水生態(tài)健康現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、診斷與預(yù)警流程  

實(shí)現(xiàn)水生態(tài)健康現(xiàn)場(chǎng)診斷與預(yù)警集成  

“太湖流域（江蘇）水生態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)與業(yè)務(wù)化運(yùn)行示范”課題旨在通過(guò)太湖流域水生態(tài)系統(tǒng)健康性和完整性監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)核心技術(shù)、水生態(tài)健康現(xiàn)場(chǎng)診斷及應(yīng)急監(jiān)測(cè)集成技術(shù)、流域重大工程水生態(tài)影響監(jiān)控與評(píng)估技術(shù)的研發(fā)，加強(qiáng)生態(tài)和生物監(jiān)測(cè)技術(shù)集成，初步構(gòu)建太湖流域水生態(tài)系統(tǒng)綜合監(jiān)測(cè)與監(jiān)控評(píng)估技術(shù)方法體系及太湖生態(tài)變化監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，監(jiān)控太湖流域水生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)及演變，實(shí)現(xiàn)水生態(tài)健康現(xiàn)場(chǎng)診斷與預(yù)警集成，動(dòng)態(tài)評(píng)估重大工程等人為干擾下的生態(tài)系統(tǒng)變化。  

開展太湖流域水生態(tài)監(jiān)控技術(shù)方法體系業(yè)務(wù)化運(yùn)行示范、初步建立流域水生態(tài)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)及業(yè)務(wù)化運(yùn)行模式，形成太湖流域水生態(tài)監(jiān)測(cè)與監(jiān)控能力，建立太湖流域水生態(tài)網(wǎng)絡(luò)體系，實(shí)現(xiàn)水生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)變化監(jiān)控、流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及防范。  

課題的最終目標(biāo)是為實(shí)現(xiàn)太湖流域水生態(tài)健康管理和水生態(tài)環(huán)境功能分區(qū)管理提供科學(xué)和技術(shù)支撐，為太湖流域形成水生態(tài)監(jiān)控業(yè)務(wù)推進(jìn)和應(yīng)用能力提供實(shí)踐支撐，并進(jìn)一步推動(dòng)管理上生物目標(biāo)的確定，整體促進(jìn)水質(zhì)目標(biāo)管理向水生態(tài)健康管理的重大轉(zhuǎn)變。  

針對(duì)太湖流域由水質(zhì)目標(biāo)管理向水生態(tài)健康管理轉(zhuǎn)變、實(shí)施水生態(tài)環(huán)境功能分區(qū)管理的發(fā)展趨勢(shì)以及流域水生態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)薄弱的現(xiàn)狀，“十二五”期間，江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心牽頭組織開展了“太湖流域（江蘇）水生態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)與業(yè)務(wù)化運(yùn)行示范”課題研究。課題分屬國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)流域水污染防治監(jiān)控預(yù)警技術(shù)與綜合示范主題太湖流域水環(huán)境管理技術(shù)集成綜合示范項(xiàng)目。  

以江蘇省太湖流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，由江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心、常州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心、南京大學(xué)等單位組成的課題組布設(shè)了120個(gè)點(diǎn)位，開展太湖流域水生態(tài)基礎(chǔ)調(diào)查，其中太湖湖體29個(gè)、中小型湖蕩20個(gè)、河流40個(gè)、上游水庫(kù)15個(gè)、上游溪流16個(gè)。  

課題組分別于2012年~2014年豐、平、枯不同水期對(duì)流域水生態(tài)現(xiàn)狀開展調(diào)查，獲得流域?qū)用娴乃鷳B(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括浮游藻類、大型底棲動(dòng)物、浮游動(dòng)物、水生植被、水質(zhì)生物毒性等及常規(guī)水質(zhì)理化指標(biāo)共約20萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)。  

在120個(gè)點(diǎn)位豐、平、枯3個(gè)水期生態(tài)調(diào)查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)科學(xué)篩選，課題組最終確定流域水生態(tài)變化監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)化運(yùn)行監(jiān)控點(diǎn)位39個(gè)，并于2014年~2015年開展流域水生態(tài)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)化運(yùn)行。  

