河湖生態(tài)復蘇的立體監(jiān)測體系構建探討

王 镕，趙紅莉，曹 引，崔 倩，羅志東

（1.中國水利水電科學研究院，100038，北京；2.大連理工大學，116081，大連；3.水利部數(shù)字孿生流域重點實驗室，100038，北京；4.水利部信息中心，100053，北京；5.水利部綜合事業(yè)局水土保持監(jiān)測中心，100053，北京）

2021年12月，水利部印發(fā)《關于復蘇河湖生態(tài)環(huán)境的指導意見》（以下簡稱《指導意見》）、水利部辦公廳印發(fā)《“十四五”時期復蘇河湖生態(tài)環(huán)境實施方案》（以下簡稱《實施方案》），明確了復蘇河湖生態(tài)環(huán)境的主要目標和各項任務措施。河湖生態(tài)監(jiān)測是各項任務落實和目標達成的基礎，而我國現(xiàn)有河湖生態(tài)相關監(jiān)測能力與支撐河湖生態(tài)復蘇要求存在差距，因此提出構建“空天地”一體化立體監(jiān)測體系支撐河湖生態(tài)復蘇的設想。

一、河湖復蘇的任務與監(jiān)測需求

1.河湖生態(tài)復蘇的工作任務

2025年復蘇河湖生態(tài)環(huán)境的具體目標：

①斷流河流、萎縮干涸湖泊修復方面：河湖生態(tài)用水得到一定退還；在正常來水條件下，重點河流力爭實現(xiàn)全線過流；萎縮干涸的重點湖泊水面得到一定恢復。

②河湖生態(tài)流量保障方面：南方重點河流生態(tài)流量得到有效保障，重點湖泊生態(tài)水位得到有效維持；北方重點河流生態(tài)流量保障程度明顯提升。

③河湖水域岸線空間管控方面：規(guī)劃與管理制度建立健全；河湖管理范圍全面劃定；存量“四亂”（亂占、亂采、亂堆、亂建）問題不斷減少；河道采砂秩序穩(wěn)定向好。

④地下水超采綜合治理方面：正常來水條件下力爭年壓減地下水55.5億m3，全國地下水取用總量控制在960億m3以內(nèi)；京津冀等地區(qū)約2/3地下水超采區(qū)實現(xiàn)采補平衡，超采區(qū)城鎮(zhèn)力爭全部實現(xiàn)采補平衡。

⑤水土流失綜合治理方面：人為水土流失得到控制，全國新增水土流失治理面積31萬km2；全國水土保持率提高到73%以上。

2.河湖生態(tài)復蘇的監(jiān)測需求

①斷流河流、萎縮干涸湖泊修復任務需求：重點河流全線流量與河口、尾閭水面面積，重點湖泊水面面積，補水河湖的水量、水質(zhì)和水生態(tài)變化情況等數(shù)據(jù)；

②河湖生態(tài)流量保障任務需求：重點河流斷面生態(tài)流量或水位、重點湖泊水位、重點河湖水質(zhì)、水生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，攔河水利水電工程下泄流量監(jiān)測數(shù)據(jù)等；

③河湖水域岸線空間管控任務需求：河湖水域岸線管控范圍內(nèi)的“四亂”情況、河道采砂情況監(jiān)測數(shù)據(jù)；

④地下水超采綜合治理任務需求：區(qū)域地下水水位、用水戶地下水取用水量動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，區(qū)域地下水降水入滲、人工補給等補給量年度監(jiān)測統(tǒng)計數(shù)據(jù)等；

⑤水土流失綜合治理任務需求：生產(chǎn)建設項目水土保持方案落實情況，全國水土流失年度監(jiān)測數(shù)據(jù)，新增重點治理區(qū)域治理效果監(jiān)測數(shù)據(jù)等。

按照監(jiān)測對象與內(nèi)容，對上述監(jiān)測需求進行分類匯總（見表1）。河湖生態(tài)復蘇的監(jiān)測體系需要涵蓋重點河流湖泊的水位、水量、水面面積、水質(zhì)、水生態(tài)，跨河水利水電工程的下泄流量，河湖水域管控空間的“四亂”與采砂行為，地下水超采區(qū)的地下水水位、開采量和回補量，生產(chǎn)建設項目區(qū)的水土保持行為，水土流失區(qū)域的土壤侵蝕與治理效果等特征。各類對象特征變化速度不同，對監(jiān)測頻次的需求也有所不同。

