江蘇省太湖湖體自動(dòng)監(jiān)測(cè)體系構(gòu)建研究及運(yùn)行示范

唐夢(mèng)涵+司蔚+鐘聲

摘要：文章在論述太湖湖體監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)和浮標(biāo)站建設(shè)的現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，指出太湖湖體監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)存在的問(wèn)題，通過(guò)研究構(gòu)建太湖湖體水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，按照點(diǎn)位布設(shè)原則，調(diào)整太湖湖體監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，開(kāi)展10個(gè)新增浮標(biāo)站建設(shè)，完善太湖湖體自動(dòng)監(jiān)測(cè)體系。

關(guān)鍵詞：太湖湖體；自動(dòng)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)站

中圖分類(lèi)號(hào)：X832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2017）02-0091-05

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.02.017

1 太湖湖體監(jiān)測(cè)點(diǎn)位及浮標(biāo)站建設(shè)應(yīng)用 現(xiàn)狀[1]

“十一五”期間，太湖流域構(gòu)建藍(lán)藻預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包含配置太湖應(yīng)急監(jiān)測(cè)船和應(yīng)急監(jiān)測(cè)車(chē)，建設(shè)太湖野外水質(zhì)與藍(lán)藻綜合觀測(cè)站，建設(shè)太湖湖體浮標(biāo)預(yù)警站，建設(shè)太湖流域遙感數(shù)據(jù)接收解譯系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)三級(jí)預(yù)警。其中太湖湖體浮標(biāo)站是太湖流域藍(lán)藻預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)重要組成部分。我省通過(guò)布設(shè)太湖湖體監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，啟動(dòng)湖體浮標(biāo)站建設(shè)，在預(yù)警藍(lán)藻生長(zhǎng)和爆發(fā)中起到舉足輕重的作用。但在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中，“十一五”期間布設(shè)的部分湖體監(jiān)測(cè)點(diǎn)位代表性不足，浮標(biāo)站覆蓋面不夠，監(jiān)測(cè)指標(biāo)不全等問(wèn)題，無(wú)法完全滿(mǎn)足太湖藍(lán)藻預(yù)警監(jiān)測(cè)的需要。

1.1 “十一五”期間湖體監(jiān)測(cè)點(diǎn)位情況

20世紀(jì)80年代，江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)部門(mén)開(kāi)始對(duì)太湖湖體開(kāi)展監(jiān)測(cè)，掌握湖體水質(zhì)狀況。到“十一五”期間太湖湖體共布設(shè)21個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，詳細(xì)位置情況詳見(jiàn)圖1。

1.2 浮標(biāo)站建設(shè)應(yīng)用情況

為實(shí)時(shí)監(jiān)控太湖水質(zhì)變化，預(yù)警預(yù)報(bào)太湖藍(lán)藻的生長(zhǎng)情況成為太湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)工作。自2008年開(kāi)始建設(shè)太湖湖體浮標(biāo)式自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

浮標(biāo)式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于20世紀(jì)60年代起在海洋調(diào)查中試用，70年代中期開(kāi)始實(shí)踐應(yīng)用。起初，浮標(biāo)監(jiān)測(cè)功能單一，測(cè)量?jī)?nèi)容較少，隨著電子、衛(wèi)星通訊以及微處理技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，浮標(biāo)技術(shù)測(cè)量能力不斷提高，能夠收集環(huán)境參數(shù)，提供實(shí)時(shí)、同步的環(huán)境數(shù)據(jù)，在軍事、航海、漁業(yè)、氣象、石油開(kāi)采等多方面逐步得到應(yīng)用[2]。2000年以后浮標(biāo)式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)始在海洋監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得以推廣[3]。2008年開(kāi)始，太湖建設(shè)了11個(gè)浮標(biāo)式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)水質(zhì)五參數(shù)（溫度、濁度、pH值、電導(dǎo)率、溶解氧）、葉綠素a、藍(lán)綠藻、氣象五參數(shù)（風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、氣溫、濕度）進(jìn)行全天候、全方位的在線(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)，對(duì)于加強(qiáng)太湖湖體水環(huán)境質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)，及時(shí)地捕捉水環(huán)境質(zhì)量變化及太湖藍(lán)藻生長(zhǎng)情況，實(shí)現(xiàn)水污染預(yù)警預(yù)報(bào)，發(fā)揮了重要作用。

