黃 君，張虎軍，江 嵐，宋 挺，戴 敏

1．無錫市環(huán)境監(jiān)測中心站，江蘇 無錫 214121

2．無錫中訊檢測技術有限公司，江蘇 無錫 214423

湖泊富營養(yǎng)化和藍藻水華暴發(fā)是當前我國湖泊面臨的最重要的環(huán)境問題之一，也是全世界關注的湖泊富營養(yǎng)化控制的焦點［1］。近年來我國內陸湖泊面臨的一個主要問題是水體的富營養(yǎng)化，藍藻水華頻繁暴發(fā)，不僅破壞水體景觀和生態(tài)系統(tǒng)平衡，而且由于藍藻在生長過程中釋放毒素，消耗溶解氧，引起水體生物大量死亡，湖泊水質惡化，嚴重威脅了湖泊周圍地區(qū)的飲用水安全［2］。尤其是2007年5月暴發(fā)的“太湖飲用水危機”更是給我們敲響了警鐘，并進一步凸現(xiàn)了我國湖泊富營養(yǎng)化的嚴峻局面和藍藻水華頻發(fā)的現(xiàn)狀［3］。湖泊富營養(yǎng)化治理和控制藍藻水華尤其迫切，對于太湖藍藻水華預警監(jiān)測工作提出了更高的要求，如何發(fā)揮各種預警監(jiān)測技術手段的特點，并建立聯(lián)系各種技術手段的預警監(jiān)測系統(tǒng)，發(fā)揮預警監(jiān)測系統(tǒng)在太湖藍藻水華預警監(jiān)測工作中的積極作用顯得尤為重要。該文在太湖藍藻水華預警監(jiān)測工作基礎上，闡述了預警監(jiān)測工作中使用的監(jiān)測技術手段，根據(jù)各種監(jiān)測技術手段的監(jiān)測指標、監(jiān)測特點及其功能建立各自監(jiān)測系統(tǒng)，包括現(xiàn)場巡視監(jiān)測系統(tǒng)、衛(wèi)星遙感動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、實驗室分析監(jiān)測系統(tǒng)、水質在線自動監(jiān)測系統(tǒng)等，將各系統(tǒng)間相互聯(lián)系的功能相結合，構建能夠實現(xiàn)各監(jiān)測系統(tǒng)功能的太湖藍藻水華預警監(jiān)測綜合系統(tǒng)，該綜合系統(tǒng)整合各子系統(tǒng)提供的藍藻水華預警信息，通過GIS平臺進行信息的分析和展示，發(fā)布太湖藍藻水華預警預報信息，為政府決策和科學治太提供技術支持和保障。

1 太湖藍藻水華預警監(jiān)測

太湖藍藻水華主要是指微囊藻水華。微囊藻為光能自養(yǎng)型浮游微生物，生長在水體中的微囊藻有單體細胞和囊狀不定形群體2種形態(tài)，群體常由幾十個、幾百個甚至上千個單體細胞組成。微囊藻對逆境的耐受能力較強，每年溫度下降后，微囊藻沉入底泥，以休眠孢子形式抵抗低溫侵襲，到來年氣侯、化學、生物等條件成熟時又開始快速生長、繁殖［4］。藍藻水華的“暴發(fā)”是表觀現(xiàn)象，其前提還是藻類一定的生物量，且是一個逐漸形成的過程。根據(jù)生態(tài)學的基本理論和野外對水華形成過程的原位觀測，孔繁翔等［5］提出了藍藻水華成因的四階段理論假設，即在四季分明、擾動劇烈的長江中下游大型淺水湖泊中，藍藻的生長與水華的形成可以分為休眠、復蘇、生物量增加(生長)、上浮及聚集等4個階段，藍藻秋季下沉到底泥表面越冬，春季復蘇，生物量累積和優(yōu)勢確立，并在適當?shù)乃臍庀髼l件下上浮并聚集形成水華，微囊藻的生理特征及每個階段的主導生態(tài)因子各不相同，詳見表1［5］。因此，在不同時期對藍藻生長情況的研究可以更好地掌握藍藻水華形成的原因。

