水環(huán)境監(jiān)測技術研究進展與分析

摘要：水環(huán)境安全是人類生存與發(fā)展的必要條件，天地一體、科學精細、自動智能、集成聯(lián)動與可視化表達是水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)構建的新發(fā)展模式。結合近年來常規(guī)監(jiān)測、遙感監(jiān)測與生物監(jiān)測在江河、湖庫、海洋等領域的研究進展，從方法、技術、應用等方面闡述水環(huán)境監(jiān)測發(fā)展現(xiàn)狀，同時針對日益突出的水環(huán)境安全問題，在監(jiān)測技術體系完善、感知裝備性能提高、智能化水平提升等方面提出思考并進行分析。

關鍵詞：水環(huán)境監(jiān)測；常規(guī)監(jiān)測；遙感監(jiān)測；生物監(jiān)測

引言

生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《2021中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》顯示，我國依然存在嚴重的水環(huán)境安全問題。水環(huán)境安全是人類生存與發(fā)展的必要條件，我國水資源總量2.8萬億m3，但人均不足300m3，貧水情況嚴重，而且隨著社會經濟的迅速發(fā)展，水資源利用過量、水質污染、海岸帶生態(tài)空間逐漸縮小等問題日益突出，直接導致我國經濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境建設進程受阻[1]。因此，我國亟需解決水環(huán)境問題。

水環(huán)境安全保障以充分開展的水環(huán)境監(jiān)測為基礎，在水資源短缺和水污染日益嚴重的形勢下，水環(huán)境監(jiān)測技術的進步對相關研究和交流的支撐作用也日益增強。2020年4月，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《關于推進生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系與監(jiān)測能力現(xiàn)代化的若干意見》和同年6月發(fā)布的《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測規(guī)劃綱要（2020-2035年）》提出，要全面深化創(chuàng)新改革，系統(tǒng)增強現(xiàn)代化監(jiān)測能力；監(jiān)測技術體系亟需從傳統(tǒng)監(jiān)測向天地一體化、自動智能化、科學精細化、集成聯(lián)動化目標發(fā)展；實施主要污染因子、重點污染河段走航試點監(jiān)測，查清水質變化與污染擴散規(guī)律。

我國水環(huán)境監(jiān)測技術體系歷經70余年，得到了長足發(fā)展，在黨的二十大報告指導，以及水資源、水環(huán)境、水生態(tài)統(tǒng)籌治理的新形勢下，我國水環(huán)境監(jiān)測需要開啟一個新的局面，這就對廣大科技工作者提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。本文通過綜述近年來水環(huán)境監(jiān)測領域的技術進展，以及探討水環(huán)境監(jiān)測研究的發(fā)展思路和方向，以期為水環(huán)境安全保障技術研究與發(fā)展提供參考。

1水環(huán)境監(jiān)測技術研究進展

1.1 常規(guī)監(jiān)測方法

常規(guī)監(jiān)測一般是指手工監(jiān)測方法與水質自動監(jiān)測方法。其中，手工監(jiān)測是水環(huán)境監(jiān)測最基礎的方法，在大力發(fā)展新興技術的時代背景下，仍然有一大批科研工作者致力于基礎方法的研究。重金屬污染是重要的水污染問題之一，納米材料比色檢測技術在重金屬離子檢測方面具有較大的技術優(yōu)勢，詳見圖1[2]。周曉麗等[3]研究了等離子體納米粒子的光學特性，總結了基于等離子體納米粒子的比色檢測方法常用策略，指出重金屬檢測技術在靈敏度、檢測效率和穩(wěn)定性等方面仍然存在問題，并提出將檢測組件結合到紙或其它材料中，以及提高試紙對飲用水消毒劑等潛在干擾物的抗干擾能力是未來重要的發(fā)展方向。

