谈我国地表水环境自动监测体系现状及发展趋势

江苏省生态环境监测监控有限公司 谢飞

近年来，随着经济的迅猛发展，各类环境问题也接踵而至。其中，地表水环境污染已经引起广泛关注。环境监测作为环境保护的“眼睛”，通过对反映环境质量的指标进行监视和测定，以确定环境污染状况和环境质量的高低。环境监测在环境保护中起着前哨的作用，是科学管理环境的基础，对环境执法管理部门落实环境治理与保护提供指导作用。

我国已开展水环境监测工作40余年，完善了整套有效合格的手工采样、实验室样品分析、质量控制的人工监测体系。然而，手工监测存在时间、空间上的限制，无法实现不间断连续监测。自动环境监测设备的引入，可弥补手工监测的缺陷，对流动水体进行24h连续监测，构建区域监测网络，及时查找发现污染源，妥善解决水环境污染。目前，我国地表水水质自动监测已形成国控——省控——市控三级监测网络体系，监测数据可应用于环境质量评估、水功能区污染总量核算及水环境质量预警预报等方面。

一、水质自动监测体系应用现状

（一）地表水水质自动监测站点

地表水水质自动监测站（简称“水站”）是水质参数的数据获取端，指符合国家技术规范要求，由站房、采水设备、控制单元、检测设备、数据传输等全部或部分单元构成的水质自动监测设备[1]。为尽可能实现与手工监测结果的一致性，水站的检测原理尽量保持与实验室方法一致。目前，为进一步考核水体功能区域环境容量及纳污能力，填补手工监测的不足，水利部门已于全国布设1400多个水站，各地环保部门于各跨省、市、县界河流及其他重点水体上布设约1300个水站[2]。依据地表水自动监测规范（试行）、《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)和水利部颁布的《水环境监测规范》(SL219—1998)、《水资源监控设备基本技术条件》(SL426—2008)等标准，湖泊水库的水站配置为水质五参数、总氮、总磷、高锰酸盐指数和叶绿素a等自动监测仪器，河道水站配置为常规五参数、氨氮和高锰酸盐指数等自动监测仪器。各地环保部门针对当地特征性污染会适当增加VOC、重金属及生物毒性等监测指标[3-5]。站点建设需具备土地、交通、电力等条件。在入湖、入海口还会使用水质浮标站等简易水质监测站[6]。

（二）数据平台系统和水质模型构建系统

水质自动监测体系中包含数据平台系统和水质模型构建系统，数据平台系统含有水质数据采集、数据分析挖掘、数据可视化监测等模块，将单个水站由“点”串成“线”，极大地丰富了水质监测数据的有效利用程度。功能完备的大数据平台对环境监管部门进行水质监测监控、污染溯源、水质预警具有重要意义。丁春梅等[7]根据黑臭水体产生机制，选择黑臭水体特征监测指标，基于云平台、大数据、GPRS及水质浮标站构建了水质自动监测网络，该体系可将各个河段污染情况合理分配给各河长，充分体现物联网技术在河长责任制中的优势。周煜申等[8]基于水质自动监测站大量的数据，利用大数据分析和深度机器学习技术，搭建水环境评价预警体系。研究表明，水质自动站监测数据结合大数据平台可实现水质自动监测体系构点成网，全方位多维度对数据进行分析挖掘，实现综合水质预警，积极响应河长责任制，充分发挥水质自动监测的数据优势。

水质模型系统可基于数学模型，对水质自动监测系统的数据进行充分使用、深度挖掘。F M asoumi等[9]采用序列不确定拟合(SUFI-2)算法，在参数不确定条件下对水库二维水动力水质模型(CE-QUAL-W2)进行自动标定，开发了CEQUAL-W2模型来模拟Karkheh大坝水库(伊朗西部)的温度和水面高程。杨家宽等[10]利用WASP6水质模型软件，对汉江襄樊段现状水质参数BOD5、NH3-N及DO进行了模拟研究，使用2001年水质监测数据进行了校验，结果表明，WASP6水质模型软件可较为精确地模拟出复杂河段的水质参数。研究表明，无论对于河道抑或是湖泊水库等大面积水域，水质参数模型可在一定程度上反映出水域参数指标的变化趋势，起到一定的预报预警作用。

