江苏省太湖湖体自动监测体系构建研究及运行示范
唐梦涵+司蔚+钟声
摘要：文章在论述太湖湖体监测点位布设和浮标站建设的现状基础上，指出太湖湖体监测点位布设存在的问题，通过研究构建太湖湖体水质监测网络，按照点位布设原则，调整太湖湖体监测点位，开展10个新增浮标站建设，完善太湖湖体自动监测体系。
关键词：太湖湖体；自动监测浮标站
中图分类号：X832 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2017）02-0091-05
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.02.017
1 太湖湖体监测点位及浮标站建设应用 现状[1]
“十一五”期间，太湖流域构建蓝藻预警监测系统，包含配置太湖应急监测船和应急监测车，建设太湖野外水质与蓝藻综合观测站，建设太湖湖體浮标预警站，建设太湖流域遥感数据接收解译系统，实现三级预警。其中太湖湖体浮标站是太湖流域蓝藻预警监测系统重要组成部分。我省通过布设太湖湖体监测点位，启动湖体浮标站建设，在预警蓝藻生长和爆发中起到举足轻重的作用。但在实际监测过程中，“十一五”期间布设的部分湖体监测点位代表性不足，浮标站覆盖面不够，监测指标不全等问题，无法完全满足太湖蓝藻预警监测的需要。
1.1 “十一五”期间湖体监测点位情况
20世纪80年代，江苏省环境监测部门开始对太湖湖体开展监测，掌握湖体水质状况。到“十一五”期间太湖湖体共布设21个监测点位，详细位置情况详见图1。
1.2 浮标站建设应用情况
为实时监控太湖水质变化，预警预报太湖蓝藻的生长情况成为太湖水质监测的重点工作。自2008年开始建设太湖湖体浮标式自动监测系统。
浮标式水质监测系统于20世纪60年代起在海洋调查中试用，70年代中期开始实践应用。起初，浮标监测功能单一，测量内容较少，随着电子、卫星通讯以及微处理技术的发展和应用，浮标技术测量能力不断提高，能够收集环境参数，提供实时、同步的环境数据，在军事、航海、渔业、气象、石油开采等多方面逐步得到应用[2]。2000年以后浮标式水质监测系统开始在海洋监测领域得以推广[3]。2008年开始，太湖建设了11个浮标式水质监测系统，对水质五参数（温度、浊度、pH值、电导率、溶解氧）、叶绿素a、蓝绿藻、气象五参数（风速、风向、气压、气温、湿度）进行全天候、全方位的在线连续监测，对于加强太湖湖体水环境质量自动监测，及时地捕捉水环境质量变化及太湖蓝藻生长情况，实现水污染预警预报，发挥了重要作用。
2 存在问题
2.1 湖体监测点位代表性不足
“十一五”期间，太湖湖体共布设21个监测点位，其中12个集中于北部水域，占比57%的点位仅能监控太湖湖体1/3水域，而东部、南部和湖心区点位分布比例相对较低，导致有限的监测资源不能合理运用；另外，13个点位布设在湖岸边，不能全面反映湖体水环境质量状况，点位代表性缺失严重。
2.2 浮标站覆盖面不够
太湖水域面积2338km2，除东太湖礁石水草多、水深太浅而无法实施监测的湖区172km2外，实际可监测水面面积为2166km2。“十一五”期间已建设11个湖体浮标站，其中5个集中位于太湖湖体北岸，剩余6个分散在太湖湖体北部和湖岸边，未完全覆盖贡湖、梅梁湖、五里湖、竺山湖四个湖湾及外太湖湖体。
2.3 浮标站监测指标不全
