粵港澳大灣區(qū)重要飲用水水源地監(jiān)督性監(jiān)測(cè)技術(shù)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(huì)水文局，廣東 廣州 510611；2.珠江水利委員會(huì)珠江流域水土保持監(jiān)測(cè)中心站，廣東 廣州 510611；3.珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611；4.水利部珠江水利委員會(huì)，廣東 廣州 510611)

水利部自2006年起建立了全國(guó)重要飲用水水源地核準(zhǔn)和安全評(píng)估制度，飲用水水源地監(jiān)督管理采用達(dá)標(biāo)建設(shè)[1]的4個(gè)一級(jí)指標(biāo)和25個(gè)二級(jí)指標(biāo)，從水量、水質(zhì)、監(jiān)控、制度[2]4個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估，評(píng)價(jià)重要水源地的供水安全。各流域機(jī)構(gòu)、水行政主管部門自2011年至今有序推進(jìn)水源地安全狀況評(píng)估工作，飲用水水源保護(hù)取得一定成效[3]。新時(shí)代中國(guó)人民群眾對(duì)水資源水生態(tài)水環(huán)境提出了新的需求[4]，僅依靠達(dá)標(biāo)建設(shè)體系不能完全適應(yīng)建設(shè)優(yōu)質(zhì)水資源、健康水生態(tài)、宜居水環(huán)境[5]的要求。為進(jìn)一步解決高需求與監(jiān)管能力不足之間的問題，主動(dòng)管好“盆里的水”，在水利改革發(fā)展強(qiáng)監(jiān)管的背景下[6]，急需采用新的監(jiān)管手段和技術(shù)體系從被動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)發(fā)現(xiàn)問題，被動(dòng)管理轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)管理，進(jìn)一步推動(dòng)飲用水水源專項(xiàng)監(jiān)督向常態(tài)監(jiān)管轉(zhuǎn)變。目前飲用水水源地監(jiān)測(cè)，主要以取水口人工監(jiān)測(cè)結(jié)合水源地自動(dòng)監(jiān)測(cè)站為主，在專項(xiàng)保護(hù)行動(dòng)中偶爾采用無人機(jī)巡航開展水源地污染源監(jiān)測(cè)，以上監(jiān)測(cè)獨(dú)自開展，未能互相融合。2020年珠江流域監(jiān)督性監(jiān)測(cè)以粵港澳大灣區(qū)為試點(diǎn)，首次將現(xiàn)代化智慧監(jiān)管手段與業(yè)務(wù)管理深度融合，對(duì)粵港澳大灣區(qū)35個(gè)重要飲用水水源地開展全覆蓋監(jiān)督性監(jiān)測(cè)，并初步建立了珠江流域重要飲用水水源地監(jiān)督性監(jiān)測(cè)技術(shù)體系，推進(jìn)監(jiān)測(cè)活動(dòng)全流程可追溯和全過程質(zhì)量可控制，確保監(jiān)督性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)全面、準(zhǔn)確、客觀、真實(shí)。

本文總結(jié)了流域內(nèi)重要飲用水水源地監(jiān)督性監(jiān)測(cè)技術(shù)體系并進(jìn)一步思考完善技術(shù)體系，以期為水行政主管部門開展飲用水水源地監(jiān)督提供技術(shù)支撐，不斷提升流域飲用水水源監(jiān)管效能。

1 概況

依據(jù)2018、2019年度全國(guó)重要飲用水水源地安全保障達(dá)標(biāo)建設(shè)評(píng)估結(jié)果和2017—2019年水源地水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(月度)，參考生態(tài)環(huán)境部2018年水源地專項(xiàng)督查結(jié)果，結(jié)合粵港澳大灣區(qū)水安全保障工作需求[7]，選取粵港澳大灣區(qū)重要飲用水水源地目錄內(nèi)的35個(gè)水源地開展2020年重要飲用水水源地監(jiān)督性監(jiān)測(cè)工作，見圖1。根據(jù)前期水源地資料情況、分布位置及遙感宏觀監(jiān)測(cè)結(jié)果，選取13個(gè)飲用水水源地采用遙感宏觀監(jiān)測(cè)[8-10]、無人機(jī)巡航監(jiān)測(cè)[11-13]相結(jié)合，3個(gè)飲用水水源地采用遙感宏觀監(jiān)測(cè)、無人機(jī)巡航監(jiān)測(cè)、定點(diǎn)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的技術(shù)體系開展定期監(jiān)測(cè)；抽查監(jiān)測(cè)19個(gè)水源地，以遙感宏觀監(jiān)測(cè)判別為主，發(fā)現(xiàn)問題時(shí)與無人機(jī)巡航相結(jié)合，必要時(shí)與人工定點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果比對(duì)。

