國內外湖泊水環境監測技術調研摘要：在城市化高速開展的當下，世界各地經濟開展的同時必然帶來了一系列的環境問題。人們在追求經濟價值的同時也開始關注水環境問題，通過各種監測技術對水環境實施實時監督、實時診斷、實時管理。如何將新興技術更好地利用在水環境監測上成了各個國家研究的熱點。在比擬國內外監測現狀的根底上，有利于我國建立起更加完善、合理、創新的監測系統。關鍵詞：湖泊監測技術；環境問題；地理信息系統；遙感;在當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境問題，尤其是興旺國家在經濟持續穩定開展的同時，逐漸加強對環境的監測和管理。隨著科學技術的不斷進步，政府等部門加大了遙感和地理信息系統在水環境監測領域的應用。在國內湖泊監測現狀的缺乏分析和國外湖泊新興監測技術的優勢分析中，對我國構建自動化智能化網絡化的檢測系統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。在地殼構造運動、冰川作用、河流沖淤等地質作用下，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、美國蘇聯委內瑞拉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〕人們的過度開發導致湖泊面積減少；〔2〕人們的生產生活活動影響了湖泊的正常演變；〔3〕水污染和富營養化日益加劇；〔4〕盲目引進外來種，導致土著種的滅絕；河流(湖、庫)等地表水全國重點根本站監測工程應符合表必測工程要求，同時也應根據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。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→混合的化學物質污染徑流和地下水3〕點源污染→來自可識別來源的有害化學物質污染水質4〕貨船渠道→破壞湖區環境5〕海岸線開發、濕地開發→破壞湖泊生態系統6〕污染熱點→氯聯苯，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→影響人類和生態系統的健康9〕過度開發利用水資源→淡水資源匱乏1〕濱海濕地植物群落→地面植被根據遙感光譜特征數據抽樣2〕大湖的沿海沼澤人口彈性調查→人口普查和網絡數據共享3〕侵入性物種邊界→全球定位系統和手持式光譜儀4〕土地覆蓋層變化→陸地衛星多光譜掃描數據5〕物種空間分布均勻程度→分層隨機抽樣6〕景觀生態特征→地理信息系統和遙感數據效勞1〕消除污染變事后治理為事先預防2〕由“預防為主〞向“預測為主〞方向開展3〕利用“模型〞復原環境，綜合的分析、評價和預測環境質量的變化4〕全方位、多層次開展監測工作5〕自動監測網進一步加強與完善，應用遙測、遙控等先進技術實時測定大范圍環境污染狀況6〕環境科研工作的開展加強環境監測領域新技術的應用，實現監測科學化、標準化、程序化1〕大多僅滿足于監測數據的收集，對數據本身的背景和相關性缺乏探討2〕對監測數據缺乏深度加工3〕監測數據難于被群眾理解和應用3南美洲〔以馬拉開波湖為例〕馬拉開波湖位于委內瑞拉的西北部，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。靠南的部分有大小150多條內陸河注入，是淡水；湖北部出海口有近10公里寬的水面與加勒比海相接，水很咸。除北部委內瑞拉灣沿岸氣候枯燥、年降水量缺乏500毫米外，湖區大局部高溫多雨，為南美洲最濕熱地區之一。1〕世界上產量最高、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入→海水倒灌、含鹽量增加3〕周圍城市污水處理設施不夠完善→破壞湖區水質4〕生產生活廢水、廢品排放→污染湖區支流灌溉水源5〕溢油事故→破壞了水生動植物的棲息地6〕石油公司用來驅散漏油的化學物質→浮萍大量繁殖，危害其它水生動植物的生存1〕溢油事故監測：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測。傳感器包括微波輻射計、合成孔徑雷達和側視雷達(SAR、SLAR)、紫外(UV)、可見光利用搭載在EOS-Aqua/Terra。衛星上的MODIS數據,對委內瑞拉的馬拉開波湖溢油等4次事故進行光譜分析和研究。在對出事海域的衛星數據進行圖像處理的根底上,利用MODIS數據的多光譜信息,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,為可見光近紅外衛星監測溢油提供參考。但MODIS數據包含著豐富的多光譜信息，多光譜數據的空間分辨率較低，多可作為高空間分辨率圖像的輔助信息〔Table1〕。2〕浮萍監測：分解藻類植被往往創造缺氧條件，造成底棲生物死亡。這些潛在的負面影響要求我們開展方案，以監察，減輕和控制可能缺氧的內陸和沿海水體。衛星偵察提供獲得快速和有效的手段監測受影響地區。遙感測量和圖像中分辨率成像光譜儀〔MODIS〕提供實時的內陸和沿海水域的水質量的變化的監測。幾個研究已經證明了包括MODIS衛星遙感圖像濕地生態系統的動態研究以及浮水和沉水植物在湖泊，沿海和海洋生態系統中的作用這些研究說明，衛星遙感是符合本錢效益的大區域調查。衛星圖像的大量、實時性質允許監測植被/藻類大量繁殖的動態，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、包括最適宜的營養負荷，溫度和光照條件〔Table2〕。Table2浮萍監測3〕關于湖區生物多樣性可以采用樣方和網絡數據共享收集資料4〕湖泊生產生活污水排放有相關部門定期檢查更新數據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。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〕土地的養分和泥沙的排放→造成海洋環境壓力3〕新的化學品進入市場→污染水源4〕污染暴露的金屬和其它特定區域→點源和非點源污染5〕人類活動創立過多的養分負荷→富營養化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〕人類生產生活活動→東南地下水的硝酸鹽污染9〕過度開發利用→湖泊嚴重退化10〕城市化開展及河流→影響沿海水域11〕人類生產生活導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測1〕Carbonmonoxide一氧化碳2〕Nitrogendioxide二氧化氮3〕PhotochemicalOxidants(asOzone)光化學氧化劑〔如臭氧〕4〕Sulfurdioxide二氧化硫5〕Lead鉛6〕Particles顆粒國家環保局規定每個參與的司法管轄區的監測方案必須與空氣質量監測的管理保持一致,每個監測技術必須提交給理事會。