表1 河湖生態(tài)復蘇監(jiān)測需求

二、我國河湖監(jiān)測體系現(xiàn)狀與差距

1.河湖監(jiān)測體系現(xiàn)狀

河湖復蘇需要監(jiān)測的對象及內(nèi)容與水文、水資源、地下水、河湖監(jiān)管、水土保持等領域的監(jiān)測存在交叉，可以充分利用這些領域已有監(jiān)測基礎開展工作。

（1）水文監(jiān)測

我國目前擁有各類水文站點12萬多處，基本建成水文監(jiān)測站網(wǎng)體系，包括水文站7 000多處、水位站1.6萬多處、雨量站5萬多處，在線測量系統(tǒng)約2 000處，已覆蓋全國170多條主要江河和5 000多條有防洪任務的中小河流。有地表水水質(zhì)測站約1萬處，能夠開展重要湖泊、水庫等水域藻類監(jiān)測及浮游生物、底棲生物、魚類、水生植物等監(jiān)測。

（2）水資源監(jiān)測

經(jīng)過2012—2020年兩期國家水資源監(jiān)控能力項目建設，我國基本建成取用水、水功能區(qū)和大江大河省界斷面三大監(jiān)控體系，目前共有約3.5萬個取用水在線監(jiān)測點，監(jiān)測取用水量約占全國總用水量的50%；實現(xiàn)了對4 000多個水功能區(qū)的水質(zhì)常規(guī)監(jiān)測，基本實現(xiàn)供水人口20萬以上的地表水飲用水水源地水質(zhì)在線監(jiān)測全覆蓋；對300多個大江大河省界水量斷面實現(xiàn)水量在線監(jiān)測；同時利用水文監(jiān)測體系的共享數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對166個已定生態(tài)流量目標的河流斷面進行動態(tài)數(shù)據(jù)采集與分析評價。

（3）地下水監(jiān)測

在已有地下水監(jiān)測工作基礎上，經(jīng)過2015—2020年國家地下水監(jiān)測工程建設，水利部與自然資源部共建成由約2萬個地下水監(jiān)測站點組成的地下水監(jiān)測網(wǎng)，覆蓋全國主要平原區(qū)和16個主要水文地質(zhì)單元，平均站網(wǎng)密度5.7站/1 000 km2，實現(xiàn)了對我國主要平原、盆地和巖溶含水層地下水水位、水質(zhì)的有效監(jiān)測，區(qū)域性地下水專業(yè)監(jiān)測能力和水平大幅提高。

（4）全國河湖遙感監(jiān)測

為支撐2018年河湖“清四亂”專項行動，水利部建立了“全國河湖遙感平臺”，集成“全國水利一張圖”的基礎數(shù)據(jù)服務，利用高分辨率遙感影像（優(yōu)于1m分辨率影像約占90.2%），開展河湖水域空間變化檢測和9類典型地物AI識別，每年開展1次，覆蓋全國流域面積1 000 km2以上的2 221條河流和水面面積1km2以上的2 865個湖泊，按需對重點區(qū)間加強監(jiān)測。

（5）水土保持監(jiān)測

2018年開始進行全國水土保持動態(tài)監(jiān)測和生產(chǎn)建設活動水土保持衛(wèi)星遙感監(jiān)管；2019年地方水行政主管部門利用無人機等加密開展省級遙感監(jiān)管；2020年水利部完成全國國土面積水土保持監(jiān)測年度全覆蓋；2021年起，每年開展2~3次生產(chǎn)建設項目遙感監(jiān)管工作，實現(xiàn)從“被動查”到“主動管”的轉(zhuǎn)變。

2.與河湖生態(tài)復蘇監(jiān)測需求的差距

總結我國河湖監(jiān)測體系現(xiàn)狀，對比河湖生態(tài)復蘇工作目標與監(jiān)測需求，可發(fā)現(xiàn)還存在以下差距：

（1）監(jiān)測內(nèi)容不全面

現(xiàn)有監(jiān)測體系側重于關鍵、典型位置的站點監(jiān)測，如河流斷面水位或流量、地下水水位、用水戶取用水量等，對于以區(qū)域或面為監(jiān)測對象的監(jiān)測內(nèi)容，如河湖水體面積、區(qū)域地下水蓄變量等，受早期技術手段限制，在監(jiān)測體系中缺少考慮，工作中往往以推算為主，缺少實測真值，誤差難以控制。