湖泊氮磷污染凸显，湖泊富营养化严重，由此带来湖泊水生态和生态服务功能退化等一系列问题。2015年，太湖湖体总体水质处于Ⅳ类（不计总氮）。湖体高锰酸盐指数和氨氮平均浓度达到Ⅱ类标准；总磷平均浓度符合Ⅳ类标准，总氮平均浓度为1.81毫克/升，达到Ⅴ类标准。综合营养状态指数为56.1，处于轻度富营养状态。其中西部沿岸区仍处于中度富营养状态。太湖蓝藻发生受极端气象水文条件影响明显，研究表明，藻类生长与氮磷等富营养化指标有密切关联。
而浮标站仅配置了常见的水质五参数、叶绿素a、蓝绿藻、气象五参数（风速、风向、气压、气温、湿度），虽然可通过自动监测数据监测预警蓝藻的生长情况，却不能实时监控太湖湖体氮磷污染状况[4]。浮标站监测指标亟需增设富营养化监测指标。
3 太湖湖体水质监测网络构建
3.1 监测点位调整优化
3.1.1 调整优化原则
湖体点位调整原则主要有以下六点：（1）监测点位以全面反映地表水环境质量为目的。（2）湖库按湖体自然状况划区设置点位。（3）湖泊无明显功能分区的，采用网格法按湖泊面积设置监测点位。库体每50～100km2设置一个监测点位，同时空间分布要有代表性。（4）面积在100km2以上的重要湖泊设立监测点位。（5）在重要河流、湖库上的饮用水源地（日供水量≥10万吨，或服务人口≥20万人）布设点位。（6）根据不同原则设置监测点位的位置发生重复时，只需设置一个点位。
3.1.2 调整优化方案
太湖点位优化调整运用了网格均匀布点法，将太湖分成了20个约100km2的水域，重点考虑代表性基础上，在每个水域中选择布设一个监测点位，以代表相关水域的水质情况；同时，根据连续性原则，保留了部分国控点位，使监测结果更具有连续性和可比性。考虑监测的可行性和便捷性。监测点位避开水深较浅、水产养殖和围网区域。
（1）原有点取消：取消10个原有国控点位，分别为百渎口、沙塘港、犊山口、闾江口、小湾里、沙墩港、沙渚、乌龟山、新港口、胥口。
（2）新增点位：新增点位有9个，分别为竺山湖心、梅梁湖心、沙渚南、乌龟山南、锡东、兰山嘴、西山西、漾西港、胥湖心。
（3）原有点移动：位置移动的点位有4个，分别为点位移动：大浦口、漫山、新塘港、小梅口。
（4）原有点位保留：点位保留的点位有7个。分别为拖山、椒山、平台山、十四号灯标（原四号灯标）、泽山、大雷山、五里湖心。
优化调整后的太湖湖体点位共计20个，体现了网格法布点的特点，分布更为均匀，更能整体反映太湖水质情况，各湖区均有多个点位反映水质情况，空间代表性较好；同时，有较好的连续性，在原点位基础上进行优化调整，监测结果能与历史情况进行比较，时间连续性较好[5]。
3.2 新增10个浮标预警站建设
3.2.1 建设点位
“十一五”期间，江苏省完成了20个湖体监测点位中的11个湖体浮标站建设，包括梅梁湖心、大雷山、沙渚南、锡东、竺山湖心、14号灯标、大浦口、椒山、胥湖心、西山西、新塘港11个监测点位。“十二五”期间完成剩余9个湖体浮标站的建设，包括泽山、漾西港、漫山、拖山、平臺山平台、兰山嘴平台、小梅口平台、五里湖心、乌龟山南9个监测点位。同时考虑到对太湖蓝藻易出现地区的实时监测在旧渎东增加了1个浮标站的建设，共计新增10个湖体浮标站，实现湖体水质自动监测点位全覆盖，全面完善太湖流域水质自动监测网。同时进一步开发湖体自动监测的技术，实现监测技术手段的创新，为全国湖体水质监测提供先进的参考经验。
3.2.2 浮标类型
“十二五”期间优化创新了湖体自动监测技术，搭建湖体在线监测平台，增配藻类分析仪等先进的在线监测仪器，更大范围的掌握湖体水域水质和蓝藻分布情况。目前太湖流域湖体自动监测分为浮标和监测平台两种类型，其中浮标型16个，占总数的76.2%，监测平台型5个，占总数的23.8%。
