李 艷，王茂枚，張 穎，趙 鋼，魯程鵬

（1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017；3.江蘇省水利工程規(guī)劃辦公室，江蘇 南京 210029）

1 概 述

河流與人類息息相關(guān)，水利要素是反映河流生命狀況的重要指標(biāo)，也是針對性治理長江問題，發(fā)揮河道綜合功能，促進(jìn)沿江地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展的重要因素［1］。隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，人類對于長江流域資源的開發(fā)利用力度在不斷加大，導(dǎo)致了各種區(qū)域環(huán)境問題的出現(xiàn)，如水環(huán)境污染嚴(yán)重，自然災(zāi)害增加，非法采砂等，制約了區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。因此，開展長江流域保護(hù)，建立水利多要素監(jiān)測體系，持續(xù)修復(fù)長江流域生態(tài)功能，響應(yīng)國家長江大保護(hù)戰(zhàn)略，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［2］。

江蘇省是長江流域的重要省份之一，位于長江經(jīng)濟(jì)帶下游地區(qū)。長江江蘇段全長約450 km［3］，包含南京、鎮(zhèn)江等在內(nèi)的8 個(gè)市區(qū)，句容、揚(yáng)中等在內(nèi)的15 個(gè)縣（市），是沿江開發(fā)的核心區(qū)域。近年來，江蘇在沿江生態(tài)整治工作中，以改善長江生態(tài)質(zhì)量為核心，貫徹綠色發(fā)展理念，持續(xù)推進(jìn)長江流域保護(hù)工作，如江堤改造、非法采砂等專項(xiàng)整治行動［4-5］，取得了顯著成效。但治理的同時(shí)還需加強(qiáng)有效管理。建立水利多要素指標(biāo)體系是管理河流的有效手段之一，早期河流監(jiān)測指標(biāo)主要是為河流健康評價(jià)服務(wù)，多采用指示物種法，但這種方法有明顯的局限性，即河流生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性及人水之間的互動關(guān)系不能得到有效反映［6］。如今，指標(biāo)體系法是更為科學(xué)且應(yīng)用更廣泛的方法，構(gòu)建科學(xué)合理的長江水利多要素監(jiān)測體系是全面推進(jìn)長江江蘇段保護(hù)和綜合治理高質(zhì)量發(fā)展的有利工具，對保障長江江蘇段沿江區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

2 水利多要素監(jiān)測體系

2.1 監(jiān)測體系構(gòu)建原則

監(jiān)測體系構(gòu)建原則包含以下3個(gè)方面［7］：

（1）科學(xué)綜合性。監(jiān)測體系必須能從多方面反映長江江蘇段的河流狀況，各個(gè)指標(biāo)之間要形成有機(jī)、有序的聯(lián)系。

（2）客觀針對性。構(gòu)建長江江蘇段水利多要素監(jiān)測體系要符合客觀實(shí)際，選取的指標(biāo)須具有代表性，通過對指標(biāo)的監(jiān)測能針對性反映長江河流狀況。

（3）簡易實(shí)用性。構(gòu)建監(jiān)測體系所選取的指標(biāo)須具有實(shí)用性，其監(jiān)測方法有可操作性，易于實(shí)測者實(shí)施和獲取數(shù)據(jù)資料。

2.2 監(jiān)測體系基本框架

長江江蘇段水利多要素監(jiān)測體系包含目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層。目標(biāo)層為長江江蘇段水利多要素監(jiān)測，準(zhǔn)則層包含河流自然形態(tài)、水安全狀況和水生態(tài)環(huán)境狀況。長江江蘇段水利多要素監(jiān)測體系如表1所示。

表1 長江江蘇段水利多要素監(jiān)測體系

3 江蘇水利多要素監(jiān)測現(xiàn)狀

3.1 河流自然形態(tài)要素

（1）水位：水位觀測可以為水利、防洪等提供具有單獨(dú)使用價(jià)值的資料。如今長江水位觀測工作趨于自動化和遙測化，目前長江江蘇段常用的監(jiān)測方法有浮力式水位儀、雷達(dá)式水位儀、氣泡式壓力水位儀等幾種類型［8］，其水位經(jīng)驗(yàn)取值為6.5～10 m。

