大凌河流域水生態(tài)監(jiān)控框架體系研究

胡 偉

(遼寧省河庫管理服務(wù)中心(遼寧省水文局)，沈陽 110003)

由于不合理的水利工程建設(shè)運(yùn)行、水資源過度開發(fā)利用和自然稟賦不足等多因素作用，流域水生態(tài)安全面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]。實(shí)現(xiàn)水生態(tài)文明戰(zhàn)略目標(biāo)、支撐社會(huì)—經(jīng)濟(jì)—環(huán)境—資源高質(zhì)量協(xié)調(diào)發(fā)展及促進(jìn)河湖生態(tài)健康向好演進(jìn)，要求結(jié)合實(shí)際情況加快監(jiān)控創(chuàng)新。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者側(cè)重于生態(tài)管理、調(diào)度、監(jiān)控等內(nèi)容的研究，并取得了豐碩的研究成果[2-5]。然而，針對(duì)水生態(tài)監(jiān)控尚未形成一套系統(tǒng)、科學(xué)的框架體系，特別是在監(jiān)控實(shí)施過程中未全面引入數(shù)字地圖、遙感等高新技術(shù)，考慮“水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”的工作要求創(chuàng)建水生態(tài)監(jiān)控管理平臺(tái)的還鮮有報(bào)道。據(jù)此，文章以河網(wǎng)水系密布且復(fù)雜的大凌河流域?yàn)槔?，明確提出水生態(tài)監(jiān)控的內(nèi)容、流程及其框架體系，創(chuàng)新流域管理和生態(tài)監(jiān)控，以期為保障流域生態(tài)安全以及實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、資源環(huán)境效益多贏提供新的思路。

1 水生態(tài)監(jiān)控分析

1)流域概況。大凌干流(含源頭區(qū))河道全長(zhǎng)522km，其中西支河長(zhǎng)75km，南支河長(zhǎng)108km，西、南支匯合口至入?？诤娱L(zhǎng)339km，有涼水河子河、老虎山河、忙牛河及細(xì)河等支流，流域總面積23263km2，大凌河在遼寧省內(nèi)面積為19998km2，占全流域的86%，涉及朝陽縣、朝陽市區(qū)、北票市、義縣、凌海市等地區(qū)。流域內(nèi)建設(shè)了包含控制斷面、排污口、取水口、水文站等的監(jiān)控體系和流域信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)控手段比較豐富。受人類高強(qiáng)度作用大凌河水生態(tài)環(huán)境污染問題突出，嚴(yán)重影響著沿途經(jīng)濟(jì)發(fā)展和用水安全保障。對(duì)水生態(tài)監(jiān)控政府的管理政策及手段亟待完善，工作開展技術(shù)支撐不足、基礎(chǔ)能力薄弱和支撐理論缺乏等問題。

2)加強(qiáng)水生態(tài)監(jiān)控的必要性。這主要體現(xiàn)在水利部門職責(zé)要求、水利改革創(chuàng)新要求、維護(hù)河流生命健康的必然需求、新時(shí)代發(fā)展要求和水生態(tài)文明發(fā)展要求等方面。

3)水生態(tài)監(jiān)控中高新技術(shù)的應(yīng)用潛力。近年來，隨著計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、無人機(jī)、遙感影像等高新技術(shù)的快速發(fā)展，遙感技術(shù)被廣泛應(yīng)用于水生態(tài)保護(hù)、水資源管理、水環(huán)境監(jiān)測(cè)、水文模擬等領(lǐng)域，為水利工作的順利開展提供了技術(shù)支撐[6]。目前，我國(guó)學(xué)者積極探索了河湖水生態(tài)監(jiān)控工作中遙感技術(shù)的應(yīng)用研究，并實(shí)證分析了遙感影像監(jiān)控的可操作性[7]。通過計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字地圖和工業(yè)自動(dòng)化等新技術(shù)，優(yōu)化調(diào)整流域生態(tài)、水資源、水質(zhì)監(jiān)測(cè)等單元要素，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化建管目標(biāo)。采用3S技術(shù)創(chuàng)建水資源和GIS專業(yè)分析、水量調(diào)度等模塊，為水利現(xiàn)代化建設(shè)提供技術(shù)支撐。

