新形势下我国江河入海水通量监测实践与对策建议

胡展铭,方海超,杨永俊,林忠胜,孙家文

国家海洋环境监测中心,辽宁 大连 116023

入海河口是人类活动对海洋环境影响最大的区域之一。近10年的监测数据表明,我国海洋环境污染和重度富营养化主要集中发生在入海河口,并且主要河口生态系统功能退化明显,连续多年处于亚健康或不健康状态[1-3]。通过2020年监测数据可知,辽东湾、渤海湾、莱州湾、长江口-杭州湾、珠江口等海域分别受辽河、海河、黄河、长江、珠江等入海河流影响,劣四类水质海域面积占我国严重污染海域总面积的比例达75%。依据相关公报[3],2021年开展监测的7个河口生态系统均呈亚健康状态,部分河口海水富营养化严重。我国入海河口生态环境问题突出,已成为制约我国海洋生态环境质量持续改善的重点和难点。

我国近岸海水中的污染物主要来自于陆源。与排污口、大气沉降、海上养殖相比,江河入海污染物贡献比例最大[4]。江河入海水通量的环境影响见图1。江河入海水通量不仅直接影响污染物和多种形态碳的浓度,也决定了江河污染物和碳的入海通量。全球每年经陆地侵蚀由河流输入海洋的碳约为10亿t,其中约60%为无机碳、40%为有机碳[5]。此外,江河入海水通量还会对河口生态系统的盐度、泥沙等要素的时空变化产生显著影响。总之,江河入海水通量是维持河口生态系统平衡和保持河口生境功能的关键指标。

图1 江河入海水通量的环境影响

1 监测历史

2002年,原国家环境保护总局发布了《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T 91—2002),对流域污染物通量监测方法进行了规范,要求流量监测主要采用简易方法(如浮标法),一般潮汐河流的流量监测对照断面设在潮区界以上,消减断面设在近入海口处。2005年,国家海洋局发布了《江河入海污染物总量监测技术规程》(HY/T 077—2005),对江河入海污染物总量监测作出了规定,要求断面流量监测参考水利部门技术标准,并且监测断面原则上应布设在零盐度处(盐度最高不得超过5)。但HY/T 077—2005针对的是通过江河携带入海(至感潮河段起点)的污染物总量,并未考虑整个感潮河段污染物的输入。2006年,中国环境监测总站印发《沿海地区入海河流污染物通量监测实施方案(试行)》,规定流量按月或季度监测,可参照《河流流量测验规范》(GB 50179—1993)执行,不具备实测条件的地方也可采用当地水利部门测得的流量数据。2015年,国家海洋局印发《江河入海污染物总量监测与评估技术规程(试行)》(海环字〔2015〕27号)。该规程规定了监测断面的设置方法,即：原则上,水质和水文监测断面应一致,布设在感潮河段起点(盐度<2),并在河流受潮汐影响最小的时段采样;若感潮河段起点难以实施监测,应从可监测河段的最小盐度处开始设置监测断面,按照盐度梯度向海一侧布设5个以上,各监测断面之间的盐度梯度不大于5,并在江河受潮汐影响最小的时段采样。2020年,生态环境部发布《近岸海域环境监测技术规范 第七部分 入海河流监测》(HJ 442.7—2020),对入海河流环境监测各个环节的技术要求作出规定,将流速和流量划归为收集数据项目,频次要求一般为每月一次。

以上方案和技术规范在我国过去20年的河流水环境评价、河口与近岸海洋环境保护工作中发挥了积极作用,并为今后的江河入海水通量监测技术的发展奠定了基础,但仍存在监测位置远离河口口门、关键区域(如感潮河段)存在监测盲区、月度或季度监测频率偏低、跨部门收集流量数据的时效性较低且操作性较差、监测数据缺少统一的质量保证和质量控制要求、监测结果不确定性较大等诸多问题,已无法满足《中共中央 国务院关于深入打好污染防治攻坚战的意见》和《重点海域综合治理攻坚战行动方案》[6]中的相关要求,即以突出生态环境问题为导向,坚持精准治污、科学治污、依法治污,深入实施陆海统筹的综合治理、系统治理、源头治理,推进美丽海湾建设和示范引领。

