内蒙古“一湖两海”水域动态监测体系：框架、指标与专题可视化

姚姝娟 张 弛 宝力杰 刘殿锋

1 内蒙古自治区航空遥感测绘院，内蒙古 呼和浩特，010010 2 内蒙古自治区地图院，内蒙古 呼和浩特，010051 3 武汉大学资源与环境科学学院，湖北 武汉，430079

随着城市化与工业进程的不断推进，人类对作为发展基础资料的自然资源的需求日益增加［1］。然而，自然资源具有稀缺性和开发有限性。受限于技术因素和地理禀赋条件，自然资源稀缺与冲突已经成为当代最为突出的全球性问题［2］。开展精准的自然资源监测是科学解决自然资源短缺、环境破坏与生态退化问题的基础［3］。伴随国务院机构改革，自然资源调查监测评价已经成为自然资源部统一开展的重要职责之一［4］。水资源监测是自然资源监测的核心任务之一［5，6］。开展水资源动态监测是揭示水资源动态变化规律，科学制定水资源有效保护、水资源合理利用政策以及加强社会节水意识等的基础。

水资源监测需要具备系统性［7］。随着中国自然资源治理理念的转型发展，传统单一要素监测已经逐渐转变为综合要素监测，监测重点由单一要素数量、格局与功能升级为不同要素之间的相互作用关系。因此，水资源监测需要从水资源、水环境与水生态视角切入，开展水域综合监测评估。在此背景下，传统监测框架与方法已经难以满足需求［8-11］。传统水资源监测以地面监测、遥感监测为主，着重对水资源数量、质量、结构、功能和空间布局进行动态变化监测、评价与分析，但是无法完成水资源系统化监测的目标［12，13］。例如，当前研究中缺少“天-空-地-网”一体化的系统监测技术，无法完成对地表、地下水资源的整合监测。在监测指标方面，现有指标注重可获取性和准确性，但是在指标系统性方面考虑不足，无法反映水资源与生态系统、社会经济系统之间的关联关系。因此，系统化、动态化水资源监测需要从监测技术框架、监测指标体系以及可视化分析3个方面进行整合提升［14-17］。

本文以内蒙古自治区（简称内蒙古）“一湖两海”为研究对象，从系统性、动态性监测视角切入，依托“一湖两海”区域遥感影像等地理信息大数据，结合水文、气象等行业专题数据，通过整合现有卫星遥感、空间抽样等自然资源监测技术，形成研究区水域综合监测框架。并且基于“驱动-压力-状态-响应”（driving-pressure-status-response，DPSR）模型构建“一湖两海”水域综合监测指标体系，采用地图可视化分析技术开展“一湖两海”水资源动态变化分析。将监测分析结果以专题地图的形式呈现出来，实现“一湖两海”关注内容从变化监测数据、统计结果、报告到专题地图的转化，进而辅助区域科学研究和决策。

1 “ 一湖两海”水域动态监测框架与指标体系

“一湖两海”指呼伦湖、乌梁素海、岱海，是内蒙古重要的生态系统，对于全区生态安全、粮食安全、生物多样性保护、地区环境保护等具有重要意义。其中，呼伦湖位于内蒙古东北部，多年平均水域面积为2 035.69 km2，是生态系统类型最丰富的湿地之一［18-20］。乌梁素海地处内蒙古西部巴彦淖尔市境内，是关系到黄河中下游水生态安全的重要节点。岱海位于内蒙古凉城县，平均水域面积为70 km2［21，22］。针对“一湖两海”的生态治理问题，开展“一湖两海”监测、分析、评价是内蒙古生态治理过程中的一项重要基础性工作［23，24］。

1.1 动态监测框架

水资源作为重要、稀缺、特有的资源，应发展其特有的监测、分析技术。水系要素是动态的，受大气、流域影响。为了揭示水系对象的规律趋势，需要从水域综合环境（包括流域、气象、地质等）、水体特征动态变化（水量、水温、水质等）、水生态系统状态等方面全面地反映其变化情况，从关键点、规律性入手，调控其发展趋势和方向［25-28］。