表1 藍藻生長及水華形成的主要階段及主導影響因子

由于藍藻生長和水華的形成是由水體的物理、化學和生物等多種因素共同作用的結果，而且各要素之間關系復雜，因此，要準確、及時地對藍藻水華進行預警，需要將各方面因素綜合來進行分析，在分析過程中需要用到多種監(jiān)測技術手段。根據(jù)目前實際工作情況以及國內外研究進展，分析了在預警監(jiān)測過程中需要運用的幾項監(jiān)測技術手段及利用相關技術手段建立的監(jiān)測系統(tǒng)。

1.1 現(xiàn)場巡視

現(xiàn)場巡視是最原始的監(jiān)測方式，但也是最有效、最直觀的監(jiān)測方法?，F(xiàn)場巡視主要包括氣象條件、視覺特征、理化指標、生物指標、嗅覺特征等觀測因子。氣象條件能準確反映巡視現(xiàn)場的風速、風向、光照等參數(shù)，有助于預測藻類遷移方向和在湖面的聚集程度。視覺特征能夠直觀地反映水體顏色以及水面和水體中藻類分布與聚集形態(tài)，如藻類顆粒大小、顏色、聚集形態(tài)等，根據(jù)藻類的聚集形態(tài)、顆粒大小和藻類顏色可以初步判斷藻類生物密度和藻齡的大小。水華暴發(fā)的一個視覺特征是整個水體中有大量藻類顆粒聚集，藻類顆粒增大，水體顏色由清澈見底的淺綠色逐漸變成黃綠色、灰黃色，當藍藻水華暴發(fā)時，整個湖面出現(xiàn)成片的厚厚的油漆狀藍藻，水華藍藻暴發(fā)后，如果藻類開始死亡，水面成片藻類中間出現(xiàn)白色泡沫，此時還有一個明顯的嗅覺特征是出現(xiàn)腥臭味，這也意味著藻類生理周期的終止［6］。借助便攜式水質多參數(shù)檢測儀(YSI6600V2)能夠在現(xiàn)場快速測定水溫、透明度、pH、溶解氧、電導率、濁度等理化指標以及藍綠藻密度和葉綠素a等生物指標。水體中pH、溶解氧等理化指標可以作為產(chǎn)生腥臭味的原因，而藍綠藻密度和葉綠素a等反映水體生物量大小的指標又可以作為預測藻類聚集范圍的重要依據(jù)。這些指標和感官特征都能通過現(xiàn)場巡視監(jiān)測得到及時、準確的反映，在此基礎上我們建立了現(xiàn)場巡視監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)組成結構及其相互關系見圖1。

1.2 衛(wèi)星遙感監(jiān)測

衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術具有宏觀、動態(tài)、快速、大范圍、周期性等顯著特點，已經(jīng)成為藍藻水華監(jiān)測的重要手段，其在藍藻水華監(jiān)測上的應用，有著常規(guī)監(jiān)測不可替代的優(yōu)點。它既可以滿足大范圍藍藻監(jiān)測的需要，也可以動態(tài)跟蹤藍藻水華的發(fā)生、發(fā)展。在太湖藍藻水華預警監(jiān)測中，可以利用EOS/MODIS、環(huán)境一號小衛(wèi)星(HJ-1 A/B)等遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，提供藍藻水華暴發(fā)時間、暴發(fā)面積、遷移方向等信息，結合地理信息系統(tǒng)統(tǒng)計藍藻水華暴發(fā)頻次，并預測可能到達區(qū)域與分布范圍。利用2012—2013年EOS/MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，監(jiān)測太湖藍藻水華發(fā)生時間、藍藻水華暴發(fā)面積、暴發(fā)頻次、遷移方向等信息。2012年和2013年太湖藍藻水華暴發(fā)頻次見圖2，2012年和2013年藍藻水華平均聚集面積對比見圖3。

