談我國(guó)地表水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)體系現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

江蘇省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)監(jiān)控有限公司 謝飛

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，各類環(huán)境問題也接踵而至。其中，地表水環(huán)境污染已經(jīng)引起廣泛關(guān)注。環(huán)境監(jiān)測(cè)作為環(huán)境保護(hù)的“眼睛”，通過對(duì)反映環(huán)境質(zhì)量的指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視和測(cè)定，以確定環(huán)境污染狀況和環(huán)境質(zhì)量的高低。環(huán)境監(jiān)測(cè)在環(huán)境保護(hù)中起著前哨的作用，是科學(xué)管理環(huán)境的基礎(chǔ)，對(duì)環(huán)境執(zhí)法管理部門落實(shí)環(huán)境治理與保護(hù)提供指導(dǎo)作用。

我國(guó)已開展水環(huán)境監(jiān)測(cè)工作40余年，完善了整套有效合格的手工采樣、實(shí)驗(yàn)室樣品分析、質(zhì)量控制的人工監(jiān)測(cè)體系。然而，手工監(jiān)測(cè)存在時(shí)間、空間上的限制，無法實(shí)現(xiàn)不間斷連續(xù)監(jiān)測(cè)。自動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備的引入，可彌補(bǔ)手工監(jiān)測(cè)的缺陷，對(duì)流動(dòng)水體進(jìn)行24h連續(xù)監(jiān)測(cè)，構(gòu)建區(qū)域監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，及時(shí)查找發(fā)現(xiàn)污染源，妥善解決水環(huán)境污染。目前，我國(guó)地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)已形成國(guó)控——省控——市控三級(jí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可應(yīng)用于環(huán)境質(zhì)量評(píng)估、水功能區(qū)污染總量核算及水環(huán)境質(zhì)量預(yù)警預(yù)報(bào)等方面。

一、水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)體系應(yīng)用現(xiàn)狀

（一）地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)

地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站（簡(jiǎn)稱“水站”）是水質(zhì)參數(shù)的數(shù)據(jù)獲取端，指符合國(guó)家技術(shù)規(guī)范要求，由站房、采水設(shè)備、控制單元、檢測(cè)設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸?shù)热炕虿糠謫卧獦?gòu)成的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備[1]。為盡可能實(shí)現(xiàn)與手工監(jiān)測(cè)結(jié)果的一致性，水站的檢測(cè)原理盡量保持與實(shí)驗(yàn)室方法一致。目前，為進(jìn)一步考核水體功能區(qū)域環(huán)境容量及納污能力，填補(bǔ)手工監(jiān)測(cè)的不足，水利部門已于全國(guó)布設(shè)1400多個(gè)水站，各地環(huán)保部門于各跨省、市、縣界河流及其他重點(diǎn)水體上布設(shè)約1300個(gè)水站[2]。依據(jù)地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)規(guī)范（試行）、《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)和水利部頒布的《水環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范》(SL219—1998)、《水資源監(jiān)控設(shè)備基本技術(shù)條件》(SL426—2008)等標(biāo)準(zhǔn)，湖泊水庫(kù)的水站配置為水質(zhì)五參數(shù)、總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)和葉綠素a等自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器，河道水站配置為常規(guī)五參數(shù)、氨氮和高錳酸鹽指數(shù)等自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器。各地環(huán)保部門針對(duì)當(dāng)?shù)靥卣餍晕廴緯?huì)適當(dāng)增加VOC、重金屬及生物毒性等監(jiān)測(cè)指標(biāo)[3-5]。站點(diǎn)建設(shè)需具備土地、交通、電力等條件。在入湖、入海口還會(huì)使用水質(zhì)浮標(biāo)站等簡(jiǎn)易水質(zhì)監(jiān)測(cè)站[6]。

（二）數(shù)據(jù)平臺(tái)系統(tǒng)和水質(zhì)模型構(gòu)建系統(tǒng)

