“天地空一體化”重點(diǎn)流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警體系構(gòu)建
——以淮安市為例

江蘇省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)監(jiān)控有限公司 謝飛

一、引言

目前江蘇省內(nèi)生態(tài)環(huán)境部門的主要水質(zhì)考核手段為地標(biāo)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站和人手工監(jiān)測(cè)相結(jié)合，并逐步向全自動(dòng)化轉(zhuǎn)型。2020年，我省生態(tài)環(huán)境機(jī)構(gòu)監(jiān)測(cè)監(jiān)察執(zhí)法垂直管理制度改革已全面完成，區(qū)縣環(huán)境監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)受體制機(jī)制的制約，尚未形成“精、準(zhǔn)、全”的核心監(jiān)測(cè)能力。

遙感反演成了近些年來應(yīng)用廣泛、高效的水質(zhì)協(xié)助監(jiān)測(cè)手段[1-5]?！氨O(jiān)測(cè)范圍廣、高效直觀、低成本”是遙感檢測(cè)技術(shù)的三大主要優(yōu)勢(shì)，適合用于水體和海洋水環(huán)境的長期監(jiān)測(cè)和分析[1]。遙感水質(zhì)監(jiān)測(cè)的原理是利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行模型關(guān)聯(lián)，最終獲得水域的真實(shí)水質(zhì)情況[2]。監(jiān)測(cè)因子涵蓋了總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧、透明度等水質(zhì)重要的考核指標(biāo)[6]，可以較好地滿足水環(huán)境考核指標(biāo)的監(jiān)測(cè)要求。

浮標(biāo)被廣泛用于海洋水質(zhì)監(jiān)測(cè)[7-9]，但它的移動(dòng)載體的特征使得它可以被用于流域水質(zhì)的監(jiān)測(cè)。由于浮標(biāo)站使用傳感器法測(cè)定水質(zhì)因子，所以測(cè)得的數(shù)據(jù)無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)站的精度水平，但是可以滿足水質(zhì)因子的變化趨勢(shì)的呈現(xiàn)，擁有較大的分析參考價(jià)值。

在調(diào)研了江蘇省多地生態(tài)環(huán)境部門的水環(huán)境監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以淮安市為試點(diǎn)，利用浮標(biāo)站、遙感反演結(jié)合大數(shù)據(jù)平臺(tái)，為市區(qū)重點(diǎn)流域水域構(gòu)建“天地空一體化”水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，為現(xiàn)階段江蘇省水環(huán)境監(jiān)測(cè)提供參考和技術(shù)支持。

二、淮安市概況

（一）淮安市斷面水質(zhì)現(xiàn)狀

淮安市共22個(gè)省考斷面，其中肖大橋斷面水質(zhì)目標(biāo)為Ⅴ，蘇嘴排渠、楊灣腰閘、維橋河口水質(zhì)目標(biāo)為Ⅳ，其他18個(gè)斷面的水質(zhì)目標(biāo)均為Ⅲ類。除去8個(gè)國考斷面和22個(gè)省考斷面，2020年新增斷面23個(gè)。

（二）淮安市排污口排查情況概述

淮安市生態(tài)環(huán)境局于2020年實(shí)施的“淮安市排水渠入河排污口排查項(xiàng)目”，以入海水道南北泓和蘇北灌溉總渠，及其清安河、柴米河、紅旗河、文渠河等一級(jí)支流、二級(jí)支流為重點(diǎn)，開展入河排污口排查整治工作。

從監(jiān)測(cè)結(jié)果中篩選出監(jiān)測(cè)超標(biāo)的排口及責(zé)任主體為工業(yè)企業(yè)的排口共54個(gè)（重點(diǎn)排污口）。

（三）體系構(gòu)建的必要性

近年來，隨著淮安市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境精細(xì)化監(jiān)管需求的日益凸顯，淮安市現(xiàn)有環(huán)境監(jiān)測(cè)和管理體系面臨著挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）淮安市現(xiàn)有的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)約60個(gè)（包括浮標(biāo)站），數(shù)據(jù)整合性差，水質(zhì)監(jiān)測(cè)能力薄弱，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)量明顯不足，掌握數(shù)據(jù)不全，無法全面、及時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)狀況。

（2）根據(jù)“十四五”規(guī)劃要求，淮安地區(qū)的國考、省考斷面的數(shù)量增加到57個(gè)、要求國考斷面優(yōu)Ⅲ比例不低于87%，省考斷面優(yōu)Ⅲ比例不低于89%，全面消除劣Ⅴ類，這大大增加了水質(zhì)監(jiān)測(cè)的必要性。由于大型自動(dòng)站的人力物力成本巨大，且純手工監(jiān)測(cè)無法做到實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，淮安市對(duì)水質(zhì)實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控的需求迫切。

（3）“十三五”期間，淮安地區(qū)國省考斷面水質(zhì)超標(biāo)因子最多的是總磷，“袁閘”“洪澤湖淮安片區(qū)”等國考斷面總磷嚴(yán)重超標(biāo)。