（2）大范圍監(jiān)測頻次較低

隨著遙感技術的發(fā)展和水利行業(yè)應用的不斷深入，高分辨率衛(wèi)星遙感已在河湖監(jiān)管、水土保持領域開展了業(yè)務化應用，但基本只能做到1年1次全國覆蓋的監(jiān)測頻率，與河湖生態(tài)復蘇監(jiān)測工作期望的頻次存在顯著差異。

（3）重點區(qū)域監(jiān)測站點布設不足

現(xiàn)有業(yè)務監(jiān)測體系的構建多從各自業(yè)務需求出發(fā)，如水文站網(wǎng)中對水位、流量站的設置總體是從防洪和報汛的角度考慮，雖在一定程度上可兼顧生態(tài)流量監(jiān)測，但有些站點在位置上不是生態(tài)關鍵斷面，一些生態(tài)問題突出的區(qū)域站點數(shù)量不夠。

（4）多種監(jiān)測手段協(xié)同不夠

現(xiàn)有利用地面、無人機、衛(wèi)星遙感等多種手段開展的水文、水資源、河湖“四亂”、水土保持的監(jiān)測，各有優(yōu)勢和側重，大多相互獨立、協(xié)同不夠，在各自領域都存在短板，但又未能形成優(yōu)勢聯(lián)合。

三、立體監(jiān)測體系構建設想

1.指導思想與原則

河湖復蘇的立體監(jiān)測體系是在統(tǒng)籌考慮河湖生態(tài)復蘇各項任務的監(jiān)測需求下，利用“空天地”立體協(xié)同的監(jiān)測手段，獲得河湖水體與水域空間、涉水工程設施、區(qū)域地下水與水土保持等各類河湖生態(tài)環(huán)境保護與治理對象更完備的狀態(tài)與變化信息，支撐河湖生態(tài)復蘇目標實現(xiàn)。

參照《實施方案》要求，河湖生態(tài)復蘇立體監(jiān)測體系構建應遵循的指導思想是：從生態(tài)總體性和流域系統(tǒng)性出發(fā)，按照山水林田湖草沙系統(tǒng)治理要求，統(tǒng)籌考慮水資源與水域岸線空間、地表水和地下水、江河流域水和沙的監(jiān)測需求，重點面向斷流河道與萎縮干涸湖泊修復、河湖生態(tài)保護治理、地下水超采綜合治理、水土流失綜合治理等問題，支撐河湖生態(tài)環(huán)境復蘇，保障水生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性提升。

總體構建原則如下：

一是需求統(tǒng)籌，共性集成。遵循系統(tǒng)治理的思想，統(tǒng)籌河湖生態(tài)復蘇各項任務中對監(jiān)測對象和監(jiān)測內(nèi)容、頻次等的需求，對共性對象、內(nèi)容等需求進行整合，在監(jiān)測體系建設上做到一處建設、多處使用。

二是立體多源，優(yōu)勢互補。地面站點、衛(wèi)星遙感、無人機遙感等不同監(jiān)測手段具有各自的優(yōu)缺點，立體監(jiān)測體系構建需要整合各監(jiān)測手段，做到點面互補、時序互補、范圍互補、穩(wěn)定性互補，通過立體多源協(xié)同提高監(jiān)測體系整體的時間、空間、要素覆蓋能力及精度與穩(wěn)定性等。

三是立足已有，優(yōu)化布局。從河湖生態(tài)環(huán)境保護和恢復的需求出發(fā)，評估已有水文、水資源、河湖遙感、地下水和水土保持監(jiān)測體系的支持能力，在充分利用已有基礎前提下，進行新增監(jiān)測規(guī)劃與總體布局優(yōu)化。

2.總體框架

河湖復蘇的立體監(jiān)測體系總體框架（圖1）包括立體監(jiān)測數(shù)據(jù)源和多源協(xié)同能力建設兩大部分，支撐斷流河流和萎縮干涸湖泊修復、河湖生態(tài)流量保障、水域空間管控、地下水超采治理、水土流失治理5方面河湖生態(tài)復蘇任務。

圖1 河湖生態(tài)復蘇立體監(jiān)測體系構建框架

①在立體監(jiān)測數(shù)據(jù)源方面：包括地面監(jiān)測站點監(jiān)測、無人機遙感、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源建設，利用多平臺多手段采集流域、工程項目、河湖生態(tài)環(huán)境的斷面、區(qū)域、多時空分辨率數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對河湖生態(tài)復蘇重點關注對象、要素的全覆蓋。

