí)支流及重要排干入遼河口新建9 處水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站。

遼河的一級(jí)支流和排干有36 條，其中流域面積大(500 km2以上)、非季節(jié)性支流河有秀水河、汎河、柴河、招蘇臺(tái)河、公河(三河下拉)、亮子河、沙河、拉馬河、小柳河、長河、清河和繞陽河等共12 條;接納遼河沿岸14 個(gè)縣區(qū)城鎮(zhèn)生活污水的支流河(含處理后)包括小柳河、付家窩堡排干、拉馬河、長河、清河、清水河、一統(tǒng)河、螃蟹溝、左小河和招蘇臺(tái)河等共12 條;未納入環(huán)保例行監(jiān)測(cè)的支流河包括付家窩堡排干、秀水河、南窯村小河、亮溝子、和平鄉(xiāng)和平村小河、三面船小河子河、梅林河、平頂堡鎮(zhèn)無名河、沙河、業(yè)民鎮(zhèn)英守村無名小河(2 條)和亮子河等12 條。因此，依據(jù)支流河的年徑流量大、常年不斷流、水污染較為嚴(yán)重等原則，確定近期建設(shè)支流匯入口水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)9 處(圖3)。

2.2.2 子站建設(shè)及監(jiān)測(cè)內(nèi)容

(1)水樣采集系統(tǒng)。采樣方法分為瞬時(shí)采樣、周期采樣和連續(xù)采樣3 種［8］。采樣設(shè)備為潛水泵。潛水泵的安裝方式大體可分為固定式和浮動(dòng)式2 種。固定式安裝方便，但是采水深度會(huì)隨水位的漲落而改變，因此在水位變化大的水域中使用時(shí)，不能保持恒定的采水深度。浮動(dòng)式是將水泵安裝在浮舟上，因浮舟始終漂浮在水面上，無論水位如何變化，采水深度始終保持不變。從水泵到監(jiān)測(cè)室的輸水管道越短越好，以免水質(zhì)特別是溶解氧指標(biāo)在輸送過程中發(fā)生變化。管道要避光安裝，以防藻類的生長和聚集。管道還應(yīng)保溫，防止冬天凍冰，堵塞輸水管路。自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)配備備用電源或太陽能電池板。各站機(jī)房供電形式大部分為三相四線制，沒有地線，屬農(nóng)村電網(wǎng)，機(jī)房內(nèi)各種線路屏蔽不良，故應(yīng)配備防雷工程措施。在缺少恒溫條件下，應(yīng)對(duì)儀器加保溫層并加裝儀器內(nèi)部空調(diào)，保證自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的正常運(yùn)行。為了保證測(cè)量精度，儀器必須帶自動(dòng)清洗、自動(dòng)校正以及相應(yīng)的程序控制裝置。

(2)監(jiān)測(cè)指標(biāo)選擇。目前，國家地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、高錳酸鹽指數(shù)、總有機(jī)碳、氨氮［9］。根據(jù)遼河干流、一級(jí)支流和排干的水質(zhì)狀況，設(shè)計(jì)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)物理指標(biāo)(水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度)，化學(xué)指標(biāo)(高錳酸鹽指數(shù)、總有機(jī)碳、氨氮、總磷、總氮)和生物指標(biāo)(葉綠素)。特征檢測(cè)指標(biāo)包括銅、汞和石油類等。其中，銅和汞檢測(cè)指標(biāo)反映電鍍、冶金等工業(yè)排放廢水對(duì)河流水質(zhì)的影響，檢測(cè)重點(diǎn)在河流的城市段;石油類檢測(cè)指標(biāo)反映石油化工對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的影響，檢測(cè)重點(diǎn)在遼中和盤錦。

(3)信息傳輸系統(tǒng)充分利用流域現(xiàn)有的通信網(wǎng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，建立覆蓋流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水資源信息的網(wǎng)上傳輸和資料共享，以達(dá)到快速、準(zhǔn)確地傳遞水質(zhì)信息的目的，為充分利用水資源提供服務(wù)。設(shè)計(jì)遠(yuǎn)期完善中心站功能，建設(shè)完善數(shù)據(jù)分析管理、動(dòng)態(tài)演示等功能，在近期建設(shè)1 處干流子站和9 處支流匯入口子站的基礎(chǔ)上，在其余22 處支流匯入口建設(shè)常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面。

