國內(nèi)外湖泊水環(huán)境監(jiān)測調(diào)研

國內(nèi)外湖泊水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)調(diào)研摘要：在城市化高速開展的當(dāng)下，世界各地經(jīng)濟開展的同時必然帶來了一系列的環(huán)境問題。人們在追求經(jīng)濟價值的同時也開始關(guān)注水環(huán)境問題，通過各種監(jiān)測技術(shù)對水環(huán)境實施實時監(jiān)督、實時診斷、實時管理。如何將新興技術(shù)更好地利用在水環(huán)境監(jiān)測上成了各個國家研究的熱點。在比擬國內(nèi)外監(jiān)測現(xiàn)狀的根底上，有利于我國建立起更加完善、合理、創(chuàng)新的監(jiān)測系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：湖泊監(jiān)測技術(shù)；環(huán)境問題；地理信息系統(tǒng)；遙感;在當(dāng)今世界多格局的形勢下各個國家雖然開展程度各不相同，但都存在大大小小的環(huán)境問題，尤其是興旺國家在經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定開展的同時，逐漸加強對環(huán)境的監(jiān)測和管理。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，政府等部門加大了遙感和地理信息系統(tǒng)在水環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用。在國內(nèi)湖泊監(jiān)測現(xiàn)狀的缺乏分析和國外湖泊新興監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢分析中，對我國構(gòu)建自動化智能化網(wǎng)絡(luò)化的檢測系統(tǒng)無疑具有十分重要的借鑒意義。陸地上洼地積水形成的、水域比擬寬廣、換流緩慢的水體。在地殼構(gòu)造運動、冰川作用、河流沖淤等地質(zhì)作用下，地表形成許多凹地，積水成湖。露天采礦場凹地積水和攔河筑壩形成的水庫也屬湖泊之列，稱人工湖。世界湖泊分布很廣，著名湖泊如表1.2.1。中國湖泊眾多，主要湖泊如表1.2.2。中國湖泊面積大于1平方公里的約2300個，總面積達71000多平方公里。另一說為2848個，面積為83400平方公里。表1.2.1世界主要湖泊湖名國家面積〔km2〕最大水深〔m〕容積〔km3〕蘇必利爾湖維多利亞湖咸海休倫湖密歇根湖坦噶尼喀湖貝加爾湖馬拉維湖大熊湖大奴湖伊利湖溫尼伯湖安大略湖拉多加湖馬拉開波湖加拿大、美國坦桑尼亞、肯尼亞、烏干達蘇聯(lián)加拿大、美國美國坦桑尼亞、扎伊爾、贊比亞、盧旺達、布隆迪蘇聯(lián)馬拉維、莫桑比克、坦桑尼亞加拿大加拿大加拿大、美國加拿大加拿大、美國蘇聯(lián)委內(nèi)瑞拉82680690006410059800581003290031500309003020027200257002460019000177001330040692682292811435174170613715664192362303511600270010203580468018900230007725101010705451271710908圖1世界主要湖泊分布圖表1.2.2中國主要湖泊湖名湖面海拔〔m〕面積〔km2〕最大水深〔m〕容積〔億m3〕青海湖興凱湖〔中蘇界湖〕鄱陽湖洞庭湖太湖呼倫湖洪澤湖納木錯奇林錯南四湖艾比湖博斯騰湖扎日南木錯巢湖鄂陵湖貝爾湖〔中蒙界湖〕扎陵湖艾丁湖白頭山天池〔中朝界湖〕日月潭~—圖2中國湖泊分布圖〔1〕重要的水資源和旅游資源；〔2〕水體的自我凈化作用；〔3〕降低城市熱島效應(yīng)和防洪排澇；〔4〕為動植物提供棲息地，維持物種多樣性。