2 水生態(tài)監(jiān)控框架體系

2.1 基本理念

按照“開放共享、綠色生態(tài)、協(xié)調(diào)創(chuàng)新”的理念和新時(shí)期水利工程補(bǔ)短板的總基調(diào)，聚焦“生態(tài)、環(huán)境、災(zāi)害、資源”涉水問題，立足于穩(wěn)步提升水利信息化水平的總要求，實(shí)現(xiàn)河流水生態(tài)環(huán)境的逐步改善以及流域水生態(tài)監(jiān)控工作的持續(xù)創(chuàng)新[8-9]。

2.2 設(shè)計(jì)原則

1)責(zé)任監(jiān)控、測(cè)管并行。加快創(chuàng)建適用于水生態(tài)監(jiān)控的空間網(wǎng)格責(zé)任體系，不斷強(qiáng)化監(jiān)控能力實(shí)現(xiàn)水生態(tài)監(jiān)控責(zé)任的全面落實(shí)，更好地滿足流域監(jiān)控目標(biāo)要求。

2)系統(tǒng)監(jiān)控、技術(shù)融合。應(yīng)將常規(guī)水生態(tài)監(jiān)控平臺(tái)的監(jiān)控制度、措施、要素、布局等內(nèi)容與數(shù)字地圖、遙感等高新技術(shù)充分銜接，為水生態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的深度融合提供可靠支撐。

3)因地制宜、分類監(jiān)控。考慮沿線不同地域的具體情況和生態(tài)、資源、經(jīng)濟(jì)等因素的差異性，遵循可行性、針對(duì)性、差異性等原則提出分類監(jiān)控要求。

4)頂層設(shè)計(jì)、全面監(jiān)控。依據(jù)水功能區(qū)規(guī)劃，從系統(tǒng)性、戰(zhàn)略性的角度上落實(shí)最嚴(yán)格監(jiān)控和保護(hù)措施，堅(jiān)守水生態(tài)、水環(huán)境和水資源等紅線[10]。

2.3 監(jiān)控目標(biāo)

科學(xué)利用各種新型技術(shù)，以水生態(tài)管理與空間數(shù)據(jù)的有效銜接為導(dǎo)向重點(diǎn)監(jiān)控水生物、水量、水質(zhì)、流量等要素，創(chuàng)新流域水生態(tài)監(jiān)控工作，確保流域水生態(tài)安全和高質(zhì)量發(fā)展，逐步形成社會(huì)—經(jīng)濟(jì)—環(huán)境—資源效益多贏的新局面。

2.4 監(jiān)控對(duì)象

以遼寧省境內(nèi)大凌河流域?yàn)楸O(jiān)控范圍，涉及朝陽縣、朝陽市區(qū)、北票市、義縣、凌海市等20余個(gè)市縣區(qū)，以流域內(nèi)的排污口、取水口、監(jiān)控?cái)嗝?、控制工程等作為主要監(jiān)控對(duì)象，監(jiān)控要素有蒸發(fā)量、降水量、水生物、水質(zhì)、水量、流量等。

2.5 實(shí)施方案

明晰監(jiān)控對(duì)象及范圍的基本特征和情況，對(duì)不同監(jiān)控對(duì)象的各個(gè)監(jiān)控要素綜合應(yīng)用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、手工監(jiān)測(cè)、遙感遙測(cè)、視頻監(jiān)視等技術(shù)手段實(shí)行全方位監(jiān)測(cè)，以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)積極開發(fā)監(jiān)管平臺(tái)，逐步完成水資源管理、水生態(tài)調(diào)度等工作。

2.6 保障體系

1)資金保障。在省政府財(cái)政預(yù)算中列入河湖水生態(tài)監(jiān)控工作經(jīng)費(fèi)，為水生態(tài)監(jiān)控運(yùn)行建立穩(wěn)定、長(zhǎng)效的投入機(jī)制。

2)科技保障。為精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地獲取監(jiān)控對(duì)象的數(shù)據(jù)信息科學(xué)運(yùn)用各種高新技術(shù)，通過強(qiáng)化科學(xué)技術(shù)研究不斷提高水生態(tài)管理的精細(xì)化水平，保障流域生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

