智慧水文背景下的水環(huán)境監(jiān)測實驗室發(fā)展探析

陳成勇,馮冬青

(聊城市水文中心,山東 聊城 252000)

水資源是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ),而水環(huán)境監(jiān)測是保護水資源和維護生態(tài)環(huán)境的重要手段。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和人口的不斷增長,水資源的供需矛盾日益突出[1],水環(huán)境的質(zhì)量也面臨著日益嚴峻的挑戰(zhàn)。為了有效地保護水資源和維護生態(tài)環(huán)境,作為水環(huán)境監(jiān)測重要載體的水環(huán)境監(jiān)測實驗室也需要不斷創(chuàng)新和發(fā)展,以適應(yīng)智慧水文時代的發(fā)展要求。智慧水文作為信息化技術(shù)與水資源管理的深度融合,為水環(huán)境監(jiān)測提供了新的思路和手段。

文章采用理論研究和案例分析等方法,探討智慧水環(huán)境監(jiān)測實驗室的建設(shè)和發(fā)展,以期為智慧水文時代水環(huán)境監(jiān)測實驗室的發(fā)展提供有益的思路和建議。

1 智慧水文和水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)綜述

近年來,水文智慧化背景下的智慧水環(huán)境監(jiān)測實驗室建設(shè)方面的發(fā)展較為迅速。

1)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù):智慧水環(huán)境監(jiān)測實驗室采用了多種傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),如氣象站、水文站、水質(zhì)傳感器等,通過建立監(jiān)測站點網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)對水文要素和水環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集。

2)大數(shù)據(jù)技術(shù):隨著數(shù)據(jù)采集的不斷積累,智慧水環(huán)境監(jiān)測實驗室也在加強對大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用,如數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析和建模等,以提高數(shù)據(jù)處理和分析的效率和準確性。

3)人工智能技術(shù):智慧水環(huán)境監(jiān)測實驗室也開始嘗試運用人工智能技術(shù),如機器學習、深度學習等,以提高數(shù)據(jù)處理和分析的自動化程度和智能化水平。

4)區(qū)塊鏈技術(shù):為了保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的安全性和可信度,一些智慧水環(huán)境監(jiān)測實驗室也開始引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù),通過去中心化的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和管理。

5)聯(lián)合研究和應(yīng)用:智慧水環(huán)境監(jiān)測實驗室的建設(shè)也越來越注重與其他領(lǐng)域的聯(lián)合研究和應(yīng)用,如與生態(tài)保護、水資源管理等領(lǐng)域的合作,以實現(xiàn)更全面、更高效的水環(huán)境監(jiān)測和保護[1]。

1.1 智慧水文技術(shù)

智慧水文技術(shù)是指將現(xiàn)代信息技術(shù)、傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能等技術(shù)手段應(yīng)用于水文領(lǐng)域,實現(xiàn)水文要素和水環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析和預(yù)測預(yù)警,從而實現(xiàn)水資源的高效利用和水環(huán)境的保護。智慧水文技術(shù)主要包括水文傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與傳輸技術(shù)、水文數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)、水文模型與預(yù)測技術(shù)、水資源管理與決策支持技術(shù)等。

1.2 水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)

水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)是指對水環(huán)境參數(shù)進行定量監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析和評估的技術(shù)手段,為水環(huán)境管理和保護提供科學依據(jù)。水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)主要包括水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)、水量監(jiān)測技術(shù)、水生態(tài)監(jiān)測技術(shù)、水環(huán)境遙感技術(shù)等。

智慧水文技術(shù)通過實時監(jiān)測水位、流量、水質(zhì)等水文要素和水環(huán)境參數(shù),提供精準、全面的水環(huán)境數(shù)據(jù),為水環(huán)境監(jiān)測和管理提供了有力的支撐;水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)則通過對水環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測和評估,提供水環(huán)境保護和管理的科學依據(jù),為智慧水文技術(shù)的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和驗證手段。

以下是一些水文智慧化背景下智慧水環(huán)境監(jiān)測實驗室建設(shè)的真實案例:

1)深圳市智慧水環(huán)境監(jiān)測實驗室:該實驗室利用傳感器、互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)等手段,實現(xiàn)水環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析,同時能夠預(yù)測水質(zhì)變化和發(fā)出預(yù)警信號,為城市水環(huán)境管理提供了科學數(shù)據(jù)支持。

2)南京水文水資源勘測局智慧水環(huán)境監(jiān)測實驗室:該實驗室建設(shè)了水文遙感信息處理與分析系統(tǒng)、水環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)、水文模型模擬系統(tǒng)等技術(shù)平臺,實現(xiàn)了對水資源和水環(huán)境的全方位、立體化、動態(tài)化監(jiān)測和管理。

3)上海海洋大學智慧水域環(huán)境監(jiān)測實驗室:該實驗室利用多智能傳感器、實時數(shù)據(jù)處理技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等手段,實現(xiàn)了對海洋生態(tài)環(huán)境的多參數(shù)監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析,為海洋環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展提供了科學數(shù)據(jù)支持。

4)北京市水科學技術(shù)研究院智慧水環(huán)境監(jiān)測實驗室:該實驗室建設(shè)了智能水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)和智能水文站等技術(shù)平臺,實現(xiàn)了對北京地區(qū)范圍內(nèi)的大型流域的水環(huán)境監(jiān)測和管理,為水資源保護和生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供了技術(shù)支持。

