流域水生態(tài)環(huán)境承載力監(jiān)測技術(shù)方法及應用

楊羽菲，唐 婧

(沈陽建筑大學 市政與環(huán)境工程學院，沈陽 110168)

近年來，我國水資源供需矛盾持續(xù)緊張，水生態(tài)環(huán)境惡化與水污染問題日趨嚴重.水資源是一個地區(qū)社會經(jīng)濟系統(tǒng)存在和發(fā)展的基本支撐因素，而水生態(tài)環(huán)境是水資源質(zhì)量的重要體現(xiàn).水生態(tài)環(huán)境承載力是社會、經(jīng)濟發(fā)展，人類生活水平提高及科學技術(shù)進步條件下對水生態(tài)環(huán)境價值的一種認識，其大小是支撐地區(qū)社會經(jīng)濟速度和規(guī)模可持續(xù)發(fā)展的一個重要因素.“水十條”提出了“建立水環(huán)境承載能力監(jiān)測評價體系，實行承載能力監(jiān)測預警”的要求，因此，對于水生態(tài)環(huán)境承載力的監(jiān)測便是對水資源實施保護的一項重要舉措.目前，針對優(yōu)控污染物篩選方法的研究[1-3]較多，但并不完善.本研究進一步總結(jié)了優(yōu)控污染物篩選方法，以期在實際應用中得到更準確的結(jié)果.在監(jiān)測技術(shù)方面，水質(zhì)在線監(jiān)測技術(shù)的應用十分廣泛.謝冰[4]提出利用水質(zhì)自動監(jiān)測對水樣進行自動采集、分析和數(shù)據(jù)上傳，并對現(xiàn)有主流的水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)方案進行改進和探索，以進一步提高管理水平.劉彪等[5]在入湖庫河流斷面建設(shè)水質(zhì)自動監(jiān)測站，極大地降低了流域內(nèi)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的工作壓力和負擔.此外，遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應用比較成熟.萬風年等[6]基于遙感影像，通過建立光譜信息與水質(zhì)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系，快速、大范圍地監(jiān)測溫州溫瑞塘河主河道水體水質(zhì)狀況，估測出電導率、氨氮、總氮和總有機碳4 個水質(zhì)參數(shù).丁華等[7]利用遙感衛(wèi)星反演氨氮和COD 濃度對河水的氨氮和COD污染分布及程度進行整體監(jiān)測，為水體實時動態(tài)監(jiān)測和水污染預警提供了有效的技術(shù)支持.但從全國來看，我國對于水環(huán)境監(jiān)測指標多采用COD總量，未考慮河流功能特異性，生態(tài)指標監(jiān)測技術(shù)方法零散單一，有些地區(qū)對于水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)不靈活、效率低，對于突發(fā)型污染事件的應急監(jiān)測技術(shù)有明顯不足，難以應對可能出現(xiàn)的各種水環(huán)境突發(fā)污染事故.因此，本研究總結(jié)對比了影像反演類監(jiān)測技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)類監(jiān)測技術(shù)、物化類監(jiān)測技術(shù)和應急監(jiān)測技術(shù)4 項適用于水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)方法；同時構(gòu)建了一種監(jiān)測技術(shù)的評估方法，對監(jiān)測技術(shù)適宜度進行得分排序，分析監(jiān)測效率，為實現(xiàn)區(qū)域水資源的高效、安全利用，保障生態(tài)環(huán)境安全和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐，對實現(xiàn)流域水生態(tài)環(huán)境承載能力監(jiān)測預警具有重要意義.

1 優(yōu)控污染物篩選

環(huán)境優(yōu)控污染物指從眾多有毒有害的化學污染物中篩選出的在環(huán)境中出現(xiàn)幾率高、對人體健康和生態(tài)平衡危害大，并具潛在環(huán)境威脅的污染物.如何從眾多的污染物中篩選出應該重點監(jiān)測和治理的指標項目，一直是國內(nèi)外環(huán)保領(lǐng)域研究的重點課題.在篩選環(huán)境優(yōu)先污染物的實踐中，主要有綜合評判法、潛在危害指數(shù)法等，各種方法優(yōu)缺點對比如表1 所示.