注：各序號(hào)對(duì)應(yīng)的水源地名稱見表1。

2 材料與方法

2.1 技術(shù)體系

粵港澳大灣區(qū)重要飲用水水源地監(jiān)督性監(jiān)測(cè)技術(shù)體系(圖2)主要包含2個(gè)層面：①采用遙感宏觀監(jiān)測(cè)技術(shù)手段全覆蓋監(jiān)測(cè)水源地現(xiàn)狀，初步排查風(fēng)險(xiǎn)源，監(jiān)測(cè)葉綠素a、懸浮物、CODMn等指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)水源地疑似存在的敏感問題，依據(jù)水源地實(shí)際情況進(jìn)一步開展精細(xì)化監(jiān)測(cè)；②采用無人機(jī)巡航監(jiān)測(cè)或定點(diǎn)監(jiān)測(cè)或2種技術(shù)手段并行開展水源地精細(xì)化監(jiān)測(cè)。其中無人機(jī)巡航監(jiān)測(cè)分為常規(guī)監(jiān)測(cè)[11]和高光譜監(jiān)測(cè)[12-13]，常規(guī)監(jiān)測(cè)開展工作主要為近地面排查風(fēng)險(xiǎn)源和輔助選取采樣斷面，高光譜監(jiān)測(cè)主要是補(bǔ)充水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)時(shí)效性手段之一，衛(wèi)星遙感影像具有一定的滯后性，對(duì)于具有風(fēng)險(xiǎn)源的重要水源地，通過無人機(jī)高光譜技術(shù)及時(shí)監(jiān)測(cè)到水源地的相關(guān)指標(biāo)評(píng)估安全情況。定點(diǎn)監(jiān)測(cè)分為人工定點(diǎn)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)定點(diǎn)監(jiān)測(cè)[14]。人工定點(diǎn)監(jiān)測(cè)可根據(jù)水源地現(xiàn)狀及安全評(píng)估工作需求，選取4個(gè)方面指標(biāo)開展監(jiān)測(cè)，因地制宜，實(shí)現(xiàn)科學(xué)、高質(zhì)量、精準(zhǔn)監(jiān)督管理粵港澳大灣區(qū)重要飲用水水源地。自動(dòng)定點(diǎn)監(jiān)測(cè)依托已建、在建、規(guī)劃的水文站開展重要河段、跨省(區(qū))市河流水文要素自動(dòng)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)重要水源地全時(shí)段全空間預(yù)警、監(jiān)督。各監(jiān)測(cè)技術(shù)手段應(yīng)用頻次無限制，可根據(jù)工作實(shí)際需求規(guī)劃安排。

注：①常規(guī)指標(biāo)指GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中“表1地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值”和“表2集中式生活飲用水地表水源地補(bǔ)充項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值”涉及的29種項(xiàng)目指標(biāo)；②特定指標(biāo)指GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中“表3集中式生活飲用水地表水源地特定項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值”涉及的80種項(xiàng)目指標(biāo)。

2.2 研究材料與方法

開展遙感宏觀監(jiān)測(cè)使用的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)是歐空局哨兵二號(hào)(Sentinel-2)，影像處理流程主要包括輻射定標(biāo)、大氣校正、地理配準(zhǔn)等，使得影像能夠更好地展現(xiàn)專題信息，為后續(xù)工作奠定基礎(chǔ)。無人機(jī)巡航監(jiān)測(cè)采用大疆精靈4pro，設(shè)定飛行高度50～120 m，速度0.5～2.0 m/s。定點(diǎn)監(jiān)測(cè)的常規(guī)指標(biāo)、比對(duì)指標(biāo)和其他指標(biāo)的檢測(cè)方法見表2，所采用的試劑等材料均依照檢測(cè)方法的要求。

表1 粵港澳大灣區(qū)重要飲用水水源地監(jiān)督性監(jiān)測(cè)方法匯總

表2 定點(diǎn)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的檢測(cè)方法匯總

3 研究結(jié)果

3.1 遙感宏觀監(jiān)測(cè)