3.2.3 仪器设备
湖体21个监测点位中，漫山、拖山、平台山平台、兰山嘴平台、小梅口平台5个监测点安装了监测平台浮标湖体自动监测系统，其余16个监测点安装了普通型浮标型湖体自动监测系统。监测平台型浮标式湖体自动监测系统最大的优势就在于，湖体中的固定式监测平台更便于安装分析设备。
监测平台仪器设备配置基本相同，都配置了平台系统、气象仪、水质监测仪系统、水质监测剖面系统、湖流监测仪系统、营养盐监测仪系统、数据采集系统等9种软硬件设备。营养盐监测系统只在拖山进行了安装。而平台系统、水质监测剖面系统、湖流监测仪系统、摄像头是普通型浮标式湖体自动监测系统没有的设备。普通型浮标与监测平台型湖体自动监测系统的不同在于其使用的是浮标系统，是非固定式的安装方式。配置的仪器数量少于监测平台型，只有浮标系统、气象仪、水质监测仪、数据采集系统、通讯系统、软件系统共6种软硬件。具体见表2。
浮标式湖体水质自动监测站的监测项目包括水质五参数（水温、pH、溶解氧（DO）、电导率、浊度）、叶绿素和蓝绿藻，监测频次设为每2h或4h监测一次（即每天12个或6个监测数据），当发现水质状况明显变化或发生污染事故时，监测频率可调整为连续监测。
4 浮标站建设运行效果分析
20个太湖湖体新调整点位的浮标自动监测系统实现了水质、藻情的连续、动态监控预警，充分发挥出自动监测系统的主导作用，一举改变以往人工监测存在的工作负荷高、强度大，监测数据实效性差、代表性不佳等问题。
2013年4～10月蓝藻预警监测期间，通过卫星遥感和浮标站监测共计发现蓝藻水华聚集现象94次，以“小面积、零星聚集”为主，主要发生在西部沿岸区、竺山湖和湖心区。2014年4～10月蓝藻预警监测期间，通过卫星遥感和浮标站监测共计发现蓝藻水华聚集现象81次，仍以“小面积区域性聚集”为主。与2013年相比，蓝藻水华聚集现象发生次数减少13次。2015 环境自动监测预警能力进一步提升，充分发挥水环境自动监测系统作用，完善水质异常快速调查处置机制，共及时捕获、果断处置水质异常情况79起，有效保证太湖水质安全。
同时通过浮标站异常数据预警，我省开展多次应急监测工作。2013年以来，太湖21个浮标站共捕获监测数据900余万个，利用浮标监测数据共计编写太湖蓝藻监测预警日报777期，实现了太湖蓝藻水华的全年不间断连续监测，及时将水质异常信息发送至省政府、太湖办等相关职能部门，为政府环境决策和污染控制提供了及时、准确、科学的依据。
浮标站投入运行后，与太湖流域卫星遥感数据接收解译系统协同发挥太湖蓝藻预警作用，连续多年实现了太湖两个确保工作的完成，太湖蓝藻监测预警有了更直观有效的监测手段。
参考文献
[1]江苏省环境保护厅. 2006-2010江苏省环境质量报告[M].南京：河海大学出版社，2012.
[2]李民，范秀涛， 刘世萱. 大型海洋环境监测浮标的研究与应用[J]. 中国科技成果， 2012， 13（8）： 15-17.
[3]戴洪磊牟乃夏王春玉田茂义我国海洋浮标发展现状及趋势气象水文海洋仪器Meteorological，Hydrological and Marine Instruments，2014， （2）：118-121.
[4]梁柱，徐恒省，王亚超湖泊蓝藻水华预警监测技术的应用研究污染防治技术2009，6（22）：97-99.
[5]江苏省环境保护厅.2011-2016江苏省环境质量报告[M].南京：河海大学出版社，2016.