圖1 現(xiàn)場巡視監(jiān)測系統(tǒng)組成圖

圖2 太湖藍藻水華暴發(fā)頻次

遙感技術在水質監(jiān)測中常用的方法有3種:物理方法、經(jīng)驗方法和半經(jīng)驗方法［7］，通過這些方法可以對水體中水溫、懸浮物濃度等理化指標進行估測，同時可以通過在衛(wèi)星遙感影像上產(chǎn)生類似陸生植被的光譜特征，實現(xiàn)對葉綠素a、藻類密度等指標的反演估算。劉堂友等［8］通過室內實驗發(fā)現(xiàn)微囊藻光譜在550 nm、710 nm處有2個非常明顯的反射波峰，在440 nm和670 nm處有非常明顯的吸收峰，特別是微囊藻在620 nm附近有一個吸收峰，該吸收峰是微囊藻所含有的藻青蛋白產(chǎn)生的，這是藍藻所獨特含有的色素，其他藻類沒有［9-10］，微囊藻所特有的光譜特征使得遙感監(jiān)測微囊藻濃度成為可能。根據(jù)遙感反演估算得出藍藻生物量，通過與理化指標的綜合分析來評判藍藻水華暴發(fā)程度，評估在環(huán)境因子的影響下是否會發(fā)生湖泛。在藍藻水華暴發(fā)頻次數(shù)據(jù)統(tǒng)計、水華分布范圍趨勢研判和暴發(fā)湖泛風險評估基礎上發(fā)布預警結果信息。通過綜合藍藻水華暴發(fā)信息、水質和藍藻生物量的遙感反演模型、發(fā)生湖泛的風險評估建立衛(wèi)星遙感動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)組成結構及其相互關系見圖4。

圖3 2012—2013年太湖藍藻水華平均聚集面積對比

圖4 衛(wèi)星遙感動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)組成圖

1.3 實驗室分析

1.3.1 營養(yǎng)鹽濃度監(jiān)測

水體中充足的營養(yǎng)鹽造成藍藻(尤其是微囊藻)的迅速繁殖、生產(chǎn)［11］，營養(yǎng)鹽是影響微囊藻的主要非生物因子之一，其中氮和磷是影響微囊藻生長的主要營養(yǎng)元素［12］。氮、磷營養(yǎng)鹽濃度的增加是導致湖泊富營養(yǎng)化的主要原因，也直接誘發(fā)了太湖藍藻水華。而氮和磷的作用往往是相互影響的，不同的氮磷比不僅會對細胞的生長造成影響，甚至影響到細胞內物質的合成與積累［13］。目前，關于微囊藻水華的爆發(fā)機理還處在研究狀態(tài)，多數(shù)人認為，微囊藻的爆發(fā)與無機氮、磷含量增加密切相關［14］。通過分析2013年4—11月全太湖總氮、總磷濃度的月度變化，對不同氮磷比與藻類密度進行相關性回歸，得到氮磷比與藻類密度之間的回歸方程為y=－0.043x+66.266，r=0.802。氮磷比與藻類密度散點圖見圖5。

1.3.2 藻類群落結構監(jiān)測

太湖藍藻水華暴發(fā)時的主要藻種為微囊藻，微囊藻在不同的生長時期細胞大小明顯不同，球形細胞直徑為7 μm左右，細胞分裂呈指數(shù)級增長，群體成熟后出現(xiàn)氣囊，由于光合作用的影響會上浮至水面，最終形成水華。因此，通過顯微鏡鏡檢觀察微囊藻細胞個體大小、微囊藻生物量、微囊藻群體形態(tài)特征和藻類種群結構能夠推測其處于何種生長時期，對于早期的藍藻水華預警和預測水華暴發(fā)等起到了很好的作用。

圖5 氮磷比與藻類密度散點圖

根據(jù)實驗室營養(yǎng)鹽濃度監(jiān)測和顯微鏡鏡檢分析，總結了實驗室內藍藻水華分析監(jiān)測因子，以理論與實際相結合論證了理化和生物監(jiān)測相關聯(lián)的實驗室分析監(jiān)測系統(tǒng)(圖6)。