基于朗伯比爾定律，熒光分析法能夠利用熒光強度定量判斷低于某特定值濃度溶液中物質的濃度。因此，汪之睿等[4]討論了三維熒光典型熒光峰與BOD5、COD、TOC等水質指標的相關性，證明三維熒光技術在水環(huán)境監(jiān)測中具備較好的應用能力。在國家水環(huán)境監(jiān)測斷面越來越豐富的情況下，利用實驗室自動儀器分析技術代替純手工操作的需求越來越大。許秀艷等[5]研究了全自動高錳酸鹽指數(shù)分析儀的方法性能和測定影響因素，通過大量典型標準樣品和實際水樣的監(jiān)測實驗分析，得出與純手工方法測定完全可比的結果。

水質自動監(jiān)測技術因測試手段方便快捷且數(shù)據(jù)可靠而得以迅速發(fā)展。為滿足水產養(yǎng)殖水環(huán)境實時監(jiān)測的需求，潘賀等[6]研究設計了基于無線傳感器網(wǎng)絡的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對水庫水環(huán)境的pH和溶解氧的實時監(jiān)測。針對水環(huán)境監(jiān)測及無線傳感網(wǎng)絡遠距離傳輸問題，陳杰等[7]提出了基于改進的高斯骨架差分進化的波束合成遠距離傳輸優(yōu)化方法，為解決偏遠地區(qū)水環(huán)境監(jiān)測的遠距離傳輸提供了理論與技術支撐。為實現(xiàn)南水北調中線水源地漢江的水環(huán)境參數(shù)智能化監(jiān)測，王戰(zhàn)備等[8]通過LoRa無線方式控制水溫、pH、濁度等水環(huán)境數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸，研究設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的漢江水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有基于NB-IoT的OneNET云平臺自動接入與數(shù)據(jù)上傳功能，以及手機APP遠程監(jiān)測管理功能，詳見圖2。

1.2 遙感監(jiān)測方法

水環(huán)境遙感監(jiān)測主要以污染水與清潔水的光譜差異特征來監(jiān)測水污染，是較常規(guī)的水環(huán)境監(jiān)測方法，具有大范圍、多時相和快速監(jiān)測的優(yōu)勢，監(jiān)測效率高、成本低，而且污染源和污染物運移規(guī)律響應明顯。

1.2.1 高光譜數(shù)據(jù)源

高光譜遙感數(shù)據(jù)可精細化解析水體的光譜特征，但其掃描幅寬窄、重訪周期長，不適合大范圍與應急監(jiān)測。中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所針對高光譜遙感技術開展了長期的技術研發(fā)，成果豐碩[9]，提出了改進雙峰法水體分布自動化解釋、湖泊長時序水量評估、“軟分類”下水體葉綠素a濃度反演、生物光學模型高度渾濁水體懸浮物濃度反演、水色指數(shù)營養(yǎng)狀態(tài)與透明度監(jiān)測等領域新的監(jiān)測解析技術方法。

無人機遙感監(jiān)測也是高光譜數(shù)據(jù)的重要來源，董月群等[10]利用無人機高光譜遙感數(shù)據(jù)定量解析了城市河道水環(huán)境參數(shù)，構建了水表反射率n階導數(shù)與水環(huán)境參數(shù)濃度反演模型，快速獲取了城市河道水質分布情況。

陸基（地基、岸基）遙感是天-空-地立體化水環(huán)境遙感監(jiān)測體系的重要組成部分，能夠聯(lián)合處理高光譜分辨率、高空間分辨率和高時間分辨率難以統(tǒng)一的技術壁壘，還能夠對衛(wèi)星遙感監(jiān)測結果進行標定與檢驗。張運林等[11]首次提出了陸基水環(huán)境遙感理念，自主研制了如圖3所示的國產高光譜成像儀，構建了透明度、懸浮物、總氮、總磷等關鍵水質參數(shù)高精度遙感反演算法，反演精度可達80%及以上，并將相關算法植入高光譜成像儀中獲得關鍵水質參數(shù)高頻動態(tài)變化過程，精細刻畫了時間演化過程。