3.1.1風(fēng)險(xiǎn)源排查

對(duì)35個(gè)水源地開展遙感宏觀監(jiān)測(cè)，共發(fā)現(xiàn)疑似風(fēng)險(xiǎn)源計(jì)196處，其中定期監(jiān)測(cè)的16個(gè)水源地發(fā)現(xiàn)疑似風(fēng)險(xiǎn)源102處，抽查監(jiān)測(cè)的19個(gè)水源地發(fā)現(xiàn)疑似風(fēng)險(xiǎn)源94處。根據(jù)《飲用水水源保護(hù)區(qū)污染防治管理規(guī)定》(1989年發(fā)布，2010年修正)分類要求，排查發(fā)現(xiàn)存在建設(shè)項(xiàng)目31處、水質(zhì)較差入河(庫(kù))支流35處、臨時(shí)?？奎c(diǎn)56處、垃圾堆放15處、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)59處等5類疑似風(fēng)險(xiǎn)源。從遙感影像上可判別出：疑似建設(shè)項(xiàng)目以碼頭為主，疑似臨時(shí)停靠點(diǎn)以木制臨時(shí)漁船?？堪鍨橹?，疑似農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)以保護(hù)區(qū)內(nèi)魚塘養(yǎng)殖為主。

3.1.2葉綠素a、懸浮物、CODMn等指標(biāo)

基于歐空局哨兵二號(hào)(Sentinel-2)2020年1月30日的遙感影像開展水源地水質(zhì)反演工作，得到葉綠素a、懸浮顆粒物、CODMn的相對(duì)空間分布情況(圖3)。3種水質(zhì)參數(shù)在各水源地取水口附近的含量普遍較低，疑似入河(庫(kù))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(yè)區(qū)、小樓水廠上游東岸有一處入河明渠和北部庫(kù)區(qū)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(zhì)較差。以上因素可能會(huì)對(duì)下游水廠水質(zhì)造成影響。

a)葉綠素a

3.2 無人機(jī)巡航監(jiān)測(cè)

針對(duì)于納入定期監(jiān)測(cè)的16個(gè)水源地開展無人機(jī)巡航監(jiān)測(cè)，主要排查遙感宏觀監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)的102處疑似風(fēng)險(xiǎn)源。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)排查，一級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)存在疑似風(fēng)險(xiǎn)源43處；二級(jí)保護(hù)區(qū)存在疑似風(fēng)險(xiǎn)源24處。排除了35處疑似風(fēng)險(xiǎn)源，且16個(gè)水源地保護(hù)區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)疑似排污口設(shè)施。風(fēng)險(xiǎn)源類型仍為5類，與遙感宏觀監(jiān)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)源類型一致，數(shù)量有變化，見表3，其中存在疑似建設(shè)項(xiàng)目2處、疑似水質(zhì)較差入河(庫(kù))支流22處、疑似臨時(shí)停靠點(diǎn)30處、疑似垃圾堆放2處、疑似農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)11處。疑似建設(shè)項(xiàng)目以碼頭為主，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核查，均具備建設(shè)前置手續(xù)，碼頭附近有安全生產(chǎn)警示牌。疑似臨時(shí)?？奎c(diǎn)均為漁船臨時(shí)?？俊Ｒ伤评逊?處為垃圾回收站，1處為小規(guī)模建筑垃圾堆放。疑似農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)有魚塘養(yǎng)殖、果園種植等，疑似水質(zhì)較差入河(庫(kù))支流源于上游存在農(nóng)田種植、村莊污水排放等。示例見表4。

表3 不同監(jiān)測(cè)手段排查風(fēng)險(xiǎn)源個(gè)數(shù)變化

表4 粵港澳大灣區(qū)重要飲用水水源地排查風(fēng)險(xiǎn)源結(jié)果示例

3.3 定點(diǎn)監(jiān)測(cè)

3.3.1人工定點(diǎn)監(jiān)測(cè)

廣州-東莞-惠州東江北干流水源地、深圳水庫(kù)水源地和茜坑水庫(kù)水源地納入了人工定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，開展了常規(guī)指標(biāo)[15]、比對(duì)指標(biāo)和其他指標(biāo)(水生態(tài)指標(biāo))的監(jiān)測(cè)工作，其中對(duì)常規(guī)指標(biāo)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(xiàng)指標(biāo)開展監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)，得出各采樣點(diǎn)水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果和水源地整體水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)水生態(tài)指標(biāo)總磷、總氮、CODMn、葉綠素a等4項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)測(cè)開展?fàn)I養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)[16]。3個(gè)水源地在豐水期8—10月選取10處點(diǎn)位各采樣6次，枯水期10月至次年1月選取10處點(diǎn)位各采樣1次。依據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》、SL 395—2007《地表水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》，深圳水庫(kù)水源地豐水期和枯水期水質(zhì)均達(dá)Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，豐水期處于中營(yíng)養(yǎng)—輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，枯水期處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)；茜坑水庫(kù)水源地豐水期和枯水期水質(zhì)均滿足Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，均處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)；廣州-東莞-惠州東江北干流水源地豐水期一期結(jié)果為Ⅳ類，超標(biāo)項(xiàng)目是溶解氧；二期水質(zhì)Ⅱ類；枯水期達(dá)Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。

