談我國地表水環(huán)境自動監(jiān)測體系現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

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

近年來，隨著經(jīng)濟的迅猛發(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)測作為環(huán)境保護的“眼睛”，通過對反映環(huán)境質(zhì)量的指標(biāo)進行監(jiān)視和測定，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)測在環(huán)境保護中起著前哨的作用，是科學(xué)管理環(huán)境的基礎(chǔ)，對環(huán)境執(zhí)法管理部門落實環(huán)境治理與保護提供指導(dǎo)作用。

我國已開展水環(huán)境監(jiān)測工作40余年，完善了整套有效合格的手工采樣、實驗室樣品分析、質(zhì)量控制的人工監(jiān)測體系。然而，手工監(jiān)測存在時間、空間上的限制，無法實現(xiàn)不間斷連續(xù)監(jiān)測。自動環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的引入，可彌補手工監(jiān)測的缺陷，對流動水體進行24h連續(xù)監(jiān)測，構(gòu)建區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，及時查找發(fā)現(xiàn)污染源，妥善解決水環(huán)境污染。目前，我國地表水水質(zhì)自動監(jiān)測已形成國控——省控——市控三級監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系，監(jiān)測數(shù)據(jù)可應(yīng)用于環(huán)境質(zhì)量評估、水功能區(qū)污染總量核算及水環(huán)境質(zhì)量預(yù)警預(yù)報等方面。

一、水質(zhì)自動監(jiān)測體系應(yīng)用現(xiàn)狀

（一）地表水水質(zhì)自動監(jiān)測站點

地表水水質(zhì)自動監(jiān)測站（簡稱“水站”）是水質(zhì)參數(shù)的數(shù)據(jù)獲取端，指符合國家技術(shù)規(guī)范要求，由站房、采水設(shè)備、控制單元、檢測設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸?shù)热炕虿糠謫卧獦?gòu)成的水質(zhì)自動監(jiān)測設(shè)備[1]。為盡可能實現(xiàn)與手工監(jiān)測結(jié)果的一致性，水站的檢測原理盡量保持與實驗室方法一致。目前，為進一步考核水體功能區(qū)域環(huán)境容量及納污能力，填補手工監(jiān)測的不足，水利部門已于全國布設(shè)1400多個水站，各地環(huán)保部門于各跨省、市、縣界河流及其他重點水體上布設(shè)約1300個水站[2]。依據(jù)地表水自動監(jiān)測規(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等自動監(jiān)測儀器，河道水站配置為常規(guī)五參數(shù)、氨氮和高錳酸鹽指數(shù)等自動監(jiān)測儀器。各地環(huán)保部門針對當(dāng)?shù)靥卣餍晕廴緯m當(dāng)增加VOC、重金屬及生物毒性等監(jiān)測指標(biāo)[3-5]。站點建設(shè)需具備土地、交通、電力等條件。在入湖、入海口還會使用水質(zhì)浮標(biāo)站等簡易水質(zhì)監(jiān)測站[6]。

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

水質(zhì)自動監(jiān)測體系中包含數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)和水質(zhì)模型構(gòu)建系統(tǒng)，數(shù)據(jù)平臺系統(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)測等模塊，將單個水站由“點”串成“線”，極大地豐富了水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效利用程度。功能完備的大數(shù)據(jù)平臺對環(huán)境監(jiān)管部門進行水質(zhì)監(jiān)測監(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)生機制，選擇黑臭水體特征監(jiān)測指標(biāo)，基于云平臺、大數(shù)據(jù)、GPRS及水質(zhì)浮標(biāo)站構(gòu)建了水質(zhì)自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，該體系可將各個河段污染情況合理分配給各河長，充分體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在河長責(zé)任制中的優(yōu)勢。周煜申等[8]基于水質(zhì)自動監(jiān)測站大量的數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)分析和深度機器學(xué)習(xí)技術(shù)，搭建水環(huán)境評價預(yù)警體系。研究表明，水質(zhì)自動站監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合大數(shù)據(jù)平臺可實現(xiàn)水質(zhì)自動監(jiān)測體系構(gòu)點成網(wǎng)，全方位多維度對數(shù)據(jù)進行分析挖掘，實現(xiàn)綜合水質(zhì)預(yù)警，積極響應(yīng)河長責(zé)任制，充分發(fā)揮水質(zhì)自動監(jiān)測的數(shù)據(jù)優(yōu)勢。