1.2.2 多光譜數(shù)據(jù)源

多光譜遙感可獲得多源數(shù)據(jù)，且成像幅寬大、重訪周期短，能與高光譜遙感形成優(yōu)劣互補。高分一號（GF-1）衛(wèi)星是我國用于高分辨率對地觀測研究發(fā)射的第1顆衛(wèi)星，裝配有2種遙感器，一種是全色多光譜相機，另一種是寬視場相機，可實現(xiàn)高空間分辨率、多光譜與寬覆蓋的結合。梁文秀等[12]對比研究了高分一號衛(wèi)星的WFV數(shù)據(jù)輻射、光譜和空間特征，得出WFV在大范圍中小型內陸水體環(huán)境動態(tài)監(jiān)測方面具有良好的應用前景。

肖瀟等[13]基于HJ-1A衛(wèi)星CCD同步多光譜數(shù)據(jù)，利用多種改進的BP訓練算法構建了水環(huán)境參數(shù)反演模型，可真實反映總氮濃度在不同河段、不同季節(jié)中的變化情況。為更好地開展黑臭水體篩查和監(jiān)管工作，侍昊等[14]提出了基于多旋翼無人機搭載多光譜相機的遙感監(jiān)測方案，結合影像特征變換與面向對象分類方法，提取黑臭水體的遙感信息。

1.2.3 其它數(shù)據(jù)源

毫米波輻射計具備較好的云、霧、沙暴、雨雪穿透特性，可實現(xiàn)多天氣、全時間監(jiān)測。周璐艷等[15]通過Modbus網(wǎng)絡通信協(xié)議進行無線通信，提出了一種基于毫米波無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實時監(jiān)測方案，能對水環(huán)境進行有效可靠的實時監(jiān)測。隨著國民經濟的高速發(fā)展，機械溢油事故時有發(fā)生，水體表面油膜厚度測量迫在眉睫。拉曼光譜對石油及石油提煉產品存在不同的響應特征，且特征具備“指紋性”，使其在復雜干擾條件下實現(xiàn)油膜厚度測量具有明顯的技術優(yōu)勢。蔡宗岐等[16]以532nm激光作為激發(fā)光源，研究了不同油品的拉曼光譜特性，并以此為基礎設計了油膜厚度計算因子，作為水體表面油膜厚度測量的一種依據(jù)。水體體散射函數(shù)是描述水體中光在各方向散射特性的一個重要的固有光學參數(shù)，徐聰輝等[17]研究了水體的0°～180°體散射函數(shù)測試技術，認為水體多重散射機制與校正模型，以及體散射函數(shù)與水體各組分的物化特性之間的相關關系，是廣角體散射函數(shù)的重要研究方向。

1.3 生物監(jiān)測方法

水環(huán)境生物監(jiān)測是一種觀察外在因素對生態(tài)系統(tǒng)的影響和一定時間內的生態(tài)變化，或者分析環(huán)境之間差異的方法。

1.3.1 著生藻類

著生藻類是水生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產者，繁衍速度快、生活周期短，能夠顯現(xiàn)環(huán)境的短期效應與瞬時狀態(tài)。船載生態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)是水生態(tài)在線監(jiān)測的一種重要手段，國內已建設出船載集成監(jiān)測系統(tǒng)，用于海洋、淡水生態(tài)環(huán)境和赤潮災害的預警監(jiān)測，實現(xiàn)了對溫度、鹽度、pH、葉綠素a、營養(yǎng)鹽、藻類、赤潮生物等參數(shù)的走航監(jiān)測[18]。為實現(xiàn)浮游藻類監(jiān)測工作的標準化推廣和普及應用，胡圣等[19]利用神經網(wǎng)絡模型建立了一套浮游藻類智能監(jiān)測設備，該設備能實現(xiàn)浮游藻類檢測的自動進樣、自動顯微攝影，同時可充分發(fā)揮深度學習技術在視覺分析領域的優(yōu)勢，自動進行浮游藻類智能識別和計數(shù)。

