国内外湖泊水环境监测调研.doc

国内外湖泊水环境监测技术调研摘 要：在城市化高速发展的当下，世界各地经济发展的同时必然带来了一系列的环境问题。人们在追求经济价值的同时也开始关注水环境问题，通过各种监测技术对水环境实施实时监督、实时诊断、实时管理。如何将新兴技术更好地利用在水环境监测上成了各个国家研究的热点。在比较国内外监测现状的基础上，有利于我国建立起更加完善、合理、创新的监测系统。关键词：湖泊监测技术；环境问题；地理信息系统；遥感 ;在当今世界多格局的形势下各个国家虽然发展程度各不相同，但都存在大大小小的环境问题，尤其是发达国家在经济持续稳定发展的同时，逐渐加强对环境的监测和管理。随着科学技术的不断进步，政府等部门加大了遥感和地理信息系统在水环境监测领域的应用。在国内湖泊监测现状的不足分析和国外湖泊新兴监测技术的优势分析中，对我国构建自动化智能化网络化的检测系统无疑具有十分重要的借鉴意义。1.湖泊1.1湖泊的定义 陆地上洼地积水形成的、水域比较宽广、换流缓慢的水体。在地壳构造运动、冰川作用、河流冲淤等地质作用下，地表形成许多凹地，积水成湖。露天采矿场凹地积水和拦河筑坝形成的水库也属湖泊之列，称人工湖。1.2湖泊的分布世界湖泊分布很广，著名湖泊如表1.2.1。中国湖泊众多，主要湖泊如表1.2.2。中国湖泊面积大于1平方公里的约2300个，总面积达71000多平方公里。另一说为2848个，面积为83400平方公里。表1.2.1 世界主要湖泊湖 名国 家面积（km ）最大水深（m） 容积（km ）苏必利尔湖维多利亚湖咸 海休 伦 湖密 歇 根湖坦噶尼喀湖贝 加 尔湖马 拉 维湖大 熊 湖大 奴 湖伊 利 湖温 尼 伯湖安 大 略湖拉 多 加湖马拉开波湖加拿大、美国坦桑尼亚、肯尼亚、 乌干达 苏 联加拿大、美国 美 国坦桑尼亚、扎伊尔、 赞比亚、卢旺达、 布隆迪 苏 联马拉维、莫桑比克、 坦桑尼亚 加 拿 大加 拿 大加拿大、美国加 拿 大加拿大、美国苏 联委 内 瑞 拉82 68069 00064 10059 80058 10032 90031 50030 90030 20027 20025 70024 60019 00017 70013 300406 9268229281 1 435 1 741706137156 64 19236230 3511 6002 7001 020 3 5804 680 18 900 23 000 7 725 1 010 1 070 545 127 1 710 908 图1 世界主要湖泊分布图表1.2.2 中国主要湖泊湖 名湖面海拔（m）面积（km）最大水深（m）容积（亿m）青 海 湖兴 凯 湖（中苏界湖）鄱 阳 湖洞 庭 湖太 湖呼 伦 湖洪 泽 湖纳 木 错奇 林 错南 四 湖艾 比 湖博 斯 腾湖扎日南木错巢 湖鄂 陵 湖贝 尔 湖（中蒙界湖）扎 陵 湖艾 丁 湖白头山天池（中朝界湖）日 月 潭 3 194.0 69.0 21.0 34.5 3.0545.5 12.5 4 718.0 4 530.035.537.0 189.0 1 048.0 4 613.0 10.0 4 268.7 4 293.2 154.0 2 194.0 760.0 4 340.0 4 380.0 3 583.0 2 820.0 2 420.0 2 315.0 2 069.0 1 940.0 1640.0 1 266.0 1 070.0 1 019.0 1 000.0 820.0 610.7 608.5 526.0 124.09.87.7 27.0 16.030.8 4.8 8.0 5.535.033.0 6.015.7 5.030.713.1 373.0 778.0 27.1 248.9 188.0 48.7 131.3 31.3 53.6 99.0 36.0 107.6 54.8 46.7 20.0 3.1图2 中国湖泊分布图1.3湖泊的现状1.3.1湖泊的生态服务功能（1）重要的水资源和旅游资源；（2）水体的自我净化作用；（3）降低城市热岛效应和防洪排涝；（4）为动植物提供栖息地，维持物种多样性。