〔1〕人們的過度開發(fā)導(dǎo)致湖泊面積減少；〔2〕人們的生產(chǎn)生活活動影響了湖泊的正常演變；〔3〕水污染和富營養(yǎng)化日益加??；〔4〕盲目引進外來種，導(dǎo)致土著種的滅絕；河流(湖、庫)等地表水全國重點根本站監(jiān)測工程應(yīng)符合表必測工程要求，同時也應(yīng)根據(jù)不同功能水域污染物的特征，增加表中某些選測工程。表1.3.3地表水監(jiān)測工程2.北美洲〔以五大湖為例〕五大湖包括五大湖總面積約245660平方公里，是世界上最大的淡水水域。分布于美國和加拿大境內(nèi)。五大湖流域約為766100平方公里，南北延伸近1110公里，湖水除密歇根湖和休倫湖外水平面相等外，各湖水面高度依次下降。1〕外來物種入侵→土著種消失，生物多樣性下降2〕面源污染→混合的化學(xué)物質(zhì)污染徑流和地下水3〕點源污染→來自可識別來源的有害化學(xué)物質(zhì)污染水質(zhì)4〕貨船渠道→破壞湖區(qū)環(huán)境5〕海岸線開發(fā)、濕地開發(fā)→破壞湖泊生態(tài)系統(tǒng)6〕污染熱點→氯聯(lián)苯，重金屬等高濃度污染物會引起世世代代的污染7〕空氣污染沉積→將排放到天空的化學(xué)品和化合物沉積到地面加重污染8〕污染的海灘→影響人類和生態(tài)系統(tǒng)的健康9〕過度開發(fā)利用水資源→淡水資源匱乏1〕濱海濕地植物群落→地面植被根據(jù)遙感光譜特征數(shù)據(jù)抽樣2〕大湖的沿海沼澤人口彈性調(diào)查→人口普查和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享3〕侵入性物種邊界→全球定位系統(tǒng)和手持式光譜儀4〕土地覆蓋層變化→陸地衛(wèi)星多光譜掃描數(shù)據(jù)5〕物種空間分布均勻程度→分層隨機抽樣6〕景觀生態(tài)特征→地理信息系統(tǒng)和遙感數(shù)據(jù)效勞1〕消除污染變事后治理為事先預(yù)防2〕由“預(yù)防為主〞向“預(yù)測為主〞方向開展3〕利用“模型〞復(fù)原環(huán)境，綜合的分析、評價和預(yù)測環(huán)境質(zhì)量的變化4〕全方位、多層次開展監(jiān)測工作5〕自動監(jiān)測網(wǎng)進一步加強與完善，應(yīng)用遙測、遙控等先進技術(shù)實時測定大范圍環(huán)境污染狀況6〕環(huán)境科研工作的開展加強環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域新技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)監(jiān)測科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化、程序化1〕大多僅滿足于監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集，對數(shù)據(jù)本身的背景和相關(guān)性缺乏探討2〕對監(jiān)測數(shù)據(jù)缺乏深度加工3〕監(jiān)測數(shù)據(jù)難于被群眾理解和應(yīng)用3南美洲〔以馬拉開波湖為例〕馬拉開波湖位于委內(nèi)瑞拉的西北部，總面積1.43萬平方公里，是南美洲最大的湖泊，也是唯一與海相通的湖，水深平均達20多米?？磕系牟糠钟写笮?50多條內(nèi)陸河注入，是淡水；湖北部出?？谟薪?0公里寬的水面與加勒比海相接，水很咸。