摘要：文章在论述太湖湖体监测点位布设和浮标站建设的现状基础上，指出太湖湖体监测点位布设存在的问题，通过研究构建太湖湖体水质监测网络，按照点位布设原则，调整太湖湖体监测点位，开展10个新增浮标站建设，完善太湖湖体自动监测体系。
关键词：太湖湖体；自动监测浮标站
中图分类号：X832 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2017）02-0091-05
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.02.017
1 太湖湖体监测点位及浮标站建设应用 现状[1]
“十一五”期间，太湖流域构建蓝藻预警监测系统，包含配置太湖应急监测船和应急监测车，建设太湖野外水质与蓝藻综合观测站，建设太湖湖體浮标预警站，建设太湖流域遥感数据接收解译系统，实现三级预警。其中太湖湖体浮标站是太湖流域蓝藻预警监测系统重要组成部分。我省通过布设太湖湖体监测点位，启动湖体浮标站建设，在预警蓝藻生长和爆发中起到举足轻重的作用。但在实际监测过程中，“十一五”期间布设的部分湖体监测点位代表性不足，浮标站覆盖面不够，监测指标不全等问题，无法完全满足太湖蓝藻预警监测的需要。
1.1 “十一五”期间湖体监测点位情况
20世纪80年代，江苏省环境监测部门开始对太湖湖体开展监测，掌握湖体水质状况。到“十一五”期间太湖湖体共布设21个监测点位，详细位置情况详见图1。
1.2 浮标站建设应用情况
为实时监控太湖水质变化，预警预报太湖蓝藻的生长情况成为太湖水质监测的重点工作。自2008年开始建设太湖湖体浮标式自动监测系统。
浮标式水质监测系统于20世纪60年代起在海洋调查中试用，70年代中期开始实践应用。起初，浮标监测功能单一，测量内容较少，随着电子、卫星通讯以及微处理技术的发展和应用，浮标技术测量能力不断提高，能够收集环境参数，提供实时、同步的环境数据，在军事、航海、渔业、气象、石油开采等多方面逐步得到应用[2]。2000年以后浮标式水质监测系统开始在海洋监测领域得以推广[3]。2008年开始，太湖建设了11个浮标式水质监测系统，对水质五参数（温度、浊度、pH值、电导率、溶解氧）、叶绿素a、蓝绿藻、气象五参数（风速、风向、气压、气温、湿度）进行全天候、全方位的在线连续监测，对于加强太湖湖体水环境质量自动监测，及时地捕捉水环境质量变化及太湖蓝藻生长情况，实现水污染预警预报，发挥了重要作用。
2 存在问题
2.1 湖体监测点位代表性不足
“十一五”期间，太湖湖体共布设21个监测点位，其中12个集中于北部水域，占比57%的点位仅能监控太湖湖体1/3水域，而东部、南部和湖心区点位分布比例相对较低，导致有限的监测资源不能合理运用；另外，13个点位布设在湖岸边，不能全面反映湖体水环境质量状况，点位代表性缺失严重。
2.2 浮标站覆盖面不够
太湖水域面积2338km2，除东太湖礁石水草多、水深太浅而无法实施监测的湖区172km2外，实际可监测水面面积为2166km2。“十一五”期间已建设11个湖体浮标站，其中5个集中位于太湖湖体北岸，剩余6个分散在太湖湖体北部和湖岸边，未完全覆盖贡湖、梅梁湖、五里湖、竺山湖四个湖湾及外太湖湖体。
2.3 浮标站监测指标不全