2 存在問(wèn)題

2.1 湖體監(jiān)測(cè)點(diǎn)位代表性不足

“十一五”期間，太湖湖體共布設(shè)21個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，其中12個(gè)集中于北部水域，占比57%的點(diǎn)位僅能監(jiān)控太湖湖體1/3水域，而東部、南部和湖心區(qū)點(diǎn)位分布比例相對(duì)較低，導(dǎo)致有限的監(jiān)測(cè)資源不能合理運(yùn)用；另外，13個(gè)點(diǎn)位布設(shè)在湖岸邊，不能全面反映湖體水環(huán)境質(zhì)量狀況，點(diǎn)位代表性缺失嚴(yán)重。

2.2 浮標(biāo)站覆蓋面不夠

太湖水域面積2338km2，除東太湖礁石水草多、水深太淺而無(wú)法實(shí)施監(jiān)測(cè)的湖區(qū)172km2外，實(shí)際可監(jiān)測(cè)水面面積為2166km2?！笆晃濉逼陂g已建設(shè)11個(gè)湖體浮標(biāo)站，其中5個(gè)集中位于太湖湖體北岸，剩余6個(gè)分散在太湖湖體北部和湖岸邊，未完全覆蓋貢湖、梅梁湖、五里湖、竺山湖四個(gè)湖灣及外太湖湖體。

2.3 浮標(biāo)站監(jiān)測(cè)指標(biāo)不全

湖泊氮磷污染凸顯，湖泊富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重，由此帶來(lái)湖泊水生態(tài)和生態(tài)服務(wù)功能退化等一系列問(wèn)題。2015年，太湖湖體總體水質(zhì)處于Ⅳ類(lèi)（不計(jì)總氮）。湖體高錳酸鹽指數(shù)和氨氮平均濃度達(dá)到Ⅱ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)；總磷平均濃度符合Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，總氮平均濃度為1.81毫克/升，達(dá)到Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為56.1，處于輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。其中西部沿岸區(qū)仍處于中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。太湖藍(lán)藻發(fā)生受極端氣象水文條件影響明顯，研究表明，藻類(lèi)生長(zhǎng)與氮磷等富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)有密切關(guān)聯(lián)。

而浮標(biāo)站僅配置了常見(jiàn)的水質(zhì)五參數(shù)、葉綠素a、藍(lán)綠藻、氣象五參數(shù)（風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、氣溫、濕度），雖然可通過(guò)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)預(yù)警藍(lán)藻的生長(zhǎng)情況，卻不能實(shí)時(shí)監(jiān)控太湖湖體氮磷污染狀況[4]。浮標(biāo)站監(jiān)測(cè)指標(biāo)亟需增設(shè)富營(yíng)養(yǎng)化監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

3 太湖湖體水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位調(diào)整優(yōu)化

3.1.1 調(diào)整優(yōu)化原則

湖體點(diǎn)位調(diào)整原則主要有以下六點(diǎn)：（1）監(jiān)測(cè)點(diǎn)位以全面反映地表水環(huán)境質(zhì)量為目的。（2）湖庫(kù)按湖體自然狀況劃區(qū)設(shè)置點(diǎn)位。（3）湖泊無(wú)明顯功能分區(qū)的，采用網(wǎng)格法按湖泊面積設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。庫(kù)體每50～100km2設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，同時(shí)空間分布要有代表性。（4）面積在100km2以上的重要湖泊設(shè)立監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。（5）在重要河流、湖庫(kù)上的飲用水源地（日供水量≥10萬(wàn)噸，或服務(wù)人口≥20萬(wàn)人）布設(shè)點(diǎn)位。（6）根據(jù)不同原則設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的位置發(fā)生重復(fù)時(shí)，只需設(shè)置一個(gè)點(diǎn)位。

3.1.2 調(diào)整優(yōu)化方案

太湖點(diǎn)位優(yōu)化調(diào)整運(yùn)用了網(wǎng)格均勻布點(diǎn)法，將太湖分成了20個(gè)約100km2的水域，重點(diǎn)考慮代表性基礎(chǔ)上，在每個(gè)水域中選擇布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，以代表相關(guān)水域的水質(zhì)情況；同時(shí)，根據(jù)連續(xù)性原則，保留了部分國(guó)控點(diǎn)位，使監(jiān)測(cè)結(jié)果更具有連續(xù)性和可比性?？紤]監(jiān)測(cè)的可行性和便捷性。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位避開(kāi)水深較淺、水產(chǎn)養(yǎng)殖和圍網(wǎng)區(qū)域。

（1）原有點(diǎn)取消：取消10個(gè)原有國(guó)控點(diǎn)位，分別為百瀆口、沙塘港、犢山口、閭江口、小灣里、沙墩港、沙渚、烏龜山、新港口、胥口。

