水环境质量智慧监测网络建设方法研究

刘海立，秦 成，杨 兵

(重庆市生态环境监测中心,重庆 401147)

1 引言

地表水环境质量监测网络建设的目的是为了准确掌握和评价地表水环境质量现状及其变化趋势，客观反映地表水环境污染对人类生活环境的影响[1～3]。水环境监测为生态环境管理部门实施环境管理和宏观决策提供技术支持、技术监督和技术服务，合理、科学的监测网络布设是地表水环境质量监测的基础[ 4，5]。

近年来，随着各级政府对改善水生态环境、打好水污染防治攻坚战等工作的高度重视，自2018年以来，在管理及科研需要下，不断有地方基于水质自动监测技术开展水环境质量智慧监测工作。目前，国家和地方还没有专门针对地表水智慧监测的标准规范，仅有监测断面布设规范、自动监测技术规范，无系统全面的智慧监测内容，缺少从断面布设、监测要求、仪器设备选型以及质量控制等全流程的技术规范。由于地表水环境质量监测是一项长期和例行的工作，监测断面和自动监测设备选型更是其中最基础的工作内容，为保证监测数据具有真实性、准确性和完整性，并在法律上更有有效性，根据重庆市地方特征及生态环境工作需要，开展重庆市水环境质量智慧监测监控网络建设研究具有重要的现实意义。

2 智慧监测网络建设原则

网络化监测应考虑区域自然地理信息、水文、气象等综合环境因素，以及城市建设、工业布局、经济结构、人口分布等社会特点，满足污染防治精细化管理的需求[6～8]。监测网络的建设要对监测监控水体水质具有较好的代表性，同时要考虑到土地、电力、通讯的可获得性、交通的便利性，确保自动监测建设条件的可行性。

3 智慧监测网络建设方法

3.1 水环境控制单元划分

水环境控制单元是指集行政区、水体、控制断面三要素于一体的空间管理单元，是衔接了行政管理与流域管理的网格单元[9～11]。采用GIS技术，基于数字高程模型(DEM)数据，根据汇水关系确定陆域范围，形成水陆结合单元，在此基础上，叠加乡镇区划，考虑乡镇主要排污去向等因素，综合划定控制单元。具体方法如下。

采用GIS技术，基于数字高程模型(DEM)数据，提取辖区河流水系分布情况，根据道路、河流水系走向对DEM高程数据进行修正，直至水文分析模拟河网与实际河网吻合。从上游到下游、左岸到右岸、支流到干流“自下而上”的顺序逐级划定，从最低级支流开始，筛选汇水面积≥30 km2的支流作为一个汇水单元，其余汇水面积不足30 km2的支流则与上一级支流合并直至满足面积最低要求。由此确定的所有汇水单元面积均≥30 km2，涵盖不同级别支流。

将汇水单元叠加到行政区划图上，汇水单元完全包含在一个乡镇界内的即为一个控制单元，汇水单元涉及多个乡镇的则根据乡镇数量细化为多个控制单元。控制单元以“水+陆”的方式进行命名，即主要的水体或河段+乡镇(如XX河XX镇控制单元)。对于完整的河流、湖体单元，可直接以河流、湖体名称作为控制单元名称。

此过程中需解决两个关键问题，分别是提取河网流量阈值确定和汇水单元划定阈值设置。

3.1.1 提取河网流量阈值确定

通过多次计算，在提取河网时，根据实际计算栅格单元值(流水累积量)大于800符合重庆市实际情况。以乡镇为主要控制对象，在全市1030个乡镇级区划划分出7542个自然小流域单元。得到的水系与重庆河流水系基本吻合。

以万州区为例，提取河网流量阈值为大于800时，304条河流，划分304个汇水单元，万州区3457 km2，下辖12个乡、29个镇、11个街道办事处共52个乡镇级行政区划，平均10 km2一个自然小流域单元，一个乡镇平均6个左右的自然小流域单元(图1)。

图1 研究区汇水单元划分实例

3.1.2 汇水单元划定阈值设置

通过流域提取之后，河网将会划分为不同的自然小流域单元，但是这些直接划定的单元，有的面积过小，不利于管理和不符合客观实际。如图2所示，该乡镇境内共划分出14个自然小流域，过于密集，如编号11，即可和编号10合并。

