0.2 水环境监测预警研究现状

0.2.1水环境预警含义及特点

预警是指在危害或灾害发生前，根据总结的规律或观测到的前兆，确定危害或灾害的危险等级，发出警报信号，在危险发生前提前预防，最大程度的降低危险所造成的损失。水环境预警，是将预警概念和理论应用到水环境领域，利用技术措施和科技手段对水环境中的警情进行分析和评价，在此基础上，进行水环境发展的趋势预测，采用定性和定量相结合的预警模型，确定出水环境的动态变化趋势，通过警度反映出危害程度，形成对突发性或长期性警情的预报。

水环境预警研究包含以下四个部分：明确警义—寻找警源—分析警兆—预报警度。其中，警义包含明确警素和警度，明确警义即是明确构成警情的指标和警情的程度，是水环境预警的前提和预警工作的基础；寻找警源是寻找到警情产生的根源，从而进行警兆分析，是预报警度的基础；而预报警度则是水环境预警研究的主要目的。

预警一般可分为现状预警和趋势预警两种。现状预警指针对水环境现状，根据警度划分情况，确定现状警情。趋势预警指对一定时期的水环境状况进行监测和分析，对水环境的变化分析和评价，对其未来发展趋势进行预测和评估，确定水环境状况、变化趋势、速度以及达到某一变化限度的时间等，预报潜在风险，提供预警信息和相应防范措施。

水环境预警的特点主要表现在以下几方面：

（1）警情的累积性和突发性 警情的累积性和突发性均与水环境系统相关联，水资源不合理的开发利用会破坏系统平衡，若不能及时处理，必然会造成系统的逆向演化，因此要求对警情提早预报并及时提供有效措施进行化解。

（2）警兆的滞后性 警兆的危害不能立刻显现出来，在水环境系统中具有一定的滞后性，这与警情的积累性密切相关。

（3）警源的复杂性 水环境系统内部的复杂关系决定了警源的复杂性，同时水环境与经济、社会、生态等多效益相关联，对于管理者，不仅要考虑水环境的合理利用和有效保护，还应平衡和处理各相关部门的利益关系等。

（4）预警的集中性 预警主要集中在造成的负面水环境危害研究，对累积性或突发性危害进行警示。

（5）预警的动态性和深刻性 预警的动态性表现在水环境研究中的动态性以及预警取值的多维性，其深刻性体现在它对于环境监督保护和管理中发挥的积极作用。

0.2.2水环境监测预警国内外研究现状

建立完备的水环境监测预警体系可查明水环境污染源状况、水环境质量及其变化趋势、水环境潜在风险，提前发布警情，降低水环境风险发生概率，防患于未然，为水环境管理提供有力的基础保障，是各级环保部门的工作目标和根本任务。其中，水环境监测是基础，通过信息的采集、分析评价，提高水环境质量演变趋势预测的准确度；预测中有效的评估为水环境预警提供了信息，发出预警信号；预警信号的等级要求管理部门在整合信息的基础上，完成决策分析，做出判断，立即采取有效措施，将水环境风险降至最低。故水环境监测预警体系中，监测是基础，预测是手段，预警是目的。

传统的水环境监测主要是人工的非在线监测，即野外取得样品被带回实验室进行分析，或者野外现场进行测量记录，无法做到及时监测，且由于操作、分析方法的不一致，会给水环境监测数据带来误差。随着软件技术、计算机测控技术的不断发展，水环境自动监测仪器设备得到了开发和应用。近年来，信息化和自动化使得水环境监测预警实现了质的飞跃，监测系统的自动化程度得到了很大的提高。2000年，欧盟水框架指令（EU Water Framework Directive）中要求对洪水、干旱、水质、水生态系统等水环境重要课题进行研究，以应对水污染等方面的挑战。2013年世界气象组织（World Meteorological Organiza-tion）出台了技术指导手则《水质监测体系建立计划书》（Planning of Water Quality Moni-toring Systems），为实现国家级有效的水环境监测提供技术指导。目前，美国、荷兰、日本等国家在水环境监测预警研究和应用方面一直处于领先地位，为推动水环境保护工作的开展作出了很大的贡献。