此外，課題組還搜集整理了2008年~2015年太湖藍(lán)藻遙感影像數(shù)據(jù)，太湖周邊17個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)2012年~2015年氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、露點(diǎn)、降水量等氣象資料，太湖流域26條主要出入湖河流的氮、磷等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，2008年~2015年太湖湖體的巡測(cè)數(shù)據(jù)（包括溶解氧、氨氮、藻類密度、高錳酸鹽指數(shù)和葉綠素a等），太湖2006年~2015年浮游動(dòng)物、浮游藻類及大型底棲動(dòng)物等全序列調(diào)查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，梅梁湖2008年~2015年藻毒素監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，太湖湖體及流域省界、市界、入湖河流、出湖河流等河流水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，2010年~2015年太湖流域土地利用類型遙感影像及解譯結(jié)果等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。  

2016年4月17日，《江蘇省太湖流域水生態(tài)環(huán)境功能區(qū)劃（試行）》（以下簡(jiǎn)稱《區(qū)劃》）得到江蘇省政府批復(fù)。為落實(shí)《區(qū)劃》，依托課題研究成果，在確?？茖W(xué)性的基礎(chǔ)上，從業(yè)務(wù)化運(yùn)行可行性的角度，課題組編制了《太湖流域（江蘇）水生態(tài)健康評(píng)估技術(shù)規(guī)程（試行）》《水生態(tài)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程淡水大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物（試行）》《水生態(tài)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程淡水浮游藻類（試行）》3個(gè)技術(shù)規(guī)程，為《區(qū)劃》的實(shí)施提供技術(shù)支撐。  

成果1  

建成太湖水生態(tài)管理決策支持系統(tǒng)  

課題組以太湖流域水生態(tài)系統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)研究、指標(biāo)與指標(biāo)體系研究為基礎(chǔ)，整合社會(huì)經(jīng)濟(jì)、自然生態(tài)、地理空間等相關(guān)支撐數(shù)據(jù)，對(duì)水生態(tài)健康監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行深度數(shù)據(jù)挖掘，基于GIS平臺(tái)建成能夠可視化展現(xiàn)太湖水生態(tài)系統(tǒng)健康監(jiān)控現(xiàn)狀和長(zhǎng)期變化態(tài)勢(shì)以及水生態(tài)環(huán)境各要素動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的太湖水生態(tài)管理決策支持系統(tǒng)。  

系統(tǒng)的功能體現(xiàn)在場(chǎng)景支撐體系、研判支撐體系、數(shù)據(jù)支撐體系和業(yè)務(wù)支撐體系4個(gè)方面。  

其中，場(chǎng)景支撐體系能夠?qū)崿F(xiàn)藍(lán)藻水華、湖泛、物種種間關(guān)系等情景模擬，太湖湖濱區(qū)和湖心區(qū)生態(tài)系統(tǒng)模擬，太湖流域不同水生態(tài)環(huán)境功能區(qū)模擬，太湖流域生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型模擬，基礎(chǔ)地理信息供給和專題基礎(chǔ)信息供給等功能。  

研判支撐體系能夠?qū)崿F(xiàn)太湖流域水生態(tài)健康長(zhǎng)期變化分析，太湖流域水生態(tài)健康分析，太湖流域重大工程影響監(jiān)測(cè)與評(píng)估，太湖流域水生態(tài)健康監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)業(yè)務(wù)管理等功能。  

數(shù)據(jù)支撐體系涵蓋了水生態(tài)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、水生態(tài)調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)、生態(tài)遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)和物種資源數(shù)據(jù)庫(kù)。  

業(yè)務(wù)支撐體系主要實(shí)現(xiàn)太湖流域水生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理、太湖流域水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)控集成、太湖流域水環(huán)境監(jiān)控和太湖流域生態(tài)調(diào)查物種資源管理等功能。  

