太湖流域水资源保护天地一体化监测体系构想

左一鸣，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

太湖流域是我国经济最发达、大中城市最密集的地区之一。随着太湖流域经济社会的快速发展和人口的快速增长，流域水资源不足和污染已严重制约了流域经济社会的可持续发展。

目前，太湖流域常规水质监测站点 549 处，基本覆盖了流域内的重要河流、湖泊、水库。按照治水新思路和适应水资源保护工作新形势的要求，近年来流域内陆续建设了 26 个水质自动监测站。常规水质监测频次基本为每月 1 次，监测项目涵盖了GB3838-2002《地表水环境质量标准》的 24 项基本项目，另外湖泊站点增加富营养化评价项目，水源地站点增加水源地水质补充项目。水量水质监测数据在流域水资源保护工作中发挥了重要作用，但仍存在以下问题：

1）流域内未建立统一的水资源监测和预警体系。目前流域内水利和环保等部门对太湖、重要河流、水源地均布有地表水监测站网，导致多个监测网络并行，监测站点和内容重复，监测体系不尽统一，水资源水环境信息一致性和可比性较差。

2）水资源监测能力不能满足工作需要。水质监测站点尚未全面覆盖流域划定的水功能区；水生态和富营养化指标的监测尚未普及；监测方式以定期巡测、人工监测为主，监控手段以地面监测为主，信息时效性较差，监测频次难以满足决策需要。

为贯彻落实《太湖流域管理条例》，落实最严格的水资源管理制度，全面提升太湖流域水环境监测预警能力和水平，在现有地面监测站网的基础上，结合水环境综合治理要求，按照统一标准、统一方法、分级建设、资源整合、信息共享的要求，提出结合现有的地面和卫星遥感监测的优势开展全方位的太湖流域水资源保护一体化监测的构想。

1 基于卫星遥感的水资源监测应用

由于受到自然条件和时空等因素限制，传统的水环境监测方法具有一定的局限性。随着遥感技术的不断进步，遥感技术在水环境监测中的应用也越来越多。例如，用激光荧光雷达监测水体中叶绿素，可用来确定水中藻类类型及生长密度，掌握水体富营养化程度[1]；利用红外遥感测量水体表面水温，可用于绘制大面积水体等温线路；从红外扫描图像，可确定进入水体的污水扩散特征及苑图；紫外摄影，可用于地表水体油污染的监测；此外，利用水体中悬容物对紫外光的特征吸收，还可用于测量水体中的泥沙含量[2]。

遥感监测技术具有许多优点，不受时间、地点的限制，可进行大面积水体的快速同步监测，迅速测定水体污染特征、污染源状况等；而且，通过不同季节、时间的连续监测，重复成像，可了解和掌握水体污染的动态变化及变化趋势。遥感技术在水质监测领域的应用，有效地提高了现代区域水质监测的科学合理性[3-4]。

2 太湖流域水资源保护天地一体化监测体系建设思路

传统的水资源保护监测仅限于水资源保护监测分析工作，侧重于数据的采集。随着政府和社会对水资源保护监测工作重要性认识的逐步深入，发现这种认识是片面的，因此，提出将与水资源保护监测相关的监测、评价、预测预警等整合起来，形成的监测体系称为水资源保护天地一体化监测体系。

2.1 建设目标

在太湖流域现有水文遥测、水量水质监测和巡测等站网的基础上，充分利用地面和卫星遥感监测的优势，通过国家、省、市、县 4 级监测部门密切配合，以星地信息同步采集、传输和汇集，天地一体化水资源保护信息快速集成、处理和分析，监测成果快速输出并展示为基础，建立一整套完善的水资源保护监测预警体系，为贯彻落实《太湖流域管理条例》和实行最严格的水资源管理制度提供基础数据支撑。

2.2 监测对象

为落实水资源管理的“三条红线”，水资源监测对象应包括：

1）重要水体、省界河湖、重点水功能区、蓝藻易发地等的监测和国控及省控断面，自动、常规监测及应急加测的水量和水质信息；

2）重点水功能区的入河排污口，国控和省控重点污染源（点源、面源）自动、常规监测及应急加测信息；

3）自来水厂水质、污水处理厂排污信息及运行情况；

4）太湖及环湖口门、望虞河干流及支流、太浦河干流及支流沿线的口门工情信息及运行状况。

2.3 监测体系架构

太湖流域水资源保护天地一体化监测体系包括网络保障、标准、星地监测、分析评价和预警等系统。其中标准体系建设保障了监测数据的一致性；网络保障体系建设保障了数据的完整性；星地监测体系建设保障了数据的全面性；分析评价系统是对监测数据的实用性表达；预测预警系统基于以往的监测数据，对未来进行预测。由星地监测体系监测的水资源保护数据，通过网络存储到根据统一标准建设的数据中心，以此为基础进行分析评价，并进行预警。监测体系架构图如图1 所示。

图1 太湖流域水资源保护监测体系图

2.4 建设内容

2.4.1 网络保障体系

在太湖流域水资源保护天地一体化同步监测体系中，为保障信息及时、安全、准确地传输至数据中心，必须建立完善的信息网络保障体系，保障卫星遥感大尺度观测、自动监测站实时监测、人工巡测和外部共享等数据的网络传输。

2.4.2 标准体系

在统筹考虑现有各部门和地方监测体系的基础上，太湖流域管理局应组织流域 2 省 1 市（江苏、浙江、上海）水利、环保、农业、气象、城建等多部门共同开展太湖流域水环境监测站网规划编制，完成相关技术标准的制订和修订，开展水环境标准、监测规范、分析方法、质量评价的技术体系研究，进一步完善水资源保护监测体系，更好地为流域水资源保护管理和社会经济可持续发展服务。