本文充分利用现代测量、信息网络以及空间探测等技术手段，构建起“天-空-地-网”一体化的水资源调查监测体系，实现对水资源全流程、全覆盖的现代化监管，动态监测框架见图1。一方面，将测绘地理信息大数据与行业专题数据融合，利用卫星遥感等航天飞行平台，搭载可见光、红外、高光谱、微波、雷达等探测器，实现广域的定期影像覆盖和数据获取，对监测区面积、水质、水温等生态属性进行遥感影像自动提取［29］。另一方面，综合利用全球卫星导航定位技术、航空航天遥感技术、地理信息系统技术、实地调查、样点监测、物联网以及视频监控等现代传感器监测技术和监测模式，对水体水质、生物多样性等生态环境要素进行动态监测与分析［30，31］。统计分析水域各类指标的变化量、变化趋势等，形成反映各类生态环境要素的空间分布及其发展变化规律的监测数据、专题数据成果和统计图表，为“一湖两海”的生态环境保护提供科学、有效的基础信息服务。

图1 “一湖两海”水域动态监测框架Fig.1 Dynamic Monitoring Framework of“One Lake and Two Seas”

1.2 监测指标体系

从水资源、水环境和水生态3个维度出发，基于DPSR 模型构建“一湖两海”水域动态监测指标体系。指标体系主要包括准则层、类型层、指标层3个层次，具体用于反映与水域水资源相关的社会经济系统状态及其演化规律以及自然资源、自然环境与生态系统特征及其演化规律。从水体特征维度来看，水域面积、叶绿素浓度、悬浮物浓度、水温、富营养化、水生植被等指标已经成为流域监测的关键指标。从水域综合环境维度来看，气象、温度是导致水域面积变化、水体容量变化、水质变化、水生动植物生长的重要影响因素，因此成为重要监测指标。从生态系统服务功能出发，具体监测水域生态系统的水资源供给、生态系统支持、生态系统调节以及文化娱乐功能，尤其要监测水域生物多样性水平，为水域生态修复提供决策支持。

2 专题制图与可视化分析

地理信息可视化是运用图形学、计算机图形学和图像处理技术，将地学信息输入、处理、查询、分析以及预测的结果和数据以图形符号、图标、文字、表格、视频等可视化形式展示并进行交互的理论、方法和技术。从地图学与地理信息技术角度来看，专题图编制是地图和专题信息、数据分析的结合，能够为水体整体环境分析与可视化、水体特征制图、水域生物多样性变化可视化分析以及上述信息的综合可视化分析提供技术支撑。本文采用相关专题制图与可视化分析技术，对“一湖两海”水域核心监测指标进行分析，具体包括：

1）水域面积变化可视化分析。图2 是“一湖两海”水域面积变化图，可以看出，岱海水域面积有不断下降的趋势。经过调查分析，主要原因是周边农业、生活用水逐渐增加，使得岱海的水源得不到补给，电厂的用水引起水温上升，蒸发量大，造成储水量不断减少，水质变劣。应急补水、生态修复、污水处理等举措是岱海治理的重要方法。

图2 “一湖两海”水域面积变化图Fig.2 Water Area Changes of“One Lake and Two Seas”

2）水体上层温度变化可视化分析。图3 展示了1986—2019年间岱海温度变化趋势。整体上看，岱海水温波动明显，但是绝大部分年份水温相对较低，2015—2017年间水温上升幅度比较大，并在2017年平均温度达到26.4 ℃。水温上升与岱海电厂冷凝水直排、气温上升、水量减少等因素存在密切关系。这已经引起决策者的足够重视。

图3 岱海夏季上层水温反演结果Fig.3 Inversion Results of Water Temperature in Upper Level of Daihai in Summer

3）水生植被变化可视化分析。图4 呈现了乌梁素海水生植被变化分布情况。1977—2008年间，该区域芦苇、水草增长迅速，年均增速分别达到175.8% 和1 246.6%，急剧变化原因为造纸业快速发展、工业污水及农田退水大量排放导致的水体富营养化。2009—2019年间，通过造纸业整顿和生态修复，该区域芦苇和水草面积分别下降了16% 和35.8%，生态治理效果显著。

图4 乌梁素海水生植被分布Fig.4 Distribution of Aquatic Vegetation in Wuliangsuhai

3 结束语

本文以内蒙古“一湖两海”为研究对象，集成多种监测手段构建“一湖两海”水域动态监测框架，基于DPSR 模型构建水域监测指标体系，为“一湖两海”水域动态监测提供可行框架，有助于从社会经济发展、自然生态系统以及两者相互作用关系视角出发，揭示“一湖两海”水域系统的动态演化规律以及存在问题的诱因，为科学解决“一湖两海”生态问题提供了有效路径。基于专题图分析技术，本文实现了“一湖两海”水域核心指标体系的可视化分析，有效获取了水域动态演化规律、趋势及原因等信息，为水资源调查、监测、保护治理以及河湖长制的建立提供科学支撑。