水環(huán)境質(zhì)量智慧監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方法研究

劉海立，秦 成，楊 兵

(重慶市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,重慶 401147)

1 引言

地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的目的是為了準(zhǔn)確掌握和評價地表水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀及其變化趨勢，客觀反映地表水環(huán)境污染對人類生活環(huán)境的影響[1～3]。水環(huán)境監(jiān)測為生態(tài)環(huán)境管理部門實施環(huán)境管理和宏觀決策提供技術(shù)支持、技術(shù)監(jiān)督和技術(shù)服務(wù)，合理、科學(xué)的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布設(shè)是地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的基礎(chǔ)[ 4，5]。

近年來，隨著各級政府對改善水生態(tài)環(huán)境、打好水污染防治攻堅戰(zhàn)等工作的高度重視，自2018年以來，在管理及科研需要下，不斷有地方基于水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)開展水環(huán)境質(zhì)量智慧監(jiān)測工作。目前，國家和地方還沒有專門針對地表水智慧監(jiān)測的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，僅有監(jiān)測斷面布設(shè)規(guī)范、自動監(jiān)測技術(shù)規(guī)范，無系統(tǒng)全面的智慧監(jiān)測內(nèi)容，缺少從斷面布設(shè)、監(jiān)測要求、儀器設(shè)備選型以及質(zhì)量控制等全流程的技術(shù)規(guī)范。由于地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測是一項長期和例行的工作，監(jiān)測斷面和自動監(jiān)測設(shè)備選型更是其中最基礎(chǔ)的工作內(nèi)容，為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)具有真實性、準(zhǔn)確性和完整性，并在法律上更有有效性，根據(jù)重慶市地方特征及生態(tài)環(huán)境工作需要，開展重慶市水環(huán)境質(zhì)量智慧監(jiān)測監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)建設(shè)研究具有重要的現(xiàn)實意義。

2 智慧監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)原則

網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測應(yīng)考慮區(qū)域自然地理信息、水文、氣象等綜合環(huán)境因素，以及城市建設(shè)、工業(yè)布局、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、人口分布等社會特點，滿足污染防治精細(xì)化管理的需求[6～8]。監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)要對監(jiān)測監(jiān)控水體水質(zhì)具有較好的代表性，同時要考慮到土地、電力、通訊的可獲得性、交通的便利性，確保自動監(jiān)測建設(shè)條件的可行性。

3 智慧監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方法

3.1 水環(huán)境控制單元劃分

水環(huán)境控制單元是指集行政區(qū)、水體、控制斷面三要素于一體的空間管理單元，是銜接了行政管理與流域管理的網(wǎng)格單元[9～11]。采用GIS技術(shù)，基于數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)，根據(jù)匯水關(guān)系確定陸域范圍，形成水陸結(jié)合單元，在此基礎(chǔ)上，疊加鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)劃，考慮鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要排污去向等因素，綜合劃定控制單元。具體方法如下。

采用GIS技術(shù)，基于數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)，提取轄區(qū)河流水系分布情況，根據(jù)道路、河流水系走向?qū)EM高程數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，直至水文分析模擬河網(wǎng)與實際河網(wǎng)吻合。從上游到下游、左岸到右岸、支流到干流“自下而上”的順序逐級劃定，從最低級支流開始，篩選匯水面積≥30 km2的支流作為一個匯水單元，其余匯水面積不足30 km2的支流則與上一級支流合并直至滿足面積最低要求。由此確定的所有匯水單元面積均≥30 km2，涵蓋不同級別支流。

將匯水單元疊加到行政區(qū)劃圖上，匯水單元完全包含在一個鄉(xiāng)鎮(zhèn)界內(nèi)的即為一個控制單元，匯水單元涉及多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的則根據(jù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)數(shù)量細(xì)化為多個控制單元?？刂茊卧浴八?陸”的方式進(jìn)行命名，即主要的水體或河段+鄉(xiāng)鎮(zhèn)(如XX河XX鎮(zhèn)控制單元)。對于完整的河流、湖體單元，可直接以河流、湖體名稱作為控制單元名稱。

