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“数字巢湖”让流域水污染“标本兼治

技术短期内落地转化,主要归因于几十年的科研积累——

2021年11月10日作者:沈春蕾来源:中国科学报

科研人员在巢湖取样 南京地湖所供图

  近年来,位于安徽省的巢湖多次出现藻类水华大面积分布现象,对水源水质甚至周边工农业生产和居民生活构成威胁。

  近日,安徽省巢湖管理局召开了环巢湖水质监测系统改扩建工程和巢湖蓝藻水华监测预警与模拟分析平台(以下简称“数字巢湖”)项目(四标段)验收会,该标段项目主要由中国科学院南京地理湖泊研究所(以下简称南京地湖所)科研团队承担。

  南京地湖所研究员段洪涛告诉《中国科学报》:“我们参与的‘数字巢湖’项目从中标到验收仅用了一年左右的时间,可谓任务重、工期紧。之所以能让技术在短期内落地转化,主要归因于研究所之前几十年的科学研究积累。”

  从“水专项”说起 

  段洪涛介绍:“南京地湖所最早介入巢湖的研究可以追溯到20世纪50~60年代,并在80年代末主持了巢湖富营养化“七五”国家攻关项目的研究。2006年至今,南京地湖所主持了‘十一五’至‘十三五’巢湖3个水专项项目及6项课题,取得一系列重要进展和成果。”

  “十一五”期间,南京地湖所承担的“巢湖水污染治理与富营养化综合控制技术及工程示范”项目,主要针对巢湖东部饮用水源区的水体富营养化和蓝藻水华频发、威胁供水安全的问题,利用削减入湖污染负荷和蓝藻水华灾害防控等技术,改善了水源地水质,保障了湖泊水源地供水安全。

  其中,在化解2010年夏季巢湖水源地因蓝藻水华引起的供水危机中,南京地湖所科研团队将蓝藻水华预测预警—智能拦截—高效无害打捞等技术进行集成,形成了湖泊水源地蓝藻水华灾害防控关键技术与设备,该技术和设备还在其它流域得到推广使用,获得显著成效。

  此次段洪涛等人承担的“十三五‘水专项’”课题是“水环境目标水质管理平台集成技术巢湖流域验证应用与推广”,课题组研制出蓝藻水华监测预警模型、基于流域水情工况的入湖污染负荷削减动态优化等关键技术,在地方“数字巢湖”项目中进行示范应用,先后研发出“巢湖蓝藻水华监测预警与模拟分析平台”和“农村流域面源网格化管理系统”。

  水体污染可以分为点源污染和面源污染,为什么网格化管理平台没有针对点源污染?段洪涛解释道:“受益于‘水专项’等相关课题的研究,特别是合肥市近年来对环巢湖环境的大力整治,巢湖点源污染基本得到治理,因此我们具体关注了面源污染,希望对巢湖流域村庄居民面源污染采取有效的治理示范。

  为此,段洪涛带领南京地湖所巢湖“水专项”课题组提出“湖体治标、流域治本”的巢湖信息化建设思路,提升流域信息化水平的同时,希望促进流域水环境“标本兼治”。

  “前期工作也有了用武之地” 

  蓝藻水华指淡水水体中蓝藻等藻类大量繁殖的一种自然生态现象,形成原因十分复杂,治理起来难度很大。作为中国的第三大淡水湖,太湖曾多年深受蓝藻水华影响。那么。在湖泊水环境未根本好转前,如何实现水环境监测预警,防止“太湖水危机”类似事件发生?

  研究发现,诱发湖泊藻华的始作俑者包括高浓度的氮和磷,因此控制巢湖氮和磷等物质含量水平,是减缓巢湖富营养化、遏制水质恶化的重要途径。

  段洪涛课题组从“十二五”就开始为安徽省巢湖管理局等部门提供蓝藻水华卫星遥感监测报告。“十三五”以来,课题组通过集成蓝藻水华预测预警模型,实现了巢湖蓝藻水华未来一周的预测预警,预报指标包括巢湖全湖总氮、总磷、氨氮、溶解氧和藻类生物量等5项指标。

  “我们对于巢湖3日内溶解氧预报精度可以达到80%以上,总氮、总磷浓度预报精度可以达到60%,能够较好预报巢湖藻类水华时空发展趋势。”段洪涛表示,课题组在每周一定时向国家生态环境部水司、国家水办、安徽省生态环境厅、合肥市政府、巢湖管理局、合肥市环湖办等管理部门推送巢湖蓝藻水华预警周报,为减轻蓝藻水华危害、保障供水安全提供了支撑。

  中标“数字巢湖”项目后,段洪涛等人积极与“水专项”巢湖平台示范工程和“数字巢湖”建设实施单位——安徽省巢湖管理局展开沟通,理清了“水专项”巢湖平台示范工程与“数字巢湖”建设的关系。

  “我们前期的工作也有了用武之地。”段洪涛介绍,安徽省巢湖管理局已明确将“巢湖水环境水质目标管理业务化平台”纳入“数字巢湖”建设框架,并确定为“数字巢湖”基础版,“数字巢湖”建设项目将在“水专项”平台核心技术“水质—水量—污染物通量”模型基础上补充完善。

  技术对接需求 

  段洪涛课题组研发的两个平台通过对现有的水质、水文、气象和预测预报等数据源进行汇总、分析和展示,对巢湖当前及未来的水环境状况有了更准确的总体认知。

  一方面,课题组通过巢湖蓝藻水华监测预警与模拟分析平台实施“湖体治标”,整合卫星、无人机、摄像头、浮标、数值模拟等手段,构建水质水华“天—空—地”立体监测网络和应急防控体系,实现现状掌握、异常识别、原因追溯、未来模拟的目标,避免水危机等事件发生。

  另一方面,课题组基于农村面源污染网格化精细管理系统推动“流域治本”,研究农村流域污染管控单元科学划分、水质水量精细化模拟等关键技术,实现农村流域网格单元水量水质信息的在线模拟与监控预警,并进一步实现分流域的污染物总量核算、精准溯源和污染定责,探索彻底解决巢湖流域水环境污染问题的有效路径。

  “通过参与‘数字巢湖’项目也拉近了我们与地方管理者之间的距离,并发现技术与需求的对接没有想象中的顺利。”课题组成员之一、南京地湖所助理研究员邱银国告诉《中国科学报》,“以前我们做湖泊蓝藻水华监测主要分东半湖和西半湖,然而地方部门更关注几个关键区域和敏感站点的蓝藻水华监测,这就需要我们按照需求调整技术模型。”

  此外,课题副组长、南京地湖所研究员赖锡军补充道:“整个课题组的成员比较年轻,专业也从地理信息到数值模型等多个领域,以前大多主要从事基础科学研究,现在一下子接触到地方应用需求,一方面需要整合不同的学科背景,另一方面还需要进一步使自己的研究落地,真正解决实际问题。”

  “数字巢湖”项目的完成还有两年运行期,段洪涛预计到今年年底平台上的数据将达到4~5亿条。“当前,系统维护是主要工作,希望这两个平台可以成为协助巢湖水环境预报和治理的得力助手,我们也将围绕地方需求进一步开展深层次的合作研究。”


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编辑:姚伊乐

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