（2）新增點(diǎn)位：新增點(diǎn)位有9個(gè)，分別為竺山湖心、梅梁湖心、沙渚南、烏龜山南、錫東、蘭山嘴、西山西、漾西港、胥湖心。

（3）原有點(diǎn)移動(dòng)：位置移動(dòng)的點(diǎn)位有4個(gè)，分別為點(diǎn)位移動(dòng)：大浦口、漫山、新塘港、小梅口。

（4）原有點(diǎn)位保留：點(diǎn)位保留的點(diǎn)位有7個(gè)。分別為拖山、椒山、平臺(tái)山、十四號(hào)燈標(biāo)（原四號(hào)燈標(biāo)）、澤山、大雷山、五里湖心。

優(yōu)化調(diào)整后的太湖湖體點(diǎn)位共計(jì)20個(gè)，體現(xiàn)了網(wǎng)格法布點(diǎn)的特點(diǎn)，分布更為均勻，更能整體反映太湖水質(zhì)情況，各湖區(qū)均有多個(gè)點(diǎn)位反映水質(zhì)情況，空間代表性較好；同時(shí)，有較好的連續(xù)性，在原點(diǎn)位基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，監(jiān)測(cè)結(jié)果能與歷史情況進(jìn)行比較，時(shí)間連續(xù)性較好[5]。

3.2 新增10個(gè)浮標(biāo)預(yù)警站建設(shè)

3.2.1 建設(shè)點(diǎn)位

“十一五”期間，江蘇省完成了20個(gè)湖體監(jiān)測(cè)點(diǎn)位中的11個(gè)湖體浮標(biāo)站建設(shè)，包括梅梁湖心、大雷山、沙渚南、錫東、竺山湖心、14號(hào)燈標(biāo)、大浦口、椒山、胥湖心、西山西、新塘港11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位?！笆濉逼陂g完成剩余9個(gè)湖體浮標(biāo)站的建設(shè)，包括澤山、漾西港、漫山、拖山、平臺(tái)山平臺(tái)、蘭山嘴平臺(tái)、小梅口平臺(tái)、五里湖心、烏龜山南9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。同時(shí)考慮到對(duì)太湖藍(lán)藻易出現(xiàn)地區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在舊瀆東增加了1個(gè)浮標(biāo)站的建設(shè)，共計(jì)新增10個(gè)湖體浮標(biāo)站，實(shí)現(xiàn)湖體水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位全覆蓋，全面完善太湖流域水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)。同時(shí)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)湖體自動(dòng)監(jiān)測(cè)的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)手段的創(chuàng)新，為全國(guó)湖體水質(zhì)監(jiān)測(cè)提供先進(jìn)的參考經(jīng)驗(yàn)。

3.2.2 浮標(biāo)類(lèi)型

“十二五”期間優(yōu)化創(chuàng)新了湖體自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，搭建湖體在線(xiàn)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，增配藻類(lèi)分析儀等先進(jìn)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀器，更大范圍的掌握湖體水域水質(zhì)和藍(lán)藻分布情況。目前太湖流域湖體自動(dòng)監(jiān)測(cè)分為浮標(biāo)和監(jiān)測(cè)平臺(tái)兩種類(lèi)型，其中浮標(biāo)型16個(gè)，占總數(shù)的76.2%，監(jiān)測(cè)平臺(tái)型5個(gè)，占總數(shù)的23.8%。

3.2.3 儀器設(shè)備

湖體21個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位中，漫山、拖山、平臺(tái)山平臺(tái)、蘭山嘴平臺(tái)、小梅口平臺(tái)5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝了監(jiān)測(cè)平臺(tái)浮標(biāo)湖體自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其余16個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝了普通型浮標(biāo)型湖體自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)平臺(tái)型浮標(biāo)式湖體自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)就在于，湖體中的固定式監(jiān)測(cè)平臺(tái)更便于安裝分析設(shè)備。

監(jiān)測(cè)平臺(tái)儀器設(shè)備配置基本相同，都配置了平臺(tái)系統(tǒng)、氣象儀、水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)剖面系統(tǒng)、湖流監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)、營(yíng)養(yǎng)鹽監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等9種軟硬件設(shè)備。營(yíng)養(yǎng)鹽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只在拖山進(jìn)行了安裝。而平臺(tái)系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)剖面系統(tǒng)、湖流監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)、攝像頭是普通型浮標(biāo)式湖體自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)沒(méi)有的設(shè)備。普通型浮標(biāo)與監(jiān)測(cè)平臺(tái)型湖體自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不同在于其使用的是浮標(biāo)系統(tǒng)，是非固定式的安裝方式。配置的儀器數(shù)量少于監(jiān)測(cè)平臺(tái)型，只有浮標(biāo)系統(tǒng)、氣象儀、水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)共6種軟硬件。具體見(jiàn)表2。