由于跨區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測儀器，每個監測站合理設置站點。用各種途徑提供的信息總和評估可能性監測指標設置監控站，注意各個地區之間的比照。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控。監測站有足夠的監測和支持評估長期變化的能力，并且有標準的管理要求。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的水系。對航運、灌溉和調節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劃也非常的重要，以保護環境為主要目標，無錫市規劃局做了環太湖生態防護林建設規劃設計，如圖。太湖富營養化明顯，磷、氮營養過剩太湖流域多屬于淺水湖泊，湖區人口稠密，城鎮眾多，工業化處于高速開展的階段，農業集約化水平較高。在流域人類活動的影響下，湖泊水環境的富營養化程度不斷加深，成為我國湖泊富營養化最嚴重的地區之一。1987年以來湖泊營養元素總磷、總氮含量不斷增加〔圖3〕圖3太湖營養元素含量的年際變化參照中國科學院湖沼分類專項研究工程提出的湖泊水體三級營養分類方法和標準，太湖流域的主要湖泊的營養狀況如表5.2.1所示。表5.2.1太湖流域主要湖泊營養狀況〔1988—1992〕由于太湖流域內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。太湖流域的底質污染主要是有機污染和重金屬污染，主要來源于工業廢水的排放、湖區居民生活污水的排放、湖區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元素。太湖流域湖泊底質營養物質含量的空間分布說明，城鎮工業污水和生活污水的排放是造成底質污染的重要原因，太湖表層沉積物有機質、總磷、總氮出現的最高值便是無錫市城市生活排污的主要區域，由此可見，城市的開展對環境有很大的影響。長江中下游的季風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害，在暴雨強度集中的年份通常會帶了嚴重的洪澇災害，給當地的經濟造成重大的創傷。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后造成太湖直接經濟損失近100億元，見解經濟損失達200億元。生物多樣性對維持湖泊正常的能量循環、湖水自凈和作為生物基因庫方面具有重大的意義。在人類生產生活的影響下，水體富營養化現象嚴重，水華頻頻發生，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養殖的開展造成湖區浮游生物過剩，同樣導致了湖泊的內源性有機污染，加速了湖泊的富營養化。再者人們大面積的圍湖造田，損壞了湖區的天然生態系統，破壞了湖區動植物的棲息地，影響了湖泊良好的生態循環系統。人為的破壞突出表現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，水體富營養化嚴重，已影響到該地區的生產開展和人民的健康問題。“太湖網〞的建立是實現“九五〞的需要，是保護太湖流域生態系統良性循環的需要，是加強流域內環境管理的需要。環境監測的網絡化管理為政府決策提供了及時的數據，作出預測，制定規劃，預防環境的進一步惡化。但“太湖網〞仍存在一些問題，由于成立時間比擬短，技術和管理流程還不夠成熟，個別單位的數據傳送不夠及時，局部單位因為資金及設備等原因缺乏監測，有一定數據收集，但對結果的整理和結論的深究不夠。太湖自80年代以來水體富營養化日趨加劇，藍藻水華頻頻發生，魚類大量死亡，水質不斷惡化，造成巨大的環境破壞和經濟損失。為了更好的監測藍藻的空間分布以及變動率，利用衛星遙感監測分析技術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確、豐富的藻類空間分布和密度信息。湖區的TM數據的計算機圖像分析證明衛星遙感方法是藻類監測的一種有力手段。衛星監測不僅可以得到藻類的分布狀況，還可以分析藻類的動態信息，為分析藻類發生開展和預防富營養化的加劇有著很好的作用。隨著科技的開展，進一步開展藻類現象的多樣化監測技術的研究還有很大的潛力。5.4.33S技術在環境監測方面的應用國家決策部門和環境科學界對太湖流域生態環境的需求是長期的、連續的、動態的。任何孤立的、靜態的數據和調查結果不可能對生態環境的趨勢做出準確的判斷，必須長期地動態監測，才可以更好地找出其變化規律，預測其變化趨勢。而GPS定位技術的應用對加快太湖流域生態建設速度，提高建設質量和科技含量，具有非常重要的作用。對污染的監測，可建立GPS控制網為航空遙感像片的定向提供點，也可以監測典型樣點的污染情況。生態系統的多樣性，數據的復雜性，也要求了使用GIS強大的空間分析手段與能力解決傳統難以模擬和計算的問題。而3S技術的結合有助于太湖流域生態建設向科學化、現代化開展。綜合應用如圖。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，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〕，對周圍的氣候產生了一定影響，它使周圍地區的氣溫有所降低，而降水量那么有所增加。這種現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的經濟開展和人口集聚，使這里成為非洲人口密度最大的地區之一。1〕漁業：過度捕撈，尋租行為，缺乏有效的控制機制破壞漁業資源2〕森林：過度開發，各種根底設施建設，森林砍伐3〕湖泊：森林過度砍伐導致水土流失使湖泊淤積，工業污染，水體富營養化，外來物種入侵，湖岸及河道侵蝕加劇，化學污染和懸浮物污染4〕生物：人為活動導致生物多樣性減少，城市污水、徑流和暴雨洪水導致微生物污染非洲地區有著豐富的自然資源，但是該地區的環境管理仍處于起步階段，非洲國家隊環境監測的重視力度不夠大，不過已經認識到環境的破壞嚴重的阻礙了經理的開展。當今湖泊監測的主要目的有兩個方向，