圖6 實驗室分析監(jiān)測系統(tǒng)組成圖

1.4 水質在線自動監(jiān)測

水質自動監(jiān)測作為環(huán)境監(jiān)測的重要手段，具有自動、連續(xù)、高效、全天候等特點，近幾年在環(huán)境管理和環(huán)境安全預警中發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著國內對環(huán)境預警監(jiān)測能力建設投入的加大和水質自動監(jiān)測技術的日趨成熟，水質在線自動監(jiān)測系統(tǒng)已在全國得到廣泛應用［15-16］。水質在線自動監(jiān)測系統(tǒng)是一個從水樣采集系統(tǒng)、水樣預處理系統(tǒng)、水樣在線自動分析系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、遠程控制系統(tǒng)到數(shù)據(jù)監(jiān)控管理系統(tǒng)的綜合性系統(tǒng)，從而實現(xiàn)水質自動監(jiān)測站的在線自動運行［17］。其中遠程控制系統(tǒng)對采樣系統(tǒng)、預處理系統(tǒng)和自動在線分析系統(tǒng)的設備參數(shù)和運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，同時在線分析儀器的數(shù)據(jù)信號通過控制系統(tǒng)的控制程序和上層軟件實現(xiàn)分析數(shù)據(jù)的采集和存儲，并通過通訊系統(tǒng)將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至遠程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。遠程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以進行特殊數(shù)據(jù)的查詢和異常數(shù)據(jù)的編輯存儲，并在預警第一時間查定超標參數(shù)，反映水質異常情況，進行水質污染評估。水質在線自動監(jiān)測系統(tǒng)各組成單元見圖7。目前在藍藻水華預警監(jiān)測過程中，水質在線自動監(jiān)測系統(tǒng)可監(jiān)測YSI七參數(shù)(水溫、濁度、pH、溶解氧、電導率、葉綠素 a、藍綠藻)、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、總氮、揮發(fā)酚等指標。當飲用水源地水體中出現(xiàn)可見的藻類顆粒以后，需要密切關注水質參數(shù)的變化，尤其是溶解氧［6］。有學者［18］研究指出，溶解氧的晝夜變化，對藻類生長也有很大的影響，可以利用溶解氧的日極差來進行藻類暴發(fā)的簡單預警。

2 太湖藍藻水華預警監(jiān)測綜合系統(tǒng)構建

2.1 系統(tǒng)設計思路

以太湖藍藻水華預警監(jiān)測為基礎，利用各種監(jiān)測技術手段建立相對應的預警監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)各個預警監(jiān)測系統(tǒng)的特點和功能，將相互關聯(lián)的功能組合，實現(xiàn)各監(jiān)測系統(tǒng)的功能整合與優(yōu)化，匯總各系統(tǒng)相結合后提供的藍藻水華預警信息，通過地理信息系統(tǒng)的空間分析實現(xiàn)預警信息可視化表達，進行太湖藍藻水華預報預測，及時發(fā)布預警信息。

2.2 系統(tǒng)結構和功能

太湖藍藻水華預警監(jiān)測綜合系統(tǒng)包括現(xiàn)場巡視監(jiān)測系統(tǒng)、衛(wèi)星遙感動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、實驗室分析監(jiān)測系統(tǒng)、水質在線自動監(jiān)測系統(tǒng)等4個子監(jiān)測系統(tǒng)。其中現(xiàn)場巡視監(jiān)測系統(tǒng)提供現(xiàn)場氣象、水文、感官特征分析，衛(wèi)星遙感動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)針對湖面藍藻水華進行靜態(tài)與動態(tài)信息綜合分析，實驗室分析監(jiān)測系統(tǒng)開展藻類生長狀況與環(huán)境因子相關性分析，水質在線自動監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)控敏感因子的變化及異常數(shù)值的預警。將不同監(jiān)測系統(tǒng)內相互聯(lián)系的監(jiān)測指標和反映的預警信息進行有效整合，形成更科學、更全面的預警監(jiān)測功能，包括水華遷移趨勢分析、水華級別確定、藻類生長狀況分析、水華區(qū)域預測、敏感數(shù)據(jù)監(jiān)控預警。以地理信息系統(tǒng)GIS平臺為基礎，疊加基礎地理信息，結合水文、氣象等信息，繪制藍藻水華預警結果圖，并通過藍藻水華預警監(jiān)測信息共享平臺發(fā)布預警信息。太湖藍藻水華預警監(jiān)測綜合系統(tǒng)組成和運行流程見圖8。

圖7 水質在線自動監(jiān)測系統(tǒng)組成圖

2.3 系統(tǒng)運行

太湖藍藻水華預警監(jiān)測綜合系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務器采用MS SQL Server 2000，將各子監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測指標和反映信息通過SQL語言寫入服務器。GIS服務器使用ArcGIS Server，用來管理各種地理資源，并生成Arcmap藍藻水華預警專題圖。最終信息發(fā)布與共享平臺的Web應用服務器使用IIS+Net FrameWork 1.1，實現(xiàn)政府各部門的監(jiān)測數(shù)據(jù)與預警信息共享，為各部門的聯(lián)動響應和應急處置提供技術支持。