2 发展现状

“十四五”期间,我国拟在国家地表水监测网络中设置230个入海河流监测断面,覆盖223条入海河流。目前,尽管我国已开展了一些江河入海水通量监测和评估研究工作,但大多数工作只是集中在长江、黄河等几条大的江河[7-9],其他河流鲜少涉及。因此,进一步加强我国江河入海水通量监测研究,对全面掌握我国江河入海污染状况和促进海洋环境保护管理有着重要的意义。

《“十四五”生态环境监测规划》[10]明确提出,要加强陆海统筹,研究实施入海河流—入海河口—海湾联动监测;要加强长江、黄河等重点流域监测,试点开展水环境和生态流量协同监测,为流域生态补偿提供客观依据。《“十四五”海洋生态环境保护规划》[11]在加强海洋生态环境监管基础能力建设方面提出,要探索开展入海河流主要污染物排海通量监测评估试点。《生态环境监测规划纲要(2020—2035年)》[12]明确了海洋环境监测工作未来的发展目标和重点任务,即：从浓度监测、通量监测向成因机理解析拓展;监测领域从陆地向海洋、从地上向地下、从水里向岸上拓展;开展主要河流及入海排污口污染物入海、海洋大气污染物沉降监测,评估不同来源污染物贡献率;探索开展入海河流污染通量监测。以上规划对我国江河入海水通量监测工作提出了更高的要求。虽然目前已开展的监测工作对全国海洋生态环境质量持续改善提供了有力支撑,但仍然存在一些问题,主要是对决定江河污染物入海通量的关键指标——江河入海水通量的监测未取得突破,具体表现在以下3个方面。

2.1 江河污染物入海通量未得到有效掌握

对于入海河口及近岸海域,我国现行污染物总量控制方法多以达到不同类型功能区水环境管理要求为目标。然而,如果不能掌握每年江河入海污染物的通量,就无法分析江河污染物入海的现状和变化趋势,也就无法给出科学合理的海湾环境容量,与之相应的总量控制方案就很难达到预期效果。

我国每年通过江河入海的营养盐、重金属、油类、抗生素、塑料等污染物有多少?这一问题的答案目前仍未得到有效掌握,导致海洋纳污能力难以评估,从而无法科学合理地给出最大允许排放量/控制指标。将最大允许排放量/控制指标设计得太低会导致无法达到环境约束目标,而设计得过高则会影响经济社会发展。此外,国际社会对此类问题也存在一定关注。例如：美国学者基于人口数量、人均年垃圾产生量等因素,估算了入海垃圾通量,在《Science》杂志刊文称我国是海洋塑料垃圾的最大源头,北太平洋58%～65%的塑料垃圾来自我国[13];德国学者估算了全球1 350条入海河流的塑料通量,得出90%的塑料垃圾通过10条河流输入海洋的结论,而我国长江、黄河、海河、珠江位列其中[14]。尽管上述报道存在相当大的不确定性,但由于缺少相应的监测数据予以回应,给我国造成了较大的负面舆论影响。

2.2 江河入海水通量监管体系未得以构建运行

2018年国务院开启机构改革,将水利部的编制水功能区划、排污口设置管理、流域水环境保护职责和国家海洋局的海洋环境保护职责划转至生态环境部,实现了陆地、海洋生态环境保护职责、机构与职能的统一。但由于河口感潮河段水体具有一定的独特性,我国以往围绕地表水和海水构建而成的生态环境监测管理体系并不完全适用于感潮河段。目前,感潮河段已成为河流—河口—海湾联动监测的矛盾集中区域,给陆海统筹环境监测工作带来了很大的技术障碍。