湖泊氮磷污染凸显，湖泊富营养化严重，由此带来湖泊水生态和生态服务功能退化等一系列问题。2015年，太湖湖体总体水质处于Ⅳ类（不计总氮）。湖体高锰酸盐指数和氨氮平均浓度达到Ⅱ类标准；总磷平均浓度符合Ⅳ类标准，总氮平均浓度为1.81毫克/升，达到Ⅴ类标准。综合营养状态指数为56.1，处于轻度富营养状态。其中西部沿岸区仍处于中度富营养状态。太湖蓝藻发生受极端气象水文条件影响明显，研究表明，藻类生长与氮磷等富营养化指标有密切关联。
而浮标站仅配置了常见的水质五参数、叶绿素a、蓝绿藻、气象五参数（风速、风向、气压、气温、湿度），虽然可通过自动监测数据监测预警蓝藻的生长情况，却不能实时监控太湖湖体氮磷污染状况[4]。浮标站监测指标亟需增设富营养化监测指标。
3 太湖湖体水质监测网络构建
3.1 监测点位调整优化
3.1.1 调整优化原则
湖体点位调整原则主要有以下六点：（1）监测点位以全面反映地表水环境质量为目的。（2）湖库按湖体自然状况划区设置点位。（3）湖泊无明显功能分区的，采用网格法按湖泊面积设置监测点位。库体每50～100km2设置一个监测点位，同时空间分布要有代表性。（4）面积在100km2以上的重要湖泊设立监测点位。（5）在重要河流、湖库上的饮用水源地（日供水量≥10万吨，或服务人口≥20万人）布设点位。（6）根据不同原则设置监测点位的位置发生重复时，只需设置一个点位。
3.1.2 调整优化方案
太湖点位优化调整运用了网格均匀布点法，将太湖分成了20个约100km2的水域，重点考虑代表性基础上，在每个水域中选择布设一个监测点位，以代表相关水域的水质情况；同时，根据连续性原则，保留了部分国控点位，使监测结果更具有连续性和可比性。考虑监测的可行性和便捷性。监测点位避开水深较浅、水产养殖和围网区域。
（1）原有点取消：取消10个原有国控点位，分别为百渎口、沙塘港、犊山口、闾江口、小湾里、沙墩港、沙渚、乌龟山、新港口、胥口。
（2）新增点位：新增点位有9个，分别为竺山湖心、梅梁湖心、沙渚南、乌龟山南、锡东、兰山嘴、西山西、漾西港、胥湖心。
（3）原有点移动：位置移动的点位有4个，分别为点位移动：大浦口、漫山、新塘港、小梅口。
（4）原有点位保留：点位保留的点位有7个。分别为拖山、椒山、平台山、十四号灯标（原四号灯标）、泽山、大雷山、五里湖心。
优化调整后的太湖湖体点位共计20个，体现了网格法布点的特点，分布更为均匀，更能整体反映太湖水质情况，各湖区均有多个点位反映水质情况，空间代表性较好；同时，有较好的连续性，在原点位基础上进行优化调整，监测结果能与历史情况进行比较，时间连续性较好[5]。
3.2 新增10个浮标预警站建设
3.2.1 建设点位
“十一五”期间，江苏省完成了20个湖体监测点位中的11个湖体浮标站建设，包括梅梁湖心、大雷山、沙渚南、锡东、竺山湖心、14号灯标、大浦口、椒山、胥湖心、西山西、新塘港11个监测点位。“十二五”期间完成剩余9个湖体浮标站的建设，包括泽山、漾西港、漫山、拖山、平臺山平台、兰山嘴平台、小梅口平台、五里湖心、乌龟山南9个监测点位。同时考虑到对太湖蓝藻易出现地区的实时监测在旧渎东增加了1个浮标站的建设，共计新增10个湖体浮标站，实现湖体水质自动监测点位全覆盖，全面完善太湖流域水质自动监测网。同时进一步开发湖体自动监测的技术，实现监测技术手段的创新，为全国湖体水质监测提供先进的参考经验。
3.2.2 浮标类型
“十二五”期间优化创新了湖体自动监测技术，搭建湖体在线监测平台，增配藻类分析仪等先进的在线监测仪器，更大范围的掌握湖体水域水质和蓝藻分布情况。目前太湖流域湖体自动监测分为浮标和监测平台两种类型，其中浮标型16个，占总数的76.2%，监测平台型5个，占总数的23.8%。