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)體系中包含數(shù)據(jù)平臺(tái)系統(tǒng)和水質(zhì)模型構(gòu)建系統(tǒng)，數(shù)據(jù)平臺(tái)系統(tǒng)含有水質(zhì)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析挖掘、數(shù)據(jù)可視化監(jiān)測(cè)等模塊，將單個(gè)水站由“點(diǎn)”串成“線”，極大地豐富了水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效利用程度。功能完備的大數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)環(huán)境監(jiān)管部門進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)監(jiān)控、污染溯源、水質(zhì)預(yù)警具有重要意義。丁春梅等[7]根據(jù)黑臭水體產(chǎn)生機(jī)制，選擇黑臭水體特征監(jiān)測(cè)指標(biāo)，基于云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)、GPRS及水質(zhì)浮標(biāo)站構(gòu)建了水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，該體系可將各個(gè)河段污染情況合理分配給各河長(zhǎng)，充分體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在河長(zhǎng)責(zé)任制中的優(yōu)勢(shì)。周煜申等[8]基于水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站大量的數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)分析和深度機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，搭建水環(huán)境評(píng)價(jià)預(yù)警體系。研究表明，水質(zhì)自動(dòng)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合大數(shù)據(jù)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)體系構(gòu)點(diǎn)成網(wǎng)，全方位多維度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析挖掘，實(shí)現(xiàn)綜合水質(zhì)預(yù)警，積極響應(yīng)河長(zhǎng)責(zé)任制，充分發(fā)揮水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)。

水質(zhì)模型系統(tǒng)可基于數(shù)學(xué)模型，對(duì)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行充分使用、深度挖掘。F M asoumi等[9]采用序列不確定擬合(SUFI-2)算法，在參數(shù)不確定條件下對(duì)水庫(kù)二維水動(dòng)力水質(zhì)模型(CE-QUAL-W2)進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)定，開發(fā)了CEQUAL-W2模型來模擬Karkheh大壩水庫(kù)(伊朗西部)的溫度和水面高程。楊家寬等[10]利用WASP6水質(zhì)模型軟件，對(duì)漢江襄樊段現(xiàn)狀水質(zhì)參數(shù)BOD5、NH3-N及DO進(jìn)行了模擬研究，使用2001年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了校驗(yàn)，結(jié)果表明，WASP6水質(zhì)模型軟件可較為精確地模擬出復(fù)雜河段的水質(zhì)參數(shù)。研究表明，無論對(duì)于河道抑或是湖泊水庫(kù)等大面積水域，水質(zhì)參數(shù)模型可在一定程度上反映出水域參數(shù)指標(biāo)的變化趨勢(shì)，起到一定的預(yù)報(bào)預(yù)警作用。

二、水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)體系的發(fā)展趨勢(shì)

發(fā)展基于衛(wèi)星或無人機(jī)遙感影像的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)體系。遙感技術(shù)應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)的方法趨于成熟，國(guó)內(nèi)外研究人員利用特定的遙感平臺(tái)，構(gòu)建特征水域的多水質(zhì)參數(shù)模型，利用空間影像對(duì)水域內(nèi)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行反演解譯，可實(shí)現(xiàn)較大面積水域水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。在水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)體系中引入遙感技術(shù)能將水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)“網(wǎng)”擴(kuò)大至監(jiān)測(cè)“面”。黃宇等[11]利用無人機(jī)高光譜呈現(xiàn)技術(shù)，結(jié)合地面水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了雙波段水質(zhì)參數(shù)最佳模型，對(duì)深圳茅洲河及云南星云湖進(jìn)行了水質(zhì)參數(shù)反演，結(jié)果表明，葉綠素a、懸浮物、總磷和總氮均表現(xiàn)出良好的模型進(jìn)精度。溫爽[12]針對(duì)GF-2傳感器波段，構(gòu)建了黑臭水體識(shí)別算法，以南京主城區(qū)黑臭水體為研究主體，結(jié)合野外實(shí)施獲得的水體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，獲得不同時(shí)期南京市黑臭水體的空間分布圖。李恩[13]基于無人機(jī)高分辨率光譜遙感數(shù)據(jù)，針對(duì)總磷和總氮提出兩種模型反演方法，以遼河入海口為例，進(jìn)行總氮、總磷的水質(zhì)參數(shù)反演。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)遙感反演技術(shù)相比，基于信號(hào)匹配度的模型反演方法和基于求解欠定方程的模型反演方法可有效提高總磷和總氮的反演精確性。