现阶段,河流入海水通量估算主要是采用水利部水资源评价方法,即：若水利控制站距入海河口较近并有巡测年径流资料,则直接以控制站实测年径流量作为入海水通量。但在大多数情况下,控制站距入海口较远,这就需要增加区间产水量(一般根据降雨资料和汇水面积间接求得,如有支流,还需估算其汇水量),并扣除区间用水量(控制站以下至入海口的工农业、生活和景观等用水量)和河道输水损失量,以此求得入海水通量。河流年入海水通量计算公式可表示为

W年入海=W控制站年径流+W区间年产水-

W区间年用水-β×W控制站年径流

(1)

式中：β为河道输水损失系数,主要与蒸发、渗水有关。

由于水利部的主要职责是保障水资源的合理开发利用,其设置的控制站多是把口站(入海河流最后一个水文站)。若将把口站测得的水量作为入海水通量,则存在3个方面的问题：一是把口站往往距河口较远,少则几十公里,多则几百公里;二是一些把口站下游存在闸坝升降等人工影响,导致流经把口站的地表水大多被闸坝拦截,作为工业、农业、景观和生活用水;三是把口站与河口之间的河段既有“水量出”(蒸发、取用水),也有“水量入”(雨水汇入、排水)。综上,影响河流入海水通量的很多因子和参数目前都无法得到准确测量,若采用水利控制站水量监测数据结合数学模型进行估算,会导致结果偏差较大,难以满足评估江河污染物入海通量和河口生态系统生态需水量的准确度要求。

2.3 江河入海水通量监测技术未得到建立和规范

目前我国并没有发布江河入海水通量监测技术规范。水利部门编制的《河流流量测验规范》(GB 50179—2015)主要是针对流向单一的河流段;《感潮水文测验规范》(SL 732—2015)规定了潮汐水文条件下的测站布设、潮水位观测、潮流观测和泥沙测验等内容,但并未从海洋环境保护的角度对江河入海水通量监测作出相应规定。海洋部门起草编制的《海洋调查规范 第2部分：海洋水文观测》(GB/T 12763.2—2007)、《海洋监测规范 第1部分：总则》(GB 17378.1—2007)、《海滨观测规范》(GB/T 14914—2006)和《海洋监测技术规程 第6部分：海洋水文、气象与海冰》(HY/T 147.6—2013)规定了不同场景条件下的海流、水位等要素的监测技术要求。生态环境部发布的《近岸海域环境监测技术规范 第七部分 入海河流监测》(HJ 442.7—2020)[15]只是规定了入海河流水质监测过程中的点位布设,样品采集、保存、运输,现场测试,实验室分析和质量控制等环节的技术要求。

目前国内的流量测量技术规范主要是针对河流径流量,并不完全适用于受径流和外海潮汐相互作用、流态复杂的感潮河段。根据生态环境部在《2021年生态环境工作要点》中明确提出的“试点开展通量监测,鼓励有条件的地方先行先试,力争在若干难点和关键环节实现突破”的要求,亟需开展针对江河入海水通量监测的技术标准体系建设。

3 监测实践

针对江河污染物入海总量不明的问题,国家海洋局制定了《国家海洋局海洋生态文明建设实施方案(2015—2020年)》和《关于推进海洋生态环境监测网络建设的意见》(国海发〔2015〕13号),明确提出对污染物排海量较大的长江、珠江、黄河等20条主要河流开展入海水通量监测。2018年,因机构改革,相关工作在推进过程中有所停滞或调整。

2017年,国家海洋环境监测中心在辽河口建设了“海洋环境在线监测试验基地”(以下简称辽河站)(图2),开展江河入海水通量监测试验工作,已连续获取了近5年的试验数据资料。