表1 篩選方法優(yōu)缺點對比

通過對比發(fā)現(xiàn)，主成分分析法對于主控因子篩選具有更成熟、更準確的優(yōu)點，但主成分分析法會造成無法明確表述哪個主成分代表哪些原始變量，即提取出來的主成分無法清晰地解釋其代表的含義.而因子分析在提取公因子時，不僅注意變量之間是否相關(guān)，還考慮相關(guān)關(guān)系的強弱，使得提取出來的公因子不僅起到降維的作用，還能夠被很好地解釋.因此，可采用因子分析法，結(jié)合相關(guān)性分析對指標項目進行篩選.首先，對指標進行標準化以消除量綱的干擾；其次，對指標數(shù)據(jù)進行因子分析，提取出多個主成分，將指標旋轉(zhuǎn)后荷載值小于0.7 的指標刪除，其余指標進行相關(guān)性分析；最后，根據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果，刪掉與各個主成分中荷載值最大指標相關(guān)性較高的指標(相關(guān)性指數(shù)大于0.7 視為相關(guān)性高)，剩余指標即為篩選出的優(yōu)控污染物.

2 監(jiān)測技術(shù)分類及篩選優(yōu)化

2.1 監(jiān)測技術(shù)分類

2.1.1 影像反演類監(jiān)測技術(shù)

影像反演類監(jiān)測技術(shù)包括衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)和無人機遙感監(jiān)測技術(shù)，主要用于監(jiān)測葉綠素a濃度、懸浮物濃度、有色可溶性有機物和油污染等水質(zhì)特性指標.該類技術(shù)通過在水體光譜特征與水質(zhì)參數(shù)濃度之間建立水質(zhì)參數(shù)估算模型，反演污染物濃度進行監(jiān)測，能夠迅速、同步地監(jiān)測大范圍水環(huán)境質(zhì)量狀況及其動態(tài)變化，彌補了常規(guī)監(jiān)測手段的不足.

遙感監(jiān)測技術(shù)的具體實施步驟為：確定待監(jiān)測的水域，開展水樣采集和遙感影像獲取工作；根據(jù)相關(guān)需求，化驗水樣的相關(guān)參數(shù)；對原始遙感影像進行預處理，掩膜出待監(jiān)測區(qū)域的遙感影像，并確定用于反演的數(shù)據(jù)波段組合；根據(jù)實際情況，選擇模型分析法、半經(jīng)驗分析法和經(jīng)驗分析法中的任意方法進行水質(zhì)反演，生成各類水質(zhì)因子反演成果圖進行分析.以衛(wèi)星遙感技術(shù)中Landsat 8 衛(wèi)星影像作為數(shù)據(jù)源，針對不同指標的遙感監(jiān)測的波段選擇如表2 所示.

表2 不同污染物特性及波段選擇

雖然衛(wèi)星遙感技術(shù)適應性強、監(jiān)測范圍大、效率高，能夠?qū)λw進行實時監(jiān)控，但易受制于天氣影響、過境時間和精度要求，而無人機監(jiān)測能夠填補其空白，增加監(jiān)測手段，同時可搭載各類成像載荷(可見光、熱紅外、多光譜等) 、采樣載荷、微型在線監(jiān)測設(shè)備，為生態(tài)環(huán)境執(zhí)法、環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境應急工作提供有力的支持.國內(nèi)無人機第一次應用于環(huán)保領(lǐng)域是在遼寧省，采用無人機遙感系統(tǒng)對遼河流域進行的遼河治理現(xiàn)狀航拍和遙感監(jiān)測，得到了分辨率為0.1 m 的實景圖像數(shù)據(jù)，并對這些圖像進行了技術(shù)評估，從而及時掌握了遼河治理重點區(qū)域的動態(tài)變化情況.無人機遙感技術(shù)作為一項極具潛力的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，具有實時傳輸影像、續(xù)航時間長、系統(tǒng)保養(yǎng)維修簡便、實用成本低、覆蓋區(qū)域廣、用途多、機動靈活等優(yōu)點，正在得到快速發(fā)展.

2.1.2 物聯(lián)網(wǎng)類監(jiān)測技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)類監(jiān)測技術(shù)包括固定式水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)(水質(zhì)自動監(jiān)測站)和移動式(車載或船載)水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)，主要用于監(jiān)測水質(zhì)理化指標.其監(jiān)測指標及方法如表3 所示.

