大凌河流域水生態監控框架體系研究

胡 偉

(遼寧省河庫管理服務中心(遼寧省水文局)，沈陽 110003)

由于不合理的水利工程建設運行、水資源過度開發利用和自然稟賦不足等多因素作用，流域水生態安全面臨著嚴峻的挑戰[1]。實現水生態文明戰略目標、支撐社會—經濟—環境—資源高質量協調發展及促進河湖生態健康向好演進，要求結合實際情況加快監控創新。目前，國內學者側重于生態管理、調度、監控等內容的研究，并取得了豐碩的研究成果[2-5]。然而，針對水生態監控尚未形成一套系統、科學的框架體系，特別是在監控實施過程中未全面引入數字地圖、遙感等高新技術，考慮“水利行業強監管”的工作要求創建水生態監控管理平臺的還鮮有報道。據此，文章以河網水系密布且復雜的大凌河流域為例，明確提出水生態監控的內容、流程及其框架體系，創新流域管理和生態監控，以期為保障流域生態安全以及實現社會經濟、資源環境效益多贏提供新的思路。

1 水生態監控分析

1)流域概況。大凌干流(含源頭區)河道全長522km，其中西支河長75km，南支河長108km，西、南支匯合口至入海口河長339km，有涼水河子河、老虎山河、忙牛河及細河等支流，流域總面積23263km2，大凌河在遼寧省內面積為19998km2，占全流域的86%，涉及朝陽縣、朝陽市區、北票市、義縣、凌海市等地區。流域內建設了包含控制斷面、排污口、取水口、水文站等的監控體系和流域信息監測系統，監控手段比較豐富。受人類高強度作用大凌河水生態環境污染問題突出，嚴重影響著沿途經濟發展和用水安全保障。對水生態監控政府的管理政策及手段亟待完善，工作開展技術支撐不足、基礎能力薄弱和支撐理論缺乏等問題。

2)加強水生態監控的必要性。這主要體現在水利部門職責要求、水利改革創新要求、維護河流生命健康的必然需求、新時代發展要求和水生態文明發展要求等方面。

3)水生態監控中高新技術的應用潛力。近年來，隨著計算機、物聯網、無人機、遙感影像等高新技術的快速發展，遙感技術被廣泛應用于水生態保護、水資源管理、水環境監測、水文模擬等領域，為水利工作的順利開展提供了技術支撐[6]。目前，我國學者積極探索了河湖水生態監控工作中遙感技術的應用研究，并實證分析了遙感影像監控的可操作性[7]。通過計算機、互聯網、數字地圖和工業自動化等新技術，優化調整流域生態、水資源、水質監測等單元要素，實現數字化建管目標。采用3S技術創建水資源和GIS專業分析、水量調度等模塊，為水利現代化建設提供技術支撐。

2 水生態監控框架體系

2.1 基本理念

按照“開放共享、綠色生態、協調創新”的理念和新時期水利工程補短板的總基調，聚焦“生態、環境、災害、資源”涉水問題，立足于穩步提升水利信息化水平的總要求，實現河流水生態環境的逐步改善以及流域水生態監控工作的持續創新[8-9]。

2.2 設計原則

1)責任監控、測管并行。加快創建適用于水生態監控的空間網格責任體系，不斷強化監控能力實現水生態監控責任的全面落實，更好地滿足流域監控目標要求。

2)系統監控、技術融合。應將常規水生態監控平臺的監控制度、措施、要素、布局等內容與數字地圖、遙感等高新技術充分銜接，為水生態監控系統的深度融合提供可靠支撐。

3)因地制宜、分類監控。考慮沿線不同地域的具體情況和生態、資源、經濟等因素的差異性，遵循可行性、針對性、差異性等原則提出分類監控要求。

4)頂層設計、全面監控。依據水功能區規劃，從系統性、戰略性的角度上落實最嚴格監控和保護措施，堅守水生態、水環境和水資源等紅線[10]。

2.3 監控目標

科學利用各種新型技術，以水生態管理與空間數據的有效銜接為導向重點監控水生物、水量、水質、流量等要素，創新流域水生態監控工作，確保流域水生態安全和高質量發展，逐步形成社會—經濟—環境—資源效益多贏的新局面。

2.4 監控對象

以遼寧省境內大凌河流域為監控范圍，涉及朝陽縣、朝陽市區、北票市、義縣、凌海市等20余個市縣區，以流域內的排污口、取水口、監控斷面、控制工程等作為主要監控對象，監控要素有蒸發量、降水量、水生物、水質、水量、流量等。

2.5 實施方案

明晰監控對象及范圍的基本特征和情況，對不同監控對象的各個監控要素綜合應用自動化監測、手工監測、遙感遙測、視頻監視等技術手段實行全方位監測，以監測數據為基礎積極開發監管平臺，逐步完成水資源管理、水生態調度等工作。

2.6 保障體系

1)資金保障。在省政府財政預算中列入河湖水生態監控工作經費，為水生態監控運行建立穩定、長效的投入機制。

2)科技保障。為精準、實時、動態地獲取監控對象的數據信息科學運用各種高新技術，通過強化科學技術研究不斷提高水生態管理的精細化水平，保障流域生態和經濟效益目標的實現。