1.3.2湖泊面临的问题（1）人们的过度开发导致湖泊面积减少；（2）人们的生产生活活动影响了湖泊的正常演变；（3）水污染和富营养化日益加剧；（4）盲目引进外来种，导致土著种的灭绝；1.3.3湖泊监测项目河流(湖、库)等地表水全国重点基本站监测项目应符合表1.3.3必测项目要求，同时也应根据不同功能水域污染物的特征，增加表1.3.3中某些选测项目。表1.3.3 地表水监测项目2.北美洲（以五大湖为例）2.1五大湖概述 五大湖包括五大湖总面积约245660平方公里，是世界上最大的淡水水域。分布于美国和加拿大境内。五大湖流域约为766100平方公里，南北延伸近1110公里，湖水除密歇根湖和休伦湖外水平面相等外，各湖水面高度依次下降。2.2五大湖面临的环境问题1）外来物种入侵土著种消失，生物多样性下降2）面源污染混合的化学物质污染径流和地下水3）点源污染来自可识别来源的有害化学物质污染水质4）货船渠道破坏湖区环境5）海岸线开发、湿地开发破坏湖泊生态系统6）污染热点氯联苯，重金属等高浓度污染物会引起世世代代的污染7）空气污染沉积将排放到天空的化学品和化合物沉积到地面加重污染8）污染的海滩影响人类和生态系统的健康9）过度开发利用水资源淡水资源匮乏2.3五大湖的监测指标及对应监测技术1）滨海湿地植物群落地面植被根据遥感光谱特征数据抽样2）大湖的沿海沼泽人口弹性调查人口普查和网络数据共享3）侵入性物种边界全球定位系统和手持式光谱仪4）土地覆盖层变化陆地卫星多光谱扫描数据5）物种空间分布均匀程度分层随机抽样6）景观生态特征地理信息系统和遥感数据服务2.4总结2.4.1监测技术的进步1）消除污染变事后治理为事先预防2）由“预防为主”向“预测为主”方向发展3）利用“模型”还原环境，综合的分析、评价和预测环境质量的变化4）全方位、多层次开展监测工作5）自动监测网进一步加强与完善，应用遥测、遥控等先进技术实时测定大范围环境污染状况6）环境科研工作的发展加强环境监测领域新技术的应用，实现监测科学化、标准化、程序化2.4.2监测技术的不足1）大多仅满足于监测数据的收集，对数据本身的背景和相关性缺乏探讨2）对监测数据缺乏深度加工3）监测数据难于被大众理解和应用3南美洲（以马拉开波湖为例）3.1马拉开波湖概述马拉开波湖位于委内瑞拉的西北部，总面积1.43万平方公里，是南美洲最大的湖泊，也是唯一与海相通的湖，水深平均达20多米。靠南的部分有大小150多条内陆河注入，是淡水；湖北部出海口有近10公里宽的水面与加勒比海相接，水很咸。除北部委内瑞拉湾沿岸气候干燥、年降水量不足500毫米外，湖区大部分高温多雨，为南美洲最湿热地区之一。3.2马拉开波湖面临的环境问题1）世界上产量最高、开采历史最悠久的石油湖原油泄漏、污染湖水2）开挖水道方便货轮和油轮驶入海水倒灌、含盐量增加3）周围城市污水处理设施不够完善破坏湖区水质4）生产生活废水、废品排放污染湖区支流灌溉水源5）溢油事故破坏了水生动植物的栖息地6）石油公司用来驱散漏油的化学物质浮萍大量繁殖，危害其它水生动植物的生存3.3马拉开波湖的监测技术1）溢油事故监测：目前国际上探测溢油的传感器,主要使用航天平台和机载平台，可以利用多种传感器进行溢油监测。传感器包括微波辐射计、合成孔径雷达和侧视雷达(SAR、SLAR)、紫外(UV)、可见光利用搭载在EOS-Aqua/Terra。卫星上的MODIS数据,对委内瑞拉的马拉开波湖溢油等4次事故进行光谱分析和研究。