除北部委內(nèi)瑞拉灣沿岸氣候枯燥、年降水量缺乏500毫米外，湖區(qū)大局部高溫多雨，為南美洲最濕熱地區(qū)之一。1〕世界上產(chǎn)量最高、開采歷史最悠久的石油湖→原油泄漏、污染湖水2〕開挖水道方便貨輪和油輪駛?cè)搿Ｋ构唷⒑}量增加3〕周圍城市污水處理設(shè)施不夠完善→破壞湖區(qū)水質(zhì)4〕生產(chǎn)生活廢水、廢品排放→污染湖區(qū)支流灌溉水源5〕溢油事故→破壞了水生動植物的棲息地6〕石油公司用來驅(qū)散漏油的化學(xué)物質(zhì)→浮萍大量繁殖，危害其它水生動植物的生存1〕溢油事故監(jiān)測：目前國際上探測溢油的傳感器,主要使用航天平臺和機載平臺，可以利用多種傳感器進行溢油監(jiān)測。傳感器包括微波輻射計、合成孔徑雷達和側(cè)視雷達(SAR、SLAR)、紫外(UV)、可見光利用搭載在EOS-Aqua/Terra。衛(wèi)星上的MODIS數(shù)據(jù),對委內(nèi)瑞拉的馬拉開波湖溢油等4次事故進行光譜分析和研究。在對出事海域的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行圖像處理的根底上,利用MODIS數(shù)據(jù)的多光譜信息,分析溢油在各個波段的特征,并確定油膜特征比擬明顯的波段范圍,為可見光近紅外衛(wèi)星監(jiān)測溢油提供參考。但MODIS數(shù)據(jù)包含著豐富的多光譜信息，多光譜數(shù)據(jù)的空間分辨率較低，多可作為高空間分辨率圖像的輔助信息〔Table1〕。2〕浮萍監(jiān)測：分解藻類植被往往創(chuàng)造缺氧條件，造成底棲生物死亡。這些潛在的負(fù)面影響要求我們開展方案，以監(jiān)察，減輕和控制可能缺氧的內(nèi)陸和沿海水體。衛(wèi)星偵察提供獲得快速和有效的手段監(jiān)測受影響地區(qū)。遙感測量和圖像中分辨率成像光譜儀〔MODIS〕提供實時的內(nèi)陸和沿海水域的水質(zhì)量的變化的監(jiān)測。幾個研究已經(jīng)證明了包括MODIS衛(wèi)星遙感圖像濕地生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)研究以及浮水和沉水植物在湖泊，沿海和海洋生態(tài)系統(tǒng)中的作用這些研究說明，衛(wèi)星遙感是符合本錢效益的大區(qū)域調(diào)查。衛(wèi)星圖像的大量、實時性質(zhì)允許監(jiān)測植被/藻類大量繁殖的動態(tài)，并提供了一種方法來檢測量化的變動率、浮萍的生長和蔓延、包括最適宜的營養(yǎng)負(fù)荷，溫度和光照條件〔Table2〕。Table2浮萍監(jiān)測3〕關(guān)于湖區(qū)生物多樣性可以采用樣方和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享收集資料4〕湖泊生產(chǎn)生活污水排放有相關(guān)部門定期檢查更新數(shù)據(jù)4大洋洲〔以南澳大利亞水域為例〕澳大利亞是世界上水資源短缺國家之一，海岸線長36735公里，雖四面環(huán)水，沙漠和半沙漠卻占全國面積的70%。水資源分布不均，時空變差大，帶來許多奇異的水資源現(xiàn)象。澳大利亞有8個淡水湖，12個咸水湖。艾爾湖是靠近大陸中心一個極大的鹽湖，面積超過9000平方公里，但長期呈干涸狀態(tài)。