1.3.2 底棲動物類

底棲動物分值指數(shù)（CMSI）和底棲動物平均分值指數(shù)（ACMSI）與總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧之間Pearson相關性顯著，張汲偉等[20]采用統(tǒng)計法分別構建了符合我國可涉水水體（溪流等）和不可涉水水體（河流、湖泊等）的CMSI、ACMSI及水質評價等級體系。孫梟瓊等[21]利用DNA條形碼技術與傳統(tǒng)的形態(tài)學鑒定相結合，來解決枝角類與橈足類采集易殘缺的問題，研究了白洋淀枝角類與橈足類時空分布特征。

1.3.3 其它生物監(jiān)測

分子生物學是從分子水平來研究生物大分子的結構與功能，從而闡明生命現(xiàn)象本質的科學。隨著分子生物學技術的迅速發(fā)展，基于生物基因的微觀監(jiān)測方法在水環(huán)境監(jiān)測中也有了廣泛運用空間和利用價值。吳鵬等[22]研究了多種分子生物學技術方法（PCR、克隆文庫、變形梯度凝膠電泳、環(huán)介導等溫擴增、實時定量PCR、限制性片段長度多態(tài)性、核酸探針和基因芯片等）在鑒定海洋生物、評價海洋微生物安全、發(fā)現(xiàn)生物入侵種和評估海洋污染物的生態(tài)效應等方面的運用，為分子生物學技術在海洋環(huán)境監(jiān)測中的合理應用提供了理論借鑒。生物傳感器利用生物分子之間的特異性識別作用，實現(xiàn)對生物、化學靶標的檢測，在許多領域具有重要的應用價值。夏善紅等[23]研究了酶、免疫、DNA、組織、微生物等生物傳感器及其在水環(huán)境監(jiān)測領域的應用進展，認為生物傳感器亟需創(chuàng)新發(fā)展，與微納米技術、微流控技術相結合，實現(xiàn)小體積、快響應、高靈敏、強抗干擾、長使用壽命。

2 水環(huán)境監(jiān)測技術發(fā)展思路

目前，水資源利用過量、水質污染、海岸帶生態(tài)空間逐漸縮小等水環(huán)境安全問題日益嚴重，水環(huán)境監(jiān)測技術依然面臨著很大挑戰(zhàn)。基于現(xiàn)有技術方法存在的問題，未來還需繼續(xù)完善監(jiān)測技術體系，制定與自動監(jiān)測、快速監(jiān)測等相匹配的監(jiān)測指標和技術規(guī)范，推動科研成果和新技術的轉化推廣，強化多源遙感、生物監(jiān)測等高新技術的應用，提升水環(huán)境監(jiān)測立體化、自動化、智能化水平。圖4對水環(huán)境監(jiān)測技術發(fā)展構架進行了說明。

3水環(huán)境監(jiān)測技術優(yōu)化方向分析

3.1 完善監(jiān)測技術體系

3.1.1 高新技術創(chuàng)新

3.1.1.1 完善監(jiān)測指標體系

研究針對各類水環(huán)境監(jiān)測遙感衛(wèi)星的波段配置、信噪比要求，深化水質參數(shù)屬性特征和波譜特征認知；進一步研究水生植物、風力干擾、船體擾動等各類干擾因素與遙感水質參數(shù)的關系。提升生物、生態(tài)和有機物毒性監(jiān)測等應用，完善監(jiān)測指標體系；加強微生物酶活、光合作用、群落代謝、呼吸作用和次級生產力等功能性參數(shù)指標的應用，推動分子生物學方法研究，獲取高質量、高含量DNA或RNA樣品，加強測序技術、基因芯片和生物信息學等發(fā)展。

3.1.1.2 優(yōu)化反演算法

豐富并發(fā)展涉及多參數(shù)、多類型的遙感算法，精確反演參數(shù)濃度及其動態(tài)變化。反演參數(shù)主要分為漫射衰減系數(shù)、透明度、葉綠素、顆粒有機碳、有色可溶性有機物、藻密度、水生植被等有明確光學信號的直接參數(shù)，以及總氮、顆粒態(tài)磷、藻毒素、細胞粒徑、群落結構和初級生產力等沒有明確光學信號的間接參數(shù)兩大類。另外，需要研究精確且可移植性強的大氣校正算法來弱化大氣、光照等因素的影響。