在对出事海域的卫星数据进行图像处理的基础上,利用MODIS数据的多光谱信息,分析溢油在各个波段的特征,并确定油膜特征比较明显的波段范围,为可见光近红外卫星监测溢油提供参考。但MODIS数据包含着丰富的多光谱信息，多光谱数据的空间分辨率较低，多可作为高空间分辨率图像的辅助信息（Table 1）。2）浮萍监测：分解藻类植被往往创造缺氧条件，造成底栖生物死亡。这些潜在的负面影响要求我们开展These potential negative effects call计划，以监察，减轻和控制可能缺氧的for development of action plans to monitor, mitigate, and control possible hypoxia in内陆和沿海水体。inland and coastal water bodies.Satellite surveillance provides an effective means for acquiring quick and repeti-卫星侦察提供获得快速和有效的手段监测受影响地区。遥感测量和图像中分辨率成像光谱仪（MODIS）offer excellent temporal (daily) and spatial resolution (250 m pixels) essential in-提供实时的内陆和沿海水域的水质量的变化的监测。gredients for monitoring water quality changes of inland and coastal waters.几个studies (eg, Papastergiadou et al. 2008研究已经证明了包括MODIS卫星遥感图像湿地生态系统的动态研究以及浮水和沉水植物在湖泊，沿海和海洋生态系统中的作用这些研究表明，卫星遥感是符合成本效益的大area investigations.区域调查。卫星图像的大量、实时性质允许监测植被/藻类大量繁殖的动态，并提供了一种方法来检测quantify the rates of change (cf, Mironga 2004量化的变动率、浮萍的生长和蔓延、包括最适宜的营养负荷，温度和光照条件（Table 2）。 Table 2 浮萍监测3）关于湖区生物多样性可以采用样方和网络数据共享收集资料4）湖泊生产生活污水排放有相关部门定期检查更新数据4大洋洲（以南澳大利亚水域为例）4.1概述澳大利亚是世界上水资源短缺国家之一，海岸线长36735公里，虽四面环水，沙漠和半沙漠却占全国面积的70%。水资源分布不均，时空变差大，带来许多奇异的水资源现象。澳大利亚有8个淡水湖，12个咸水湖。艾尔湖是靠近大陆中心一个极大的盐湖，面积超过9000平方公里，但长期呈干涸状态。4.2面临的问题1）水资源分布不均水资源短缺，湖泊非周期性干旱和丰沛2）土地的养分和泥沙的排放造成海洋环境压力3）新的化学品进入市场污染水源4）污染暴露的金属和其它特定区域点源和非点源污染5）人类活动创建过多的养分负荷富营养化6）过多的人类活动大气沉降7）酸雨、沙尘暴、森林大火影响水域健康8）人类生产生活活动东南地下水的硝酸盐污染9）过度开发利用湖泊严重退化10）城市化发展及河流影响沿海水域11）人类生产生活导致动植物栖息地丧失、外来物种入侵影响水道、原生物种的健康、生物多样性减少4.3主要污染物监测1）Carbon monoxide 一氧化碳 2）Nitrogen dioxide 二氧化氮 3）Photochemical Oxidants (as Ozone) 光化学氧化剂（如臭氧） 4）Sulfur dioxide 二氧化硫 5）Lead 铅 6）Particles 颗粒 4.4湖泊监测管理 国家环保局规定每个参与的司法管辖区的监测计划必须与空气质量监测的管理保持一致,每个监测技术必须提交给理事会。