辽河保护区多尺度监测系统设计研究

于会彬，宋永会 ，段亮，彭剑峰，高红杰

中国环境科学研究院城市水环境科技创新基地，北京 100012

辽河是我国七大江河之一，经过“十一五”的水污染治理和生态修复，辽河干流水质得到了明显的改善，已经消灭劣Ⅴ类水质［1-2］。但是，辽河治理和保护中存在的一些深层次问题和矛盾仍十分突出。2010年，辽宁省借鉴国外河流管理经验［3-4］，划定辽河保护区，设立辽河保护区管理局。在保护区范围内统一依法行使环保、水利、国土资源、交通、农业、林业、海洋与渔业等部门的监督管理和行政执法职责以及保护区建设职责，保护河流生态系统的物理完整性、化学完整性和生态完整性，进而体现了流域综合管理的理念［5］。

辽河保护区范围始于东西辽河交汇处(铁岭福德店)，终于盘锦入海口。分布在121°41＇E ～123°55.5＇E，40°47＇N ～43°02＇N，面积为1 869.2 km2。辽河保护区划区设局，改变了过去的多龙治水、分段管理、条块分割的工作方法，整合环保、水利现有监管设施，综合协调和配套，完善了监测、信息管理等方面的能力建设，使保护区具有较为坚实的监管能力基础［6］。为完善监测体系和数据综合处理能力，建设综合管理平台和环境信息体制，开展多尺度监测监控系统设计研究，包括水质监测系统、生态监测站和低空航测系统建设。建立水质污染自动监测系统，包括中心站、支流汇入口子站;选取生态监测站点，确定监测内容和监测设备;设计低空航测系统，遴选航测设备和设置监测航线。

1 综合监测能力现状

辽河干流有水文站8 处，包括福德店、通江口、铁岭、马虎山、平安堡、辽中、六间房和盘山闸;水质监测站(断面)13 处，包括福德店、三合屯、通江口、铁岭、沙宝台、朱尔山、马虎山、毓宝台、红庙子、六间房、兴安、曙光大桥和赵圈河(图1)。在支流汇入口均建有水文站和水质监测站(断面)。

图1 辽河保护区位置与监测站点分布示意Fig.1 The location of Liaohe Conservation Area and distribution of monitoring sites

辽河流域存在监测部门职能不明确、监测水平落后、应急响应能力滞后等问题，具体表现在:辽河干流水文站和水质监测站(断面)，长期以来分属水利和环保部门，二者数据采集缺乏统一口径，不利于数据的使用和对照，需要增设与现有水文站对应的水质监测站(断面);监测水平落后，水质监测站以人工站为主，缺乏自动监测和数据传输设施;生态监测水平十分落后，基本处于空白状态，不利于保护区摸清生态资源家底;动态观测和应急响应能力相对滞后，不利于应急处理突发环境事件。因此，围绕辽河保护区监测能力建设的目标，开展水质监测系统、巡护与生态监测站和低空航测系统建设，对辽河干流水质、水量、水生态与水安全进行动态监测，构建辽河保护区多尺度监测系统(图2)。

图2 辽河保护区多尺度监测系统框架示意Fig.2 The outline of the integrated monitoring capacity in Liaohe Conservation Area

2 水质监测系统

设计在辽河保护区内建设水质污染自动监测系统(WPMS)，系统由监测中心站(保护区综合管理平台所在地)与监测子站(支流汇入口子站与干流子站)组成，随时对区域的水质污染状况进行连续自动监测，形成一个连续自动监测系统。设计近期(2013—2017年)建设1 处中心站(保护区综合管理平台所在地)、1 处干流子站、9 处支流汇入口子站和数据传输系统(图3(a))，结合水利部门、环保部门的监测站建设计划，实现信息共享;远期(2018—2020年)增加24 个水质监测断面(图3(b))。

2.1 监测中心站系统

中心站是各子站的网络指挥中心，又是信息数据中心，需配有功能齐全、存贮容量大的计算机系统，由通信联络设备及数据显示、分析、传输和接收的管理软件构成［7］。中心站的主要功能:数据通信、实时数据库、报警、安全管理、数据打印。水质自动监测系统中心站选址要能满足通信联络方便和交通运输便利，中心站选址在辽河保护区管理局机关。

2.2 监测子站系统

图3 近期和远期建设水质自动监测站点示意Fig.3 Automatic monitoring sites for water quality during short and long term in Liaohe Conservation Area

子站内装有用于测定各种污染物的单项指标、综合指标以及气象参数的分析仪器、数据采集通信控制器及通信设备。子站完成自动监测系统的信息采集、整理，并通过通信系统和计算机网络将各类信息传送给中心站，使决策部门及时了解水质状况，发布水质公报，为控制水质和治理水环境提供科学依据。信息采集系统的建设主要包括自动采样器、自动分析仪和多参数水质监测仪、水量测定装置的配备、设计和安装，以及采样场所的基建工程。信息采集系统的建设主要包括自动采样器、自动分析仪和多参数水质监测仪、水量测定装置的配备、设计和安装，以及采样场所的基建工程。

