湖泊是重要的生產(chǎn)生活用水來源，中國一半以上的城鎮(zhèn)飲用水來自湖泊。2023年，開展水質(zhì)監(jiān)測的209個重要湖泊(水庫)中，I~Ⅲ類水質(zhì)湖泊(水庫)占74.6%，比2022年上升0.8個百分點;劣V類水質(zhì)湖泊(水庫)占4.8%。目前對于湖泊的監(jiān)測主要還是以手工和在線結(jié)合的方式，未能有效地對整個湖泊進行有效的監(jiān)測。
湖泊是一個相對封閉的水體環(huán)境，外來因素對其影響比較大。如何有效的進行湖泊立體的監(jiān)測是值得思考的問題。
生態(tài)環(huán)境講的是天空地海一體化，由于我們講湖泊，場景相對單一，這里我們借用數(shù)字孿生里的一個概念，“天空地水工”一體化監(jiān)測，有別于數(shù)字孿生里的應(yīng)用，我們看下在生態(tài)環(huán)境里都匹配哪些技術(shù)及應(yīng)用。“天”主要利用衛(wèi)星遙感、北斗等技術(shù)裝備，實現(xiàn)對湖泊水體、洪澇災(zāi)害、湖岸情況等的大尺度全局監(jiān)測感知；“空”主要利用無人機，搭載高光譜、水質(zhì)分析儀、采樣裝置等監(jiān)測儀器，實現(xiàn)對湖泊水質(zhì)、藻類分布、岸線排污等監(jiān)測感知，對目標點位進行定點、定深采樣；“地”主要利用水質(zhì)自動監(jiān)測站、AI智能采樣站、氣象站、大氣沉降站、地下水站、土壤墑情站、視頻監(jiān)測站等地面監(jiān)測設(shè)施設(shè)備，實現(xiàn)水氣土的監(jiān)測感知；“水”主要利用浮標、浮船、無人船等監(jiān)測技術(shù)裝備，實現(xiàn)對河湖庫水體的流量、水質(zhì)、水生生物等水中水下要素的精準自動化監(jiān)測感知；“工”主要水下潛艇、水下機器人、機器學(xué)習(xí)AI視頻等手段，實現(xiàn)剖面和水底的巡航監(jiān)測。
傳統(tǒng)的監(jiān)測主要是以手工或在線監(jiān)測為主，布點和監(jiān)測頻次受成本的影響都有一定的局限性。監(jiān)測力度和維度遠遠不足，湖泊又是重要的水源地，污染來源一定要說清，那么湖泊的污染物除了內(nèi)源釋放，主要來源有哪些呢，天空地水工如何去監(jiān)測呢？
污染是協(xié)同的，是相互作用、相互影響的，是跨介質(zhì)傳播的，理清各個來源的污染貢獻，采取有效手段治理湖泊的問題，保障飲用水源地安全，湖泊污染主要有以下4大來源。河流傳輸是湖泊污染物主要來源，入湖河流將匯水區(qū)域的污染物帶入湖泊，入湖河流的監(jiān)測也是目前布設(shè)在線監(jiān)測*多的，如環(huán)太湖流域有錯綜復(fù)雜的在線監(jiān)測網(wǎng)。氣水傳輸主要通過大氣干濕沉降，將空氣中的污染物質(zhì)帶入到湖泊當中，如空氣中的氮氧化物、硫氧化物以及重金屬，下圖是近8年，大氣降水中的硫酸根、硝酸根的濃度。土壤的污染物質(zhì)主要是農(nóng)藥、化肥等，對水的傳輸主要包含兩方面，一是通過降水的地表徑流進入湖泊；一是經(jīng)滲流到地下水。土水傳輸主要體現(xiàn)在汛期污染上。2023年，灌溉規(guī)模達到10萬畝及以上的農(nóng)田灌區(qū)監(jiān)測的1883個灌溉用水斷面(點位)中，1758個斷面(點位)達標，占93.4%，主要超標指標為糞大腸菌群、懸浮物和pH。研究發(fā)現(xiàn)，湖泊周邊淺層地下水受到地表氮素投入負荷、降雨和灌溉等因素驅(qū)動，NO3--N污染較為嚴重，通過和湖泊的水利交換威脅著湖泊水質(zhì)安全。三、創(chuàng)新技術(shù)在湖泊中的應(yīng)用‘天空地水工’監(jiān)測一張網(wǎng)，結(jié)合協(xié)同監(jiān)測理論可以有效厘清湖泊污染來源，同時利用大數(shù)據(jù)、大模型應(yīng)用分析污染貢獻，我們看看都有哪些數(shù)智化創(chuàng)新技術(shù)在湖泊監(jiān)測中應(yīng)用。1、智能采樣+水質(zhì)監(jiān)測實驗室全自動分析技術(shù)智能采樣：AI智能采樣站、大氣沉降采樣站、無人機采樣AI智能采樣站主要解決汛期污染問題，分析‘土水傳輸’的貢獻大氣沉降采樣站主要是分析大氣中污染物質(zhì)的遷移，分析‘氣水傳輸’的貢獻無人機采樣主要是對特定區(qū)域的污染遷移及轉(zhuǎn)化作為補充，同時也可作為月度例行采樣。智能實驗室：除了包含常規(guī)參數(shù)外，為了分析污染物的遷移轉(zhuǎn)化應(yīng)補充硝酸鹽、亞硝酸鹽、磷酸鹽以及區(qū)域的特征污染物。分析手工采樣及智能采樣送回的水樣。2、衛(wèi)星遙感、高光譜、三維熒光、紫外可見圖譜衛(wèi)星遙感、高光譜主要解決面域上的水質(zhì)、水華識別與反演，實現(xiàn)由精準的標準方法監(jiān)測專項模糊的面源覆蓋。三維熒光、紫外可見圖譜主要解決污染溯源的問題，通過指紋圖譜快速定位。3、水下機器人、潛艇及剖面監(jiān)測，分析不同深度的水質(zhì)水生態(tài)問題實現(xiàn)水體中藻類、浮游動植物、水生動物的種群監(jiān)測。智能地表水水站，解決‘河流傳輸’的問題；智能地下水水站，解決‘地下傳輸’的問題。通過一張網(wǎng)，有了數(shù)據(jù)量，通過場景有了維度，我們還要通過模型去分析，去應(yīng)用?；谥讣y溯源+多元統(tǒng)計模型的入湖河流域總氮溯源分析技術(shù)，可以分析河流傳輸?shù)奈廴矩暙I?；跀?shù)字孿生+大數(shù)據(jù)的地表水環(huán)境預(yù)警溯源分析技術(shù)，可以實現(xiàn)通過自動監(jiān)測數(shù)據(jù)與氣象、水文、地理信息等數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，實現(xiàn)污染快速溯源，這里希望可以和水利部門的數(shù)字孿生可以共用，共同推進美麗河湖、美麗中國建設(shè)。綜上所述，新質(zhì)生產(chǎn)力在湖泊監(jiān)測中的應(yīng)用體現(xiàn)在遙感技術(shù)、多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)、智能監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用以及技術(shù)創(chuàng)新與研發(fā)等多個方面。這些技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，將有助于提高湖泊監(jiān)測的精度和效率，推動湖泊保護和管理工作的科學(xué)化、精準化和智能化。