由于跨区域的不同污染物的浓度不同，所以必须找到适合所有污染物的监测仪器，每个监测站合理设置站点。用各种途径提供的信息总和评估可能性监测指标设置监控站，注意各个地区之间的对比。地方污染物站受水平影响，如地形，天气，地方特色或排放源，可能需要额外的性能监控。监测站有足够的监测和支持评估长期变化的能力，并且有规范的管理要求。5.亚洲（以太湖为例）5.1太湖概述 太湖是中国第二大淡水湖，在江苏省南部，浙江省北部。正常水位3公尺时湖面积2,250平方公里，平均水深1,94公尺，蓄水27,2亿立方公尺。主要水源有二一为来自浙江省天目山的苕溪，在湖州市以下分为70多条漊港注入；另一来自江苏宜溧山地北麓的荆溪，分由太浦、百渎等60多条港渎入湖。太湖水由北东两面70多条河港下泄长江，以娄江(下游称浏河)、吴淞江(下游称苏州河)、黄浦江为主（“三江”）。黄浦江为最大泄水河道，约占总出水量的80%。其余诸河港流量较小，每因海潮顶托或江水上涨而倒流。整个太湖水系共有大小湖泊180多个，连同进出湖泊的大小河道组成一个密如蛛网的水系。对航运、灌溉和调节河湖水位都十分有利。太湖自古以来就是湖泊研究的重点，在江苏省的城市发展中也占有重要的地位，所以对太湖周围的规划也非常的重要，以保护环境为主要目标，无锡市规划局做了环太湖生态防护林建设规划设计，如图。5.2太湖面临的环境问题5.2.1太湖富营养化明显，磷、氮营养过剩 太湖流域多属于浅水湖泊，湖区人口稠密，城镇众多，工业化处于高速发展的阶段，农业集约化水平较高。在流域人类活动的影响下，湖泊水环境的富营养化程度不断加深，成为我国湖泊富营养化最严重的地区之一。1987年以来湖泊营养元素总磷、总氮含量不断增加（图3）图3 太湖营养元素含量的年际变化参照中国科学院湖沼分类专项研究项目提出的湖泊水体三级营养分类方法和标准，太湖流域的主要湖泊的营养状况如表5.2.1所示。表5.2.1 太湖流域主要湖泊营养状况（19881992）5.2.2湖泊底质污染严重 由于太湖流域内城市城市化进程较快，在发展过程中必然造成了各种程度的污染。太湖流域的底质污染主要是有机污染和重金属污染，主要来源于工业废水的排放、湖区居民生活污水的排放、湖区水草死亡后腐烂在湖底沉积以及水土流失带来的土壤营养元素。太湖流域湖泊底质营养物质含量的空间分布表明，城镇工业污水和生活污水的排放是造成底质污染的重要原因，太湖表层沉积物有机质、总磷、总氮出现的最高值便是无锡市城市生活排污的主要区域，由此可见，城市的发展对环境有很大的影响。5.2.3洪涝灾害 长江中下游的季风气候带来了集中高强度的降水，虽然修建了一些水利工程，但只能抵御一般的洪涝灾害，在暴雨强度集中的年份通常会带了严重的洪涝灾害，给当地的经济造成重大的创伤。例如1991年是太湖流域1849年以来的最大梅雨年份，梅雨持续时间56d，梅雨期间降水量790mm，1991年洪水期太湖最高水位4.79m，1991年的特大红咯啊哦灾后造成太湖直接经济损失近100亿元，见解经济损失达200亿元。5.2.4湖泊生态系统生物多样性的丧失 生物多样性对维持湖泊正常的能量循环、湖水自净和作为生物基因库方面具有重大的意义。在人类生产生活的影响下，水体富营养化现象严重，水华频频发生，造成水体的含氧量过低，对湖泊生物的生存造成重大的威胁。而人们过度捕捞鱼类和集约化的渔业养殖的发展造成湖区浮游生物过剩，同样导致了湖泊的内源性有机污染，加速了湖泊的富营养化。再者人们大面积的围湖造田，损坏了湖区的天然生态系统，破坏了湖区动植物的栖息地，影响了湖泊良好的生态循环系统。人为的破坏突出表现在生物多样性的丧失（表5.2.4）。