提要:為支撐建立先進的環(huán)境監(jiān)測預警體系,水體污染控制與治理科技重大專項(以下簡稱“水專項”)在監(jiān)控預警主題設立了“國家水環(huán)境監(jiān)測技術體系研究與示范”項目(以下簡稱“監(jiān)測項目”)。該項目圍繞流域監(jiān)測業(yè)務化平臺、監(jiān)測裝備、水環(huán)境監(jiān)測分析方法、質量管理、體制機制五大模塊開展技術研發(fā)、技術集成攻關研究,研發(fā)了水環(huán)境監(jiān)測信息集成、共享與決策支持平臺,在示范區(qū)初步實現了流域水環(huán)境監(jiān)測的分析方法標準化、質量管理規(guī)范化、數據平臺信息化、儀器設備國產化、技術天地一體化和網絡示范業(yè)務化。項目實施為真實反映流域水環(huán)境質量提供了系統(tǒng)、豐富的技術手段,為流域水污染物防治和環(huán)境管理部門決策提供了重要技術支撐。
一、研究背景
環(huán)境監(jiān)測作為了解和掌握流域水環(huán)境質量及水污染源排放的主要途徑和手段,其結果是水體污染控制和環(huán)境管理決策的重要依據之一。目前全國環(huán)保系統(tǒng)已有2289個監(jiān)測站,其中地市級站391個,縣級站1799個;國家、省級監(jiān)測站和部分發(fā)達城市環(huán)境監(jiān)測站具備了常規(guī)監(jiān)測、有機物監(jiān)測及應對一般突發(fā)性污染事故的能力;95%以上地市站、70%以上縣級監(jiān)測站具備了常規(guī)水質指標監(jiān)測的能力,初步形成了我國水環(huán)境監(jiān)測網絡、技術和管理體系。然而現行的水環(huán)境監(jiān)測技術體系不能完全、準確反映流域層面的水質狀況,流域層面的監(jiān)測網絡不完善,監(jiān)控斷面、點位布設不能完全代表水質現狀;監(jiān)測指標簡單,監(jiān)測項目和監(jiān)測頻率缺乏科學性;現場、機動及應急監(jiān)測能力不足,移動水質分析監(jiān)測能力不強,不能實現快速、適時的水質檢測,及時掌握水環(huán)境變化的動態(tài);監(jiān)測全過程的質量管理體系不健全,監(jiān)測數據的準確性、公證性受到挑戰(zhàn);監(jiān)測網站的信息技術、聯測聯報的技術協(xié)調以及監(jiān)測數據即時處理等能力有限;監(jiān)測儀器設備老化,監(jiān)測監(jiān)控新技術、新方法及設備研究開發(fā)能力不足。這些問題成為我國建立先進的環(huán)境監(jiān)測預警體系的重要制約因素。
通過五年的實施,水專項監(jiān)測項目創(chuàng)新構建了多目標、多手段、立體型、復合型的流域水環(huán)境監(jiān)測技術體系,突破了污染源流量測量、減排核算、污染物溯源和微流控、微傳感器識別關鍵技術28項,研制了整裝成套國產化環(huán)境監(jiān)測儀器裝備23臺和水環(huán)境標準物質16種,建立了水環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控信息集成、共享與決策支持系統(tǒng)等業(yè)務化平臺4個,制訂了監(jiān)測標準規(guī)范(申報稿/建議稿)120項,建成了國家、江蘇省、蘇州市、常熟市四級水環(huán)境監(jiān)測關鍵技術與網絡體系集成示范工程,提升了流域水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的技術能力,同時為監(jiān)控預警主題和水專項研究目標的實現奠定了堅實的基礎。
二、取得的主要成果及推廣應用情況
(一)構建適合我國國情的流域水環(huán)境監(jiān)測技術方法體系,為真實反映流域水環(huán)境質量提供系統(tǒng)、科學的技術手段