浮標(biāo)式湖體水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括水質(zhì)五參數(shù)（水溫、pH、溶解氧（DO）、電導(dǎo)率、濁度）、葉綠素和藍(lán)綠藻，監(jiān)測(cè)頻次設(shè)為每2h或4h監(jiān)測(cè)一次（即每天12個(gè)或6個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)），當(dāng)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)狀況明顯變化或發(fā)生污染事故時(shí)，監(jiān)測(cè)頻率可調(diào)整為連續(xù)監(jiān)測(cè)。

4 浮標(biāo)站建設(shè)運(yùn)行效果分析

20個(gè)太湖湖體新調(diào)整點(diǎn)位的浮標(biāo)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)、藻情的連續(xù)、動(dòng)態(tài)監(jiān)控預(yù)警，充分發(fā)揮出自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主導(dǎo)作用，一舉改變以往人工監(jiān)測(cè)存在的工作負(fù)荷高、強(qiáng)度大，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)效性差、代表性不佳等問(wèn)題。

2013年4～10月藍(lán)藻預(yù)警監(jiān)測(cè)期間，通過(guò)衛(wèi)星遙感和浮標(biāo)站監(jiān)測(cè)共計(jì)發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻水華聚集現(xiàn)象94次，以“小面積、零星聚集”為主，主要發(fā)生在西部沿岸區(qū)、竺山湖和湖心區(qū)。2014年4～10月藍(lán)藻預(yù)警監(jiān)測(cè)期間，通過(guò)衛(wèi)星遙感和浮標(biāo)站監(jiān)測(cè)共計(jì)發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻水華聚集現(xiàn)象81次，仍以“小面積區(qū)域性聚集”為主。與2013年相比，藍(lán)藻水華聚集現(xiàn)象發(fā)生次數(shù)減少13次。2015 環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警能力進(jìn)一步提升，充分發(fā)揮水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作用，完善水質(zhì)異常快速調(diào)查處置機(jī)制，共及時(shí)捕獲、果斷處置水質(zhì)異常情況79起，有效保證太湖水質(zhì)安全。

同時(shí)通過(guò)浮標(biāo)站異常數(shù)據(jù)預(yù)警，我省開(kāi)展多次應(yīng)急監(jiān)測(cè)工作。2013年以來(lái)，太湖21個(gè)浮標(biāo)站共捕獲監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)900余萬(wàn)個(gè)，利用浮標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共計(jì)編寫(xiě)太湖藍(lán)藻監(jiān)測(cè)預(yù)警日?qǐng)?bào)777期，實(shí)現(xiàn)了太湖藍(lán)藻水華的全年不間斷連續(xù)監(jiān)測(cè)，及時(shí)將水質(zhì)異常信息發(fā)送至省政府、太湖辦等相關(guān)職能部門(mén)，為政府環(huán)境決策和污染控制提供了及時(shí)、準(zhǔn)確、科學(xué)的依據(jù)。

浮標(biāo)站投入運(yùn)行后，與太湖流域衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)接收解譯系統(tǒng)協(xié)同發(fā)揮太湖藍(lán)藻預(yù)警作用，連續(xù)多年實(shí)現(xiàn)了太湖兩個(gè)確保工作的完成，太湖藍(lán)藻監(jiān)測(cè)預(yù)警有了更直觀有效的監(jiān)測(cè)手段。

參考文獻(xiàn)

[1]江蘇省環(huán)境保護(hù)廳. 2006-2010江蘇省環(huán)境質(zhì)量報(bào)告[M].南京：河海大學(xué)出版社，2012.

[2]李民，范秀濤， 劉世萱. 大型海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)浮標(biāo)的研究與應(yīng)用[J]. 中國(guó)科技成果， 2012， 13（8）： 15-17.

[3]戴洪磊牟乃夏王春玉田茂義我國(guó)海洋浮標(biāo)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)氣象水文海洋儀器Meteorological，Hydrological and Marine Instruments，2014， （2）：118-121.

[4]梁柱，徐恒省，王亞超湖泊藍(lán)藻水華預(yù)警監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用研究污染防治技術(shù)2009，6（22）：97-99.

[5]江蘇省環(huán)境保護(hù)廳.2011-2016江蘇省環(huán)境質(zhì)量報(bào)告[M].南京：河海大學(xué)出版社，2016.