3.1.2 多尺度大尺度監(jiān)測模式構建

大數(shù)據(jù)和云計算技術的快速發(fā)展，為水環(huán)境高分辨率監(jiān)測提供了技術支撐，多源數(shù)據(jù)融合是未來水環(huán)境監(jiān)測的發(fā)展方向。

構建水環(huán)境監(jiān)測的大數(shù)據(jù)保障體系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)時空一體化。融合多種監(jiān)測指標，不同的監(jiān)測指標之間互相彌補，形成監(jiān)測指標全覆蓋，提高監(jiān)測指標的精確度、適用性。耦合航空航天、無人機、陸基（地基、岸基）遙感，構建天-空-地立體化監(jiān)測體系，結合斷面人工巡測與自動觀測開展協(xié)同監(jiān)測，實現(xiàn)水環(huán)境關鍵水質參數(shù)的歷史長時序重建和實時高頻動態(tài)監(jiān)測。結合多源數(shù)據(jù)，綜合常規(guī)監(jiān)測、遙感監(jiān)測、生物監(jiān)測等各方法優(yōu)勢，實現(xiàn)監(jiān)測信息互補，發(fā)展不受水體、季節(jié)和空間變化約束的普適性更強的可遷移反演模型。實現(xiàn)水環(huán)境監(jiān)測大數(shù)據(jù)時空可視化、過程模擬可視化、監(jiān)測成果可視化，建立基于不同尺度、區(qū)域、流域的可視化標準體系。

3.2 提高感知裝備性能

目前，國產水環(huán)境監(jiān)測裝備在監(jiān)測性能和功能等方面取得了巨大進步，自動監(jiān)測裝備集成、裝備管理平臺開發(fā)等研究也取得了重要進展。但在適用于不同應用場景和業(yè)務需求的水環(huán)境監(jiān)測集成設備（如藻類、浮游生物在線監(jiān)測儀器等）方面，仍需針對關鍵技術開展攻關。另外，在通信技術方面，5G技術的廣泛應用可推動水環(huán)境監(jiān)測領域的快速發(fā)展。

3.3 加強智能化建設

合理有效地使用大數(shù)據(jù)和云技術為水環(huán)境監(jiān)測研究提供輔助，推動完成水環(huán)境監(jiān)測的體系化與業(yè)務化，逐步實現(xiàn)天地基一體化監(jiān)測。

大力發(fā)展水質監(jiān)測機器人，在監(jiān)測參數(shù)分析上，可依托大數(shù)據(jù)、AI技術，深入挖掘AI分析方法；在反演模型構建上，可發(fā)展輻射傳輸機理模型，以及神經網(wǎng)絡、隨機森林、機器學習、深度學習等人工智能算法。如，基于無人機遙感數(shù)據(jù)和機器學習算法反演總氮濃度；使用近端遙感和神經網(wǎng)絡對總氮、總磷、COD進行預測等。

結語

堅持“綠水青山就是金山銀山”，引領美麗中國建設的發(fā)展理念已深入人心，而做好對水環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測評價是其中至關重要的一點。水環(huán)境常規(guī)監(jiān)測、遙感監(jiān)測、生物監(jiān)測技術在江河湖海等水環(huán)境系統(tǒng)監(jiān)測與評價中發(fā)揮了關鍵作用，所取得的成果為我國水環(huán)境管理與研究提供了有益經驗。未來，還需進一步構建天地一體化、自動智能化、科學精細化、集成聯(lián)動化的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，為水環(huán)境科學管理和“雙碳”目標的實現(xiàn)提供重要支撐。

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作者簡介

虞登梅（1972—），女，漢族，江蘇徐州人，本科，助理實驗師，主要從事水環(huán)境實驗教學與管理工作。