綜上所述，在水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)體系中引入衛(wèi)星遙感及無人機(jī)高光譜遙感技術(shù)，一方面可為水域的水質(zhì)監(jiān)測(cè)提供全新的數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)形式，也進(jìn)一步彌補(bǔ)了傳統(tǒng)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)體系在大范圍水域監(jiān)測(cè)中的缺陷，為大規(guī)模河流、湖泊的整治提供依據(jù)。

相關(guān)鏈接

地表水（surface water），是指陸地表面上動(dòng)態(tài)水和靜態(tài)水的總稱，亦稱“陸地水”，包括各種液態(tài)的和固態(tài)的水體，主要有河流、湖泊、沼澤、冰川、冰蓋等。它是人類生活用水的重要來源之一，也是各國(guó)水資源的主要組成部分。

2019年5月7日，生態(tài)環(huán)境部公布了一季度國(guó)家地表水考核斷面水環(huán)境質(zhì)量排名名單，通報(bào)了一季度全國(guó)水環(huán)境質(zhì)量和目標(biāo)任務(wù)完成情況。

地表水的動(dòng)態(tài)水量為河流徑流和冰川徑流，靜態(tài)水量則用各種水體的儲(chǔ)水量表示。全世界地表水儲(chǔ)量為24254萬億立方米，只占全球水總儲(chǔ)量的1.75%;但地表水體不斷得到大氣降水的補(bǔ)給，經(jīng)過產(chǎn)流、匯流，每年有43.5萬億立方米河流徑流和2.3萬億立方米冰川徑流流入海洋，占入海總量47萬億立方米的94.7%，在全球水循環(huán)中起相當(dāng)重要的作用。另外，內(nèi)流區(qū)域每年產(chǎn)生河流徑流1.0萬億立方米，匯入內(nèi)陸湖泊而消耗于蒸發(fā)。地表水的形態(tài)與氣候有密切的關(guān)系。全世界14900萬平方公里陸地，約有62%的面積有河流、湖泊和沼澤，約有12%的面積被冰川所覆蓋，其余26%的面積為沙漠和半沙漠。

河流分布較廣，水量更新快，便于取用，歷來就是人類開發(fā)利用的主要水源。一個(gè)地區(qū)的地表水資源條件，通常用河流徑流量表示。河流徑流量除了直接受降水的影響外，地形、地質(zhì)、土壤、植被等下墊面因素對(duì)徑流也有明顯的影響。雨水、冰雪融水通過地表或地下補(bǔ)給河流。地下水補(bǔ)給河流部分叫做基流，水量較為穩(wěn)定，水質(zhì)一般良好，對(duì)供水有重要價(jià)值。中國(guó)大小河流的總長(zhǎng)度約為42萬公里，徑流總量達(dá)27115億立方米，占全世界徑流量的5.8%。中國(guó)的河流數(shù)量雖多，但地區(qū)分布卻很不均勻，全國(guó)徑流總量的96%都集中在外流流域，面積占全國(guó)總面積的64%，內(nèi)陸流域僅占4%，面積占全國(guó)總面積的36%。冬季是中國(guó)河川徑流枯水季節(jié)，夏季則豐水季節(jié)。這部分水量是比較容易開發(fā)利用的地表水資源。汛期洪水難以直接利用，需要修建水庫(kù)調(diào)節(jié)。

極地冰川和冰蓋難以大量開采利用，但中低緯度的高山冰川則是比較重要的水資源。高山冰川是“固體水庫(kù)”，儲(chǔ)存固態(tài)降水，泄放冰雪融水，對(duì)河流有補(bǔ)給調(diào)節(jié)作用，使河流的年徑流變化比較穩(wěn)定。中國(guó)的冰川都是山岳冰川，可分為大陸性冰川與海洋性冰川兩大類，其中大陸性冰川約占全國(guó)冰川面積的80%以上。中國(guó)冰川分布于西北、西南地區(qū)河流的源頭，總面積約56500平方公里，總儲(chǔ)量約5萬億立方米，多年平均冰川融水量550億立方米。冰川融水是中國(guó)西北內(nèi)陸河的水源之一，具有干旱年多水，濕潤(rùn)年少水的特點(diǎn)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)十分有利。