3)組織保障。加快網(wǎng)站責(zé)任體系，逐步形成分級(jí)負(fù)責(zé)、上下聯(lián)動(dòng)和層層管控的體制機(jī)制，為水生態(tài)監(jiān)控工作的系統(tǒng)高效開展提供支持。

4)隊(duì)伍保障。安排專人負(fù)責(zé)重點(diǎn)斷面、區(qū)域的水量和水情監(jiān)測(cè)，定期培訓(xùn)確保各監(jiān)控人員熟練掌握相應(yīng)的專業(yè)技能。

3 水生態(tài)監(jiān)控流程及成效

3.1 工作流程

流域水生態(tài)監(jiān)控工作流程如圖1所示。

步驟一：針對(duì)整治方案、遙感數(shù)據(jù)和河湖水生態(tài)影響因素等內(nèi)容，采用實(shí)地考察和文獻(xiàn)檢索的方式調(diào)查收集相關(guān)資料，并匯總、核實(shí)相關(guān)數(shù)據(jù)。

步驟二：明確監(jiān)控對(duì)象的數(shù)量、空間分布和地理位置等信息，利用數(shù)字地圖進(jìn)行精準(zhǔn)化、信息化處理，考慮監(jiān)測(cè)資源配置的地區(qū)差異性、實(shí)施人員、監(jiān)控對(duì)象復(fù)雜程度和鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)行政范圍完成空間網(wǎng)格劃分。

步驟三：明晰監(jiān)測(cè)難度、重要程度并確定各監(jiān)控對(duì)象的監(jiān)測(cè)要素，優(yōu)化、調(diào)配監(jiān)測(cè)資源空間布局和監(jiān)控方案，有效融合常規(guī)監(jiān)測(cè)方法和新型監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)骨干工程、關(guān)鍵參數(shù)以及控制斷面等進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)[11]。

步驟四：合理利用相關(guān)數(shù)據(jù)信息，精準(zhǔn)計(jì)算區(qū)域內(nèi)的河流供水量和行業(yè)需水量，科學(xué)利用監(jiān)管平臺(tái)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化決策管理、水利調(diào)度、取水量控制等內(nèi)容，提出科學(xué)的決策與管理建議，確保大凌河流域水生態(tài)監(jiān)控工作的順利完成。

3.2 重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容

1)蒸發(fā)量和降水量監(jiān)測(cè)。以站點(diǎn)為依托也可利用降水量預(yù)測(cè)模型或購買衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，對(duì)降水量和蒸發(fā)量進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)，從時(shí)空上確定水資源支出項(xiàng)和收入項(xiàng)的數(shù)量特征[12-14]。

2)非農(nóng)取退水量監(jiān)測(cè)。以現(xiàn)有政策法規(guī)為出發(fā)點(diǎn)，促使相關(guān)單位按要求計(jì)取去排水量，對(duì)老化失修或已損壞的計(jì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備及時(shí)更換，確保重要取用水工程和重點(diǎn)排污口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，為流域水資源管理和水污染治理工作提供數(shù)據(jù)信息。

圖1 大凌河流域水生態(tài)監(jiān)控流程

3)農(nóng)業(yè)用水量監(jiān)測(cè)。流域內(nèi)灌溉水利用率數(shù)據(jù)的標(biāo)定要考慮不同農(nóng)作物的種植范圍、空間分布、長(zhǎng)勢(shì)情況和水旱情勢(shì)等信息，結(jié)合農(nóng)作物面積數(shù)據(jù)、分布特點(diǎn)等因素，創(chuàng)建區(qū)分灌溉條件與作物類型的單位需水量模型以及農(nóng)業(yè)用水量估算模型，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)需水預(yù)警提供數(shù)據(jù)支持[15]。

4)水生物監(jiān)測(cè)。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(dòng)物、魚類、浮游植物和動(dòng)物等，有必要科學(xué)監(jiān)測(cè)水生生物群落。其中，底棲動(dòng)物可利用專用工具對(duì)水質(zhì)采樣斷面、閘壩控制斷面等代表性斷面進(jìn)行采集；一般地，可結(jié)合市場(chǎng)調(diào)查、生物標(biāo)記指示、隨機(jī)捕撈采集等多種方式確定魚類數(shù)量和種類；可利用浮游生物網(wǎng)對(duì)浮游動(dòng)物和植物進(jìn)行采集。以樣本數(shù)據(jù)為依托，通過試驗(yàn)處理、創(chuàng)建模型和數(shù)據(jù)庫等實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化模擬。

