开放科学(资源服务)标识码(OSID): 
0 引言
党的十八大以来,习近平总书记站在实现中华民族永续发展的战略高度,明确了“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路,谋划了国家水网等重大水利工程,提出了一系列新理念、新思想、新战略,为新时代治水指明了前进方向、提供了根本遵循[1]。丹江口水库作为南水北调中线一期工程的水源地,供水水质至关重要,为实时掌握水库水质情况,保障南水北调中线工程水质安全,2017年完成丹江口库区水质监测站网建设并投入正式运行,形成覆盖丹江口水库及16条入库河流等库区监测区域,涵盖水环境、水生态、沉积物等多种监测要素,包含人工监测、自动监测与移动监测等多种监测方式的监测网络体系。
根据水利部推进数字孪生流域建设总体部署,丹江口水利枢纽被列为水利部《“十四五”智慧水利建设规划》确定的12个数字孪生先行先试重点建设水利工程之一。2023年,数字孪生丹江口工程完成初步建设,并入选水利部《数字孪生水利建设十大样板名单(2023年)》《数字孪生水利建设典型案例名录(2023年)》,其在耦合水文预报、三维水动力水质机理模型及实现水库水质在线动态预测预警与三维仿真展示上取得丰硕成果,为流域和其他水源水库水质安全数字孪生建设提供经验[2]。
面对新时期不断变化的外部环境,本文详细梳理了丹江口水库水质监测体系现状及问题,从水质监测站网升级、高光谱遥感监测、数字孪生迭代、风险防控措施、科技研究支撑等方面,初步提出新阶段南水北调中线工程水源地水质监测体系建设构想。
1 南水北调中线工程水源地水质监测站网现状 南水北调中线一期工
程通水10 a来,累计向北方调水>650亿m3,已经成为京津冀豫26座大中城市的主力水源,沿线河湖生态环境得到明显改善。自2007年《丹江口水库及上游水污染防治和水土流失治理规划》实施以来,丹江口水库水质安全保障工作取得了一定成效[4],各部门围绕丹江口水库建立了较为完善的水质监测布局,为新阶段水源区高质量发展打下坚实基础。
2012年8月中线水源公司按照原国务院南水北调工程建设委员会办公室的批复,于2017年1月完成了丹江口库区水质监测站网的建设并投入运行,水质监测站网监测断面分布如图1所示。丹江口库区水质监测站网监测主要由地表水水质监测、水生态监测和沉积物监测构成。监测任务包括:陶岔渠首每日定点监测,丹江口库区以及入库河流32个人工断面的每月常规24项(见《地表水环境质量标准》[5]表1)监测,16个库中断面的每月补充5项(见《地表水环境质量标准》表2)、透明度及叶绿素a监测,9个断面的底质监测,18个断面的每季度水生生物监测,5个断面的生物残毒监测,4个断面的2次109项(见《地表水环境质量标准》表1—表3)监测,以及7个自动站的每日自动监测。
水利部门在丹江口库区主要入库河流设置水文站15个、水质人工监测断面60个、水质自动监测站6个。人工监测指标常规包括24项及补充5项中的19项参数。自动监测参数包括常规9项参数(水温、pH值、溶解氧、电导率、浊度、总氮、总磷、氨氮、高锰酸盐指数)及特征指标(硝酸盐氮、生物毒性及重金属等)。
生态环境部门在丹江口库内设置了监测断面6个。监测参数为常规9项参数及特征指标(上一年及当年出现过的超过考核目标的指标,特征指标结合水污染防治工作需求动态调整)。
2019—2022年水质监测结果表明,丹江口库区水质总体良好,16个库内监测断面年度水质为Ⅰ—Ⅲ类,但部分入库支流的高锰酸盐指数、氨氮、总氮、总磷等常规水质参数超标(如图2所示),距水质管理目标仍有差距。
随着南水北调后续工作进入新的历史时期,丹江口水源区的水质安全保障工作进入新的阶段,特别是丹江口大坝蓄水至170 m高程,原有的水文情势条件发生改变[6],加之近年来气候条件变化引起的汉江秋汛等重要水文情势变化[7],现有水质监测体系仍存在以下不足,不能完全满足现阶段水质安全管理工作的新需求[8]:一是水质监测站网体系需要优化完善,现有监测断面、监测指标、监测频次及自动监测能力有限,水质预报预警能力及通量检测能力相对缺乏;二是数据共享机制不够完善,目前水利部门、生态环境部门及地方人民政府均在丹江口库区设置有水质监测断面,水质监测信息分散,未能实现跨部门间数据共享;三是数字孪生丹江口在实时感知、预报模拟、动态预警、智能研判等方面的能力水平需进一步提升;四是宏观立体监测能力有待提升,传统的水质监测方法受限于人力、时间和区域等因素,自动化水平低,难以快速准确地获得大范围的水质数据,存在一定的时间延迟和应用限制;五是尚未在丹江口库区流域尺度上开展系统性和针对性的研究工作,流域层面污染防控工作的开展存在困难。