3 巡護(hù)及生態(tài)監(jiān)測(cè)站

選擇保護(hù)區(qū)內(nèi)重要的生態(tài)結(jié)點(diǎn)、重點(diǎn)濕地，野生動(dòng)物、鳥類、水生生物棲息地，建設(shè)巡護(hù)及生態(tài)監(jiān)測(cè)站，具有巡護(hù)、濕地監(jiān)測(cè)、珍稀野生動(dòng)植物監(jiān)測(cè)、鳥類和魚類觀測(cè)功能。采用人工監(jiān)測(cè)、自動(dòng)站觀測(cè)和遙感監(jiān)測(cè)分析手段相結(jié)合的方法，對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)野生動(dòng)植物、鳥類、水生生物資源的變化狀況以及河濱濕地狀況進(jìn)行觀測(cè)，分析保護(hù)區(qū)內(nèi)生態(tài)質(zhì)量的變化趨勢(shì)，分析流域水資源利用、水利工程建設(shè)以及水污染對(duì)保護(hù)區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)的影響規(guī)律。

3.1 站點(diǎn)選址

根據(jù)保護(hù)區(qū)巡護(hù)管理及生態(tài)綜合監(jiān)(觀)測(cè)的需求，選取鐵嶺市昌圖福德店、通江口，銀州區(qū)、沈北石佛寺、馬虎山、新民毓寶臺(tái)，臺(tái)安大張橋，盤山閘處(圖4)，以現(xiàn)有基層河道管理機(jī)構(gòu)人員、站房為基礎(chǔ)建立巡護(hù)站，增加必要的觀測(cè)設(shè)施，形成保護(hù)區(qū)日常巡護(hù)管理與生態(tài)綜合監(jiān)(觀)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

3.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

鳥類監(jiān)測(cè)包括物種、棲息地、流行性疾病和周圍人類活動(dòng)監(jiān)測(cè)［10-11］。監(jiān)測(cè)區(qū)域野生水鳥活動(dòng)狀態(tài)及異常情況(不正常死亡或病癥)，監(jiān)測(cè)區(qū)域野生水鳥遷徙規(guī)律、遷徙形式以及環(huán)志、彩色旗標(biāo)佩戴情況，監(jiān)測(cè)野生水鳥種類、種群數(shù)量、活動(dòng)規(guī)律和主要分布地。野生水鳥棲息地環(huán)境狀況監(jiān)測(cè)主要包括水深度、潮汐變化、鹽分、濕地類型、植被種類及覆蓋率、人為干擾及污染情況等。協(xié)助衛(wèi)生防疫、動(dòng)物檢疫部門做好野生水鳥的禽流感病毒檢測(cè)工作。監(jiān)測(cè)站周圍人類活動(dòng)對(duì)鳥類影響主要包括鳥類棲息地人類的活動(dòng)狀況，水產(chǎn)采集和加工，留鳥種類和數(shù)量，家禽養(yǎng)殖種類、數(shù)量、養(yǎng)殖方式(散養(yǎng)還是半散養(yǎng))，與野禽交叉感染的可能性等。

圖4 近期建設(shè)巡護(hù)及生態(tài)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)示意Fig.4 Monitoring sites for patrol and ecology during short term in Liaohe Conservation Area

濕地監(jiān)測(cè)主要包括地形地質(zhì)、氣候、水文、土壤和生物等方面。地形地貌要素有海拔高度和巖石特征，氣候要素包括氣溫、大氣濕度、降水量、土壤狀況和蒸發(fā)量，水文要素包括地表水位、地下水位、地表水入流量和出流量、地下水入流量和出流量、地表水和地下水的鹽度、地表水和地下水的溫度、透明度、化學(xué)需氧量、生化需氧量、放射性核物質(zhì)以及生物體內(nèi)有毒物質(zhì)的濃度、水中各種營養(yǎng)物的濃度、沉積物中各營養(yǎng)物濃度、總磷和總硫濃度，土壤要素包括養(yǎng)分含量及有效態(tài)含量、土壤的顆粒組成、空隙度、透水率，生物要素包括優(yōu)勢(shì)種及其變化、水禽的種類和數(shù)量。