成果2  

提出水生態(tài)健康指數(shù)計(jì)算方法  

課題組基于太湖流域江蘇片區(qū)不同類型水體共計(jì)120個(gè)斷面豐、平、枯3個(gè)水期翔實(shí)的水質(zhì)、生物學(xué)指標(biāo)野外調(diào)查數(shù)據(jù)，采用“最佳可達(dá)條件法”確立了湖體、河流、湖蕩、水庫(kù)與溪流等不同水體的清潔參照點(diǎn)。  

通過(guò)生物完整性的技術(shù)思路，篩選確定了基于大型底棲動(dòng)物和浮游植物的水生態(tài)健康評(píng)估指標(biāo)體系。  

隨著江蘇省太湖流域水生態(tài)環(huán)境功能區(qū)劃的確定與落實(shí)，課題組在保證太湖流域水生態(tài)健康評(píng)估指標(biāo)體系科學(xué)性的基礎(chǔ)上，從后續(xù)長(zhǎng)期業(yè)務(wù)化運(yùn)行的角度出發(fā)，對(duì)形成的太湖流域水生態(tài)健康評(píng)估指標(biāo)體系開展了簡(jiǎn)化工作。  

最終，從水質(zhì)和生物指標(biāo)兩個(gè)方面確定服務(wù)于太湖流域水生態(tài)環(huán)境功能區(qū)劃實(shí)施的太湖流域水生態(tài)健康評(píng)估指標(biāo)體系。  

其中，河流水質(zhì)綜合理化指數(shù)包括溶解氧、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、總磷和總氮5項(xiàng)指標(biāo)。湖庫(kù)水質(zhì)綜合理化指數(shù)包括葉綠素a、總磷、總氮、透明度和高錳酸鹽指數(shù)5項(xiàng)指標(biāo)。大型底棲動(dòng)物生物指數(shù)包括軟體動(dòng)物分類單元得分、第1位優(yōu)勢(shì)種優(yōu)勢(shì)度得分和BMWP指數(shù)得分3項(xiàng)指標(biāo)。浮游植物生物指數(shù)包括總分類單元數(shù)得分、生物密度得分和前3位優(yōu)勢(shì)種優(yōu)勢(shì)度得分3項(xiàng)指標(biāo)。  

考慮到河流與湖庫(kù)生境的不同，課題組關(guān)注的重點(diǎn)也有區(qū)別。課題組針對(duì)河流和湖庫(kù)分別提出了水生態(tài)健康指數(shù)的計(jì)算方法。  

成果3  

形成太湖水生態(tài)監(jiān)控業(yè)務(wù)化運(yùn)行體系  

課題組以蘇州市和常州市為試點(diǎn)，形成了江蘇省太湖流域水生態(tài)監(jiān)控業(yè)務(wù)化運(yùn)行體系。體系包含管理體系、技術(shù)方法標(biāo)準(zhǔn)體系和質(zhì)量控制體系。  

管理體系確定了省、市兩級(jí)環(huán)境監(jiān)測(cè)部門在業(yè)務(wù)化運(yùn)行中的任務(wù)分工。  

技術(shù)方法標(biāo)準(zhǔn)體系明確了業(yè)務(wù)化運(yùn)行過(guò)程中的監(jiān)測(cè)范圍、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、監(jiān)測(cè)頻次與時(shí)間、數(shù)據(jù)上報(bào)格式、數(shù)據(jù)上報(bào)方式、數(shù)據(jù)上報(bào)時(shí)間等。  

質(zhì)量控制體系明確了物種鑒定的質(zhì)量要求、浮游植物和底棲動(dòng)物采樣的質(zhì)量要求、浮游植物和底棲動(dòng)物標(biāo)本的上報(bào)要求、生境狀況描述要求、生物環(huán)境狀況報(bào)告的編寫要求等。  

通過(guò)體系的運(yùn)行，形成了省、市兩級(jí)業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)季報(bào)、年報(bào)、專題報(bào)等30余份。同時(shí)，獲取了太湖流域魚類標(biāo)本80余個(gè)、水生植物標(biāo)本50余個(gè)、大型底棲動(dòng)物標(biāo)本150余個(gè)、浮游藻類標(biāo)本150余個(gè)。  

