太湖流域（江蘇）水生態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)建設與業(yè)務化運行示范課題取得進展
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水生態(tài)健康現(xiàn)場監(jiān)測、診斷與預警流程
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實現(xiàn)水生態(tài)健康現(xiàn)場診斷與預警集成
“太湖流域（江蘇）水生態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)建設與業(yè)務化運行示范”課題旨在通過太湖流域水生態(tài)系統(tǒng)健康性和完整性監(jiān)測與評價核心技術、水生態(tài)健康現(xiàn)場診斷及應急監(jiān)測集成技術、流域重大工程水生態(tài)影響監(jiān)控與評估技術的研發(fā)，加強生態(tài)和生物監(jiān)測技術集成，初步構建太湖流域水生態(tài)系統(tǒng)綜合監(jiān)測與監(jiān)控評估技術方法體系及太湖生態(tài)變化監(jiān)控系統(tǒng)平臺，監(jiān)控太湖流域水生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)及演變，實現(xiàn)水生態(tài)健康現(xiàn)場診斷與預警集成，動態(tài)評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)控技術方法體系業(yè)務化運行示范、初步建立流域水生態(tài)監(jiān)控網(wǎng)絡及業(yè)務化運行模式，形成太湖流域水生態(tài)監(jiān)測與監(jiān)控能力，建立太湖流域水生態(tài)網(wǎng)絡體系，實現(xiàn)水生態(tài)系統(tǒng)長期動態(tài)變化監(jiān)控、流域生態(tài)風險識別及防范。
課題的最終目標是為實現(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)管理提供科學和技術支撐，為太湖流域形成水生態(tài)監(jiān)控業(yè)務推進和應用能力提供實踐支撐，并進一步推動管理上生物目標的確定，整體促進水質目標管理向水生態(tài)健康管理的重大轉變。
針對太湖流域由水質目標管理向水生態(tài)健康管理轉變、實施水生態(tài)環(huán)境功能分區(qū)管理的發(fā)展趨勢以及流域水生態(tài)監(jiān)測技術薄弱的現(xiàn)狀，“十二五”期間，江蘇省環(huán)境監(jiān)測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)建設與業(yè)務化運行示范”課題研究。課題分屬國家水體污染控制與治理科技重大專項流域水污染防治監(jiān)控預警技術與綜合示范主題太湖流域水環(huán)境管理技術集成綜合示范項目。
以江蘇省太湖流域為研究區(qū)域，由江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心、常州市環(huán)境監(jiān)測中心、南京大學等單位組成的課題組布設了120個點位，開展太湖流域水生態(tài)基礎調查，其中太湖湖體29個、中小型湖蕩20個、河流40個、上游水庫15個、上游溪流16個。
課題組分別于2012年~2014年豐、平、枯不同水期對流域水生態(tài)現(xiàn)狀開展調查，獲得流域層面的水生態(tài)基礎數(shù)據(jù)，包括浮游藻類、大型底棲動物、浮游動物、水生植被、水質生物毒性等及常規(guī)水質理化指標共約20萬個數(shù)據(jù)。
在120個點位豐、平、枯3個水期生態(tài)調查數(shù)據(jù)的基礎上，經(jīng)過科學篩選，課題組最終確定流域水生態(tài)變化監(jiān)測業(yè)務化運行監(jiān)控點位39個，并于2014年~2015年開展流域水生態(tài)監(jiān)測業(yè)務化運行。
此外，課題組還搜集整理了2008年~2015年太湖藍藻遙感影像數(shù)據(jù)，太湖周邊17個氣象觀測站點2012年~2015年氣壓、風速、風向、氣溫、露點、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)測數(shù)據(jù)，2008年~2015年太湖湖體的巡測數(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年浮游動物、浮游藻類及大型底棲動物等全序列調查監(jiān)測數(shù)據(jù)，梅梁湖2008年~2015年藻毒素監(jiān)測數(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自動監(jiān)測數(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果等基礎數(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）》（以下簡稱《區(qū)劃》）得到江蘇省政府批復。為落實《區(qū)劃》，依托課題研究成果，在確保科學性的基礎上，從業(yè)務化運行可行性的角度，課題組編制了《太湖流域（江蘇）水生態(tài)健康評估技術規(guī)程（試行）》《水生態(tài)健康監(jiān)測技術規(guī)程淡水大型底棲無脊椎動物（試行）》《水生態(tài)健康監(jiān)測技術規(guī)程淡水浮游藻類（試行）》3個技術規(guī)程，為《區(qū)劃》的實施提供技術支撐。