3 結語

藍藻水華預警監(jiān)測是一項龐大的系統(tǒng)工程，良好的組織體系是預警監(jiān)測工作能否順利實施的前提，是提高政府應對藍藻能力的有效保證。根據(jù)各種監(jiān)測技術手段建立預警監(jiān)測系統(tǒng)，探索各預警監(jiān)測系統(tǒng)之間的關系與如何綜合運用，初步建立了太湖藍藻水華預警監(jiān)測綜合系統(tǒng)。下一步工作是太湖藍藻水華預警監(jiān)測綜合系統(tǒng)的實驗及驗證，并進一步完善，以投入穩(wěn)定的運行，為太湖藍藻治理與政府決策提供保障。

圖8 太湖藍藻水華預警監(jiān)測綜合系統(tǒng)組成圖

［1］秦伯強．長江中下游淺水湖泊富營養(yǎng)化發(fā)生機制與控制途徑初探［J］．湖泊科學，2002，14(3):193-202．

［2］陳宇煒，秦伯強，高錫云．太湖梅梁灣藻類及相關環(huán)境因子逐步回歸統(tǒng)計和藍藻水華的初步預測［J］．湖泊科學，2001，13(1):63-71．

［3］秦伯強，王小冬，湯祥明，等．太湖富營養(yǎng)化與藍藻水華引起的飲用水危機——原因與對策［J］．地球科學進展，2007，22(9):896-906．

［4］孫慧群，朱琳，高文寶．淡水湖泊中微囊藻水華的成因分析［J］．生物學通報，2005，40(8):23-24．

［5］孔繁翔，高光．大型淺水富營養(yǎng)化湖泊中藍藻水華形成機理的思考［J］．生態(tài)學報，2005，25(3):589-595．

［6］徐恒省，洪維民，王亞超，等．太湖藍藻水華預警監(jiān)測技術體系的探討［J］．中國環(huán)境監(jiān)測，2008，24(2):62-65．

［7］吳傳慶，王橋，楊志峰，等．太湖水華的遙感分析［J］．中國環(huán)境監(jiān)測，2007，23(3):52-56．

［8］劉堂友，匡定波，尹球．藻類光譜實驗及其光譜定量信息提取研究［J］．紅外與毫米波學報，2002，21(3):213-217．

［9］Dekker A G．Detection ofopticalwaterquality parameters for eutrophic waters by high resolution remote sensing［D］．Amsterdam，Netherlands:Vrije University，1993．

［10］Jupp D，Kirk J，Harris G．Detection，identification，and mapping of cyanobacteria-using remote sensing to measure the optical quality of turbid inland waters［J］．Australian Journal of Marine and Freshwater Research，1994，(45):801-828．

［11］吳怡，郭亞飛，曹旭，等．成都府南河葉綠素a和氮、磷的分布特征與富營養(yǎng)化研究［J］．中國環(huán)境監(jiān)測，2013，29(4):43-49．

［12］許慧萍，楊桂軍，周健，等．氮、磷濃度對太湖水華微囊藻(Microcystis flos-aquae)群體生長的影響［J］．湖泊科學，2014，26(2):213-220．

［13］易文利，王國棟，劉選衛(wèi)，等．氮磷比例對銅綠微囊藻生長及部分生化組成的影響［J］．西北農林科技大學學報:自然科學版，2005，33(6):151-154．

［14］楊頂田，陳偉民，江晶，等．藻類爆發(fā)對太湖梅梁灣水體中NPK含量的影響［J］．應用生態(tài)學報，2003，14(6):969-972．

［15］李軍，陳程．總氮總磷在線自動監(jiān)測儀的現(xiàn)狀與問題［J］．中國環(huán)境監(jiān)測，2013，29(2):156-158．

［16］向運榮，黃輝．地表水水質自動監(jiān)測系統(tǒng)及其建設中的若干問題［J］．中國環(huán)境監(jiān)測，2001，17(6):5-8．

［17］張江龍．在線水質自動監(jiān)測系統(tǒng)的的基本構成和功能［J］．廈門科技，2007，(3):54-55．

［18］王正方，張慶，呂海燕，等．長江口溶解氧赤潮預報簡易模式［J］．海洋學報，2000，22(4):125-129．