成果4  

現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)診斷同時(shí)預(yù)警  

針對(duì)太湖流域水生態(tài)健康現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、診斷和預(yù)警及現(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)控未覆蓋地區(qū)的水生態(tài)監(jiān)控需求，課題組根據(jù)太湖流域水生態(tài)健康狀況的已有監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)指標(biāo)，及實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有水生生物監(jiān)測(cè)技術(shù)和污染物富集分析技術(shù)，篩選獲得一系列適宜于野外應(yīng)用的多層次、多指標(biāo)監(jiān)測(cè)技術(shù)和設(shè)備，并進(jìn)行系統(tǒng)的一體化集成和優(yōu)化。  

構(gòu)建了可供野外獨(dú)立應(yīng)用的多功能水生態(tài)健康現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、診斷和預(yù)警移動(dòng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)理化數(shù)據(jù)和生態(tài)毒理數(shù)據(jù)的智能化解析與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。建立了水體生態(tài)健康現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估和污染影響現(xiàn)場(chǎng)診斷和預(yù)警方法體系。  

平臺(tái)集成的水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)水溫、pH值、溶解氧、化學(xué)需氧量、氨氮、總磷、砷、汞、鎘、鉛等指標(biāo)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，便攜式毒性測(cè)試儀實(shí)現(xiàn)水質(zhì)急性毒性的發(fā)光菌法測(cè)定，水生生物循環(huán)暴露缸測(cè)試裝置實(shí)現(xiàn)水質(zhì)急性毒性的斑馬魚法測(cè)定。通過(guò)水質(zhì)和生物數(shù)據(jù)匯總、分析和發(fā)布，實(shí)現(xiàn)水生態(tài)健康現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、診斷和預(yù)警。  

移動(dòng)平臺(tái)的方案設(shè)計(jì)及所需監(jiān)測(cè)儀器均為自行開發(fā)，采用高精度新進(jìn)樣裝置和精確的進(jìn)樣系統(tǒng)，穩(wěn)定性高﹑分析高效。儀器直接進(jìn)行樣品處理，由PLC軟件控制，消解的溫度和時(shí)間可控。實(shí)際試劑用量較少﹑試劑殘留少﹑運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本低。具有儀器全自動(dòng)采集水樣、儀器故障自動(dòng)報(bào)警、斷電后自動(dòng)恢復(fù)等優(yōu)點(diǎn)。提供多路標(biāo)準(zhǔn)接口，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控遙測(cè)﹑人性化設(shè)計(jì)﹑操作簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定。  

針對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)在湖泊浮游生物及底棲動(dòng)物監(jiān)測(cè)方面工作效率不高、難以開展標(biāo)準(zhǔn)化質(zhì)量管理工作的現(xiàn)狀，基于DNA生物條形碼技術(shù)，平臺(tái)研發(fā)了DNA鏈?zhǔn)綌U(kuò)增技術(shù)，快速識(shí)別湖泊浮游生物及底棲動(dòng)物的技方法術(shù)，建立物種分子識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)方法和關(guān)鍵物種DNA識(shí)別信息數(shù)據(jù)庫(kù)，在太湖流域開展業(yè)務(wù)化應(yīng)用示范并建立質(zhì)量保證技術(shù)體系，形成能替代傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)方法進(jìn)行湖泊浮游生物及底棲動(dòng)物快速鑒定和監(jiān)測(cè)的技術(shù)體系，提高生物監(jiān)測(cè)速度、降低監(jiān)測(cè)成本、提高生物監(jiān)測(cè)質(zhì)量，為流域水生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和管理提供技術(shù)支撐。  

平臺(tái)研發(fā)了水華在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，可在流動(dòng)監(jiān)測(cè)車上進(jìn)行實(shí)時(shí)作業(yè)。這一系統(tǒng)克服了一般成像儀器中的運(yùn)動(dòng)拖尾和顯微成像景深小的局限性，從而在高通量進(jìn)樣條件下，能夠確保圖片的高分辨率，可以對(duì)水樣中的所有浮游植物細(xì)胞進(jìn)行成像，光學(xué)分辨率約為0.75μm，可有效探測(cè)到濃度非常低的種群。  

