粵港澳大灣區重要飲用水水源地監督性監測技術體系

崔 凡，寇馨月，馮佑斌，謝宇寧，何穎清，鄭 寧

(1.水利部珠江水利委員會水文局，廣東 廣州 510611；2.珠江水利委員會珠江流域水土保持監測中心站，廣東 廣州 510611；3.珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510611；4.水利部珠江水利委員會，廣東 廣州 510611)

水利部自2006年起建立了全國重要飲用水水源地核準和安全評估制度，飲用水水源地監督管理采用達標建設[1]的4個一級指標和25個二級指標，從水量、水質、監控、制度[2]4個方面進行評估，評價重要水源地的供水安全。各流域機構、水行政主管部門自2011年至今有序推進水源地安全狀況評估工作，飲用水水源保護取得一定成效[3]。新時代中國人民群眾對水資源水生態水環境提出了新的需求[4]，僅依靠達標建設體系不能完全適應建設優質水資源、健康水生態、宜居水環境[5]的要求。為進一步解決高需求與監管能力不足之間的問題，主動管好“盆里的水”，在水利改革發展強監管的背景下[6]，急需采用新的監管手段和技術體系從被動發現問題轉變為主動發現問題，被動管理轉變為主動管理，進一步推動飲用水水源專項監督向常態監管轉變。目前飲用水水源地監測，主要以取水口人工監測結合水源地自動監測站為主，在專項保護行動中偶爾采用無人機巡航開展水源地污染源監測，以上監測獨自開展，未能互相融合。2020年珠江流域監督性監測以粵港澳大灣區為試點，首次將現代化智慧監管手段與業務管理深度融合，對粵港澳大灣區35個重要飲用水水源地開展全覆蓋監督性監測，并初步建立了珠江流域重要飲用水水源地監督性監測技術體系，推進監測活動全流程可追溯和全過程質量可控制，確保監督性監測數據全面、準確、客觀、真實。

本文總結了流域內重要飲用水水源地監督性監測技術體系并進一步思考完善技術體系，以期為水行政主管部門開展飲用水水源地監督提供技術支撐，不斷提升流域飲用水水源監管效能。

1 概況

依據2018、2019年度全國重要飲用水水源地安全保障達標建設評估結果和2017—2019年水源地水質監測數據(月度)，參考生態環境部2018年水源地專項督查結果，結合粵港澳大灣區水安全保障工作需求[7]，選取粵港澳大灣區重要飲用水水源地目錄內的35個水源地開展2020年重要飲用水水源地監督性監測工作，見圖1。根據前期水源地資料情況、分布位置及遙感宏觀監測結果，選取13個飲用水水源地采用遙感宏觀監測[8-10]、無人機巡航監測[11-13]相結合，3個飲用水水源地采用遙感宏觀監測、無人機巡航監測、定點監測相結合的技術體系開展定期監測；抽查監測19個水源地，以遙感宏觀監測判別為主，發現問題時與無人機巡航相結合，必要時與人工定點監測結果比對。

注：各序號對應的水源地名稱見表1。

2 材料與方法

2.1 技術體系

粵港澳大灣區重要飲用水水源地監督性監測技術體系(圖2)主要包含2個層面：①采用遙感宏觀監測技術手段全覆蓋監測水源地現狀，初步排查風險源，監測葉綠素a、懸浮物、CODMn等指標，發現水源地疑似存在的敏感問題，依據水源地實際情況進一步開展精細化監測；②采用無人機巡航監測或定點監測或2種技術手段并行開展水源地精細化監測。其中無人機巡航監測分為常規監測[11]和高光譜監測[12-13]，常規監測開展工作主要為近地面排查風險源和輔助選取采樣斷面，高光譜監測主要是補充水質遙感監測時效性手段之一，衛星遙感影像具有一定的滯后性，對于具有風險源的重要水源地，通過無人機高光譜技術及時監測到水源地的相關指標評估安全情況。定點監測分為人工定點監測和自動定點監測[14]。人工定點監測可根據水源地現狀及安全評估工作需求，選取4個方面指標開展監測，因地制宜，實現科學、高質量、精準監督管理粵港澳大灣區重要飲用水水源地。自動定點監測依托已建、在建、規劃的水文站開展重要河段、跨省(區)市河流水文要素自動監測，實現重要水源地全時段全空間預警、監督。各監測技術手段應用頻次無限制，可根據工作實際需求規劃安排。