此過程中需解決兩個關(guān)鍵問題，分別是提取河網(wǎng)流量閾值確定和匯水單元劃定閾值設(shè)置。

3.1.1 提取河網(wǎng)流量閾值確定

通過多次計算，在提取河網(wǎng)時，根據(jù)實際計算柵格單元值(流水累積量)大于800符合重慶市實際情況。以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為主要控制對象，在全市1030個鄉(xiāng)鎮(zhèn)級區(qū)劃劃分出7542個自然小流域單元。得到的水系與重慶河流水系基本吻合。

以萬州區(qū)為例，提取河網(wǎng)流量閾值為大于800時，304條河流，劃分304個匯水單元，萬州區(qū)3457 km2，下轄12個鄉(xiāng)、29個鎮(zhèn)、11個街道辦事處共52個鄉(xiāng)鎮(zhèn)級行政區(qū)劃，平均10 km2一個自然小流域單元，一個鄉(xiāng)鎮(zhèn)平均6個左右的自然小流域單元(圖1)。

圖1 研究區(qū)匯水單元劃分實例

3.1.2 匯水單元劃定閾值設(shè)置

通過流域提取之后，河網(wǎng)將會劃分為不同的自然小流域單元，但是這些直接劃定的單元，有的面積過小，不利于管理和不符合客觀實際。如圖2所示，該鄉(xiāng)鎮(zhèn)境內(nèi)共劃分出14個自然小流域，過于密集，如編號11，即可和編號10合并。

篩選匯水面積≥30 km2的支流作為一個匯水單元，閾值30的確定是根據(jù)實例，同時考慮，重慶市流域面積50 km2以上的河流數(shù)量536條，38個區(qū)縣和2個新區(qū)的實際情況綜合確定。

3.2 水環(huán)境控制單元識別與分級

3.2.1 控制單元識別

全區(qū)(縣)轄區(qū)內(nèi)匯水的最高級別水體(以下簡稱“干流”)所在的控制單元；轄區(qū)內(nèi)干流以外所有國控、市控考核斷面(以下簡稱“考核斷面”)所在的控制單元，水環(huán)境敏感區(qū)(包括保護(hù)區(qū)、飲用水源地等)所在的控制單元為一級控制單元。

水質(zhì)現(xiàn)狀已超Ⅲ類水體的控制單元為二級控制單元。

根據(jù)各控制單元匯水口水質(zhì)現(xiàn)狀監(jiān)測結(jié)果，轄區(qū)內(nèi)污染指數(shù)排名前15%的控制單元為三級控制單元。

其他控制單元為四級控制單元。

圖2 某鄉(xiāng)鎮(zhèn)匯水單元合并實例

3.2.2 各級控制單元監(jiān)測要求

一級控制單元應(yīng)重點監(jiān)測，監(jiān)測指標(biāo)包括但不限于水溫、pH值、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮，湖庫需增測葉綠素a、藻密度。

二級控制單元應(yīng)有針對性監(jiān)測，針對主要超標(biāo)物進(jìn)行監(jiān)測，兼顧pH值、溶解氧、電導(dǎo)率、高錳酸鹽指數(shù)、總磷等參數(shù)。

三級控制單元適當(dāng)降低布點密度，監(jiān)測指標(biāo)包括但不限于pH值、溶解氧、電導(dǎo)率等重要指標(biāo)。

四級控制單元以視頻監(jiān)控為主，有條件的增加對pH值、溶解氧、電導(dǎo)率等水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測。

3.3 斷面布設(shè)技術(shù)要求

背景斷面、對照斷面、消減斷面以及跨界斷面等不同屬性的斷面布設(shè)參照相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。根據(jù)不同原則設(shè)置的監(jiān)測斷面發(fā)生重復(fù)時，只設(shè)置一個監(jiān)測斷面。