2.2.1 子站场址确定

水质自动监测系统不仅能获得大量、连续、完整的基础数据来进行水质评价，而且对上游水质变化及污染过境情况、判断突发性污染事故、有效监控水质起着重要的作用。在辽河538 km 干流和一级支流及排干汇入口处，目前仅有朱尔山、兴安2 处水质自动监测站，已经满足不了管理工作的需要，为此需建立辽河干流及一级支流、排干汇入口水质自动监测系统。设计在辽河干流新建1 处水质自动监测站，位于石佛寺水库;另外，在辽河干流一级支流及重要排干入辽河口新建9 处水质自动监测站。

辽河的一级支流和排干有36 条，其中流域面积大(500 km2以上)、非季节性支流河有秀水河、汎河、柴河、招苏台河、公河(三河下拉)、亮子河、沙河、拉马河、小柳河、长河、清河和绕阳河等共12 条;接纳辽河沿岸14 个县区城镇生活污水的支流河(含处理后)包括小柳河、付家窝堡排干、拉马河、长河、清河、清水河、一统河、螃蟹沟、左小河和招苏台河等共12 条;未纳入环保例行监测的支流河包括付家窝堡排干、秀水河、南窑村小河、亮沟子、和平乡和平村小河、三面船小河子河、梅林河、平顶堡镇无名河、沙河、业民镇英守村无名小河(2 条)和亮子河等12 条。因此，依据支流河的年径流量大、常年不断流、水污染较为严重等原则，确定近期建设支流汇入口水质自动监测站点9 处(图3)。

2.2.2 子站建设及监测内容

(1)水样采集系统。采样方法分为瞬时采样、周期采样和连续采样3 种［8］。采样设备为潜水泵。潜水泵的安装方式大体可分为固定式和浮动式2 种。固定式安装方便，但是采水深度会随水位的涨落而改变，因此在水位变化大的水域中使用时，不能保持恒定的采水深度。浮动式是将水泵安装在浮舟上，因浮舟始终漂浮在水面上，无论水位如何变化，采水深度始终保持不变。从水泵到监测室的输水管道越短越好，以免水质特别是溶解氧指标在输送过程中发生变化。管道要避光安装，以防藻类的生长和聚集。管道还应保温，防止冬天冻冰，堵塞输水管路。自动监测设备应配备备用电源或太阳能电池板。各站机房供电形式大部分为三相四线制，没有地线，属农村电网，机房内各种线路屏蔽不良，故应配备防雷工程措施。在缺少恒温条件下，应对仪器加保温层并加装仪器内部空调，保证自动监测仪的正常运行。为了保证测量精度，仪器必须带自动清洗、自动校正以及相应的程序控制装置。

(2)监测指标选择。目前，国家地表水水质自动监测站的监测项目包括水温、pH、溶解氧、电导率、浊度、高锰酸盐指数、总有机碳、氨氮［9］。根据辽河干流、一级支流和排干的水质状况，设计水质自动监测物理指标(水温、pH、溶解氧、电导率、浊度)，化学指标(高锰酸盐指数、总有机碳、氨氮、总磷、总氮)和生物指标(叶绿素)。特征检测指标包括铜、汞和石油类等。其中，铜和汞检测指标反映电镀、冶金等工业排放废水对河流水质的影响，检测重点在河流的城市段;石油类检测指标反映石油化工对河流生态系统的影响，检测重点在辽中和盘锦。

(3)信息传输系统充分利用流域现有的通信网和计算机网络，建立覆盖流域水质监测实验室的计算机网络系统，实现水资源信息的网上传输和资料共享，以达到快速、准确地传递水质信息的目的，为充分利用水资源提供服务。设计远期完善中心站功能，建设完善数据分析管理、动态演示等功能，在近期建设1 处干流子站和9 处支流汇入口子站的基础上，在其余22 处支流汇入口建设常规水质监测断面。

3 巡护及生态监测站

选择保护区内重要的生态结点、重点湿地，野生动物、鸟类、水生生物栖息地，建设巡护及生态监测站，具有巡护、湿地监测、珍稀野生动植物监测、鸟类和鱼类观测功能。采用人工监测、自动站观测和遥感监测分析手段相结合的方法，对保护区内野生动植物、鸟类、水生生物资源的变化状况以及河滨湿地状况进行观测，分析保护区内生态质量的变化趋势，分析流域水资源利用、水利工程建设以及水污染对保护区湿地生态系统的影响规律。