注：①常規指標指GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中“表1地表水環境質量標準基本項目標準限值”和“表2集中式生活飲用水地表水源地補充項目標準限值”涉及的29種項目指標；②特定指標指GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中“表3集中式生活飲用水地表水源地特定項目標準限值”涉及的80種項目指標。

2.2 研究材料與方法

開展遙感宏觀監測使用的衛星遙感數據是歐空局哨兵二號(Sentinel-2)，影像處理流程主要包括輻射定標、大氣校正、地理配準等，使得影像能夠更好地展現專題信息，為后續工作奠定基礎。無人機巡航監測采用大疆精靈4pro，設定飛行高度50～120 m，速度0.5～2.0 m/s。定點監測的常規指標、比對指標和其他指標的檢測方法見表2，所采用的試劑等材料均依照檢測方法的要求。

表1 粵港澳大灣區重要飲用水水源地監督性監測方法匯總

表2 定點監測指標的檢測方法匯總

3 研究結果

3.1 遙感宏觀監測

3.1.1風險源排查

對35個水源地開展遙感宏觀監測，共發現疑似風險源計196處，其中定期監測的16個水源地發現疑似風險源102處，抽查監測的19個水源地發現疑似風險源94處。根據《飲用水水源保護區污染防治管理規定》(1989年發布，2010年修正)分類要求，排查發現存在建設項目31處、水質較差入河(庫)支流35處、臨時停靠點56處、垃圾堆放15處、農業生產活動59處等5類疑似風險源。從遙感影像上可判別出：疑似建設項目以碼頭為主，疑似臨時停靠點以木制臨時漁船停靠板為主，疑似農業生產活動以保護區內魚塘養殖為主。

3.1.2葉綠素a、懸浮物、CODMn等指標

基于歐空局哨兵二號(Sentinel-2)2020年1月30日的遙感影像開展水源地水質反演工作，得到葉綠素a、懸浮顆粒物、CODMn的相對空間分布情況(圖3)。3種水質參數在各水源地取水口附近的含量普遍較低，疑似入河(庫)支流、封閉水域含量較高。其中廣州市流溪河水源地西村水廠附近工業區、小樓水廠上游東岸有一處入河明渠和北部庫區河灣段水色較深；珠海-中山磨刀門水道水源地附近，匯入磨刀門水道的石岐河水質較差。以上因素可能會對下游水廠水質造成影響。

a)葉綠素a

3.2 無人機巡航監測

針對于納入定期監測的16個水源地開展無人機巡航監測，主要排查遙感宏觀監測發現的102處疑似風險源。經現場排查，一級保護區內存在疑似風險源43處；二級保護區存在疑似風險源24處。排除了35處疑似風險源，且16個水源地保護區內未發現疑似排污口設施。風險源類型仍為5類，與遙感宏觀監測風險源類型一致，數量有變化，見表3，其中存在疑似建設項目2處、疑似水質較差入河(庫)支流22處、疑似臨時停靠點30處、疑似垃圾堆放2處、疑似農業生產活動11處。疑似建設項目以碼頭為主，經現場核查，均具備建設前置手續，碼頭附近有安全生產警示牌。疑似臨時停靠點均為漁船臨時停靠。疑似垃圾堆放1處為垃圾回收站，1處為小規模建筑垃圾堆放。疑似農業生產活動有魚塘養殖、果園種植等，疑似水質較差入河(庫)支流源于上游存在農田種植、村莊污水排放等。示例見表4。