3.3.1 一級控制單元

3.3.1.1 干流控制單元監(jiān)測斷面布設(shè)

干流依據(jù)全區(qū)(縣)出境斷面處多年平均流量值確定控制斷面密度，如表1所示。監(jiān)測斷面原則上布設(shè)在各級行政交界處、重要污染源下游、水環(huán)境敏感區(qū)(包括保護(hù)區(qū)、保留區(qū)、飲用水源地等)。

表1 干流監(jiān)測密度一覽

3.3.1.2 其他一級控制單元監(jiān)測斷面布設(shè)

有考核斷面、水環(huán)境敏感區(qū)的一級控制單元，考核斷面、水環(huán)境敏感區(qū)上游5 km范圍內(nèi)，河段長度5 km以上的所有一級支流均需在匯入之前設(shè)置監(jiān)測斷面。

3.3.2 二級控制單元

二級控制單元在整個控制單元的匯水處設(shè)置1個監(jiān)測斷面，在跨界、重點污染區(qū)域下游可以酌情增加1～2個監(jiān)測斷面。

3.3.3 三級、四級控制單元

三級、四級控制單元在整個控制單元的匯水處設(shè)置1個監(jiān)測斷面。

4 網(wǎng)絡(luò)化儀器設(shè)備選擇要求

4.1 監(jiān)測原理

儀器設(shè)備選擇應(yīng)符合以下要求。

一、二級控制單元儀器分析原理應(yīng)符合相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

表2 系統(tǒng)分析原理

三、四級控制單元可選用滿足監(jiān)測要求的其他儀器設(shè)備。

4.2 功能要求

國標(biāo)法儀器至少具備溫度、pH值、電導(dǎo)率、濁度、溶解氧1 min 1測，其他項目1 h 1測功能；具備遠(yuǎn)程控制、斷電自動復(fù)位重啟以及關(guān)鍵參數(shù)上傳等國家水站要求的功能。

其他方法的儀器至少具備1 min 1測的能力，具有數(shù)據(jù)校驗，斷點續(xù)傳，自動補報、超標(biāo)報警等功能；具備良好的擴展性和兼容性；具有遠(yuǎn)程對主機常用設(shè)置進(jìn)行修改和保存的功能。

系統(tǒng)通信協(xié)議滿足最新的《國家地表水自動監(jiān)測系統(tǒng)通信協(xié)議技術(shù)要求》《國家地表水自動監(jiān)測儀器通信協(xié)議技術(shù)要求》通信協(xié)議要求。

5 質(zhì)量控制要求

國標(biāo)法儀器按照《地表水水質(zhì)自動監(jiān)測站運行維護(hù)技術(shù)要求(試行)》的質(zhì)控要求開展。其他方法原理的自動監(jiān)測儀器應(yīng)定期與標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行比對驗證。

6 結(jié)論與建議

水環(huán)境問題具有多元化、復(fù)雜化、區(qū)域間差異較大等問題，難以利用統(tǒng)一的制度和手段有效管理，而依托控制單元的水環(huán)境質(zhì)量智慧監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)能夠系統(tǒng)建立各網(wǎng)格單元涉水環(huán)境問題清單，依此提出針對性的防治措施，是解決當(dāng)前水環(huán)境問題的有效手段。

為進(jìn)一步完善水環(huán)境質(zhì)量智慧監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，今后在以下方面仍需進(jìn)一步研究:進(jìn)一步開展污染源-排污口-水質(zhì)之間定量響應(yīng)關(guān)系研究，科學(xué)確定跨流域區(qū)縣的排污去向；加大遙感監(jiān)測、無人機技術(shù)等新型技術(shù)手段的應(yīng)用，逐步實現(xiàn)水環(huán)境監(jiān)測的空-天-地一體化監(jiān)測。