3.1 站点选址

根据保护区巡护管理及生态综合监(观)测的需求，选取铁岭市昌图福德店、通江口，银州区、沈北石佛寺、马虎山、新民毓宝台，台安大张桥，盘山闸处(图4)，以现有基层河道管理机构人员、站房为基础建立巡护站，增加必要的观测设施，形成保护区日常巡护管理与生态综合监(观)测网络。

3.2 监测内容

鸟类监测包括物种、栖息地、流行性疾病和周围人类活动监测［10-11］。监测区域野生水鸟活动状态及异常情况(不正常死亡或病症)，监测区域野生水鸟迁徙规律、迁徙形式以及环志、彩色旗标佩戴情况，监测野生水鸟种类、种群数量、活动规律和主要分布地。野生水鸟栖息地环境状况监测主要包括水深度、潮汐变化、盐分、湿地类型、植被种类及覆盖率、人为干扰及污染情况等。协助卫生防疫、动物检疫部门做好野生水鸟的禽流感病毒检测工作。监测站周围人类活动对鸟类影响主要包括鸟类栖息地人类的活动状况，水产采集和加工，留鸟种类和数量，家禽养殖种类、数量、养殖方式(散养还是半散养)，与野禽交叉感染的可能性等。

图4 近期建设巡护及生态监测站点示意Fig.4 Monitoring sites for patrol and ecology during short term in Liaohe Conservation Area

湿地监测主要包括地形地质、气候、水文、土壤和生物等方面。地形地貌要素有海拔高度和岩石特征，气候要素包括气温、大气湿度、降水量、土壤状况和蒸发量，水文要素包括地表水位、地下水位、地表水入流量和出流量、地下水入流量和出流量、地表水和地下水的盐度、地表水和地下水的温度、透明度、化学需氧量、生化需氧量、放射性核物质以及生物体内有毒物质的浓度、水中各种营养物的浓度、沉积物中各营养物浓度、总磷和总硫浓度，土壤要素包括养分含量及有效态含量、土壤的颗粒组成、空隙度、透水率，生物要素包括优势种及其变化、水禽的种类和数量。

水生态监测涉及理化、生物和生态监测。理化指标有水温、pH、电导率、溶解氧、透明度、化学需氧量、生化需氧量、总氮、硝氮、氨氮、总磷、溶解性正磷酸盐、叶绿素a、蓝藻浓度;生物指标包括浮游藻类、着生藻类、底栖动物、高等水生动植物;生态指标包括沿岸带自然环境、沉积物状况、河道状况［12-13］。

3.3 监测设备

鸟类监测设备包括双筒望远镜和单筒望远镜。湿地监测设备有涡动相关通量观测系统，梯度观测系统，EasyAG50 土壤水分测定系统，雨量筒，LI-6400P 便携式光合作用测定系统，自制土壤呼吸作用测定系统，Diviner2000 土壤水分测定仪，LI-8100L 自动土壤碳通量监测系统，轻便风向、风速观测仪;辐射热计，辐射日照仪。水生态监测设备有双目显微镜、高速台式离心机、藻类计数框、真空干燥箱、高温箱式电阻炉、紫外可见分光光度计、玛瑙研钵、有机玻璃采水器、荧光计、哈纳便携式系列水质测定仪、河流底部取样器、彼德逊不锈钢采泥器、自动双重纯水蒸馏器、高压灭菌锅。

4 低空航测系统

远期设计建设2 套低空航测系统，选址在石佛寺水库周边，其服务功能可覆盖整个辽河保护区。用于保护区日常巡检、生态环境变化遥感监测、突发环境灾害与污染事件持续跟踪监测及救援疏散等［14-15］。无人机监测系统整套设备包括无人机本体，以及导航与飞行控制系统、遥感传感器及其控制系统、信号传输系统、地面监控系统。飞行器上装置的GPS 能实时接收GPS 信号，确定监测器的空中位置，用以支持程控设备按计划航线飞行，也可以通过遥测信号传送到地面，显示在计算机屏幕地图上，供地面人员进行导航操作。飞行器的传感平台有三轴稳定功能，平台上装有电视摄像头和数码相机。电视摄像头获取的图像通过遥测信道传输到地面屏幕显示，用于摄影控制操作。影像获取是采用CDC 高分辨率面阵数码相机，拍摄时将数码相机所获取的数字影像保存在存储卡中，飞行器降落后取出，传输到电脑中进行处理，由于非量测数码相机与航天及一般航空遥感使用的传感器不同，为保证精度，在飞行前需经实验室进行严格校验。

5 结语

为了巩固辽河干流治理成果，实现可持续发展的长远目标，构建重点区域多尺度监测系统，完善监测体系和数据综合分析能力。建立以水利、环境信息统一管理为特征的全区环境信息管理体制，提升监测应急能力，实现保护区管理的规范化、系统化和信息化，形成保护区完善的综合监控网络体系，加强保护区基础设施建设，提高监测能力。

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