表3 水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)指標及方法

水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)監(jiān)測自動化以及水污染的預警，對防止污染進一步惡化起到至關(guān)重要的作用.此外，該技術(shù)還可實現(xiàn)水質(zhì)信息在線查詢和共享，快速為管理決策提供科學依據(jù).固定式自動監(jiān)測雖然具有一定的連續(xù)監(jiān)測和預警監(jiān)測能力，但其監(jiān)測點位固定，難以根據(jù)實際情況調(diào)整，靈活性和應對突發(fā)性事故的監(jiān)測能力不足.因此，車載式監(jiān)測技術(shù)因其具有一定的靈活機動性得到了越來越廣泛的關(guān)注.圖1 為車載式監(jiān)測技術(shù)路線.

圖1 水生態(tài)車載監(jiān)測技術(shù)路線

車載式水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)(站)由車載式監(jiān)測平臺及車載監(jiān)測系統(tǒng)組成.監(jiān)測平臺車體分為駕駛區(qū)和實驗區(qū)，實驗區(qū)改造安裝供配電、空調(diào)通風、供排水、輔助配置等設(shè)施；車載監(jiān)測系統(tǒng)主要由取排水單元、水樣預處理及配水單元、監(jiān)測分析單元、通信單元、現(xiàn)場控制單元、輔助分析單元等組成.將以上設(shè)施集成在1 臺車上，可以自動完成水質(zhì)在線監(jiān)測分析過程中的采樣、留樣、分析、數(shù)據(jù)上傳等功能.

2.1.3 物化類監(jiān)測技術(shù)

物化類監(jiān)測技術(shù)包括色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法、紅外吸收光度法、原子發(fā)射光譜法等，通過物理或化學的方法實現(xiàn)對污染物濃度的有效監(jiān)測.該類方法主要用于對農(nóng)藥(殺蟲劑、除草劑)、藥物及個人護理品(PPCPs)、苯酚、多環(huán)芳烴(PAHs)、重金屬等具有典型污染特征的污染物進行測定.

陳賢等[8]利用氣相色譜法分離定性與質(zhì)譜法定性相聯(lián)用的分析方法，對PPCPs 進行了精準測定.蔡霖[9]采用高效液相色譜串聯(lián)二級質(zhì)譜和氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜測試，建立了土壤中110 種農(nóng)藥的多殘留檢測方法.對于油類污染物，紅外吸收光度法的檢測范圍廣、精度高，借助有機萃取劑萃取水中的油類物質(zhì)，并通過計算萃取物在特定波長處的吸光度，得到油類物質(zhì)含量.重金屬離子可以通過原子發(fā)射光譜法識別重金屬元素的波長來判斷其元素種類.在樣本檢測的過程中，借助于捕捉和識別重金屬離子被激發(fā)所產(chǎn)生的特定電磁輻射，從而判斷重金屬元素在檢測樣本中的種類與含量.此類監(jiān)測技術(shù)的精確度較高，但基本在實驗室內(nèi)進行.

2.1.4 應急監(jiān)測技術(shù)

環(huán)境污染事故的高發(fā)使得對監(jiān)測技術(shù)的需求日益迫切，如何采取快速、有效的技術(shù)措施將污染災害降至最低已經(jīng)成為環(huán)境事件應急處理過程中面臨的一個重要問題.因此，現(xiàn)場應急監(jiān)測分析技術(shù)也相應地得到了快速發(fā)展.目前，現(xiàn)場應急監(jiān)測常見的技術(shù)主要有檢測管技術(shù)、試劑盒技術(shù)、便攜式紫外-可見光吸收技術(shù)、便攜式熒光光譜技術(shù)、便攜式紅外光譜儀技術(shù)、便攜式拉曼光譜儀技術(shù)、便攜式氣相色譜技術(shù)、便攜式氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)、便攜式離子色譜技術(shù)、便攜式電化學儀技術(shù)等.環(huán)境污染事故發(fā)生后，應急監(jiān)測人員需在已有調(diào)查資料基礎(chǔ)上，迅速查明事故中污染物種類、污染嚴重程度、波及范圍和發(fā)展趨勢，同時充分利用現(xiàn)場快速監(jiān)測方法進行鑒定和確認.表4 為現(xiàn)場應急監(jiān)測技術(shù)對應的測定項目.