設(shè)備還能避免水體中泥沙等無(wú)機(jī)顆粒的干擾，在高濁度水體中也能夠準(zhǔn)確進(jìn)行細(xì)胞計(jì)數(shù)。設(shè)備由激光器、相機(jī)、黑盒子及進(jìn)樣系統(tǒng)4個(gè)單元組成，4個(gè)單元相對(duì)獨(dú)立，有利于安裝調(diào)試。相對(duì)于光學(xué)平板，系統(tǒng)中心高度僅為45mm，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)采用微型電磁泵進(jìn)行連續(xù)穩(wěn)定進(jìn)樣，配備兩臺(tái)微泵，一臺(tái)用作進(jìn)樣，一臺(tái)用作清洗。  

成果5  

對(duì)重大引水工程生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行跟蹤評(píng)估  

課題組以總氮、總磷、硝酸鹽氮、硅酸鹽、高錳酸鹽指數(shù)、葉綠素a和總有機(jī)碳為敏感水質(zhì)指標(biāo)，浮游藻類組成為生物指標(biāo)，開展望虞河引水工程生態(tài)效應(yīng)跟蹤監(jiān)測(cè)。  

根據(jù)太湖流域引水工程生態(tài)效應(yīng)的基礎(chǔ)調(diào)查數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)的空間插值分析、聚類分析、多維尺度分析、相似性分析及空間二維排序等結(jié)果，同時(shí)考慮監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的空間分布與生態(tài)功能，篩選了能夠反映示范區(qū)水生態(tài)效應(yīng)的代表性監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，形成引水工程生態(tài)效應(yīng)跟蹤監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的優(yōu)化方案。  

課題組基于基礎(chǔ)調(diào)查數(shù)據(jù)，篩選總氮、總磷、硝態(tài)氮和葉綠素a作為引水工程生態(tài)效應(yīng)評(píng)估的敏感水質(zhì)理化指標(biāo)，藍(lán)藻門、綠藻門和硅藻門浮游藻類作為引水工程生態(tài)效應(yīng)評(píng)估的敏感生物指標(biāo)，確立空間插值分析法、聚類分析、多維尺度分析、相似性分析及空間二維排序分析為引水工程生態(tài)效應(yīng)評(píng)估的主要方法。  

完成太湖湖體清淤工程實(shí)施時(shí)間和范圍及清淤施工方等資料的收集與整理，從水質(zhì)、底泥理化組成和底棲動(dòng)物組成變化等方面，開展清淤工程生態(tài)效應(yīng)跟蹤監(jiān)測(cè)。基于監(jiān)測(cè)實(shí)際情況，確定生態(tài)清淤工程影響的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，并進(jìn)一步確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的空間距離。  

課題組選擇水下光強(qiáng)、底泥營(yíng)養(yǎng)鹽含量為清淤實(shí)施的生態(tài)效應(yīng)評(píng)估敏感指標(biāo)，選擇群落豐富度、群落種類個(gè)體組成、營(yíng)養(yǎng)級(jí)組成和生物耐污能力4類16個(gè)生物參數(shù)作為太湖生態(tài)清淤影響分析的參數(shù)。  

參數(shù)主要包括多樣性指數(shù)、物種豐富度、均勻度指數(shù)、總分類單元數(shù)、甲殼動(dòng)物和軟體動(dòng)物分類單元數(shù)、蛭綱分類單元數(shù)、軟體動(dòng)物分類單元數(shù)、甲殼動(dòng)物和軟體動(dòng)物占總體的比例（%）、總密度（ind/m2）、蛭綱占總體的比例（%）、軟體動(dòng)物占總體的比例（%）、寡毛綱占總體的比例（%）、水絲蚓占總體的比例（%）、搖蚊占總體的比例（%）、寡毛類密度（ind/m2）、蛭綱密度（ind/m2）等，以揭示環(huán)境的改變對(duì)底棲動(dòng)物群落結(jié)果和功能的影響。

  使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”