图2 辽河站位置示意图

辽河站监测断面流态复杂,单一代表点、代表层、代表垂线的测流法测量结果无法反映断面流态状况,因此,在该站采用组合式测流法测定水通量,监测仪器主要包括声学多普勒流速剖面仪(ADCP)和电磁海流计。监测方案示意图如图3所示,监测仪器信息见表1。首先,在河岸两侧打下两根长2.8 m的木桩;然后,跨越河道,在垂直于河岸的方向固定一根直径0.6 cm的钢丝绳;最后,采用Infinity AEM型自容式电磁海流计(日本JEF公司)对河两岸表层和河道中部表层、中层、底层进行典型大小潮单点流监测,采用Stream型ADCP(美国TRDI公司)进行典型大小潮垂向剖面流走航监测,采用SL 500型ADCP(美国SonTek公司)进行定点水平剖面流长期监测,采用FlowQuest 1000k型ADCP(美国LinkQuest公司)进行定点垂向剖面流长期监测。后两种ADCP的监测时间覆盖感潮河段的丰水期、平水期和枯水期,采样时间间隔为10 min。

表1 监测仪器信息

图3 监测方案示意图

海床基监测方式具有如下特点：一是流速代表性强。与水平剖面流相比,垂向剖面流更能表征河段流态状况。二是测量准确度高。相比浮标、船舶、索道方式,以海床基为固定监测平台不受海况影响,没有相对运动速度。三是测量位置一致。相比浮标,海床基搭载ADCP可使不同波束层位置统一。四是测量范围大。与浮标的自身吃水深度相比,海床基搭载ADCP的垂向有效监测范围更大。五是更宜操作实施。与其他3种监测方式相比,海床基监测对船舶通航的影响最小。因此,选取采用FlowQuest 1000k ADCP长期监测得到的垂向剖面流作为主要代表流速。

根据监测结果可知,辽河站位于感潮河段,受上游径流和下游潮流耦合作用影响,监测断面流态呈复杂的往复流特征。入海流量不仅受上游来水和下游潮水的影响,还受人工闸坝的影响,导致入海流量的季节和日变化较大。一般情况下,丰水期的流量日变化幅度可达600 m3/s。此外,当橡胶坝出现升降变动时,流量变化的规律性较差(图4);反之,流量变化表现出一定的规律性(图5)。因此,仅采用传统的季节性瞬时流量监测,根本无法反映出河口流量的变化过程,也无法合理测算全年入海水通量。

图4 2017年7月监测断面入海流量变化(受橡胶坝影响)

图5 2019年9月监测断面入海流量变化(未受橡胶坝影响)

辽河站上游约55 km处为水利部辽河把口站——六间房水文站(以下简称六间房站)。该站位于非感潮河段,距离辽河口较远(约74 km),而且其下游有一个蓄水闸(盘山闸)和一处拦水橡胶坝。2019年、2020年辽河站和六间房站月水通量对比情况分别见图6、图7。2019年,辽河站全年水通量约为22.16亿m3,六间房站径流通量约为31.08亿m3,辽河站占六间房站的71%;2020年,辽河站全年水通量约为19.78亿m3,六间房站径流通量约为35.27亿m3,辽河站占六间房站的56%。

图6 2019年辽河站和六间房站水通量比对

图7 2020年辽河站和六间房站水通量比对

通过对比可知,两站全年水通量差异较大,六间房站水通量明显大于辽河站。流经六间房站的河水一部分被盘山闸拦蓄,以满足工农业用水和景观用水等需求,只有部分河水从辽河口入海,并且受盘山闸起落影响,入海水通量变化有一定的滞后性和不确定性。辽河站距离入海口较近,除去蒸发作用和下渗作用的微量影响外,流经辽河站的河水几乎全部入海。因此,相比六间房站,辽河站的水通量值更适宜代表辽河入海水通量。