表4 現(xiàn)場應急監(jiān)測技術(shù)和測定項目

此外，實驗室水質(zhì)簡易快速檢測技術(shù)可作為環(huán)境污染事故現(xiàn)場快速監(jiān)測方法的補充，更好地滿足快速、準確的環(huán)境污染事故監(jiān)測需求.針對揮發(fā)性有機物快速監(jiān)測技術(shù)，主要采用頂空技術(shù)和快速氣相色譜技術(shù)，減少樣品預處理和分析時間來提高分析速度；對于半揮發(fā)性有機物監(jiān)測技術(shù)，主要采用小體積萃取技術(shù)、固相微萃取技術(shù)等預處理技術(shù)聯(lián)用快速氣相或液相色譜技術(shù)以減少樣品預處理和分析時間來提高分析速度；快速氣相色譜-串聯(lián)四極桿質(zhì)譜技術(shù)或快速液相色譜-串聯(lián)四極桿質(zhì)譜技術(shù)可對大分子有機物進行快速監(jiān)測，水樣經(jīng)過過濾后就可以直接進樣分析；電感耦合離子質(zhì)譜技術(shù)可實現(xiàn)對重金屬的快速監(jiān)測，水樣也可以經(jīng)過過濾后直接進樣分析.

2.2 監(jiān)測技術(shù)篩選優(yōu)化

對流域水生態(tài)環(huán)境承載力監(jiān)測技術(shù)的篩選要以技術(shù)環(huán)境指標、經(jīng)濟指標和技術(shù)指標作為其評價指標，分析研究技術(shù)的可行性、先進性以及實施效果，從而篩選最合適的流域水生態(tài)承載力監(jiān)測技術(shù).對于技術(shù)篩選方法，國內(nèi)外的研究主要包括層次分析法、模糊數(shù)學法和組合處理方法.通過綜合分析比較，研究采用層次分析法結(jié)合綜合得分法對指標進行權(quán)重賦值以及得分排序，對各項技術(shù)進行綜合評價，確定不同監(jiān)測技術(shù)的技術(shù)適宜度.

2.2.1 指標選取

綜合考慮技術(shù)特點，適用范圍，采用層次分析法構(gòu)建評價指標體系.評價體系分為3 個層次，第1 層次為目標層：技術(shù)適宜度；第2 層次為準則層：環(huán)境依賴性、技術(shù)投資和技術(shù)適用性；第3 層次為指標層：水溫、氣相條件、檢測成本、儀器設(shè)備重復利用率、技術(shù)難易程度、檢出時間、技術(shù)成熟度和可監(jiān)測指標數(shù)等8 項指標，具體如圖2 所示.

圖2 技術(shù)評估指標層次結(jié)構(gòu)

2.2.2 指標權(quán)重賦值方法

利用層次分析法構(gòu)造判斷矩陣，并對判斷矩陣進行指標權(quán)重賦值以及一致性檢驗.

計算出判斷矩陣的最大特征根λmax，公式為

其中，Ai為判斷矩陣的第i行.

3)計算判斷矩陣的一致性比率(CR)，檢驗其一致性.一致性比率的公式為

表5 一致性指標RI 在不同階數(shù)下的取值

一般認為，一致性比率CR＜0.1 時，判斷矩陣的不一致程度在容許范圍之內(nèi)，有滿意的一致性.通過一致性檢驗，可用其歸一化特征向量作為權(quán)向量計算指標權(quán)重.由于二階矩陣完全滿足一致性，因此當判斷矩陣為二階矩陣時，不需要進行一致性檢驗.

2.2.3 監(jiān)測技術(shù)評估

利用綜合得分法對監(jiān)測技術(shù)進行評估，即

其中，iW為三級指標權(quán)重；iC為三級指標賦值.對評估指標進行等級劃分和權(quán)重賦值，通過計算，可以確定各監(jiān)測技術(shù)的適宜度，實現(xiàn)對監(jiān)測技術(shù)的評估，分析其監(jiān)測效率.

3 流域水環(huán)境承載力預警技術(shù)

環(huán)境監(jiān)測預警是環(huán)境保護工作中不可或缺的一環(huán)，也是進一步開展環(huán)境保護工作的前提[10]，其中，對于河流水質(zhì)的監(jiān)測預警尤為重要.基于河段的水體特征，在辨析流域水環(huán)境安全內(nèi)涵、特征及水環(huán)境安全預警需求的基礎(chǔ)上，著眼于社會經(jīng)濟-污染排放-水質(zhì)響應的耦合作用過程，構(gòu)建出水環(huán)境安全預警綜合模型；以預警綜合模型為核心，形成水環(huán)境安全預警技術(shù)框架，并開展多情景預警研究.水環(huán)境安全綜合預警模型的框架及技術(shù)思路見圖3.