3.3.2遙感宏觀監(jiān)測(cè)與人工定點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)比結(jié)果

為進(jìn)一步驗(yàn)證遙感宏觀監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，選取廣州-東莞-惠州東江北干流水源地開展人工定點(diǎn)監(jiān)測(cè)和遙感影像水質(zhì)反演結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)(圖4)。①遙感宏觀監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)對(duì)比結(jié)果：基于2020年1月30日和10月26日的歐空局哨兵二號(hào)遙感影像開展葉綠素a、CODMn的水質(zhì)遙感反演，2期監(jiān)測(cè)結(jié)果表明該水源地的葉綠素a、CODMn水質(zhì)狀況未發(fā)生明顯變化，濃度較低。②遙感宏觀監(jiān)測(cè)與人工定點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)比結(jié)果：對(duì)比同期遙感宏觀監(jiān)測(cè)(10月26日)和人工定點(diǎn)監(jiān)測(cè)(10月15日)結(jié)果，人工監(jiān)測(cè)該水源地中堂水廠水源保護(hù)區(qū)、新塘鎮(zhèn)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(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅰ或Ⅱ類。遙感宏觀監(jiān)測(cè)與人工定點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合性好。

a)2020年1月30日葉綠素a

4 結(jié)語(yǔ)

a)應(yīng)用遙感宏觀監(jiān)測(cè)、無人機(jī)巡航監(jiān)測(cè)、定點(diǎn)監(jiān)測(cè)等多項(xiàng)技術(shù)，建立粵港澳大灣區(qū)重要飲用水水源地監(jiān)督性監(jiān)測(cè)技術(shù)體系，引用無人機(jī)高光譜監(jiān)測(cè)技術(shù)和自動(dòng)定點(diǎn)監(jiān)測(cè)提高了監(jiān)督性監(jiān)測(cè)技術(shù)體系的時(shí)效性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)35個(gè)重要水源地全覆蓋、動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)管，高效發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)源和水質(zhì)問題，為監(jiān)督管理指明方向，逐步實(shí)現(xiàn)“優(yōu)質(zhì)水資源，健康水生態(tài)”的目標(biāo)。

b)遙感宏觀監(jiān)測(cè)疑似風(fēng)險(xiǎn)源196處，對(duì)其中納入定期監(jiān)測(cè)水源地的102處風(fēng)險(xiǎn)源采用無人機(jī)巡航監(jiān)測(cè)，排除風(fēng)險(xiǎn)源35處，遙感宏觀監(jiān)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)源準(zhǔn)確率為65.7%，2種技術(shù)手段發(fā)現(xiàn)疑似風(fēng)險(xiǎn)源種類一致，均為建設(shè)項(xiàng)目、水質(zhì)較差入河(庫(kù))支流、臨時(shí)?？奎c(diǎn)、垃圾堆放、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)。對(duì)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(jiān)測(cè)和人工定點(diǎn)監(jiān)測(cè)工作，2種技術(shù)手段監(jiān)測(cè)結(jié)果均表明葉綠素a、CODMn濃度或含量較低，監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合性好。

c)初次使用遙感宏觀監(jiān)測(cè)技術(shù)開展水源地風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別工作，已有較高準(zhǔn)確率，但還可提升。在后續(xù)開展工作中，持續(xù)建立風(fēng)險(xiǎn)源現(xiàn)狀照片與遙感影像圖像特征一一對(duì)應(yīng)的樣本大數(shù)據(jù)庫(kù)，風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別準(zhǔn)確度將逐漸提高，應(yīng)用遙感手段識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)源更具針對(duì)性。目前應(yīng)用水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)已實(shí)現(xiàn)初步判別水源地營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，但在實(shí)際工作中需要定性定量掌握如葉綠素a等多個(gè)水源地營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)項(xiàng)目的情況，以精準(zhǔn)掌握水源地營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分級(jí)?；诙嗥趹?yīng)用水質(zhì)遙感技術(shù)和人工定點(diǎn)監(jiān)測(cè)的水源地水質(zhì)數(shù)據(jù)建立模型，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用遙感技術(shù)定性定量判別水源地營(yíng)養(yǎng)分級(jí)，此項(xiàng)工作將在后續(xù)開展。

致謝：本文在撰寫過程中，得到珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)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！