2.4.3 星地监测体系

随着卫星遥感、物联网、云计算等技术的日益成熟，其快速、简便、同步、客观、经济等优势为水资源保护和蓝藻预警监测提供了稳定的数据保障，有效弥补了地面常规监测成本高、耗时长、同步性差，难以全面及时反映水环境质量状况及发展趋势的不足，为建立遥感卫片大尺度观测、自动监测站实时监测、常规巡测和移动加测的 4 位一体星地监测体系，奠定了坚实的基础。

1）遥感监测。利用遥感卫星大范围、全天候、全天时的优势，定期监测太湖流域土地利用、水面面积变化、太湖岸线利用等状况，以及太湖、淀山湖蓝藻爆发情况，并通过对遥感影像数据的实时解析，为蓝藻预警提供技术支撑。遥感监测的缺点是解析精度相对人工和自动站监测低些，但可通过与人工监测的数据进行相关性分析，提高数据精度。

2）自动站监测。采用先进可靠的信息采集技术，在太湖湖体、流域性引供水河道、环太湖主要出入湖河道、省际边界主要河湖建设水量和水质自动监测站网，实现最快 2 h 监测 1 次数据，能够及时掌握出入太湖、省市间的水量水质交换情况。自动站监测的缺点是监测站的维护成本较高。

3）常规巡测。对《太湖流域水功能区划》确定的 380 个水功能区和《太湖流域管理条例》中确定的 22 个入太湖河道控制断面开展地表水质和湖泊水库富营养化等的监测[5-6]，按月发布流域省界水体、重点水功能区水资源质量状况通报。常规巡测的精度是几种监测方式中最高的，但缺点是需要大量的人力和实验室设备投入，监测频次低，难以全面及时反映水环境质量状况。

4）移动加测。为了提高应对太湖流域突发性水污染事件的应急监测能力，提高应急效率，确保突发水污染事件应急工作有序、高效的开展，需建立移动式流域水资源保护自动监测系统，实现移动监测水温，pH，DO，电导率，氨氮，COD 等指标，并将监测数据实时传送至数据中心，供监督管理部门决策使用。移动监测的成本较高，只适合特定时期、小范围的应急监测。

通过建设遥感监测、自动站监测、常规巡测和移动加测 4 位一体的星地监测体系，以常规巡测和自动站监测数据为基础，通过与遥感卫片解析数据进行比对，建立相关关系，并根据该关系，类推出全流域水环境现状分布情况，实现单点监测到全面监测的转变，为流域水环境综合治理，水资源保护，以及流域水资源优化配置和调度等提供基础数据和决策支撑。

2.4.4 分析评价系统

目前太湖流域水环境质量评价主要采用单因子评价方法，即用最差的指标项类别代表水体的类别，缺点是不能综合反应湖区的污染状况。为科学、高效、全面地评价太湖流域水环境改善的效果，应在星地一体化同步监测数据基础上，开发水资源保护监测数据分析评价系统，根据不同的监测数据类别，采用单因子、多目标决策、数据包络分析、层次分析、模糊综合评价和数理统计等多种评价方法，从不同的分析视角进行动态分析评价，并将评价结果在系统中进行直观、友好的表达。通过对不同方法的评价结果进行综合分析，全面了解太湖流域水环境状况。

2.4.5 预警系统

水资源保护预警系统应包括实时信息、评价结果和预测等预警。实时信息预警是对遥感卫星、自动监测、常规巡测、移动加测等实时信息超标情况进行预警；评价结果预警是对太湖流域重要河道湖库和省际边界河道水质指标类别、重点水功能区达标情况、太湖等重要湖库富营养化和蓝藻状况等评价结果超标情况进行预警；预测预警是对蓝藻和水资源预测模型预测结果超标情况进行预警。及时对太湖流域水资源水环境状况进行预警，有助于提高水资源合理配置和科学调度水平，可为太湖流域水资源管理与保护辅助决策提供技术支撑。

3 结语

在整合建立遥感卫片大尺度观测、自动监测站实时监测、常规巡测和移动加测 4 位一体的星地监测体系的基础上，扩展了监测体系内涵，在传统监测体系的基础上补充了标准和网络保障体系等保障环境内容，同时将分析评价和预警系统等监测业务应用系统纳入监测体系，使得太湖流域水资源保护天地一体化监测体系包含了保障环境、监测手段和业务应用 3 个层面的内容。下一步可基于星地监测体系 4 种监测方式，从整合资源、共享交换的角度，进一步细化研究能有效整合信息采集、传输、存储、共享的标准体系，为太湖流域水资源保护天地一体化监测体系构想的实现提供技术保障。

[1]魏志强，张凯临，吴东. 机载海洋激光荧光雷达测量海表层叶绿素 a 浓度的算法研究[J]. 中国海洋大学学报，2007 (1): 157-162.

[2]陈文召，李光明，徐竟成，等. 水环境遥感监测技术的应用研究进展[J]. 中国环境监测，2008 (6): 6-9.

[3]李嵘. 遥感技术在水环境监测中的应用研究[J]. 江西化工，2005 (12): 66-68.

[4]秦中，张捷，都金康. 水体污染遥感监测的可行性分析[J]. 长江流域资源与环境，2004,13 (4): 384-388.

[5]太湖流域管理局. 太湖流域水功能区划[R]. 北京：中华人民共和国水利部，2010: 9-12.

[6]太湖流域管理局. 太湖流域管理条例[R]. 北京: 中华人民共和国国务院，2011: 16-18.