圖3 水環(huán)境預警技術(shù)框架

在水質(zhì)預警方面，歐美的河流水質(zhì)監(jiān)測、預測和管理起步較早，相對比較完善.如塞文河水質(zhì)監(jiān)測預警系統(tǒng)實現(xiàn)了完全自動化，且可以通過電話線將信息傳輸給相關(guān)管理部門，對甲醛、氨氮、苯酚、VOCS、農(nóng)藥和多種水質(zhì)指標進行在線監(jiān)測[11]；俄亥俄河有機質(zhì)監(jiān)測預警系統(tǒng)主要負責對俄亥俄河干流和主要支流的下游地區(qū)的水質(zhì)進行監(jiān)測預警，通過對有機物等污染物進行監(jiān)控，可以對污染物隨時間的擴散做出明確詳細的估計，水廠可據(jù)此來決定何時關(guān)閉其進水口或者改變其運行工藝[12].在國內(nèi)，隨著對水環(huán)境的重視，水質(zhì)預警系統(tǒng)的研究和應用逐步完善.GIS 與水質(zhì)模型的有機結(jié)合，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)應用于水環(huán)境預測及評價方面已成為新的趨勢.竇明等[13]綜合運用GIS、RS 等技術(shù)研究了漢江水質(zhì)預警系統(tǒng)，具備水質(zhì)實時監(jiān)控、水污染事故應急響應等功能；洪梅等[14]研究了地下水預警的綜合指標體系，建立了以GIS 為核心技術(shù)的地下水預警信息系統(tǒng)，實現(xiàn)了GIS 技術(shù)與專業(yè)模型的有機結(jié)合；盧金鎖等[15]研究了將聚類分析與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，建立地表水廠原水水質(zhì)預警系統(tǒng)；陳蓓青等[16]提出利用GIS 對各類本底信息有機整合，通過擴散模型的計算分析，為水污染事故預警應急建立了數(shù)字化輔助決策系統(tǒng).

馬曉青等[17]以牛欄江干流七星橋斷面的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選取高錳酸鹽(CODMn)含量為預測指標，采用黃金分割神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對牛欄江干流的水質(zhì)狀況進行了預測.其根據(jù)黃金分割神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法所具有的能優(yōu)化隱含層節(jié)點數(shù)、舍棄依靠經(jīng)驗公式進行人工選取的特點，建立了網(wǎng)絡(luò)拓補結(jié)構(gòu)為4-6-1 的黃金分割神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法水質(zhì)預測模型，利用2016 年7～12 月份的水質(zhì)數(shù)據(jù)作為預測樣本，對該模型計算得到的2016 年7～12月CODMn預測值與實測值進行誤差對比分析，結(jié)果見圖4.

圖4 黃金分割神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法預測結(jié)果

由圖4 可知，黃金分割神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法具有優(yōu)越的擬合效果，可以快速得到最優(yōu)解，在隱含層神經(jīng)元數(shù)確定上，黃金分割神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法不需要反復地網(wǎng)絡(luò)試驗，較為方便快捷.根據(jù)此方法可以掌握河流水質(zhì)的變化情況，實現(xiàn)對河流水質(zhì)的預測、預警，以便及時采取相關(guān)處置措施.

4 結(jié)論

通過對比研究，以因子分析法結(jié)合相關(guān)性分析法，建立了一套適用于全流域的優(yōu)控污染物篩選方法，不僅大大減少了污染物篩查的工作量，還能夠準確掌握河流水質(zhì)的變化.針對不同類型的監(jiān)測指標，歸納總結(jié)出影像反演、物聯(lián)網(wǎng)、物化以及應急監(jiān)測4 類關(guān)鍵監(jiān)測技術(shù)；同時，以層次分析法為基礎(chǔ)，利用綜合得分法對監(jiān)測技術(shù)進行評估，確定不同技術(shù)的適宜度，提高在實際監(jiān)測中的準確性以及工作效率，為流域水生態(tài)環(huán)境承載力評估預警及其業(yè)務(wù)自動化運行奠定基礎(chǔ)，為實現(xiàn)區(qū)域水資源的高效、安全利用，保障生態(tài)環(huán)境安全和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐.