左一鳴，李 健，林荷娟

（太湖流域管理局水文局（信息中心），上海 200434）

0 引言

太湖流域是我國經(jīng)濟最發(fā)達、大中城市最密集的地區(qū)之一。隨著太湖流域經(jīng)濟社會的快速發(fā)展和人口的快速增長，流域水資源不足和污染已嚴重制約了流域經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

目前，太湖流域常規(guī)水質監(jiān)測站點 549 處，基本覆蓋了流域內(nèi)的重要河流、湖泊、水庫。按照治水新思路和適應水資源保護工作新形勢的要求，近年來流域內(nèi)陸續(xù)建設了 26 個水質自動監(jiān)測站。常規(guī)水質監(jiān)測頻次基本為每月 1 次，監(jiān)測項目涵蓋了GB3838-2002《地表水環(huán)境質量標準》的 24 項基本項目，另外湖泊站點增加富營養(yǎng)化評價項目，水源地站點增加水源地水質補充項目。水量水質監(jiān)測數(shù)據(jù)在流域水資源保護工作中發(fā)揮了重要作用，但仍存在以下問題：

1）流域內(nèi)未建立統(tǒng)一的水資源監(jiān)測和預警體系。目前流域內(nèi)水利和環(huán)保等部門對太湖、重要河流、水源地均布有地表水監(jiān)測站網(wǎng)，導致多個監(jiān)測網(wǎng)絡并行，監(jiān)測站點和內(nèi)容重復，監(jiān)測體系不盡統(tǒng)一，水資源水環(huán)境信息一致性和可比性較差。

2）水資源監(jiān)測能力不能滿足工作需要。水質監(jiān)測站點尚未全面覆蓋流域劃定的水功能區(qū)；水生態(tài)和富營養(yǎng)化指標的監(jiān)測尚未普及；監(jiān)測方式以定期巡測、人工監(jiān)測為主，監(jiān)控手段以地面監(jiān)測為主，信息時效性較差，監(jiān)測頻次難以滿足決策需要。

為貫徹落實《太湖流域管理條例》，落實最嚴格的水資源管理制度，全面提升太湖流域水環(huán)境監(jiān)測預警能力和水平，在現(xiàn)有地面監(jiān)測站網(wǎng)的基礎上，結合水環(huán)境綜合治理要求，按照統(tǒng)一標準、統(tǒng)一方法、分級建設、資源整合、信息共享的要求，提出結合現(xiàn)有的地面和衛(wèi)星遙感監(jiān)測的優(yōu)勢開展全方位的太湖流域水資源保護一體化監(jiān)測的構想。

1 基于衛(wèi)星遙感的水資源監(jiān)測應用

由于受到自然條件和時空等因素限制，傳統(tǒng)的水環(huán)境監(jiān)測方法具有一定的局限性。隨著遙感技術的不斷進步，遙感技術在水環(huán)境監(jiān)測中的應用也越來越多。例如，用激光熒光雷達監(jiān)測水體中葉綠素，可用來確定水中藻類類型及生長密度，掌握水體富營養(yǎng)化程度[1]；利用紅外遙感測量水體表面水溫，可用于繪制大面積水體等溫線路；從紅外掃描圖像，可確定進入水體的污水擴散特征及苑圖；紫外攝影，可用于地表水體油污染的監(jiān)測；此外，利用水體中懸容物對紫外光的特征吸收，還可用于測量水體中的泥沙含量[2]。

遙感監(jiān)測技術具有許多優(yōu)點，不受時間、地點的限制，可進行大面積水體的快速同步監(jiān)測，迅速測定水體污染特征、污染源狀況等；而且，通過不同季節(jié)、時間的連續(xù)監(jiān)測，重復成像，可了解和掌握水體污染的動態(tài)變化及變化趨勢。遙感技術在水質監(jiān)測領域的應用，有效地提高了現(xiàn)代區(qū)域水質監(jiān)測的科學合理性[3-4]。

2 太湖流域水資源保護天地一體化監(jiān)測體系建設思路

傳統(tǒng)的水資源保護監(jiān)測僅限于水資源保護監(jiān)測分析工作，側重于數(shù)據(jù)的采集。隨著政府和社會對水資源保護監(jiān)測工作重要性認識的逐步深入，發(fā)現(xiàn)這種認識是片面的，因此，提出將與水資源保護監(jiān)測相關的監(jiān)測、評價、預測預警等整合起來，形成的監(jiān)測體系稱為水資源保護天地一體化監(jiān)測體系。

2.1 建設目標

在太湖流域現(xiàn)有水文遙測、水量水質監(jiān)測和巡測等站網(wǎng)的基礎上，充分利用地面和衛(wèi)星遙感監(jiān)測的優(yōu)勢，通過國家、省、市、縣 4 級監(jiān)測部門密切配合，以星地信息同步采集、傳輸和匯集，天地一體化水資源保護信息快速集成、處理和分析，監(jiān)測成果快速輸出并展示為基礎，建立一整套完善的水資源保護監(jiān)測預警體系，為貫徹落實《太湖流域管理條例》和實行最嚴格的水資源管理制度提供基礎數(shù)據(jù)支撐。

2.2 監(jiān)測對象

為落實水資源管理的“三條紅線”，水資源監(jiān)測對象應包括：

1）重要水體、省界河湖、重點水功能區(qū)、藍藻易發(fā)地等的監(jiān)測和國控及省控斷面，自動、常規(guī)監(jiān)測及應急加測的水量和水質信息；

2）重點水功能區(qū)的入河排污口，國控和省控重點污染源（點源、面源）自動、常規(guī)監(jiān)測及應急加測信息；

3）自來水廠水質、污水處理廠排污信息及運行情況；

4）太湖及環(huán)湖口門、望虞河干流及支流、太浦河干流及支流沿線的口門工情信息及運行狀況。

2.3 監(jiān)測體系架構

太湖流域水資源保護天地一體化監(jiān)測體系包括網(wǎng)絡保障、標準、星地監(jiān)測、分析評價和預警等系統(tǒng)。其中標準體系建設保障了監(jiān)測數(shù)據(jù)的一致性；網(wǎng)絡保障體系建設保障了數(shù)據(jù)的完整性；星地監(jiān)測體系建設保障了數(shù)據(jù)的全面性；分析評價系統(tǒng)是對監(jiān)測數(shù)據(jù)的實用性表達；預測預警系統(tǒng)基于以往的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對未來進行預測。由星地監(jiān)測體系監(jiān)測的水資源保護數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡存儲到根據(jù)統(tǒng)一標準建設的數(shù)據(jù)中心，以此為基礎進行分析評價，并進行預警。監(jiān)測體系架構圖如圖1 所示。

圖1 太湖流域水資源保護監(jiān)測體系圖

2.4 建設內(nèi)容

2.4.1 網(wǎng)絡保障體系

在太湖流域水資源保護天地一體化同步監(jiān)測體系中，為保障信息及時、安全、準確地傳輸至數(shù)據(jù)中心，必須建立完善的信息網(wǎng)絡保障體系，保障衛(wèi)星遙感大尺度觀測、自動監(jiān)測站實時監(jiān)測、人工巡測和外部共享等數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡傳輸。

2.4.2 標準體系

在統(tǒng)籌考慮現(xiàn)有各部門和地方監(jiān)測體系的基礎上，太湖流域管理局應組織流域 2 省 1 市（江蘇、浙江、上海）水利、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、氣象、城建等多部門共同開展太湖流域水環(huán)境監(jiān)測站網(wǎng)規(guī)劃編制，完成相關技術標準的制訂和修訂，開展水環(huán)境標準、監(jiān)測規(guī)范、分析方法、質量評價的技術體系研究，進一步完善水資源保護監(jiān)測體系，更好地為流域水資源保護管理和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展服務。

2.4.3 星地監(jiān)測體系

隨著衛(wèi)星遙感、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術的日益成熟，其快速、簡便、同步、客觀、經(jīng)濟等優(yōu)勢為水資源保護和藍藻預警監(jiān)測提供了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)保障，有效彌補了地面常規(guī)監(jiān)測成本高、耗時長、同步性差，難以全面及時反映水環(huán)境質量狀況及發(fā)展趨勢的不足，為建立遙感衛(wèi)片大尺度觀測、自動監(jiān)測站實時監(jiān)測、常規(guī)巡測和移動加測的 4 位一體星地監(jiān)測體系，奠定了堅實的基礎。

1）遙感監(jiān)測。利用遙感衛(wèi)星大范圍、全天候、全天時的優(yōu)勢，定期監(jiān)測太湖流域土地利用、水面面積變化、太湖岸線利用等狀況，以及太湖、淀山湖藍藻爆發(fā)情況，并通過對遙感影像數(shù)據(jù)的實時解析，為藍藻預警提供技術支撐。遙感監(jiān)測的缺點是解析精度相對人工和自動站監(jiān)測低些，但可通過與人工監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行相關性分析，提高數(shù)據(jù)精度。

2）自動站監(jiān)測。采用先進可靠的信息采集技術，在太湖湖體、流域性引供水河道、環(huán)太湖主要出入湖河道、省際邊界主要河湖建設水量和水質自動監(jiān)測站網(wǎng)，實現(xiàn)最快 2 h 監(jiān)測 1 次數(shù)據(jù)，能夠及時掌握出入太湖、省市間的水量水質交換情況。自動站監(jiān)測的缺點是監(jiān)測站的維護成本較高。

3）常規(guī)巡測。對《太湖流域水功能區(qū)劃》確定的 380 個水功能區(qū)和《太湖流域管理條例》中確定的 22 個入太湖河道控制斷面開展地表水質和湖泊水庫富營養(yǎng)化等的監(jiān)測[5-6]，按月發(fā)布流域省界水體、重點水功能區(qū)水資源質量狀況通報。常規(guī)巡測的精度是幾種監(jiān)測方式中最高的，但缺點是需要大量的人力和實驗室設備投入，監(jiān)測頻次低，難以全面及時反映水環(huán)境質量狀況。