表5.2.4 80年代后期以来太湖湖泊生物多样性问题5.4太湖的监测5.4.1太湖流域环境监测的网络化管理近年来，太湖流域的污染不断加重，水体富营养化严重，已影响到该地区的生产发展和人民的健康问题。“太湖网”的建立是实现“九五”的需要，是保护太湖流域生态系统良性循环的需要，是加强流域内环境管理的需要。环境监测的网络化管理为政府决策提供了及时的数据，作出预测，制定规划，预防环境的进一步恶化。但“太湖网”仍存在一些问题，由于成立时间比较短，技术和管理流程还不够成熟，个别单位的数据传送不够及时，部分单位因为资金及设备等原因缺乏监测，有一定数据收集，但对结果的整理和结论的深究不够。5.4.2太湖藻类的卫星遥感监测 太湖自80年代以来水体富营养化日趋加剧，蓝藻水华频频发生，鱼类大量死亡，水质不断恶化，造成巨大的环境破坏和经济损失。为了更好的监测蓝藻的空间分布以及变动率，利用卫星遥感监测分析技术以方便及时获取藻类的空间分布信息。藻类属低等浮游动物，细胞中叶绿体可以进行光合作用，所以藻类的光谱特征基本上类似于陆地植物。对于藻类而言，多光谱、高分辨率的遥感资料可以提供准确、丰富的藻类空间分布和密度信息。湖区的TM数据的计算机图像分析证明卫星遥感方法是藻类监测的一种有力手段。卫星监测不仅可以得到藻类的分布状况，还可以分析藻类的动态信息，为分析藻类发生发展和预防富营养化的加剧有着很好的作用。随着科技的发展，进一步开展藻类现象的多样化监测技术的研究还有很大的潜力。5.4.3 3S技术在环境监测方面的应用 国家决策部门和环境科学界对太湖流域生态环境的需求是长期的、连续的、动态的。任何孤立的、静态的数据和调查结果不可能对生态环境的趋势做出准确的判断，必须长期地动态监测，才可以更好地找出其变化规律，预测其变化趋势。而GPS定位技术的应用对加快太湖流域生态建设速度，提高建设质量和科技含量，具有非常重要的作用。对污染的监测，可建立GPS控制网为航空遥感像片的定向提供点，也可以监测典型样点的污染情况。生态系统的多样性，数据的复杂性，也要求了使用GIS强大的空间分析手段与能力解决传统难以模拟和计算的问题。而3S技术的结合有助于太湖流域生态建设向科学化、现代化发展。综合应用如图。6.非洲（以维多利亚湖为例）6.1维多利亚湖概述位于东非高原，大部分在坦桑尼亚和乌干达两国境内，一小部分属于肯尼亚。湖泊介于东非大裂谷及其西支之间，居裂谷间浅宽盆地的北部，湖盆是由于地面凹陷而形成的，所以维多利亚湖的成因与东非高原上的其它大湖是完全不同的。该湖的面积69400平方公里，是非洲最大湖泊，在世界淡水湖中，仅次于北美洲的苏必利尔湖而居世界第二。维多利亚湖的轮廓略呈四边形，东西最大宽度为240公里，南北最大距离达400公里，湖岸线曲折，湖中多暗礁和岛屿。有许多河流注入维多利亚湖，流域面积达20万平方公里以上，湖水通过北面的维多利亚尼罗河流出，是白尼罗河的主要水源。维多利亚湖由于水面广、湖水深（平均深40米，最大深度80米），对周围的气候产生了一定影响，它使周围地区的气温有所降低，而降水量则有所增加。这种现象在湖的北面和西面最为明显。良好的气候和平坦的地形促进了湖泊周围地区的经济发展和人口集聚，使这里成为非洲人口密度最大的地区之一。6.2维多利亚湖面临的环境问题1）渔业：过度捕捞，寻租行为，缺乏有效的控制机制破坏渔业资源2）森林：过度开发，各种基础设施建设，森林砍伐3）湖泊：森林过度砍伐导致水土流失使湖泊淤积，工业污染，水体富营养化，外来物种入侵，湖岸及河道侵蚀加剧，化学污染和悬浮物污染4）生物：人为活动导致生物多样性减少，城市污水、径流和暴雨洪水导致微生物污染6.3维多利亚湖的环境监测 非洲地区有着丰富的自然资源，但是该地区的环境管理仍处于起步阶段，非洲国家队环境监测的重视力度不够大，不过已经认识到环境的破坏严