（4）根據(jù)淮安市生態(tài)環(huán)境局于2020年實(shí)施的“淮安市排水渠入河排污口排查項(xiàng)目”的技術(shù)報(bào)告，淮安市的入河（湖）排污口是水環(huán)境污染的重要來源。

三、體系設(shè)計(jì)方案

（一）設(shè)計(jì)原則

（1）采用先示范、后推廣的模式。首先在淮安市區(qū)建設(shè)示范工程，然后推廣到其他地區(qū)。本項(xiàng)目為示范工程，在淮安市區(qū)重要河流斷面及沿岸超標(biāo)排污口、大型企業(yè)排污口建設(shè)水質(zhì)浮標(biāo)監(jiān)測(cè)站及視頻監(jiān)控設(shè)備，從水質(zhì)數(shù)據(jù)及視頻憑證兩方面監(jiān)控排污行為。

（2）自動(dòng)監(jiān)測(cè)為核心，多種技術(shù)手段配合使用。在排污企業(yè)的污水入河口，以及飲用水水源地流入口等設(shè)置選擇重量輕、體積小、成本低的浮標(biāo)站，可以實(shí)現(xiàn)快速監(jiān)測(cè)，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)污染事件及污染源。此外，通過無人機(jī)、無人船人工“借眼”巡查監(jiān)測(cè)，獲取現(xiàn)場第一手資料。同時(shí)配合遙感技術(shù)對(duì)河流的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行遙感反演，提供相應(yīng)的水環(huán)境遙感專題產(chǎn)品。

（3）結(jié)合大數(shù)據(jù)平臺(tái)綜合分析。以水質(zhì)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，全面采集水質(zhì)數(shù)據(jù)，運(yùn)用大數(shù)據(jù)算法，對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)和污染源數(shù)據(jù)疊加綜合分析，并結(jié)合模型進(jìn)行量化，實(shí)現(xiàn)水環(huán)境質(zhì)量狀況管理、水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警、水質(zhì)排名、水污染熱點(diǎn)網(wǎng)格溯源等功能。

（二）總體設(shè)計(jì)方案

基于淮安市區(qū)河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、河道體量規(guī)模、手工考核斷面等多種因素。

（1）在市區(qū)內(nèi)進(jìn)行低成本網(wǎng)格化浮標(biāo)站布點(diǎn)與高頻監(jiān)測(cè)，構(gòu)建布局科學(xué)、密度合理的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

（2）結(jié)合遙感反演模型、參數(shù)換算模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等信息化技術(shù)配合無人機(jī)無人船等現(xiàn)場監(jiān)控手段，形成反映及時(shí)、精準(zhǔn)管控的“天空地一體化”監(jiān)控體系。

（3）以大數(shù)據(jù)支撐水環(huán)境評(píng)價(jià)與預(yù)警，為管理部門實(shí)現(xiàn)水環(huán)境精細(xì)化管理提供技術(shù)上的支持。

（三）浮標(biāo)站點(diǎn)位布局方案

在每個(gè)重點(diǎn)排污口下游5-10m處設(shè)置一個(gè)浮標(biāo)站，若存在多個(gè)排污口集中且間隔不超過5m，則只需要在最下游排污口的下游設(shè)置一個(gè)浮標(biāo)站。最終浮標(biāo)站的設(shè)置個(gè)數(shù)略少于重點(diǎn)排污口數(shù)量，但不少于總數(shù)的70%。

（四）無人機(jī)、無人船“借眼”巡查監(jiān)測(cè)

通過“借眼”方式，利用無人機(jī)、無人船等先進(jìn)技術(shù)手段，針對(duì)自動(dòng)站監(jiān)測(cè)、遙感反演出現(xiàn)水質(zhì)有問題的地方，進(jìn)行立體交叉巡河的新方式開展河流輔助巡查及監(jiān)控服務(wù)，全方位探測(cè)水質(zhì)污染實(shí)時(shí)情況，從而做到精準(zhǔn)排查與溯源，確保重要斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

（五）大數(shù)據(jù)平臺(tái)重點(diǎn)功能

淮安市已有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)平臺(tái)以及其他開源數(shù)據(jù)，均能完善本項(xiàng)目軟件平臺(tái)功能，因此要求本項(xiàng)目軟件平臺(tái)具有多源數(shù)據(jù)接入功能，為環(huán)境管理人員要求的其他可接入數(shù)據(jù)提供端口，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的接入和展示。

1.實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

通過點(diǎn)擊“站點(diǎn)”排名列表上點(diǎn)位定位標(biāo)識(shí)或者監(jiān)測(cè)點(diǎn)位地圖標(biāo)識(shí)可以查看該站點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)根據(jù)不同的監(jiān)測(cè)設(shè)備展示所能監(jiān)測(cè)到的污染物實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及最近24小時(shí)的污染物變化趨勢(shì)。同時(shí)可向下鉆取周邊敏感點(diǎn)信息，以便開展污染來源分析。