針對因標準監(jiān)測方法落后、缺失引起的監(jiān)測數據可靠性、可比性不高現象,以及由此產生的環(huán)境管理決策難題,充實了《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838-2002)配套監(jiān)測方法和現有44個典型水污染源監(jiān)測方法,覆蓋污染物達100種以上;創(chuàng)新提出了15項可量化的流域水環(huán)境有機物監(jiān)測質控指標及其合格評判限值,覆蓋6大類45種有機物(占我國地表水環(huán)境質量標準控制的有機物的66%);提高方法靈敏度,突破多個項目同時測定技術難點,基本實現一種污染物對應多種監(jiān)測方法,監(jiān)測方法在全國環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)開展適用性驗證,驗證結果表明,方法適用于各大流域不同水質,能夠滿足地表水109項日常監(jiān)測工作需求。構建了流域水環(huán)境突發(fā)污染事故應急監(jiān)測技術體系,填補我國水環(huán)境應急監(jiān)測規(guī)范空白。針對我國履行《關于持久性有機污染物(POPs)的斯德哥爾摩公約》和應對環(huán)境熱點問題需求,創(chuàng)新建立POPs、內分泌干擾物和消毒副產物監(jiān)測方法,以及水環(huán)境污染物的綜合毒性與生物監(jiān)測方法33個,檢出限達到國際先進水平,滿足我國履約技術需求。
針對我國現行的水環(huán)境監(jiān)測仍以理化分析為主,依靠單一的理化監(jiān)測手段難以有效說明日益復雜的水體有毒污染物生態(tài)與健康效應問題,研究構建了水環(huán)境污染物的綜合毒性與生物監(jiān)測技術方法體系,發(fā)展了基于我國本地物種的“藻類–浮游/底棲無脊椎動物–魚類”多層次營養(yǎng)級生物測試技術,填補了我國水環(huán)境監(jiān)測活體生物測試技術的方法空白,為真實反映流域水環(huán)境質量提供系統(tǒng)、豐富的技術手段,為流域水污染物防治和環(huán)境管理部門決策提供重要技術支撐。
(二)創(chuàng)新構建了完整的流域水環(huán)境監(jiān)測質量管理體系總構架,科學規(guī)劃了質量管理完整內容,為完善流域水監(jiān)測質量管理工作奠定了基礎
針對我國流域水環(huán)境監(jiān)測質量管理缺乏頂層設計、系統(tǒng)性不強問題,研究構建流域水環(huán)境監(jiān)測質量管理體系框架,創(chuàng)新質量監(jiān)管方法和裝備,保障流域水環(huán)境監(jiān)測工作科學、精準、可控。研究建立了新型的流域水環(huán)境監(jiān)測質量管理體系總構架,監(jiān)測質量管理體系由制度、技術、指標/評價、物質和網絡等5個方面構成。該體系構架可有效指導我國流域水環(huán)境監(jiān)測質量管理工作有計劃、分步驟、系統(tǒng)性開展,改變以往質量管理缺乏完整體系頂層設計、重點不突出的局面,成為流域水環(huán)境監(jiān)測、監(jiān)管質量保證的行動指南。
突破了有機物質量控制指標及評價關鍵技術,自主研發(fā)和批量制備短鏈氯化石蠟(SCCPs)等10套水質監(jiān)測標準物質和混合水質揮發(fā)性有機物等5項模擬水質質控標準樣品,填補了國內空白,完善了流域水環(huán)境標準樣品體系,已在全國推廣應用,價格是同類進口標樣的1/5~1/10,其價格優(yōu)勢產生較好的經濟效益。建立流域水環(huán)境監(jiān)測質量監(jiān)管和考評體系,在《江蘇省環(huán)境監(jiān)測“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中的創(chuàng)新環(huán)境監(jiān)測統(tǒng)一監(jiān)管體制、創(chuàng)新環(huán)境質量監(jiān)督考核模式、創(chuàng)新環(huán)境監(jiān)測質量管理手段等任務中得到體現;研發(fā)流域水環(huán)境監(jiān)測人員持證上崗考試管理系統(tǒng),為保障水環(huán)境監(jiān)測科學、精準提供管理手段。