1〕水資源分布不均→水資源短缺，湖泊非周期性干旱和豐沛2〕土地的養(yǎng)分和泥沙的排放→造成海洋環(huán)境壓力3〕新的化學(xué)品進入市場→污染水源4〕污染暴露的金屬和其它特定區(qū)域→點源和非點源污染5〕人類活動創(chuàng)立過多的養(yǎng)分負(fù)荷→富營養(yǎng)化6〕過多的人類活動→大氣沉降7〕酸雨、沙塵暴、森林大火→影響水域健康8〕人類生產(chǎn)生活活動→東南地下水的硝酸鹽污染9〕過度開發(fā)利用→湖泊嚴(yán)重退化10〕城市化開展及河流→影響沿海水域11〕人類生產(chǎn)生活導(dǎo)致動植物棲息地喪失、外來物種入侵→影響水道、原生物種的健康、生物多樣性減少主要污染物監(jiān)測1〕Carbonmonoxide一氧化碳2〕Nitrogendioxide二氧化氮3〕PhotochemicalOxidants(asOzone)光化學(xué)氧化劑〔如臭氧〕4〕Sulfurdioxide二氧化硫5〕Lead鉛6〕Particles顆粒國家環(huán)保局規(guī)定每個參與的司法管轄區(qū)的監(jiān)測方案必須與空氣質(zhì)量監(jiān)測的管理保持一致,每個監(jiān)測技術(shù)必須提交給理事會。由于跨區(qū)域的不同污染物的濃度不同，所以必須找到適合所有污染物的監(jiān)測儀器，每個監(jiān)測站合理設(shè)置站點。用各種途徑提供的信息總和評估可能性監(jiān)測指標(biāo)設(shè)置監(jiān)控站，注意各個地區(qū)之間的比照。地方污染物站受水平影響，如地形，天氣，地方特色或排放源，可能需要額外的性能監(jiān)控。監(jiān)測站有足夠的監(jiān)測和支持評估長期變化的能力，并且有標(biāo)準(zhǔn)的管理要求。5.亞洲〔以太湖為例〕太湖是中國第二大淡水湖，在江蘇省南部，浙江省北部。正常水位3公尺時湖面積2,250平方公里，平均水深1,94公尺，蓄水27,2億立方公尺。主要水源有二︰一為來自浙江省天目山的苕溪，在湖州市以下分為70多條漊港注入；另一來自江蘇宜溧山地北麓的荊溪，分由太浦、百瀆等60多條港瀆入湖。太湖水由北東兩面70多條河港下泄長江，以婁江(下游稱瀏河)、吳淞江(下游稱蘇州河)、黃浦江為主〔“三江〞〕。黃浦江為最大泄水河道，約占總出水量的80%。其余諸河港流量較小，每因海潮頂托或江水上漲而倒流。整個太湖水系共有大小湖泊180多個，連同進出湖泊的大小河道組成一個密如蛛網(wǎng)的水系。對航運、灌溉和調(diào)節(jié)河湖水位都十分有利。太湖自古以來就是湖泊研究的重點，在江蘇省的城市開展中也占有重要的地位，所以對太湖周圍的規(guī)劃也非常的重要，以保護環(huán)境為主要目標(biāo)，無錫市規(guī)劃局做了環(huán)太湖生態(tài)防護林建設(shè)規(guī)劃設(shè)計，如圖。太湖富營養(yǎng)化明顯，磷、氮營養(yǎng)過剩太湖流域多屬于淺水湖泊，湖區(qū)人口稠密，城鎮(zhèn)眾多，工業(yè)化處于高速開展的階段，農(nóng)業(yè)集約化水平較高。在流域人類活動的影響下，湖泊水環(huán)境的富營養(yǎng)化程度不斷加深，成為我國湖泊富營養(yǎng)化最嚴(yán)重的地區(qū)之一。1987年以來湖泊營養(yǎng)元素總磷、總氮含量不斷增加〔圖3〕圖3太湖營養(yǎng)元素含量的年際變化參照中國科學(xué)院湖沼分類專項研究工程提出的湖泊水體三級營養(yǎng)分類方法和標(biāo)準(zhǔn)，太湖流域的主要湖泊的營養(yǎng)狀況如表5.2.1所示。表5.2.1太湖流域主要湖泊營養(yǎng)狀況〔1988—1992〕由于太湖流域內(nèi)城市城市化進程較快，在開展過程中必然造成了各種程度的污染。太湖流域的底質(zhì)污染主要是有機污染和重金屬污染，主要來源于工業(yè)廢水的排放、湖區(qū)居民生活污水的排放、湖區(qū)水草死亡后腐爛在湖底沉積以及水土流失帶來的土壤營養(yǎng)元素。