研究人员依托辽河站开展的主要工作如下：一是开展江河入海流量在线监测系统设计研究。制定江河入海流量在线监测系统设计方案,提出了系统设计原则,以及系统组成、结构、功能、运行流程等方面的设计要求[16]。二是开展江河入海水通量监测技术研发。开展基于底基、桩基、桥基等不同方式的监测技术研究,以及江河入海水通量估算方法和不确定度评估方法研究等[17-18]。三是开展江河入海水通量监测技术标准化研究。编制生态环境部行业标准《感潮河段流量在线监测技术规程》(已报批),以实现感潮河段流量在线监测站位、监测仪器、监测流程和计算方法等的设置和选取有据可依。四是开展2017—2022年辽河入海水通量监测试验。对监测流程、监测系统、监测技术方法等进行了全面的试验测试[19],为我国实施江河入海污染物通量监测积累了多年连续原位监测资料。同时,完成了监测技术框架设计,系统推进了监测技术研发,奠定了规范化和业务化运行的基础。

4 对策建议

4.1 总结分析江河入海水通量监测试验工作

“十四五”国家地表水监测网络拟覆盖的223条入海河流涉及的地形多样,南北方河流的数量、季节性变化差异较大,不同入海河流的径流量差异巨大(可达到3～4个数量级)。此外,部分河流感潮河段存在闸坝,入海水通量受其影响较大。目前,只有长江、黄河等几条主要河流的沿海省份监测机构根据各自的监测需求和能力,对主要河流开展了规范的入海水通量业务化监测工作,对一些河流(如辽河)开展了试验性的监测工作,而对绝大多数入海河流并未开展此项工作。根据机构改革后的职责定位,建议由生态环境部组织,尽快启动对我国各地已开展的江河入海水通量监测业务、试验和研究工作的总结,梳理我国入海河流自然环境特点、监测方案(部门、人员、仪器设备、资金来源等),分析存在的问题和取得的成功经验,为我国全面开展江河入海水通量监测工作打基础、定调子。

4.2 深入开展江河入海水通量监测顶层设计

建议按照深入打好污染防治攻坚战的要求,进一步明确江河入海水通量监测工作定位,充分依托现有工作基础,进行国家层面的系统顶层设计和全面统筹规划。为规范我国江河入海水通量监管工作,建议分阶段建立监管规划、实施方案、管理手册、监测标准、质量控制通用规程等,以实现我国江河入海水通量监测点位统一规范化布置、监测仪器统一规范化选型、监测数据统一规范化处理。加强入海河流监测网络建设,强化国家—省—市入海河流监测统筹,实现国家和地方入海河流监测网络统筹管理。选择有条件的入海河口开展规范化试点工作,为下一步全面实施江河入海水通量监测工作做示范、起引领。

4.3 加强江河入海水通量监测关键技术方法研究

以监测数据“真、准、全、快、新”为目标,建议加强江河入海水通量监测关键技术方法研究,包括不同环境条件下的岸基、桩基、桥基和底基感潮河段流量监测方法,多种方式的水下有缆和无缆数据实时通信技术,基于系统和随机不确定度的质量保证和质量控制机制,以及入海水通量评估方法等。选择不同流量级别的江河进行入海水通量关键技术研发和应用示范,开展江河污染物入海通量精细化评估及江河入海水通量和海水水质变化响应分析,厘清陆海水质响应变化规律,明确贡献责任,进一步指导陆源污染防治。补充完善我国现行水环境质量监测评价技术体系,力争在若干难点和关键环节有突破、勇创新。

5 结语

入海河口是深入打好污染防治攻坚战的主要战场,也是反映各类污染防治工作成效的窗口。开展江河入海水通量监测,是生态环境部履行监督管理国家减排目标的落实、组织制定海洋各类污染物排放总量控制制度并监督实施、确定海洋纳污能力、提出实施总量控制的污染物名称和控制指标职责的重要举措,也是依据“实现大监测、确保真准全、支撑大保护”发展思路,加快完善生态环境监测体系,进一步提升生态环境监测“顶梁柱”支撑能力,着力构建与攻坚任务相适应的现代化治理体系和治理能力的重要举措。其必将有助于对海洋生态环境保护问题精准定位、科学施策,对我国海洋生态环境质量改善由量变到质变具有十分重要的现实意义。