(三)自主研發(fā)了一套業(yè)務流程完整、符合我國從國家到縣四級環(huán)境監(jiān)測部門實際應用需求的“水環(huán)境監(jiān)測信息集成、共享與決策支持平臺”,并在太湖流域示范應用
針對水環(huán)境信息管理問題,從流域水環(huán)境管理角度出發(fā),制定了流域水環(huán)境監(jiān)測信息資源目錄方案,突破流域水環(huán)境監(jiān)測數據整合技術、流域水環(huán)境空間數據庫組織技術。結合太湖流域示范區(qū),研發(fā)了“國家-省-市-縣”四級數據中心,完成流域水環(huán)境監(jiān)測基本信息庫、流域水環(huán)境監(jiān)測質控信息數據庫、流域水資源信息數據庫、流域水環(huán)境監(jiān)測數據庫、水環(huán)境基礎空間數據庫、水環(huán)境專題空間數據庫建設,初步形成流域水環(huán)境監(jiān)測數據的管理、分析及共享服務能力。
針對監(jiān)測網絡數據產品規(guī)范管理需要,對監(jiān)測信息平臺技術進行集成示范,統(tǒng)一規(guī)范了縣、市、省、國家四級環(huán)境監(jiān)測數據采集、傳輸和交換標準,同時,結合示范區(qū)自動監(jiān)控網絡和新型業(yè)務模式需要,研究建立了一套集監(jiān)測機構能力資源、點位申報、自動監(jiān)控預警、資源補償核算等功能為一體的水環(huán)境監(jiān)測網絡綜合業(yè)務管理平臺。并在環(huán)境管理和太湖藍藻監(jiān)控預警方面發(fā)揮了顯著效益。
(四)構建了具有自動化遙感監(jiān)測能力的業(yè)務化系統(tǒng),提高了水環(huán)境遙感監(jiān)測業(yè)務水平,在太湖流域初步形成水環(huán)境天地一體化監(jiān)測能力
針對水環(huán)境遙感中的數據預處理自動化問題,提出了星地結合的水環(huán)境遙感綜合評價方法,研發(fā)了多源數據輔助的環(huán)境衛(wèi)星CCD相機水體大氣交叉校正技術,在敦煌和青海湖兩個實驗場進行場地輻射定標,首次利用東沙海洋場景開展環(huán)境衛(wèi)星與陸地衛(wèi)星 ETM+的交叉定標,達到了85%的定標精度,達到了國際一流的水體大氣校正和定標水平。
針對遙感和地面監(jiān)測數據結合使用的問題,構建了基于遙感數據和環(huán)保部門監(jiān)測數據的水體環(huán)境質量和富營養(yǎng)化評價模型/天地一體化水質參數神經網絡模型反演模型,充分挖掘了星地數據綜合使用潛力,有效擴展了遙感技術的使用范圍。針對反演精度不足的問題,創(chuàng)新性地提出了基于遙感反射率分類的水質參數反演模型,檢驗數據表明,利用此模型太湖水體葉綠素濃度反演的相對平均誤差在19%左右,總懸浮物的反演相對平均誤差在18%左右,與未分類的反演模型相比,模型精度提高了15%左右。針對水華和水草的區(qū)分問題,發(fā)展了基于“葉綠素光譜指數”和“藻藍蛋白光譜指數”的藍藻水華高光譜遙感提取方法,并成功應用于環(huán)境一號衛(wèi)星高光譜遙感數據(HJ-HSI)。
運用自動化數據處理技術和“星地”數據融合技術,構建了面向內陸水體水質遙感監(jiān)測的多尺度、多數據源的水環(huán)境遙感監(jiān)測業(yè)務應用系統(tǒng)。系統(tǒng)集成了380種模型方法,建立了模型庫,研發(fā)了31個軟件模塊,具有業(yè)務員和專家兩種操作模式。系統(tǒng)基于SOA建立了面向服務的水環(huán)境遙感監(jiān)測業(yè)務的應用框架,具有先進性和易用性,與類似軟件美國NASA的“SeaWiFS數據分析系統(tǒng)(SeaDAS)”相比,該系統(tǒng)在我國典型內陸水體監(jiān)測中具有明顯的優(yōu)勢。2010-2012年,基于該系統(tǒng)共計生產水環(huán)境質量綜合分析報告252份,水華和湖泛簡報621期。并完成了太湖流域水環(huán)境遙感綜合數據庫,達到了國內先進水平。