早在1948年，美国的密苏里州和其他州已开展了水质监测工作，建立了许多水质监测站，国家级水质监测网络已初步形成；至1960年，纽约环境署开始着手建立水质自动监测系统，以取代手工监测网络的工作，并于1966年安装了该州的第一台自动水质监测仪器。美国地质调查局（USGS）自1991年起执行《国家水体质量评价指南（NAWQA）》有关规定进行水环境监测，掌握地表水和地下水体的水环境状况、水质变化趋势、变化原因和影响等。至今，美国已建成全国性远程监测网络，包括由各州负责的水文地质基准网和用于工程设计的工程项目设计网，美国地质调查局数据库系统中约有85 000个监测井的数据，站网密度达到0.1~0.3个/100 km2，其中约有20 000多个监测井保持每年的常规监测，资料年限最长的监测井有超过100年的资料。

荷兰地下水监测技术比较成熟，早在20世纪80年代就已建成地下水监测网，建立了地下水水质数据库（INGRES），通过对地下水体的空间分布特征和水化学区域各水相具体起源的研究，完善了荷兰地下水支持系统。监测站网包括国家和政府层面的长期监测站、非政府层面的短期监测站和用于科研的临时站，且荷兰已成为地下水监测密度最高的国家，荷兰在3.1万km2的陆地面积上布设有2万多个监测井，其站网密度达到1.07~10.70个/100 km2，监测能力较强。

日本在水环境监测领域也一直走在世界前列，建立了以流域和污染源为主的两大水质自动监测系统。水质监测设备的数据信号被遥感设备或数据采集设备接收，经过网络通讯设备远程传输到中心站计算机，经处理后形成基础水质数据。每隔1 min监测数据更新一次，显示在监视室的显示屏幕上，一旦出现异常情况，会即刻发出警报。此外，在法国、瑞典、芬兰、丹麦、英国、爱尔兰、德国等国家，水环境监测网建设也开始较早，均成立了国家水环境数据库或数据管理中心，并颁布了一系列法令法规、管理制度等，保障了水环境监测工作的顺利开展。

20世纪70年代以来，随着全球重大污染事件的增加，在水环境监测体系基础上，水环境监测预警得到了发达国家的广泛重视。1989年联合国环境规划署提出了“地区级紧急事故的意识和准备”（APELL计划）。1985年，国际莱茵河保护委员会发起了WAP计划（Warining and Alarm Plan），莱茵河流域水污染预警系统和多瑙河流域水污染预警系统建立，在规避泄露、工业事故、运输事故等事故性污染风险上发挥了极其重要的作用，其通过连续性水质监测，以反演污染事故并实现快速响应。20世纪90年代，由于多瑙河流域水污染事故频发，多瑙河流域环境计划（EPDRB）应运而生，并推动了多瑙河流域事故预警系统（DAEWS）的建设。该预警体系包含信息处理系统、有毒有害物质数据库、多瑙河流域预警模型等，同时预警系统实现了联网功能，满足了信息快速传输的功能。该系统于1997年在德国、匈牙利、奥地利、捷克、斯洛文尼亚、罗马尼亚等九个国家投入使用，有效地避免了1998年匈牙利化学品泄漏事故的扩大化。2010年联合国粮食及农业组织提出要构建全球农业水环境监测预警体系（Global Monitoring and Early Warining System on Water in Agriculture），建立全球性、区域性和国家级农业水环境监测预警体系，基于不同时间尺度降低农产品生产（灌溉性农业、雨养型农业）所面临的风险。理想的水环境监测预警体系需要具备污染源识别系统、相应的敏感度和稳定性，保证可全年运行。经过不断努力，结合GIS、RS等信息技术，国际上的水环境监测预警工作已在系统开发、产品和实用性等方面取得了较大的进展。例如，美国已建成了成熟的环境监测预警系统（Early Warning and Environmental Monitoring Program），该环境监测预警系统已将监测预警范围从北美扩大至南美、中东、南亚、中亚等地区，涉及水环境、饥荒和干旱警等多领域。

