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【中国科学报】“智能哨兵”守护千岛湖

  “千岛碧水画中游”,风光旖旎的千岛湖令人向往。但更重要的是,这里因水质优良而成为长三角地区的战略水源地。“水质安全保障是千岛湖水环境保护的头等大事。”已经守望太湖二十余载的中国科学院南京地理与湖泊研究所(以下简称南京地湖所)研究员秦伯强深知科学保护“一方净水”的重要性。

  基于10余年的研究积累,近日,由秦伯强领衔的湖泊生态系统动力学团队主导研发的“千岛湖水质水华预测预警系统”在千岛湖正式上线。这是国内首个水库型水质水华预测预警平台,实现了全方位在线数据监测。

 生态脆弱 人工难测

  千岛湖,距离杭州市约150公里,是第一座我国自行设计建造的特大型水库。近年来,随着库区周边及上游流域社会经济不断发展,千岛湖水体富营养化水平缓慢加重,藻类异常增殖现象时有发生。

  千岛湖藻类异常增殖事件出现的时间、位置均具有较大偶然性。同时,由于千岛湖属于深水湖库,库区面积大,国内外并没有可借鉴的成熟的水质保护和藻类水华生态灾害预防经验,使得千岛湖优良水质的长期稳定维持面临极大挑战。

  秦伯强认为,千岛湖水质保护难度大原因有三。首先,流域内山高坡陡,暴雨径流与季节性农业活动叠加的水文过程对水质影响强烈;其次,因湖面岛屿密布、库底地形复杂以及湖库水深较大,千岛湖水体水动力及热分层等物理过程复杂多变,使得千岛湖水质、水生态格局呈现高度的时空异质性;最后,单一结构的湖库生态系统相对脆弱,气候变化、极端气候事件、鱼类种群结构变化等,都可使局部库湾多次暴发藻类水华。

  今年9月,千岛湖正式开始为杭州供水,其水质生态安全关系到千万人口的日常饮水供给和民生安定。保护,势在必行。

  “过去,千岛湖水质检测我们常常是‘瞎子摸象’。”杭州市淳安县环境保护监测站站长郑文婷告诉《中国科学报》,千岛湖水质检测主要采取人工每周巡测,开着船到湖里取样,耗时长,还不能全面及时掌握全湖的水质水华情况。尤其在汛期,人工监测只能判定监测点位的水质情况,不能对水质情况进行空间和时间上的预测,在藻类敏感期也只能对库区的敏感与重点区域进行巡测。

  南京地湖所湖泊生态系统动力学团队与杭州市和淳安县相关科研和管理机构的合作已将近十年。“千岛湖的自动监测系统已经基本完备,而预测预警软件和交互展示平台的构建成为当务之急。”秦伯强表示。

 智能监测 及时预报

  早在2007年,秦伯强便带领团队在太湖设计建成了国内首套自动高频监测系统,构建了具有自主知识产权的太湖水环境动力学数值模型,开始对太湖蓝藻水华发生发展情势进行预测并发布报告,经过不断升级换代逐步实现了太湖蓝藻水华及湖泛监测预警工作的业务化运行。

  “千岛湖水质水华预测预警系统”以自主研发构建的“高频自动监测—遥感影像解译—流域水文模拟—三维水动力水质模拟”体系为核心。简言之,就是通过“天—地—湖”一体化的数据监测及数值模拟,实现覆盖整个千岛湖湖面及流域的全方位数字化管理。

  高频自动监测系统将“智能哨兵”们分布在重点入湖断面、饮用水水源地,实时获取千岛湖的水质信息,而后以遥感监测信息为验证手段,同时通过构建模型模拟历史和未来千岛湖出入湖流量数据,以及模拟湖泊水体水动力和水质指标的空间分布及动态变化,最终自动生成千岛湖水质水华预测预警报告。

  “该系统实现了对千岛湖未来7天的水质水华状况进行预测预警,可获得包括水温、溶解氧、叶绿素、总氮、总磷、氨氮等关键水质指标的时空变化数据。根据报告结果,我们能及时启动相关应急响应预案,并采取相应水处理措施,确保千岛湖水质和水生态安全。”郑文婷说。

  值得一提的是,该系统采取了“决策支撑平台”和“场景模拟平台”双平台运行模式。前者是预测预警系统的主体,实行全自动一体化运行,无人工干预,每日定时启动,自动运行并输出结果。后者是预测预警系统的功能性拓展,实行人机交互的运行方式,人工设定条件、修改参数并启动模型。

  “双平台可以同时满足不同使用者需求。‘决策支撑平台’帮助决策者实时把握千岛湖当前的水质状况,及时预判各水质指标未来一周的变化,以做好应急预案。‘场景模拟平台’则使管理者针对不同管理目标设计不同模拟场景,从而制定水质保护策略。”秦伯强说。

  护水不易 预测在前

  这套监测和预测预警技术系统具有可移植性、易操作性和高时效性的特点,不同湖库可根据自身特点进行专业且有针对性的系统搭建。

  参与该系统研发的还有江西博微新技术有限公司、苏州中科天启遥感科技有限公司两家企业。南京地湖所湖泊生态系统动力学团队提供智力技术,企业负责实施落地。在秦伯强看来,这种合作能够整合优化资源要素,更深更广泛地统筹科技资源,切实提高科研成果转化效率。

  “保护资源水体很不容易。”秦伯强话锋一转,“过去,我们湖泊治理走过很多弯路,背后实质是基础科学研究的严重不足。”

  水质恶化除了盲目发展、罔顾环境保护的历史欠账因素,近年来,越来越多研究证据表明全球变化的自然趋势为湖库富营养化和藻类水华等灾害性事件发生提供了“有利”因素,使得控制管理难上加难。

  “强化科学研究,为治理提供依据和支撑,全社会和管理者要更加重视水质安全和流域生态环境保护。从现实来看,短期内很难实现完全的控源截污,做好日常监测和预测预警、及时应对,总好过污染发生后再治理。”秦伯强说。

  (原载于《中国科学报》 2019-11-21 第4版 综合)

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