目前,亟需全面优化完善丹江口库区水质监测体系布局,提升人工、自动和应急监测能力,不断推进水质监测的自动化、实时化、智能化、科技化水平,构建严密的丹江口库区水质监测体系,为南水北调中线工程水源地水质安全保障提供有力支撑。
2 南水北调中线工程水源地水质监测“四大体系”建设构想
以构建综合完备的水质监测站网为基础,覆盖丹江口库区与主要入库河流,提升陶岔关键节点预警能力,立足水安全保障,建设覆盖全面、智慧先进、共享机制完善的水质监测站网体系。以立体的水质监测感知体系为核心,强化数字孪生新技术应用,提高感知能力、丰富监测内容,深化多种监测手段的互补耦合,实现库区多源遥感监测基础设施协同、水质变化实时感知采集。以重点监控的风险防范体系为驱动,强化流域整体意识,建立健全水环境风险源评估预警和应急处置机制,提高环境风险防控和应急处置能力。以科技支撑体系为保障,近期以推动解决当前水质安全保障切实存在和迫切需要解决的水环境问题为主线,为远期监测体系布局提供技术支撑。“四大体系”建设的基本构成、内容、思路和主要目标及其逻辑关系如图3所示。
3 南水北调中线工程水源地水质监测体系建设内容
3.1 综合完备的水质监测站网体系
“十四五”期间通过加强丹江口库区水质监测站网能力建设,完善现有水质监测站网监测体系布局,建设全覆盖、全要素、全天候监测体系,推进监测预警智能化,实现全方位信息共享。
3.1.1 覆盖全面的水质监测站网
按照“应设尽设、应测尽测、应在线尽在线”原则,“十四五”期间应加快丹江口库区16条主要入库河流水质自动监测站建设。其中,汉江、堵河、丹江和老灌河的入库流量在16条主要入库河流中最大[9],流量之和占16条入库河流的94%。利用水文站优先开展4条入库河流水质自动监测站建设,将水文监测与水质监测相结合,实现水入库河流污染通量的实时监测;通过建设自动监测网络及智能视频监控设施,整体提升入库支流的预报预警能力,扩展监测项目和预警范围,获取丹江口库区完整系统的地表水环境信息,系统掌握丹江口库区及主要入库河流河口断面的常规水质状况。
3.1.2 先进可靠的水质监测站点
陶岔自动站作为库区水体出库入渠的关键预警节点,是开展库区系统性评估、管理和早期预警工作的必要数据来源,需要不断完善和拓展监测范围和内容,提升数据源的质量和丰度,将陶岔自动站建设成以“全要素监测”“全流程数智”“全周期低碳”“多维度预警”为特点的“绿色数字水质哨兵站”。
3.1.3 协同共享的水质信息平台
加快推进丹江口水库库区及主要入库支流生态环境信息共享,构建跨部门、跨地域的数据信息共享平台,完善数据共享信息内容,包括水质、水文泥沙等监测数据共享,实现相关部门、地方政府和运管单位的水质水量水生态等监测信息的实时获取及高效水资源调配管理。
3.2 立体的水质监测感知体系
“十四五”期间,进一步提升数字孪生丹江口工程水质安全“四预”平台研发及应用[10],利用卫星遥感详查、无人机巡查及人力核查,构建空天地一体的多种手段互补耦合监测体系。
3.2.1 构建空天地一体的全覆盖监测网络
建设“空天地”一体化遥感监测系统[11]。通过开展高光谱监测基础设施和高光谱遥感综合信息系统建设,构建一套高效、全面的水质高光谱遥感监测硬件系统、算法模型库及高光谱遥感综合信息管理系统,补全传统水质监测、应急短板,形成涵盖多源卫星—高光谱无人机—岸基遥感—水质监测船—应急监测车等多源数据融合的立体遥感监测能力,利用岸基高光谱的高精度数据校准卫星和无人机、无人船的数据,同时卫星的广域数据补充局部监测的空白,以时空分布方式多维度、多视角、多尺度呈现水质变化趋势,提升监测预警水平。
3.2.2 迭代优化数字孪生丹江口工程
在已初步建成的数字孪生丹江口工程基础上,推进库区流场、关键水质指标的同步原位自动观测,推进全16条入库水文水质自动监测全覆盖,结合高光谱遥感、无人机等技术,实现水质安全单项静态监测到全面联动感知的理念转变和手段拓展,为模型率定验证提供更可靠的数据支撑;对数据底板的原始数据进行清洗、去噪、插补等预处理,提高数据的准确性、完整性和一致性;结合多源监测数据,持续开展模型参数率定,引入人工智能(Artifical Intelligence,AI)算法技术,构建“机理+数据”模型体系,实现参数自动率定,动态调整优化模型参数,使模型能够实时反映环境变化,提高模拟精度;优化模型算法,采用更高效的数值解法或优化数据结构,引入高速计算方法,如并行计算、分布式计算、GPU加速等,实现模型计算提速。
3.3 重点监控的风险防范体系