（2）流量：長江江蘇段流量監(jiān)測方法目前使用較多的是多普勒超聲波流量測量計(jì)［9］，其測驗(yàn)總歷時(shí)不應(yīng)少于12 min，且至少進(jìn)行1個(gè)測回。長江江蘇段流量均值為29 432 m3/s，主要經(jīng)驗(yàn)范圍為23 000～36 000 m3/s。

（3）床沙粒徑：床沙粒徑的大小會影響河流的輸沙能力，沿河流斷面中間到河床，粒徑越大，河流輸沙能力相對越小。床沙粒徑通常采用網(wǎng)格法、面塊法、橫斷面法等取樣方法進(jìn)行監(jiān)測。

（4）懸移質(zhì)泥沙含量：長江江蘇段的懸沙濃度［10］有大小潮周期變化和季節(jié)性變化，夏季最低，冬季最高，春秋兩季為過渡類型。大小潮周期變化主要是由潮動力所引起，其平均周期為14.7 d，大潮時(shí)懸沙濃度為1.4 g/L，小潮時(shí)懸沙濃度為0.5 g/L。

（5）河流地形：河流地形監(jiān)測包括水下地形、沿程斷面地形、灘槽地形、河道形態(tài)。長江江蘇段水下地形監(jiān)測方式通常采用網(wǎng)絡(luò)RTK 技術(shù)、無人船、多波束測深和DEM等綜合方法技術(shù)，可快速獲取水下地形數(shù)據(jù)，并直接與電腦連接，形成電子化數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)的斷面監(jiān)測方法相比更形象直觀。

（6）流速：長江江蘇段流速年內(nèi)變化較為明顯。12月份到4月份因冰雪消融，使流速逐漸加大，4 月份到9 月份為多雨季節(jié)，流速也隨之增加，9 月到達(dá)流速峰值，平均流速大約為3.2～3.5 m/s。9 月之后流速隨之遞減，到達(dá)12 月流速最為緩慢，約為0.8～1 m/s。江蘇段測速方法通常采用流速儀法，流速經(jīng)驗(yàn)取值范圍為0.8～4 m/s，汛期流速略微增大，冬季略微減小。

（7）底質(zhì)特征：底質(zhì)的采集根據(jù)斷面深度的不同可以選擇不同的采樣方法。江蘇段對于水深較大斷面通常采用彼得森采泥器采集底質(zhì)，水深較淺斷面采用手工取樣法。底質(zhì)樣品采集量應(yīng)依據(jù)分析目的及分析項(xiàng)目而定，一般為1～2 kg（濕重），每年枯水期采樣1次，必要時(shí)豐水期增采1次。

（8）河道彎曲程度：河道彎曲程度以河道形態(tài)進(jìn)行衡量，長江江蘇段的河道形態(tài)變化趨勢已趨于穩(wěn)定性，岸線的擺動幅度大幅降低。

3.2 水安全狀況要素

（1）洪水水位：洪水水位是江蘇省防洪監(jiān)測工作的重要考核標(biāo)準(zhǔn)，其監(jiān)測方法同水位觀測。在洪水發(fā)生期間需要全過程記錄水位變化過程，使測得的結(jié)果能完整反映水位變化的過程。長江南京段現(xiàn)行主要控制斷面設(shè)計(jì)洪水位為10.60 m，鎮(zhèn)江段現(xiàn)行主要控制斷面設(shè)計(jì)洪水位為8.85 m，江陰段現(xiàn)行主要控制斷面設(shè)計(jì)洪水位為7.25 m［11］。

（2）洪峰變化程度：洪峰變化程度以時(shí)間為橫坐標(biāo)，洪峰水位或流量為縱坐標(biāo)繪制的洪峰過程線來進(jìn)行描述。目前常用的方法是等流時(shí)線法和單位線法，而江蘇省又以單位線法的應(yīng)用最為廣泛。

（3）防洪工程措施完善率：通過統(tǒng)計(jì)流域內(nèi)達(dá)到防洪標(biāo)準(zhǔn)的防洪工程數(shù)量與流域內(nèi)防洪工程總數(shù)進(jìn)行百分比值計(jì)算，更新周期為每年1次。