然而，国内水环境自动监测建设起步较晚。20世纪90年代以来，随着水环境问题的日益突出，水环境监测预警工作得到了政府的重视。1988年，天津作为试点城市，建立了我国第一个水质连续自动监测系统，1995年以后上海、北京等城市相继建立了水质连续自动监测站。“十一五”期间，我国已初步建成国家环境监测网和地方环境监测网。至2015年，我国主要流域重点区域有145个水质自动监测断面，对主要河流、湖泊水体的pH、DO、CODMn、NH3指标进行监测，实时发布水质状况。此外，全国水利（水文）部门共有地下水监测站24 515处，其中，基本监测站12 859处（10%左右兼水质监测任务），初步形成了覆盖北方各主要平原区的地下水监测站网。

尽管我国水环境监测体系不够健全，但国内学者在大量理论研究基础上，结合已有水环境监测站网，开展了大量的水环境监测预警系统方法研究，并积累了水环境监测预警体系应用的成果案例。2013年年底，江苏省已建成全方位、多层次、广覆盖的先进环境监测预警体系，建立了112个水质自动站、3个水源地预警自动站、20个湖体浮标站、3艘应急监测船舶和13辆监测车，覆盖了太湖流域主要省市交界断面、国控断面、出入湖主要河流、饮用水源地等重要位置，构建了太湖流域水质自动监控系统站网。其中，太湖流域水环境监测预警体系，加大了太湖水污染防治力度，综合了水质自动监控、信息集成与传输、卫星遥感、气象水文、信息整合等多种技术，为太湖实时捕捉污染信息、环境质量目标考核、生态补偿等工作提供了有效的技术支撑。同时，根据国家饮用水源地水质监测新要求，江苏省每月对全省111个县级以上重点水源地开展一次监测，每年对地表水109项、地下水39项指标开展一次全面分析，通过例行监测、在线预警、专项调查和水质分析4项措施，切实地保障了饮用水安全。此外，其他地区及流域也在水环境监测预警方面取得了一定成果。“松花江（吉林省江段）污染应急决策支持系统”基于GIS平台，实现了对松花江污染事件的动态模拟、预警和决策支持。大连市在“重大污染事故区域预警系统”项目支持下，开发出能为应急指挥者提供多种信息的预警软件，完善了工作、管理流程。三峡库区水环境安全预警平台建设，为三峡库区水环境质量动态监测提供了技术保障，极大地提高了三峡库区水环境安全动态监控能力和预警决策能力，加强了政府决策部门对三峡库区水污染重大事件快速反应、宏观决策、应急指挥和联动处置的能力。郝永志将GIS技术与水动力模型、水质模型、环境风险源识别技术和风险源数据库管理系统相结合，集成了博斯腾湖流域风险源识别与污染预警系统，为保障博斯腾湖流域水质及生态安全提供了技术和决策支持。张骥等人建立了天津滨海新区环境监测预警体系，对全面提升滨海新区环境监测能力和水平、保障生态环境安全具有重要意义。

但是，我国水环境监测预警平台的建设和应用还相对较薄弱，建设水平及基础能力差异较大，受多方面因素的制约，水环境监测长期滞后于水环境管理发展的需求，水环境监测管理相对薄弱，水环境监测的基础性和支撑性地位还不牢固，水环境监测本身仍存在网络体系不完善、技术装备能力不足、技术与方法不完备、质量管理体系亟待提高、专业人才队伍匮乏以及水环境监测信息统一发布平台尚未建立等一系列问题。加快推进先进的环境监测预警体系建设，既是环境监测事业自身发展的需要，更是实现环保历史性转变、探索环保新道路的迫切要求。