水生態(tài)監(jiān)測(cè)涉及理化、生物和生態(tài)監(jiān)測(cè)。理化指標(biāo)有水溫、pH、電導(dǎo)率、溶解氧、透明度、化學(xué)需氧量、生化需氧量、總氮、硝氮、氨氮、總磷、溶解性正磷酸鹽、葉綠素a、藍(lán)藻濃度;生物指標(biāo)包括浮游藻類、著生藻類、底棲動(dòng)物、高等水生動(dòng)植物;生態(tài)指標(biāo)包括沿岸帶自然環(huán)境、沉積物狀況、河道狀況［12-13］。

3.3 監(jiān)測(cè)設(shè)備

鳥類監(jiān)測(cè)設(shè)備包括雙筒望遠(yuǎn)鏡和單筒望遠(yuǎn)鏡。濕地監(jiān)測(cè)設(shè)備有渦動(dòng)相關(guān)通量觀測(cè)系統(tǒng)，梯度觀測(cè)系統(tǒng)，EasyAG50 土壤水分測(cè)定系統(tǒng)，雨量筒，LI-6400P 便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)，自制土壤呼吸作用測(cè)定系統(tǒng)，Diviner2000 土壤水分測(cè)定儀，LI-8100L 自動(dòng)土壤碳通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，輕便風(fēng)向、風(fēng)速觀測(cè)儀;輻射熱計(jì)，輻射日照儀。水生態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備有雙目顯微鏡、高速臺(tái)式離心機(jī)、藻類計(jì)數(shù)框、真空干燥箱、高溫箱式電阻爐、紫外可見分光光度計(jì)、瑪瑙研缽、有機(jī)玻璃采水器、熒光計(jì)、哈納便攜式系列水質(zhì)測(cè)定儀、河流底部取樣器、彼德遜不銹鋼采泥器、自動(dòng)雙重純水蒸餾器、高壓滅菌鍋。

4 低空航測(cè)系統(tǒng)

遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)建設(shè)2 套低空航測(cè)系統(tǒng)，選址在石佛寺水庫周邊，其服務(wù)功能可覆蓋整個(gè)遼河保護(hù)區(qū)。用于保護(hù)區(qū)日常巡檢、生態(tài)環(huán)境變化遙感監(jiān)測(cè)、突發(fā)環(huán)境災(zāi)害與污染事件持續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)及救援疏散等［14-15］。無人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整套設(shè)備包括無人機(jī)本體，以及導(dǎo)航與飛行控制系統(tǒng)、遙感傳感器及其控制系統(tǒng)、信號(hào)傳輸系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)。飛行器上裝置的GPS 能實(shí)時(shí)接收GPS 信號(hào)，確定監(jiān)測(cè)器的空中位置，用以支持程控設(shè)備按計(jì)劃航線飛行，也可以通過遙測(cè)信號(hào)傳送到地面，顯示在計(jì)算機(jī)屏幕地圖上，供地面人員進(jìn)行導(dǎo)航操作。飛行器的傳感平臺(tái)有三軸穩(wěn)定功能，平臺(tái)上裝有電視攝像頭和數(shù)碼相機(jī)。電視攝像頭獲取的圖像通過遙測(cè)信道傳輸?shù)降孛嫫聊伙@示，用于攝影控制操作。影像獲取是采用CDC 高分辨率面陣數(shù)碼相機(jī)，拍攝時(shí)將數(shù)碼相機(jī)所獲取的數(shù)字影像保存在存儲(chǔ)卡中，飛行器降落后取出，傳輸?shù)诫娔X中進(jìn)行處理，由于非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)與航天及一般航空遙感使用的傳感器不同，為保證精度，在飛行前需經(jīng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行嚴(yán)格校驗(yàn)。

5 結(jié)語

為了鞏固遼河干流治理成果，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的長遠(yuǎn)目標(biāo)，構(gòu)建重點(diǎn)區(qū)域多尺度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，完善監(jiān)測(cè)體系和數(shù)據(jù)綜合分析能力。建立以水利、環(huán)境信息統(tǒng)一管理為特征的全區(qū)環(huán)境信息管理體制，提升監(jiān)測(cè)應(yīng)急能力，實(shí)現(xiàn)保護(hù)區(qū)管理的規(guī)范化、系統(tǒng)化和信息化，形成保護(hù)區(qū)完善的綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)體系，加強(qiáng)保護(hù)區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，提高監(jiān)測(cè)能力。

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