太湖流域湖泊底質(zhì)營養(yǎng)物質(zhì)含量的空間分布說明，城鎮(zhèn)工業(yè)污水和生活污水的排放是造成底質(zhì)污染的重要原因，太湖表層沉積物有機質(zhì)、總磷、總氮出現(xiàn)的最高值便是無錫市城市生活排污的主要區(qū)域，由此可見，城市的開展對環(huán)境有很大的影響。長江中下游的季風(fēng)氣候帶來了集中高強度的降水，雖然修建了一些水利工程，但只能抵御一般的洪澇災(zāi)害，在暴雨強度集中的年份通常會帶了嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害，給當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟造成重大的創(chuàng)傷。例如1991年是太湖流域1849年以來的最大梅雨年份，梅雨持續(xù)時間56d，梅雨期間降水量790mm，1991年洪水期太湖最高水位4.79m，1991年的特大紅咯啊哦災(zāi)后造成太湖直接經(jīng)濟損失近100億元，見解經(jīng)濟損失達200億元。生物多樣性對維持湖泊正常的能量循環(huán)、湖水自凈和作為生物基因庫方面具有重大的意義。在人類生產(chǎn)生活的影響下，水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象嚴(yán)重，水華頻頻發(fā)生，造成水體的含氧量過低，對湖泊生物的生存造成重大的威脅。而人們過度捕撈魚類和集約化的漁業(yè)養(yǎng)殖的開展造成湖區(qū)浮游生物過剩，同樣導(dǎo)致了湖泊的內(nèi)源性有機污染，加速了湖泊的富營養(yǎng)化。再者人們大面積的圍湖造田，損壞了湖區(qū)的天然生態(tài)系統(tǒng)，破壞了湖區(qū)動植物的棲息地，影響了湖泊良好的生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)。人為的破壞突出表現(xiàn)在生物多樣性的喪失〔表5.2.4〕。表5.2.480年代后期以來太湖湖泊生物多樣性問題近年來，太湖流域的污染不斷加重，水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重，已影響到該地區(qū)的生產(chǎn)開展和人民的健康問題?！疤W(wǎng)〞的建立是實現(xiàn)“九五〞的需要，是保護太湖流域生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)的需要，是加強流域內(nèi)環(huán)境管理的需要。環(huán)境監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)化管理為政府決策提供了及時的數(shù)據(jù)，作出預(yù)測，制定規(guī)劃，預(yù)防環(huán)境的進一步惡化。但“太湖網(wǎng)〞仍存在一些問題，由于成立時間比擬短，技術(shù)和管理流程還不夠成熟，個別單位的數(shù)據(jù)傳送不夠及時，局部單位因為資金及設(shè)備等原因缺乏監(jiān)測，有一定數(shù)據(jù)收集，但對結(jié)果的整理和結(jié)論的深究不夠。太湖自80年代以來水體富營養(yǎng)化日趨加劇，藍(lán)藻水華頻頻發(fā)生，魚類大量死亡，水質(zhì)不斷惡化，造成巨大的環(huán)境破壞和經(jīng)濟損失。為了更好的監(jiān)測藍(lán)藻的空間分布以及變動率，利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測分析技術(shù)以方便及時獲取藻類的空間分布信息。藻類屬低等浮游動物，細(xì)胞中葉綠體可以進行光合作用，所以藻類的光譜特征根本上類似于陸地植物。