（4）防洪非工程措施完善率：通過統(tǒng)計(jì)流域內(nèi)防洪相關(guān)工作運(yùn)行部門中有效運(yùn)行的部門數(shù)量與流域內(nèi)所有防洪相關(guān)工作運(yùn)行部門的總數(shù)進(jìn)行百分比值計(jì)算，更新周期為每年1次。

（5）河道泄洪能力：通過超聲波技術(shù)，獲取河床地形變化情況，結(jié)合水位變化過程，即可計(jì)算河槽容積，更新周期為每年1次。

（6）超額洪量：超額洪量通過監(jiān)測記錄保證水位及洪水超過保證水位之后的水位變化計(jì)算得到。每次洪水過程都應(yīng)計(jì)算相應(yīng)的超額洪量。

（7）河槽容積：通過網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)、多波束測深等技術(shù)獲取河床地形變化情況，結(jié)合水位變化過程，即可計(jì)算得到河槽容積，更新周期為每年1次。

（8）堤防穩(wěn)定性：堤防穩(wěn)定性通過觀測儀器監(jiān)測垂直沉降和橫向位移來衡量，更新周期為每年1 次。目前長江江蘇段現(xiàn)有堤防1 548 km［11］，通過多年整治，整體堤防防洪能力比較穩(wěn)定［12］。

（9）礙航灘數(shù)及密度：通過記錄江蘇段淺灘、急灘、險(xiǎn)灘等礙航河段的數(shù)量，并以此計(jì)算礙航灘險(xiǎn)密度，更新周期為每年1次。

（10）航道水深：航道水深通常指監(jiān)測航道范圍內(nèi)最淺處從水面到底部的垂直距離，更新周期為每年1次。

（11）航道安全性：長江下游江蘇段航道上起南京，下止南通，總里程約400 km［13］。江蘇段航道整體安全形勢比較穩(wěn)定，但船舶數(shù)量多，尤其是小型船舶，幾乎全天都在航行中，通航飽和度高［14］。

（12）采砂防洪影響、通航影響及水生態(tài)影響：長江江蘇段水域?qū)拸V，采砂量大，非法采砂不僅會危及堤防安全，降低防洪安全指數(shù)，還會嚴(yán)重影響航運(yùn)安全。非法采砂作業(yè)也會破壞周邊濕地，影響底棲生物生存環(huán)境，造成水生態(tài)水環(huán)境的惡化。因此，打擊違規(guī)采砂活動，進(jìn)行有效的采砂活動管理對保障防洪及通航安全，維護(hù)河勢穩(wěn)定，保護(hù)水生態(tài)環(huán)境至關(guān)重要。經(jīng)過多年嚴(yán)格管理，實(shí)行多措并舉，長江江蘇段非法采砂得到了很大程度的遏制，使長江江蘇段采砂管理局面穩(wěn)定向好。

（13）工程安全與功效影響：近年來江蘇省通過規(guī)范采砂作業(yè)管理，建立完善的采砂作業(yè)安全管理制度等措施降低了采砂工程安全影響率及功效影響率。

（14）采砂管理能力與績效：江蘇省通過建立一系列采砂的法律法規(guī)，實(shí)行統(tǒng)一規(guī)劃和采砂許可，如今長江江蘇段采砂管理能力和績效不斷提升。

3.3 水生態(tài)環(huán)境狀況要素

水環(huán)境方面監(jiān)測要素包括總氮濃度、總磷濃度、綠葉素濃度、營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)、懸浮物、水質(zhì)等級、底泥污染、pH、電導(dǎo)率、溶解氧、氯化物、硫酸鹽、碳酸鹽、氰化物、透明度、硫化物、氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、揮發(fā)酚、金屬元素（鈣、鉀、鈉、銅、鋅、汞、錳、鐵、鉛、鎘、硒、砷）共21種，長江江蘇段對其監(jiān)測頻率按照《中華人民共和國水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》（SL219—2013）擬定，即每年不少于12次。