水質(zhì)模型系統(tǒng)可基于數(shù)學(xué)模型，對水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行充分使用、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)不確定條件下對水庫二維水動力水質(zhì)模型(CE-QUAL-W2)進行自動標(biāo)定，開發(fā)了CEQUAL-W2模型來模擬Karkheh大壩水庫(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，對漢江襄樊段現(xiàn)狀水質(zhì)參數(shù)BOD5、NH3-N及DO進行了模擬研究，使用2001年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了校驗，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，無論對于河道抑或是湖泊水庫等大面積水域，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，起到一定的預(yù)報預(yù)警作用。

二、水質(zhì)自動監(jiān)測體系的發(fā)展趨勢

發(fā)展基于衛(wèi)星或無人機遙感影像的水質(zhì)自動監(jiān)測體系。遙感技術(shù)應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測的方法趨于成熟，國內(nèi)外研究人員利用特定的遙感平臺，構(gòu)建特征水域的多水質(zhì)參數(shù)模型，利用空間影像對水域內(nèi)水質(zhì)參數(shù)進行反演解譯，可實現(xiàn)較大面積水域水質(zhì)自動監(jiān)測。在水質(zhì)自動監(jiān)測體系中引入遙感技術(shù)能將水質(zhì)自動監(jiān)測“網(wǎng)”擴大至監(jiān)測“面”。黃宇等[11]利用無人機高光譜呈現(xiàn)技術(shù)，結(jié)合地面水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建了雙波段水質(zhì)參數(shù)最佳模型，對深圳茅洲河及云南星云湖進行了水質(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)出良好的模型進精度。溫爽[12]針對GF-2傳感器波段，構(gòu)建了黑臭水體識別算法，以南京主城區(qū)黑臭水體為研究主體，結(jié)合野外實施獲得的水體監(jiān)測數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，獲得不同時期南京市黑臭水體的空間分布圖。李恩[13]基于無人機高分辨率光譜遙感數(shù)據(jù)，針對總磷和總氮提出兩種模型反演方法，以遼河入海口為例，進行總氮、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)自動監(jiān)測體系中引入衛(wèi)星遙感及無人機高光譜遙感技術(shù)，一方面可為水域的水質(zhì)監(jiān)測提供全新的數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)形式，也進一步彌補了傳統(tǒng)水質(zhì)自動監(jiān)測體系在大范圍水域監(jiān)測中的缺陷，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家地表水考核斷面水環(huán)境質(zhì)量排名名單，通報了一季度全國水環(huán)境質(zhì)量和目標(biāo)任務(wù)完成情況。

地表水的動態(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水量表示。全世界地表水儲量為24254萬億立方米，只占全球水總儲量的1.75%;但地表水體不斷得到大氣降水的補給，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徑流也有明顯的影響。雨水、冰雪融水通過地表或地下補給河流。地下水補給河流部分叫做基流，水量較為穩(wěn)定，水質(zhì)一般良好，對供水有重要價值。中國大小河流的總長度約為42萬公里，徑流總量達27115億立方米，占全世界徑流量的5.8%。中國的河流數(shù)量雖多，但地區(qū)分布卻很不均勻，全國徑流總量的96%都集中在外流流域，面積占全國總面積的64%，內(nèi)陸流域僅占4%，面積占全國總面積的36%。冬季是中國河川徑流枯水季節(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”，儲存固態(tài)降水，泄放冰雪融水，對河流有補給調(diào)節(jié)作用，使河流的年徑流變化比較穩(wěn)定。中國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冰川面積的80%以上。中國冰川分布于西北、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。冰川融水是中國西北內(nèi)陸河的水源之一，具有干旱年多水，濕潤年少水的特點，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)十分有利。