筛选汇水面积≥30 km2的支流作为一个汇水单元，阈值30的确定是根据实例，同时考虑，重庆市流域面积50 km2以上的河流数量536条，38个区县和2个新区的实际情况综合确定。

3.2 水环境控制单元识别与分级

3.2.1 控制单元识别

全区(县)辖区内汇水的最高级别水体(以下简称“干流”)所在的控制单元；辖区内干流以外所有国控、市控考核断面(以下简称“考核断面”)所在的控制单元，水环境敏感区(包括保护区、饮用水源地等)所在的控制单元为一级控制单元。

水质现状已超Ⅲ类水体的控制单元为二级控制单元。

根据各控制单元汇水口水质现状监测结果，辖区内污染指数排名前15%的控制单元为三级控制单元。

其他控制单元为四级控制单元。

图2 某乡镇汇水单元合并实例

3.2.2 各级控制单元监测要求

一级控制单元应重点监测，监测指标包括但不限于水温、pH值、溶解氧、电导率、浊度、高锰酸盐指数、氨氮、总磷、总氮，湖库需增测叶绿素a、藻密度。

二级控制单元应有针对性监测，针对主要超标物进行监测，兼顾pH值、溶解氧、电导率、高锰酸盐指数、总磷等参数。

三级控制单元适当降低布点密度，监测指标包括但不限于pH值、溶解氧、电导率等重要指标。

四级控制单元以视频监控为主，有条件的增加对pH值、溶解氧、电导率等水质参数的监测。

3.3 断面布设技术要求

背景断面、对照断面、消减断面以及跨界断面等不同属性的断面布设参照相关规定执行。根据不同原则设置的监测断面发生重复时，只设置一个监测断面。

3.3.1 一级控制单元

3.3.1.1 干流控制单元监测断面布设

干流依据全区(县)出境断面处多年平均流量值确定控制断面密度，如表1所示。监测断面原则上布设在各级行政交界处、重要污染源下游、水环境敏感区(包括保护区、保留区、饮用水源地等)。

表1 干流监测密度一览

3.3.1.2 其他一级控制单元监测断面布设

有考核断面、水环境敏感区的一级控制单元，考核断面、水环境敏感区上游5 km范围内，河段长度5 km以上的所有一级支流均需在汇入之前设置监测断面。

3.3.2 二级控制单元

二级控制单元在整个控制单元的汇水处设置1个监测断面，在跨界、重点污染区域下游可以酌情增加1～2个监测断面。

3.3.3 三级、四级控制单元

三级、四级控制单元在整个控制单元的汇水处设置1个监测断面。

4 网络化仪器设备选择要求

4.1 监测原理

仪器设备选择应符合以下要求。

一、二级控制单元仪器分析原理应符合相应国家标准，见表2。

表2 系统分析原理

三、四级控制单元可选用满足监测要求的其他仪器设备。

4.2 功能要求

国标法仪器至少具备温度、pH值、电导率、浊度、溶解氧1 min 1测，其他项目1 h 1测功能；具备远程控制、断电自动复位重启以及关键参数上传等国家水站要求的功能。

其他方法的仪器至少具备1 min 1测的能力，具有数据校验，断点续传，自动补报、超标报警等功能；具备良好的扩展性和兼容性；具有远程对主机常用设置进行修改和保存的功能。

系统通信协议满足最新的《国家地表水自动监测系统通信协议技术要求》《国家地表水自动监测仪器通信协议技术要求》通信协议要求。

5 质量控制要求

国标法仪器按照《地表水水质自动监测站运行维护技术要求(试行)》的质控要求开展。其他方法原理的自动监测仪器应定期与标准方法进行比对验证。

6 结论与建议

水环境问题具有多元化、复杂化、区域间差异较大等问题，难以利用统一的制度和手段有效管理，而依托控制单元的水环境质量智慧监测网络能够系统建立各网格单元涉水环境问题清单，依此提出针对性的防治措施，是解决当前水环境问题的有效手段。

为进一步完善水环境质量智慧监测网络建设，今后在以下方面仍需进一步研究:进一步开展污染源-排污口-水质之间定量响应关系研究，科学确定跨流域区县的排污去向；加大遥感监测、无人机技术等新型技术手段的应用，逐步实现水环境监测的空-天-地一体化监测。