以库湾藻类、入库河流汛期、交通运输等水质风险为重点,开展风险识别与评估,完善重点风险源防控清单,强化风险预警与推演,最终构建“全面识别、重点监控、科学预警、及时应对”的风险防范体系。
3.3.1 藻类异常风险防范
开展库湾及入库河口等藻类异常增殖重点风险区域识别和风险等级评估,形成藻类异常增殖高风险区域名单。在高风险区域布设藻类浮标式自动监测站、实现藻类在线实时监测与智能识别预警。依托藻类爆发机理和天空地一体化监测预警技术研究成果,建立与完善藻类异常增殖预测预警模型。针对藻类异常增殖高风险区域,编制藻类异常风险应急预案,做到“一域一策”,建立健全藻类异常风险应急响应机制。
3.3.2 主要入库河流汛期风险防范
加强主要入库河流动态监测,及时开展汛期水源区水土流失和面源污染动态评估,形成水土流失与面源污染重点区域名单。依托入库河流污染通量监测体系,实时掌握16条主要河流入库污染物负荷,针对入库污染负荷显著增加情况,及时向地方政府反映和通报。构建入库河流一维—水库三维的水动力水质模型,不断扩充完善模型库模拟项目范围和精度,对水库可能出现的突发水污染状况进行及时预警。
3.3.3 交通运输风险防范
库区及周边道路桥梁众多,易因水陆交通事故引起溢油及危化品运输泄漏等移动源污染事件,对库区局部水质造成影响。2018年4月5日,在福银高速浪河大桥上发生半挂式货车因交通事故落水,发生货车燃油泄露;2018年9月,丹江口市汉丹码头发生沉船事故,沉没船只3艘,其中2艘采砂船于9月11日沉没,1艘油污运输船于9月18日沉没。事发地周围水域有刺鼻性气味,水面有大量油污。
基于危化品运输路线数据统计、交通事故数据统计、交通路线分布等因素,构建公路交通污染风险评估模型,识别主要风险公路,形成交通运输重点公路风险源名单,开展库区公路交通水污染风险识别与评估。构建与地方政府之间的交通运输污染风险事故信息报送机制,对突发移动风险源水环境事故及时互通信息。对识别出的重点风险公路,按照“一路一案”原则编制有机类、重金属、石油类等污染应急预案,与库区相关政府部门共同构建交通运输风险应急响应机制。
3.4 全面提升的科技支撑体系
以防范化解库区水质安全风险,支撑监测体系和风险防范体系建设为导向,从水质安全保障相关的理论、技术示范项目等角度构建科技支撑体系,推动解决当前水质安全保障切实存在和迫切需要解决的水环境问题,全面提升水质安全保障水平和水质智慧化管控能力[12]。
3.4.1 强化基础理论研究
总氮、总磷已成为导致丹江口水库水质下降的主要环境指标,也为藻类爆发提供了营养盐条件,需要从流域层面出发识别氮磷污染关键源区、解析氮磷迁移转化过程,揭示氮磷的浓度变化对藻类增殖的响应关系和富营养化阈值,回答水源区氮磷污染防控面临的“是什么?”“在哪里?”“怎么办?”几个关键问题,为水源区的氮磷污染长效治理提供支撑。
3.4.2 推进关键技术研究
开展水质智慧化监测预警技术研究,通过构建水质反演模型,开展关键水质参数天空地协同智能监测,构建全景式藻类异常智能监测预警体系。依托数字孪生丹江口工程,研发耦合上游流域水文预报模型、流域面源污染负荷预测模型的丹江口水库水质预报模型,建立水库水质预报理论体系和技术体系,提升针对库区上游流域面源污染的风险防范能力。
3.4.3 加强流域新污染物输移规律及防控对策的研究
丹江口水库库区与支流微塑料检出丰度属于中等水平,生态风险较低,在时间上表现为丰水期丰度最高,在空间上有向下迁移、中层聚集的趋势;水体和沉积物PAHs(多环芳烃)、PAEs(邻苯二甲酸酯)在时空分布上均无特定规律;酮基布洛芬(Ketoprofen,KTP)、三氯卡班(Triclocarban,TCC)、三氯生(Triclosan,TCS)在不同时期的水体及沉积物的检出浓度相对较低[13]。
鉴于丹江口水库的极端重要性,下一步建议加强流域新污染物输移行为与规律的研究,强化污染防治对策的针对性;加强水源区新污染物生态环境效应研究,探索新污染物人体健康风险;加强新污染物治理技术研发,编制丹江口水库突发新污染物事件应急预案,研究制定新污染物应急处置措施。
4 结束语
丹江口水库水质状况在保障南水北调中线工程的水质安全方面发挥着重要作用,也关系着广大受水区和汉江中下游地区人民群众的饮水安全。通过梳理丹江口库区水质监测站网现状、监测体系建设、水质监测能力等方面,提出了新时期水质监测站网体系、立体感知监测体系、风险防范体系、科技支撑体系四大系统的建设构想,通过加快构建空天地一体的多种手段互补耦合监测手段,完善库区水质监测体系,强化风险管控与应急处置,加强科技支撑,为丹江口库区水质安全保障筑牢防线,为确保“一泓清水永续北上”提供支撑。