(五)提出“四位一體”的環(huán)境監(jiān)測裝備產業(yè)和技術發(fā)展策略,以科技攻關扭轉了進口儀器占市場主導地位的局面
針對國內水環(huán)境監(jiān)測儀器裝備領域仍處在初級階段、關鍵器件依賴進口、設備國產化程度低、儀器核心技術落后的現狀,突破微通道多流路切換、微石英晶體微天平檢測、多功能復雜水樣預處理等關鍵技術,研究構建了通用水質在線監(jiān)測和便攜監(jiān)測分析平臺,自主研發(fā)和批量研制了13種水質在線監(jiān)測儀、5種便攜式監(jiān)測設備、7套實用化的水環(huán)境監(jiān)測的現場/便攜分析設備、2套污染物綜合毒性快速生物檢測試劑盒,在課題實施期內實現了在線監(jiān)測裝備的產業(yè)化推廣,成功應用超過1000臺,累計銷售達1.5億元,形成聚光、德林、力合、怡文、先河等5個水質監(jiān)測儀產業(yè)化基地,扭轉了進口儀器占市場主導地位的局面,為規(guī)范監(jiān)測裝備產業(yè)有序發(fā)展提供有效保障,為流域水污染防治監(jiān)控預警技術體系建設提供了裝備支撐。
在通用水質在線監(jiān)測流路平臺基礎上,開發(fā)出光度檢測、容量滴定、陽極溶出等6種檢測器和多功能復雜水樣預處理模塊,完成13種水質在線監(jiān)測儀的集成開發(fā),監(jiān)測因子涵蓋高錳酸鹽指數、總磷/總氮、總錳、總鉻/六價鉻、揮發(fā)酚/氰化物、鉛/鎘/銅/鋅、汞、鎳、硝酸鹽/亞硝酸鹽等。其中高錳酸鹽指數等11款水質在線監(jiān)測儀實現量產,HMA-2000系列水質重金屬在線監(jiān)測儀被列入科技部“國家重點戰(zhàn)略新產品計劃”。
三、政策建議
一是按流域系統(tǒng)重新整合水環(huán)境監(jiān)測技術體系。從科學把握流域水環(huán)境質量狀況出發(fā),按流域水環(huán)境功能和污染源時空特點,在現行監(jiān)測點位、監(jiān)測項目的基礎上,進行系統(tǒng)優(yōu)化設計,國家、省、市、縣四級相結合,落實各級地方政府環(huán)境監(jiān)管職責,由國家統(tǒng)一公布各流域的監(jiān)測方案。
二是制定環(huán)境監(jiān)測統(tǒng)一的技術規(guī)范。切實落實環(huán)境保護統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一監(jiān)管、統(tǒng)一信息發(fā)布的原則,確保監(jiān)測數據的科學性、準確性、可比性,開展嚴格的全過程質量控制,針對水環(huán)境監(jiān)測的采樣、預處理、分析測試各環(huán)節(jié),制定全國統(tǒng)一的技術標準。
三是拓展水環(huán)境監(jiān)測項目。僅針對水體開展水環(huán)境監(jiān)測不能全面系統(tǒng)地反映水環(huán)境質量,水環(huán)境應包括水質、沉積物和生物,水環(huán)境保護的目的是水生態(tài)安全。因此,流域水環(huán)境監(jiān)測必須盡快覆蓋沉積物和生物,同時,水環(huán)境監(jiān)測也要根據水環(huán)境污染特征、不同監(jiān)測斷面監(jiān)測特征性項目,特別是有毒有機污染物。
四是試點推廣“國家統(tǒng)一監(jiān)管、地方監(jiān)督實施、部門分工協(xié)作、單位自測申報、社會中介服務”的新型環(huán)境監(jiān)測監(jiān)管體制機制。借鑒他國經驗,政府職責更多的是明確監(jiān)測對象、提出數據要求、制定監(jiān)測技術規(guī)范、監(jiān)督監(jiān)測數據結果、委托環(huán)境質量監(jiān)測合同,污染源監(jiān)測數據主要由生產排放單位按規(guī)定申報。這樣國家既節(jié)省了大量資源,又提高了政府的公正性、權威性,第三方服務也有了長期的技術服務市場。
五是加快制定監(jiān)測儀器產業(yè)發(fā)展政策。政產聯動引導業(yè),改進驗證評價體系,完善市場準入制度,重視知識產權保護,設立平臺建設專項資金以鼓勵基于產業(yè)鏈的“產學研用”聯盟建設。