3.2.3 仪器设备
湖体21个监测点位中，漫山、拖山、平台山平台、兰山嘴平台、小梅口平台5个监测点安装了监测平台浮标湖体自动监测系统，其余16个监测点安装了普通型浮标型湖体自动监测系统。监测平台型浮标式湖体自动监测系统最大的优势就在于，湖体中的固定式监测平台更便于安装分析设备。
监测平台仪器设备配置基本相同，都配置了平台系统、气象仪、水质监测仪系统、水质监测剖面系统、湖流监测仪系统、营养盐监测仪系统、数据采集系统等9种软硬件设备。营养盐监测系统只在拖山进行了安装。而平台系统、水质监测剖面系统、湖流监测仪系统、摄像头是普通型浮标式湖体自动监测系统没有的设备。普通型浮标与监测平台型湖体自动监测系统的不同在于其使用的是浮标系统，是非固定式的安装方式。配置的仪器数量少于监测平台型，只有浮标系统、气象仪、水质监测仪、数据采集系统、通讯系统、软件系统共6种软硬件。具体见表2。
浮标式湖体水质自动监测站的监测项目包括水质五参数（水温、pH、溶解氧（DO）、电导率、浊度）、叶绿素和蓝绿藻，监测频次设为每2h或4h监测一次（即每天12个或6个监测数据），当发现水质状况明显变化或发生污染事故时，监测频率可调整为连续监测。
4 浮标站建设运行效果分析
20个太湖湖体新调整点位的浮标自动监测系统实现了水质、藻情的连续、动态监控预警，充分发挥出自动监测系统的主导作用，一举改变以往人工监测存在的工作负荷高、强度大，监测数据实效性差、代表性不佳等问题。
2013年4～10月蓝藻预警监测期间，通过卫星遥感和浮标站监测共计发现蓝藻水华聚集现象94次，以“小面积、零星聚集”为主，主要发生在西部沿岸区、竺山湖和湖心区。2014年4～10月蓝藻预警监测期间，通过卫星遥感和浮标站监测共计发现蓝藻水华聚集现象81次，仍以“小面积区域性聚集”为主。与2013年相比，蓝藻水华聚集现象发生次数减少13次。2015 环境自动监测预警能力进一步提升，充分发挥水环境自动监测系统作用，完善水质异常快速调查处置机制，共及时捕获、果断处置水质异常情况79起，有效保证太湖水质安全。
同时通过浮标站异常数据预警，我省开展多次应急监测工作。2013年以来，太湖21个浮标站共捕获监测数据900余万个，利用浮标监测数据共计编写太湖蓝藻监测预警日报777期，实现了太湖蓝藻水华的全年不间断连续监测，及时将水质异常信息发送至省政府、太湖办等相关职能部门，为政府环境决策和污染控制提供了及时、准确、科学的依据。
浮标站投入运行后，与太湖流域卫星遥感数据接收解译系统协同发挥太湖蓝藻预警作用，连续多年实现了太湖两个确保工作的完成，太湖蓝藻监测预警有了更直观有效的监测手段。
参考文献
[1]江苏省环境保护厅. 2006-2010江苏省环境质量报告[M].南京：河海大学出版社，2012.
[2]李民，范秀涛， 刘世萱. 大型海洋环境监测浮标的研究与应用[J]. 中国科技成果， 2012， 13（8）： 15-17.
[3]戴洪磊牟乃夏王春玉田茂义我国海洋浮标发展现状及趋势气象水文海洋仪器Meteorological，Hydrological and Marine Instruments，2014， （2）：118-121.
[4]梁柱，徐恒省，王亚超湖泊蓝藻水华预警监测技术的应用研究污染防治技术2009，6（22）：97-99.
[5]江苏省环境保护厅.2011-2016江苏省环境质量报告[M].南京：河海大学出版社，2016.