5)水質(zhì)監(jiān)測(cè)與反演。在大凌河干支流合理布設(shè)采樣點(diǎn)和采樣斷面，完成水樣采集及水質(zhì)分析工作；根據(jù)高分辨率遙感數(shù)據(jù)和河流實(shí)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(shù)監(jiān)測(cè)，建立水質(zhì)模型反演河流影響因素及其水下光場(chǎng)等參數(shù)指標(biāo)，從而獲取用于分析河湖水質(zhì)的高精準(zhǔn)度系列指標(biāo)數(shù)據(jù)。

6)重要控制斷面、控制工程監(jiān)測(cè)。組織監(jiān)測(cè)流域內(nèi)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(duì)象及其參數(shù)指標(biāo)特征確定監(jiān)測(cè)頻次，通過監(jiān)測(cè)水文站、管控和考核斷面的水流量數(shù)據(jù)，為維持生態(tài)流量和實(shí)現(xiàn)水旱預(yù)警提供數(shù)據(jù)支撐。一般地，由工程管理單位組織實(shí)施相應(yīng)的監(jiān)測(cè)工作，如水庫的監(jiān)測(cè)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(jiān)測(cè)要素，充分利用現(xiàn)有的雨量計(jì)、水位計(jì)、視頻和流量監(jiān)測(cè)設(shè)施，為獲取全面系統(tǒng)的水利調(diào)度數(shù)據(jù)提供支持。

7)數(shù)據(jù)融合?？紤]到信息來源廣、數(shù)據(jù)類型多的實(shí)際情況，對(duì)數(shù)據(jù)格式、檢查索引和使用規(guī)范等方面都有明確的要求，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)出口標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)入口對(duì)齊的效果和目的，必須統(tǒng)一轉(zhuǎn)化存儲(chǔ)格式。為了降低不同系統(tǒng)間的孤島效應(yīng)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的擴(kuò)建性，需要使用指定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范統(tǒng)一數(shù)據(jù)字典、數(shù)據(jù)內(nèi)容含義等。

8)監(jiān)控管理平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容。監(jiān)控管理平臺(tái)包含功能模塊層、模型分析層和數(shù)據(jù)融合層，如圖2所示。

圖2 水生態(tài)監(jiān)控管理平臺(tái)框架

監(jiān)控管理平臺(tái)的建設(shè)思路如下：①規(guī)范化處理多源數(shù)據(jù)，建設(shè)空間操作高效、支撐海量數(shù)據(jù)及時(shí)空特性的數(shù)據(jù)倉庫，以便數(shù)據(jù)的及時(shí)查用；②應(yīng)用常規(guī)檢測(cè)數(shù)據(jù)空間化技術(shù)、地理信息技術(shù)以及新型遙感分析處理技術(shù)，創(chuàng)建分析水生物運(yùn)動(dòng)、農(nóng)業(yè)用水變化和污染物遷移轉(zhuǎn)化等數(shù)據(jù)模型；③引入流域干旱預(yù)警、取用水管理、監(jiān)測(cè)對(duì)象管理等功能模塊，以大數(shù)據(jù)技術(shù)為支撐，從空間化的視角實(shí)現(xiàn)各模塊對(duì)應(yīng)功能，實(shí)現(xiàn)河湖水生態(tài)監(jiān)控關(guān)鍵環(huán)節(jié)的展現(xiàn)和流域水資源的智能化管理。

4 結(jié) 論

1)文章詳細(xì)闡述了新時(shí)期大凌河流域水生態(tài)監(jiān)控的內(nèi)容、流程及其框架體系，闡述了建設(shè)內(nèi)容及流程，對(duì)新時(shí)代流域水生態(tài)監(jiān)控工作的開展提供了新的思路和指導(dǎo)。

2)考慮到現(xiàn)階段深入探索水生態(tài)監(jiān)控框架體系的研究較少，很多方面還不夠完善，在豐富建設(shè)內(nèi)容、更多高新技術(shù)融合和尺度擴(kuò)展等方面仍需進(jìn)一步深入研究。