表3 不同監測手段排查風險源個數變化

表4 粵港澳大灣區重要飲用水水源地排查風險源結果示例

3.3 定點監測

3.3.1人工定點監測

廣州-東莞-惠州東江北干流水源地、深圳水庫水源地和茜坑水庫水源地納入了人工定點監測，開展了常規指標[15]、比對指標和其他指標(水生態指標)的監測工作，其中對常規指標的五日生化需氧量、總磷、總氮、溶解氧、CODMn、氨氮、鐵、石油類等8項指標開展監測與評價，得出各采樣點水質評價結果和水源地整體水質評價結果，對水生態指標總磷、總氮、CODMn、葉綠素a等4項指標監測開展營養狀態評價監測與評價[16]。3個水源地在豐水期8—10月選取10處點位各采樣6次，枯水期10月至次年1月選取10處點位各采樣1次。依據GB 3838—2002《地表水環境質量標準》、SL 395—2007《地表水資源質量評價技術規程》，深圳水庫水源地豐水期和枯水期水質均達Ⅱ類標準，豐水期處于中營養—輕度富營養狀態，枯水期處于中營養狀態；茜坑水庫水源地豐水期和枯水期水質均滿足Ⅲ類標準，均處于中營養狀態；廣州-東莞-惠州東江北干流水源地豐水期一期結果為Ⅳ類，超標項目是溶解氧；二期水質Ⅱ類；枯水期達Ⅱ類標準。

3.3.2遙感宏觀監測與人工定點監測對比結果

為進一步驗證遙感宏觀監測結果的準確性，選取廣州-東莞-惠州東江北干流水源地開展人工定點監測和遙感影像水質反演結果進行了比對(圖4)。①遙感宏觀監測動態對比結果：基于2020年1月30日和10月26日的歐空局哨兵二號遙感影像開展葉綠素a、CODMn的水質遙感反演，2期監測結果表明該水源地的葉綠素a、CODMn水質狀況未發生明顯變化，濃度較低。②遙感宏觀監測與人工定點監測對比結果：對比同期遙感宏觀監測(10月26日)和人工定點監測(10月15日)結果，人工監測該水源地中堂水廠水源保護區、新塘鎮劉屋洲、新塘水廠取水口附近3處葉綠素含量均低于10 μg/L，CODMn均低于0.08 mg/L，葉綠素a、CODMn的含量較低，評價結果為Ⅰ或Ⅱ類。遙感宏觀監測與人工定點監測結果吻合性好。

a)2020年1月30日葉綠素a

4 結語

a)應用遙感宏觀監測、無人機巡航監測、定點監測等多項技術，建立粵港澳大灣區重要飲用水水源地監督性監測技術體系，引用無人機高光譜監測技術和自動定點監測提高了監督性監測技術體系的時效性，實現了對35個重要水源地全覆蓋、動態、準實時監管，高效發現風險源和水質問題，為監督管理指明方向，逐步實現“優質水資源，健康水生態”的目標。

b)遙感宏觀監測疑似風險源196處，對其中納入定期監測水源地的102處風險源采用無人機巡航監測，排除風險源35處，遙感宏觀監測風險源準確率為65.7%，2種技術手段發現疑似風險源種類一致，均為建設項目、水質較差入河(庫)支流、臨時停靠點、垃圾堆放、農業生產活動。對廣州-東莞-惠州東江北干流水源地葉綠素a、CODMn開展了同期的遙感宏觀監測和人工定點監測工作，2種技術手段監測結果均表明葉綠素a、CODMn濃度或含量較低，監測結果吻合性好。

c)初次使用遙感宏觀監測技術開展水源地風險源識別工作，已有較高準確率，但還可提升。在后續開展工作中，持續建立風險源現狀照片與遙感影像圖像特征一一對應的樣本大數據庫，風險源識別準確度將逐漸提高，應用遙感手段識別風險源更具針對性。目前應用水質遙感監測技術已實現初步判別水源地營養狀態，但在實際工作中需要定性定量掌握如葉綠素a等多個水源地營養狀態評價項目的情況，以精準掌握水源地營養狀態分級。基于多期應用水質遙感技術和人工定點監測的水源地水質數據建立模型，可實現應用遙感技術定性定量判別水源地營養分級，此項工作將在后續開展。

致謝：本文在撰寫過程中，得到珠江水利委員會珠江水利科學研究院遙感與地理信息研究所的大力支持，在此表示衷心感謝！