對于藻類而言，多光譜、高分辨率的遙感資料可以提供準(zhǔn)確、豐富的藻類空間分布和密度信息。湖區(qū)的TM數(shù)據(jù)的計算機圖像分析證明衛(wèi)星遙感方法是藻類監(jiān)測的一種有力手段。衛(wèi)星監(jiān)測不僅可以得到藻類的分布狀況，還可以分析藻類的動態(tài)信息，為分析藻類發(fā)生開展和預(yù)防富營養(yǎng)化的加劇有著很好的作用。隨著科技的開展，進一步開展藻類現(xiàn)象的多樣化監(jiān)測技術(shù)的研究還有很大的潛力。5.4.33S技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測方面的應(yīng)用國家決策部門和環(huán)境科學(xué)界對太湖流域生態(tài)環(huán)境的需求是長期的、連續(xù)的、動態(tài)的。任何孤立的、靜態(tài)的數(shù)據(jù)和調(diào)查結(jié)果不可能對生態(tài)環(huán)境的趨勢做出準(zhǔn)確的判斷，必須長期地動態(tài)監(jiān)測，才可以更好地找出其變化規(guī)律，預(yù)測其變化趨勢。而GPS定位技術(shù)的應(yīng)用對加快太湖流域生態(tài)建設(shè)速度，提高建設(shè)質(zhì)量和科技含量，具有非常重要的作用。對污染的監(jiān)測，可建立GPS控制網(wǎng)為航空遙感像片的定向提供點，也可以監(jiān)測典型樣點的污染情況。生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，也要求了使用GIS強大的空間分析手段與能力解決傳統(tǒng)難以模擬和計算的問題。而3S技術(shù)的結(jié)合有助于太湖流域生態(tài)建設(shè)向科學(xué)化、現(xiàn)代化開展。綜合應(yīng)用如圖。6.非洲〔以維多利亞湖為例〕位于東非高原，大局部在坦桑尼亞和烏干達兩國境內(nèi)，一小局部屬于肯尼亞。湖泊介于東非大裂谷及其西支之間，居裂谷間淺寬盆地的北部，湖盆是由于地面凹陷而形成的，所以維多利亞湖的成因與東非高原上的其它大湖是完全不同的。該湖的面積69400平方公里，是非洲最大湖泊，在世界淡水湖中，僅次于北美洲的蘇必利爾湖而居世界第二。維多利亞湖的輪廓略呈四邊形，東西最大寬度為240公里，南北最大距離達400公里，湖岸線曲折，湖中多暗礁和島嶼。有許多河流注入維多利亞湖，流域面積達20萬平方公里以上，湖水通過北面的維多利亞尼羅河流出，是白尼羅河的主要水源。維多利亞湖由于水面廣、湖水深〔平均深40米，最大深度80米〕，對周圍的氣候產(chǎn)生了一定影響，它使周圍地區(qū)的氣溫有所降低，而降水量那么有所增加。這種現(xiàn)象在湖的北面和西面最為明顯。良好的氣候和平坦的地形促進了湖泊周圍地區(qū)的經(jīng)濟開展和人口集聚，使這里成為非洲人口密度最大的地區(qū)之一。1〕漁業(yè)：過度捕撈，尋租行為，缺乏有效的控制機制破壞漁業(yè)資源2〕森林：過度開發(fā)，各種根底設(shè)施建設(shè)，森林砍伐3〕湖泊：森林過度砍伐導(dǎo)致水土流失使湖泊淤積，工業(yè)污染，水體富營養(yǎng)化，外來物種入侵，湖岸及河道侵蝕加劇，化學(xué)污染和懸浮物污染4〕生物：人為活動導(dǎo)致生物多樣性減少，城市污水、徑流和暴雨洪水導(dǎo)致微生物污染非洲地區(qū)有著豐富的自然資源，但是該地區(qū)的環(huán)境管理仍處于起步階段，非洲國家隊環(huán)境監(jiān)測的重視力度不夠大，不過已經(jīng)認(rèn)識到環(huán)境的破壞嚴(yán)重的阻礙了經(jīng)理的開展。當(dāng)今湖泊監(jiān)測的主要目的有兩個方向，