3)組織保障。加快網站責任體系，逐步形成分級負責、上下聯動和層層管控的體制機制，為水生態監控工作的系統高效開展提供支持。

4)隊伍保障。安排專人負責重點斷面、區域的水量和水情監測，定期培訓確保各監控人員熟練掌握相應的專業技能。

3 水生態監控流程及成效

3.1 工作流程

流域水生態監控工作流程如圖1所示。

步驟一：針對整治方案、遙感數據和河湖水生態影響因素等內容，采用實地考察和文獻檢索的方式調查收集相關資料，并匯總、核實相關數據。

步驟二：明確監控對象的數量、空間分布和地理位置等信息，利用數字地圖進行精準化、信息化處理，考慮監測資源配置的地區差異性、實施人員、監控對象復雜程度和鄉鎮級行政范圍完成空間網格劃分。

步驟三：明晰監測難度、重要程度并確定各監控對象的監測要素，優化、調配監測資源空間布局和監控方案，有效融合常規監測方法和新型監測技術，對骨干工程、關鍵參數以及控制斷面等進行重點監測[11]。

步驟四：合理利用相關數據信息，精準計算區域內的河流供水量和行業需水量，科學利用監管平臺實現精細化決策管理、水利調度、取水量控制等內容，提出科學的決策與管理建議，確保大凌河流域水生態監控工作的順利完成。

3.2 重點建設內容

1)蒸發量和降水量監測。以站點為依托也可利用降水量預測模型或購買衛星遙感數據，對降水量和蒸發量進行精準監測預測，從時空上確定水資源支出項和收入項的數量特征[12-14]。

2)非農取退水量監測。以現有政策法規為出發點，促使相關單位按要求計取去排水量，對老化失修或已損壞的計量監測設備及時更換，確保重要取用水工程和重點排污口監測數據的精準度，為流域水資源管理和水污染治理工作提供數據信息。

圖1 大凌河流域水生態監控流程

3)農業用水量監測。流域內灌溉水利用率數據的標定要考慮不同農作物的種植范圍、空間分布、長勢情況和水旱情勢等信息，結合農作物面積數據、分布特點等因素，創建區分灌溉條件與作物類型的單位需水量模型以及農業用水量估算模型，為實現農業需水預警提供數據支持[15]。

4)水生物監測。為掌握生物完整性情況和水生物的空間分布特征，如底棲動物、魚類、浮游植物和動物等，有必要科學監測水生生物群落。其中，底棲動物可利用專用工具對水質采樣斷面、閘壩控制斷面等代表性斷面進行采集；一般地，可結合市場調查、生物標記指示、隨機捕撈采集等多種方式確定魚類數量和種類；可利用浮游生物網對浮游動物和植物進行采集。以樣本數據為依托，通過試驗處理、創建模型和數據庫等實現動態變化模擬。

5)水質監測與反演。在大凌河干支流合理布設采樣點和采樣斷面，完成水樣采集及水質分析工作；根據高分辨率遙感數據和河流實地采集水樣，水體散射與吸收太陽輻射的光譜特征利用高光譜遙感技術監測，建立水質模型反演河流影響因素及其水下光場等參數指標，從而獲取用于分析河湖水質的高精準度系列指標數據。

6)重要控制斷面、控制工程監測。組織監測流域內水庫壩下管理斷面、界首考核斷面、重要水文站的水量和流量，考慮研究對象及其參數指標特征確定監測頻次，通過監測水文站、管控和考核斷面的水流量數據，為維持生態流量和實現水旱預警提供數據支撐。一般地，由工程管理單位組織實施相應的監測工作，如水庫的監測要素有水位、出入庫流量等，閘壩有過流量、閘壩上下游水位等監測要素，充分利用現有的雨量計、水位計、視頻和流量監測設施，為獲取全面系統的水利調度數據提供支持。

7)數據融合。考慮到信息來源廣、數據類型多的實際情況，對數據格式、檢查索引和使用規范等方面都有明確的要求，為實現數據出口標準、數據入口對齊的效果和目的，必須統一轉化存儲格式。為了降低不同系統間的孤島效應，進一步提高系統的擴建性，需要使用指定的標準規范統一數據字典、數據內容含義等。

8)監控管理平臺建設內容。監控管理平臺包含功能模塊層、模型分析層和數據融合層，如圖2所示。

圖2 水生態監控管理平臺框架

監控管理平臺的建設思路如下：①規范化處理多源數據，建設空間操作高效、支撐海量數據及時空特性的數據倉庫，以便數據的及時查用；②應用常規檢測數據空間化技術、地理信息技術以及新型遙感分析處理技術，創建分析水生物運動、農業用水變化和污染物遷移轉化等數據模型；③引入流域干旱預警、取用水管理、監測對象管理等功能模塊，以大數據技術為支撐，從空間化的視角實現各模塊對應功能，實現河湖水生態監控關鍵環節的展現和流域水資源的智能化管理。

4 結 論

1)文章詳細闡述了新時期大凌河流域水生態監控的內容、流程及其框架體系，闡述了建設內容及流程，對新時代流域水生態監控工作的開展提供了新的思路和指導。

2)考慮到現階段深入探索水生態監控框架體系的研究較少，很多方面還不夠完善，在豐富建設內容、更多高新技術融合和尺度擴展等方面仍需進一步深入研究。