二、水质自动监测体系的发展趋势

发展基于卫星或无人机遥感影像的水质自动监测体系。遥感技术应用于水质监测的方法趋于成熟，国内外研究人员利用特定的遥感平台，构建特征水域的多水质参数模型，利用空间影像对水域内水质参数进行反演解译，可实现较大面积水域水质自动监测。在水质自动监测体系中引入遥感技术能将水质自动监测“网”扩大至监测“面”。黄宇等[11]利用无人机高光谱呈现技术，结合地面水质监测数据，构建了双波段水质参数最佳模型，对深圳茅洲河及云南星云湖进行了水质参数反演，结果表明，叶绿素a、悬浮物、总磷和总氮均表现出良好的模型进精度。温爽[12]针对GF-2传感器波段，构建了黑臭水体识别算法，以南京主城区黑臭水体为研究主体，结合野外实施获得的水体监测数据和影像数据，获得不同时期南京市黑臭水体的空间分布图。李恩[13]基于无人机高分辨率光谱遥感数据，针对总磷和总氮提出两种模型反演方法，以辽河入海口为例，进行总氮、总磷的水质参数反演。结果表明，与传统遥感反演技术相比，基于信号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总磷和总氮的反演精确性。

综上所述，在水质自动监测体系中引入卫星遥感及无人机高光谱遥感技术，一方面可为水域的水质监测提供全新的数据来源和数据形式，也进一步弥补了传统水质自动监测体系在大范围水域监测中的缺陷，为大规模河流、湖泊的整治提供依据。

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地表水（surface water），是指陆地表面上动态水和静态水的总称，亦称“陆地水”，包括各种液态的和固态的水体，主要有河流、湖泊、沼泽、冰川、冰盖等。它是人类生活用水的重要来源之一，也是各国水资源的主要组成部分。

2019年5月7日，生态环境部公布了一季度国家地表水考核断面水环境质量排名名单，通报了一季度全国水环境质量和目标任务完成情况。

地表水的动态水量为河流径流和冰川径流，静态水量则用各种水体的储水量表示。全世界地表水储量为24254万亿立方米，只占全球水总储量的1.75%;但地表水体不断得到大气降水的补给，经过产流、汇流，每年有43.5万亿立方米河流径流和2.3万亿立方米冰川径流流入海洋，占入海总量47万亿立方米的94.7%，在全球水循环中起相当重要的作用。另外，内流区域每年产生河流径流1.0万亿立方米，汇入内陆湖泊而消耗于蒸发。地表水的形态与气候有密切的关系。全世界14900万平方公里陆地，约有62%的面积有河流、湖泊和沼泽，约有12%的面积被冰川所覆盖，其余26%的面积为沙漠和半沙漠。

河流分布较广，水量更新快，便于取用，历来就是人类开发利用的主要水源。一个地区的地表水资源条件，通常用河流径流量表示。河流径流量除了直接受降水的影响外，地形、地质、土壤、植被等下垫面因素对径流也有明显的影响。雨水、冰雪融水通过地表或地下补给河流。地下水补给河流部分叫做基流，水量较为稳定，水质一般良好，对供水有重要价值。中国大小河流的总长度约为42万公里，径流总量达27115亿立方米，占全世界径流量的5.8%。中国的河流数量虽多，但地区分布却很不均匀，全国径流总量的96%都集中在外流流域，面积占全国总面积的64%，内陆流域仅占4%，面积占全国总面积的36%。冬季是中国河川径流枯水季节，夏季则丰水季节。这部分水量是比较容易开发利用的地表水资源。汛期洪水难以直接利用，需要修建水库调节。

极地冰川和冰盖难以大量开采利用，但中低纬度的高山冰川则是比较重要的水资源。高山冰川是“固体水库”，储存固态降水，泄放冰雪融水，对河流有补给调节作用，使河流的年径流变化比较稳定。中国的冰川都是山岳冰川，可分为大陆性冰川与海洋性冰川两大类，其中大陆性冰川约占全国冰川面积的80%以上。中国冰川分布于西北、西南地区河流的源头，总面积约56500平方公里，总储量约5万亿立方米，多年平均冰川融水量550亿立方米。冰川融水是中国西北内陆河的水源之一，具有干旱年多水，湿润年少水的特点，对农业生产十分有利。