②在多源協(xié)同能力方面：包括地面站點—無人機、衛(wèi)星—無人機、地面站點—衛(wèi)星不同監(jiān)測手段獲取數(shù)據(jù)源的組合協(xié)同；地表水—地下水、河湖水體—河湖水域空間等不同監(jiān)測對象聯(lián)動與多要素監(jiān)測協(xié)同，流域水—沙、地下水補給—開采—蓄變多過程監(jiān)測協(xié)同等。

3.建設內(nèi)容與途徑

（1）立體監(jiān)測數(shù)據(jù)源建設

主要內(nèi)容包括地面站網(wǎng)與衛(wèi)星、無人機組網(wǎng)建設。地面站網(wǎng)依托現(xiàn)有水文、水資源、地下水、河湖與水土保持監(jiān)測體系，根據(jù)流域、河湖生態(tài)環(huán)境監(jiān)測需求進行數(shù)據(jù)整合集成，對河湖生態(tài)復蘇重點關注區(qū)域，進行地面站網(wǎng)補充完善，同步進行地面站網(wǎng)整體布局的迭代優(yōu)化；衛(wèi)星組網(wǎng)的遴選，考慮衛(wèi)星作為河湖生態(tài)全域、全天候、全要素覆蓋保障的數(shù)據(jù)來源，選取具有光學、微波、重力場、測繪與測高傳感器的衛(wèi)星，統(tǒng)一建設數(shù)據(jù)收集與處理平臺，集成現(xiàn)有河湖、水土保持遙感監(jiān)測系統(tǒng)對水域空間、水土流失等識別算法，開發(fā)集成水文、水資源、地下水、水質(zhì)、河湖水面等遙感算法模塊，建成基于各類衛(wèi)星的河湖生態(tài)復蘇動態(tài)信息獲取能力；無人機監(jiān)測網(wǎng)建設，針對重點區(qū)域突發(fā)事件或地面監(jiān)測設備難以布設區(qū)域的定期巡檢，水域空間與水面監(jiān)管、水體保持監(jiān)管等監(jiān)測需求，可基于現(xiàn)有條件，臨近區(qū)域設備組網(wǎng)共享。

（2）立體監(jiān)測多源協(xié)同能力建設

主要內(nèi)容包括多監(jiān)測手段協(xié)同與多過程多要素協(xié)同能力建設?！疤炜盏亍倍啾O(jiān)測手段協(xié)同，需要對不同來源數(shù)據(jù)的精度與一致性進行分析驗證，在重點關注區(qū)域或典型代表性區(qū)域開展一定數(shù)量的立體多源同步觀測，驗證多源協(xié)同觀測與數(shù)據(jù)融合算法的有效性，集成開發(fā)數(shù)據(jù)融合服務平臺；多要素多過程監(jiān)測協(xié)同，需要根據(jù)水循環(huán)多要素之間的聯(lián)動轉(zhuǎn)換關系、多過程之間驅(qū)動聯(lián)動關系，建立監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換推演關系，以此為基礎進行多源數(shù)據(jù)的相互驗證和融合，并進行算法的平臺集成；依托多源數(shù)據(jù)融合服務平臺，向河湖生態(tài)復蘇的不同工作任務提供不同數(shù)據(jù)組合的信息服務，支撐河湖生態(tài)復蘇動態(tài)監(jiān)管與評價、總體復蘇目標的實現(xiàn)等。

四、總結與展望

我國水文、水資源、地下水、河湖監(jiān)管、水土保持等領域的監(jiān)測體系建設已取得顯著成效，可為河湖生態(tài)復蘇監(jiān)測提供較強支撐，但與需求相比，仍存在監(jiān)測內(nèi)容不全面、大范圍監(jiān)測頻次較低、重點區(qū)域監(jiān)測站點布設不足、多種監(jiān)測手段協(xié)同不夠等問題。徹底解決河湖生態(tài)復蘇工作的數(shù)據(jù)支撐問題，需要從生態(tài)整體性和流域系統(tǒng)性出發(fā)，構建流域和河湖生態(tài)立體監(jiān)測體系。

河湖復蘇的立體監(jiān)測體系構建，還可以放到整個水利行業(yè)立體監(jiān)測體系構建的更大背景下去思考，通過全行業(yè)跨業(yè)務的需求統(tǒng)籌與資源整合，實現(xiàn)更大范圍、更高效的數(shù)據(jù)資源建設優(yōu)化，為各業(yè)務能力提升提供更強保障。 ■