近年來長江江蘇段水生態(tài)保護(hù)工作取得了重要進(jìn)步，但仍存在著一些問題，如水生態(tài)監(jiān)測體制不完善，缺乏統(tǒng)一的水生態(tài)監(jiān)測體系。因此，建立明確的監(jiān)測體系對掌握長江流域水生態(tài)狀況和發(fā)展趨勢，為長江流域水生態(tài)保護(hù)和修復(fù)以及流域綜合管理提供技術(shù)支撐具有積極意義［15］。

水生態(tài)方面監(jiān)測要素包括微生物群落多樣性、生態(tài)需水保證率、床面生物膜量、植物覆蓋率、魚類多樣性與完整性、底棲生物多樣性、浮游藻類含量、珍稀水生物存活狀況、景觀多樣性、生態(tài)基流達(dá)標(biāo)率共10種。

4 水利多要素監(jiān)測體系發(fā)展趨勢

4.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)信息化

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，為今后水利要素監(jiān)測數(shù)據(jù)信息化提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。監(jiān)測數(shù)據(jù)信息化是指將各方面的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行融匯，形成系統(tǒng)、完善、連續(xù)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，這不僅有利于長江不同河段的監(jiān)測信息共享，也能通過監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，對長江流域保護(hù)有重要意義。

4.2 監(jiān)測體系完善化

完善的監(jiān)測體系對于管理長江有十分重要的作用和意義。在未來水利要素監(jiān)測發(fā)展過程中，需要結(jié)合水利要素監(jiān)測特點(diǎn)和需求，進(jìn)一步明確水利要素監(jiān)測內(nèi)涵、監(jiān)測目標(biāo)和任務(wù)，完善水利要素監(jiān)測體系［16］。比如針對我國水利要素監(jiān)測體系中的水生態(tài)監(jiān)測，由于各部門對其監(jiān)測指標(biāo)、頻次、方法等的不統(tǒng)一，導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果可比性較差。因此在現(xiàn)有監(jiān)測體系的基礎(chǔ)上，針對水生態(tài)監(jiān)測指標(biāo)、技術(shù)、規(guī)范不完善等問題，通過不斷的探索研究，使長江監(jiān)測體系朝著更科學(xué)系統(tǒng)化的方向發(fā)展。

4.3 監(jiān)測方法先進(jìn)化

先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)手段能使水利要素監(jiān)測更加便捷化、精準(zhǔn)化，能有效縮短監(jiān)測時(shí)間，提高監(jiān)測效率。在未來水利要素監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的過程中，先進(jìn)化將會成為主要發(fā)展趨勢。比如底棲生物多樣性等要素的監(jiān)測大多是采用實(shí)地取樣，再帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析處理，大大降低了監(jiān)測效率。因此積極探索遙感監(jiān)測、多波束測深、圖像自動識別等多種先進(jìn)化監(jiān)測技術(shù)的集成應(yīng)用，并進(jìn)行推廣普及至關(guān)重要。

5 結(jié) 語

長江水利要素監(jiān)測是長江水資源保護(hù)與管理的重要基礎(chǔ)性工作，可以為長江治理保護(hù)工作提供依據(jù)。

本文根據(jù)長江江蘇段河道現(xiàn)狀和特點(diǎn)，選定關(guān)于河流自然形態(tài)、水安全狀況和水生態(tài)環(huán)境狀況3個(gè)準(zhǔn)則層共53個(gè)水利要素指標(biāo)，構(gòu)建了長江江蘇段水利多要素監(jiān)測體系，并對指標(biāo)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，全面系統(tǒng)考慮了長江江蘇段對河道保護(hù)管理等方面要求。

在監(jiān)測體系應(yīng)用過程中，關(guān)于水利要素監(jiān)測實(shí)操層面仍有大量后續(xù)研究工作需要深入開展，如監(jiān)測數(shù)據(jù)信息共享的自動化，指標(biāo)監(jiān)測方法的先進(jìn)化等。因此需要不斷完善優(yōu)化現(xiàn)有的水利要素監(jiān)測體系，不斷研究探索先進(jìn)的水利要素監(jiān)測技術(shù)，以推動長江保護(hù)工作更好更快地發(fā)展。