4）移動加測。為了提高應對太湖流域突發(fā)性水污染事件的應急監(jiān)測能力，提高應急效率，確保突發(fā)水污染事件應急工作有序、高效的開展，需建立移動式流域水資源保護自動監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)移動監(jiān)測水溫，pH，DO，電導率，氨氮，COD 等指標，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳送至數(shù)據(jù)中心，供監(jiān)督管理部門決策使用。移動監(jiān)測的成本較高，只適合特定時期、小范圍的應急監(jiān)測。

通過建設遙感監(jiān)測、自動站監(jiān)測、常規(guī)巡測和移動加測 4 位一體的星地監(jiān)測體系，以常規(guī)巡測和自動站監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，通過與遙感衛(wèi)片解析數(shù)據(jù)進行比對，建立相關關系，并根據(jù)該關系，類推出全流域水環(huán)境現(xiàn)狀分布情況，實現(xiàn)單點監(jiān)測到全面監(jiān)測的轉變，為流域水環(huán)境綜合治理，水資源保護，以及流域水資源優(yōu)化配置和調(diào)度等提供基礎數(shù)據(jù)和決策支撐。

2.4.4 分析評價系統(tǒng)

目前太湖流域水環(huán)境質量評價主要采用單因子評價方法，即用最差的指標項類別代表水體的類別，缺點是不能綜合反應湖區(qū)的污染狀況。為科學、高效、全面地評價太湖流域水環(huán)境改善的效果，應在星地一體化同步監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎上，開發(fā)水資源保護監(jiān)測數(shù)據(jù)分析評價系統(tǒng)，根據(jù)不同的監(jiān)測數(shù)據(jù)類別，采用單因子、多目標決策、數(shù)據(jù)包絡分析、層次分析、模糊綜合評價和數(shù)理統(tǒng)計等多種評價方法，從不同的分析視角進行動態(tài)分析評價，并將評價結果在系統(tǒng)中進行直觀、友好的表達。通過對不同方法的評價結果進行綜合分析，全面了解太湖流域水環(huán)境狀況。

2.4.5 預警系統(tǒng)

水資源保護預警系統(tǒng)應包括實時信息、評價結果和預測等預警。實時信息預警是對遙感衛(wèi)星、自動監(jiān)測、常規(guī)巡測、移動加測等實時信息超標情況進行預警；評價結果預警是對太湖流域重要河道湖庫和省際邊界河道水質指標類別、重點水功能區(qū)達標情況、太湖等重要湖庫富營養(yǎng)化和藍藻狀況等評價結果超標情況進行預警；預測預警是對藍藻和水資源預測模型預測結果超標情況進行預警。及時對太湖流域水資源水環(huán)境狀況進行預警，有助于提高水資源合理配置和科學調(diào)度水平，可為太湖流域水資源管理與保護輔助決策提供技術支撐。

3 結語

在整合建立遙感衛(wèi)片大尺度觀測、自動監(jiān)測站實時監(jiān)測、常規(guī)巡測和移動加測 4 位一體的星地監(jiān)測體系的基礎上，擴展了監(jiān)測體系內(nèi)涵，在傳統(tǒng)監(jiān)測體系的基礎上補充了標準和網(wǎng)絡保障體系等保障環(huán)境內(nèi)容，同時將分析評價和預警系統(tǒng)等監(jiān)測業(yè)務應用系統(tǒng)納入監(jiān)測體系，使得太湖流域水資源保護天地一體化監(jiān)測體系包含了保障環(huán)境、監(jiān)測手段和業(yè)務應用 3 個層面的內(nèi)容。下一步可基于星地監(jiān)測體系 4 種監(jiān)測方式，從整合資源、共享交換的角度，進一步細化研究能有效整合信息采集、傳輸、存儲、共享的標準體系，為太湖流域水資源保護天地一體化監(jiān)測體系構想的實現(xiàn)提供技術保障。

[1]魏志強，張凱臨，吳東. 機載海洋激光熒光雷達測量海表層葉綠素 a 濃度的算法研究[J]. 中國海洋大學學報，2007 (1): 157-162.

[2]陳文召，李光明，徐竟成，等. 水環(huán)境遙感監(jiān)測技術的應用研究進展[J]. 中國環(huán)境監(jiān)測，2008 (6): 6-9.

[3]李嶸. 遙感技術在水環(huán)境監(jiān)測中的應用研究[J]. 江西化工，2005 (12): 66-68.

[4]秦中，張捷，都金康. 水體污染遙感監(jiān)測的可行性分析[J]. 長江流域資源與環(huán)境，2004,13 (4): 384-388.

[5]太湖流域管理局. 太湖流域水功能區(qū)劃[R]. 北京：中華人民共和國水利部，2010: 9-12.

[6]太湖流域管理局. 太湖流域管理條例[R]. 北京: 中華人民共和國國務院，2011: 16-18.