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)測與評價技術研究、指標與指標體系研究為基礎，整合社會經(jīng)濟、自然生態(tài)、地理空間等相關支撐數(shù)據(jù)，對水生態(tài)健康監(jiān)測和評價指標進行深度數(shù)據(jù)挖掘，基于GIS平臺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)狀和長期變化態(tài)勢以及水生態(tài)環(huán)境各要素動態(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)在場景支撐體系、研判支撐體系、數(shù)據(jù)支撐體系和業(yè)務支撐體系4個方面。
其中，場景支撐體系能夠實現(xiàn)藍藻水華、湖泛、物種種間關系等情景模擬，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)動力學模型模擬，基礎地理信息供給和專題基礎信息供給等功能。
研判支撐體系能夠實現(xiàn)太湖流域水生態(tài)健康長期變化分析，太湖流域水生態(tài)健康分析，太湖流域重大工程影響監(jiān)測與評估，太湖流域水生態(tài)健康監(jiān)測與評價業(yè)務管理等功能。
數(shù)據(jù)支撐體系涵蓋了水生態(tài)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)、水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、水生態(tài)調查數(shù)據(jù)庫、生態(tài)遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)庫和物種資源數(shù)據(jù)庫。
業(yè)務支撐體系主要實現(xiàn)太湖流域水生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、太湖流域水質自動監(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120個斷面豐、平、枯3個水期翔實的水質、生物學指標野外調查數(shù)據(jù)，采用“最佳可達條件法”確立了湖體、河流、湖蕩、水庫與溪流等不同水體的清潔參照點。
通過生物完整性的技術思路，篩選確定了基于大型底棲動物和浮游植物的水生態(tài)健康評估指標體系。
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，課題組在保證太湖流域水生態(tài)健康評估指標體系科學性的基礎上，從后續(xù)長期業(yè)務化運行的角度出發(fā)，對形成的太湖流域水生態(tài)健康評估指標體系開展了簡化工作。
最終，從水質和生物指標兩個方面確定服務于太湖流域水生態(tài)環(huán)境功能區(qū)劃實施的太湖流域水生態(tài)健康評估指標體系。
其中，河流水質綜合理化指數(shù)包括溶解氧、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、總磷和總氮5項指標。湖庫水質綜合理化指數(shù)包括葉綠素a、總磷、總氮、透明度和高錳酸鹽指數(shù)5項指標。大型底棲動物生物指數(shù)包括軟體動物分類單元得分、第1位優(yōu)勢種優(yōu)勢度得分和BMWP指數(shù)得分3項指標。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)勢種優(yōu)勢度得分3項指標。
考慮到河流與湖庫生境的不同，課題組關注的重點也有區(qū)別。課題組針對河流和湖庫分別提出了水生態(tài)健康指數(shù)的計算方法。
成果3
形成太湖水生態(tài)監(jiān)控業(yè)務化運行體系
課題組以蘇州市和常州市為試點，形成了江蘇省太湖流域水生態(tài)監(jiān)控業(yè)務化運行體系。體系包含管理體系、技術方法標準體系和質量控制體系。
管理體系確定了省、市兩級環(huán)境監(jiān)測部門在業(yè)務化運行中的任務分工。
技術方法標準體系明確了業(yè)務化運行過程中的監(jiān)測范圍、監(jiān)測項目、監(jiān)測頻次與時間、數(shù)據(jù)上報格式、數(shù)據(jù)上報方式、數(shù)據(jù)上報時間等。
質量控制體系明確了物種鑒定的質量要求、浮游植物和底棲動物采樣的質量要求、浮游植物和底棲動物標本的上報要求、生境狀況描述要求、生物環(huán)境狀況報告的編寫要求等。
通過體系的運行，形成了省、市兩級業(yè)務化監(jiān)測季報、年報、專題報等30余份。同時，獲取了太湖流域魚類標本80余個、水生植物標本50余個、大型底棲動物標本150余個、浮游藻類標本150余個。
成果4
現(xiàn)場評估現(xiàn)場診斷同時預警
針對太湖流域水生態(tài)健康現(xiàn)場監(jiān)測、診斷和預警及現(xiàn)有水質監(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)測和評價指標，及實驗室現(xiàn)有水生生物監(jiān)測技術和污染物富集分析技術，篩選獲得一系列適宜于野外應用的多層次、多指標監(jiān)測技術和設備，并進行系統(tǒng)的一體化集成和優(yōu)化。