2.統(tǒng)計(jì)分析

系統(tǒng)對(duì)所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做出統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，幫助管理部門識(shí)別管控的重點(diǎn)區(qū)域和重點(diǎn)時(shí)段，通過對(duì)歷史數(shù)據(jù)（海量數(shù)據(jù)）進(jìn)行最小時(shí)間尺度的分析，結(jié)合空間特征和時(shí)間特征的對(duì)比，可以準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和各個(gè)污染物在不同時(shí)段的污染規(guī)律和特征，以輔助管理人員對(duì)水環(huán)境質(zhì)量管理的時(shí)間尺度細(xì)化至日。

3.報(bào)警及監(jiān)管功能

根據(jù)各污染物實(shí)際排放情況，以實(shí)時(shí)、小時(shí)、天等時(shí)間為單位，自動(dòng)分析和識(shí)別突發(fā)的異常污染排放情況，為網(wǎng)格所在地區(qū)發(fā)現(xiàn)異常排放、了解污染排放規(guī)律、落實(shí)污染控制和執(zhí)法提供技術(shù)支撐，同時(shí)可查看網(wǎng)格內(nèi)的人力部署，対報(bào)警信息進(jìn)行勘察和反饋，及時(shí)應(yīng)對(duì)突發(fā)事件，防患未然。

系統(tǒng)能自動(dòng)判定報(bào)警信息，支持報(bào)警推送，一旦點(diǎn)位出現(xiàn)異常、離線或者超標(biāo)，報(bào)警信息會(huì)通過平臺(tái)、短信或手機(jī)App方式自動(dòng)推送給用戶。

報(bào)警信息包含：站點(diǎn)位置、當(dāng)前監(jiān)測(cè)值、污染因子、污染類型。經(jīng)過人員現(xiàn)場排查反饋，完成事件的處理。

（六）水質(zhì)污染反演遙感監(jiān)測(cè)

隨著對(duì)地物光譜特征研究的深入，算法的改進(jìn)以及傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，遙感監(jiān)測(cè)水質(zhì)從定性發(fā)展到定量，可監(jiān)測(cè)的水質(zhì)指標(biāo)逐漸增多，目前，包括葉綠素a濃度、水體透明度、溶解性有機(jī)物等在內(nèi)的多項(xiàng)指標(biāo)都可以通過遙感技術(shù)進(jìn)行直接或間接的探測(cè)。通過對(duì)流域內(nèi)主要水體的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行遙感反演，可以較好地掌握流域內(nèi)存在問題的地方。同時(shí)，結(jié)合流域內(nèi)土地利用空間分類結(jié)果，將遙感反演成果作為附加參考值，挖掘出流域內(nèi)潛在水質(zhì)污染風(fēng)險(xiǎn)源。

四、小結(jié)

針對(duì)江蘇省水質(zhì)斷面考核與監(jiān)測(cè)預(yù)警現(xiàn)狀的不足，以淮安市為試點(diǎn)提出了一種基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)的水質(zhì)浮標(biāo)站和遙感反演監(jiān)測(cè)體系建設(shè)方案。本課題的主要特點(diǎn)包括如下幾個(gè)方面：

（1）浮標(biāo)站的運(yùn)用為城市水域水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警提供了新的思路，根據(jù)“一口一站”的浮標(biāo)站呈現(xiàn)水質(zhì)變化的趨勢(shì)，從而反映準(zhǔn)確的排污主體，為污水的精準(zhǔn)溯源與整治指明了方向。

（2）衛(wèi)星遙感反演的加入能夠無死角地監(jiān)測(cè)整個(gè)流域的水質(zhì)情況，抓住普通地面監(jiān)測(cè)手段難以監(jiān)測(cè)的死角，同時(shí)遙感反演涵蓋了浮標(biāo)站傳感器法無法測(cè)量的總磷、總氮等因子。結(jié)合無人機(jī)、無人船，形成了“天地空一體化”的高效監(jiān)測(cè)體系。

（3）大數(shù)據(jù)平臺(tái)集成了浮標(biāo)站、遙感數(shù)據(jù)以及市區(qū)本有的標(biāo)準(zhǔn)站及微型站的數(shù)據(jù)，能夠通過算法修訂獲得高效、準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。分析模塊可以對(duì)浮標(biāo)站數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析，同時(shí)設(shè)定多級(jí)預(yù)警閾值，結(jié)合App等通信設(shè)備完成及時(shí)消息推送，完成精準(zhǔn)預(yù)警與溯源。

五、不足與展望

雖然浮標(biāo)站能夠精準(zhǔn)溯源正在排污的排污口，但由于浮標(biāo)站的位置距離排污口過近，水體并未完全稀釋污水，所以多級(jí)預(yù)警的具體因子濃度閾值需要更深入的研究才能得出合理的數(shù)值。