構建了可供野外獨立應用的多功能水生態(tài)健康現(xiàn)場監(jiān)測、診斷和預警移動平臺，實現(xiàn)現(xiàn)場理化數(shù)據(jù)和生態(tài)毒理數(shù)據(jù)的智能化解析與風險預警。建立了水體生態(tài)健康現(xiàn)場評估和污染影響現(xiàn)場診斷和預警方法體系。
平臺集成的水質監(jiān)測設備，可實現(xiàn)水溫、pH值、溶解氧、化學需氧量、氨氮、總磷、砷、汞、鎘、鉛等指標的在線實時監(jiān)測，便攜式毒性測試儀實現(xiàn)水質急性毒性的發(fā)光菌法測定，水生生物循環(huán)暴露缸測試裝置實現(xiàn)水質急性毒性的斑馬魚法測定。通過水質和生物數(shù)據(jù)匯總、分析和發(fā)布，實現(xiàn)水生態(tài)健康現(xiàn)場監(jiān)測、診斷和預警。
移動平臺的方案設計及所需監(jiān)測儀器均為自行開發(fā)，采用高精度新進樣裝置和精確的進樣系統(tǒng)，穩(wěn)定性高﹑分析高效。儀器直接進行樣品處理，由PLC軟件控制，消解的溫度和時間可控。實際試劑用量較少﹑試劑殘留少﹑運營維護成本低。具有儀器全自動采集水樣、儀器故障自動報警、斷電后自動恢復等優(yōu)點。提供多路標準接口，可實現(xiàn)遠程遙控遙測﹑人性化設計﹑操作簡單、性能穩(wěn)定。
針對環(huán)境監(jiān)測在湖泊浮游生物及底棲動物監(jiān)測方面工作效率不高、難以開展標準化質量管理工作的現(xiàn)狀，基于DNA生物條形碼技術，平臺研發(fā)了DNA鏈式擴增技術，快速識別湖泊浮游生物及底棲動物的技方法術，建立物種分子識別標準方法和關鍵物種DNA識別信息數(shù)據(jù)庫，在太湖流域開展業(yè)務化應用示范并建立質量保證技術體系，形成能替代傳統(tǒng)形態(tài)學方法進行湖泊浮游生物及底棲動物快速鑒定和監(jiān)測的技術體系，提高生物監(jiān)測速度、降低監(jiān)測成本、提高生物監(jiān)測質量，為流域水生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測和管理提供技術支撐。
平臺研發(fā)了水華在線監(jiān)測設備，可在流動監(jiān)測車上進行實時作業(yè)。這一系統(tǒng)克服了一般成像儀器中的運動拖尾和顯微成像景深小的局限性，從而在高通量進樣條件下，能夠確保圖片的高分辨率，可以對水樣中的所有浮游植物細胞進行成像，光學分辨率約為0.75μm，可有效探測到濃度非常低的種群。
設備還能避免水體中泥沙等無機顆粒的干擾，在高濁度水體中也能夠準確進行細胞計數(shù)。設備由激光器、相機、黑盒子及進樣系統(tǒng)4個單元組成，4個單元相對獨立，有利于安裝調試。相對于光學平板，系統(tǒng)中心高度僅為45mm，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)采用微型電磁泵進行連續(xù)穩(wěn)定進樣，配備兩臺微泵，一臺用作進樣，一臺用作清洗。
成果5
對重大引水工程生態(tài)效應進行跟蹤評估
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和總有機碳為敏感水質指標，浮游藻類組成為生物指標，開展望虞河引水工程生態(tài)效應跟蹤監(jiān)測。
根據(jù)太湖流域引水工程生態(tài)效應的基礎調查數(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果，同時考慮監(jiān)測點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)效應的代表性監(jiān)測點位，形成引水工程生態(tài)效應跟蹤監(jiān)測點位的優(yōu)化方案。
課題組基于基礎調查數(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)效應評估的敏感水質理化指標，藍藻門、綠藻門和硅藻門浮游藻類作為引水工程生態(tài)效應評估的敏感生物指標，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)效應評估的主要方法。
完成太湖湖體清淤工程實施時間和范圍及清淤施工方等資料的收集與整理，從水質、底泥理化組成和底棲動物組成變化等方面，開展清淤工程生態(tài)效應跟蹤監(jiān)測；诒O(jiān)測實際情況，確定生態(tài)清淤工程影響的監(jiān)測點位，并進一步確定監(jiān)測點位的空間距離。
課題組選擇水下光強、底泥營養(yǎng)鹽含量為清淤實施的生態(tài)效應評估敏感指標，選擇群落豐富度、群落種類個體組成、營養(yǎng)級組成和生物耐污能力4類16個生物參數(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)、甲殼動物和軟體動物分類單元數(shù)、蛭綱分類單元數(shù)、軟體動物分類單元數(shù)、甲殼動物和軟體動物占總體的比例（%）、總密度（ind/m2）、蛭綱占總體的比例（%）、軟體動物占總體的比例（%）、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)境的改變對底棲動物群落結果和功能的影響。
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