這些案例展示了智慧水環(huán)境監(jiān)測實驗室的建設(shè)在保護水資源和維護生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮著重要作用,同時也為實驗室建設(shè)提供了有益的經(jīng)驗和啟示。

綜上所述,智慧水文技術(shù)和水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的深度融合,將成為智慧水文時代水環(huán)境監(jiān)測的重要發(fā)展趨勢,也將推動水環(huán)境監(jiān)測實驗室的創(chuàng)新和發(fā)展。

2 水環(huán)境監(jiān)測實驗室的建設(shè)與發(fā)展

2.1 水環(huán)境監(jiān)測實驗室的意義

水環(huán)境監(jiān)測實驗室是為滿足水環(huán)境監(jiān)測和評估需要建立的一種具備實驗研究能力的場所,主要用于開展水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)研究、新技術(shù)、新方法的探索和應(yīng)用,為水環(huán)境保護和管理提供科學依據(jù)。水環(huán)境監(jiān)測實驗室的建設(shè)和發(fā)展,對于提高水環(huán)境監(jiān)測水平,推動智慧水文技術(shù)和水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

2.2 水環(huán)境監(jiān)測實驗室的組成

水環(huán)境監(jiān)測實驗室的組成和包括實驗室管理系統(tǒng)、實驗室建筑和基礎(chǔ)設(shè)施、實驗設(shè)備和分析儀器等。其中,實驗設(shè)備和分析儀器是實驗室的核心設(shè)備,主要包括水質(zhì)分析儀器、水量監(jiān)測設(shè)備、水生態(tài)監(jiān)測設(shè)備、水環(huán)境遙感設(shè)備、水環(huán)境模擬設(shè)備、數(shù)據(jù)處理和管理系統(tǒng)等。這些設(shè)備和儀器是實驗室開展水環(huán)境監(jiān)測、分析、評估和研究的必備條件,也是實驗室在智慧水文時代的重要支撐[2]。

2.3 水環(huán)境監(jiān)測實驗室的運行與管理

水環(huán)境監(jiān)測實驗室的運行與管理需要建立完善的管理制度和規(guī)范操作流程,確保實驗室的設(shè)備和儀器保持良好的狀態(tài),數(shù)據(jù)處理和管理工作規(guī)范有序。在實驗室運行過程中,需要制定科學的實驗方案和操作規(guī)程,定期進行實驗設(shè)備和儀器的校準和維護,保證實驗數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。此外,實驗室需要加強與相關(guān)部門和單位的合作與交流,共同推動水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,提高實驗室的技術(shù)水平和應(yīng)用能力。

3 智慧水環(huán)境監(jiān)測實驗室的建設(shè)與發(fā)展

3.1 智慧水環(huán)境監(jiān)測實驗室的概念和特點

智慧水環(huán)境監(jiān)測實驗室是指在傳統(tǒng)水環(huán)境監(jiān)測實驗室基礎(chǔ)上,采用智能化技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),集成水環(huán)境監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理和管理等多種功能的現(xiàn)代化實驗室。智慧水環(huán)境監(jiān)測實驗室具有自動化、信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等特點,能夠?qū)崿F(xiàn)水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時采集、實時傳輸和實時處理,提高水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性和實用性。

3.2 智慧水環(huán)境監(jiān)測實驗室技術(shù)

智慧水環(huán)境監(jiān)測實驗室的技術(shù)和方法主要包括傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)、人工智能技術(shù)、云計算技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)等。其中,傳感器技術(shù)是實現(xiàn)智慧化的基礎(chǔ),可以實現(xiàn)對水環(huán)境中水質(zhì)、水量、水生態(tài)等多個指標的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集;數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)可以對采集到的數(shù)據(jù)進行快速處理和分析,提取數(shù)據(jù)中的有效信息;人工智能技術(shù)和云計算技術(shù)可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的深度挖掘和分析;虛擬仿真技術(shù)可以模擬出水環(huán)境中的多種情況,輔助實驗研究和數(shù)據(jù)分析。

3.3 智慧水環(huán)境監(jiān)測實驗室的優(yōu)勢

智慧水環(huán)境監(jiān)測實驗室的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的實時性、準確性和可靠性上,同時也具備高效性、智能化和自動化等特點。智慧水環(huán)境監(jiān)測實驗室可以應(yīng)用于水環(huán)境監(jiān)測、水環(huán)境評估、水污染控制和水資源管理等多個領(lǐng)域,特別是在應(yīng)急監(jiān)測和預(yù)警、水污染治理和環(huán)境風險評估等方面,具備重要的應(yīng)用價值。

4 智慧水環(huán)境監(jiān)測實驗室發(fā)展的定位和策略

4.1 發(fā)展定位和目標

智慧水環(huán)境監(jiān)測實驗室的發(fā)展定位是基于智慧水文背景下,利用先進的監(jiān)測設(shè)備、傳感器技術(shù)以及信息技術(shù),對水環(huán)境質(zhì)量進行全方位、高效、精準的監(jiān)測和分析,為保障水資源的合理利用和保護水生態(tài)環(huán)境提供支持和保障。具體目標包括:①提高水環(huán)境監(jiān)測的科學性和精度;②推動水環(huán)境監(jiān)測的自動化和智能化;③實現(xiàn)水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時共享和應(yīng)用。

4.2 發(fā)展策略和措施

為了實現(xiàn)以上目標,智慧水環(huán)境監(jiān)測實驗室需要采取以下策略和措施:

1)優(yōu)化實驗室設(shè)施:通過引入先進的監(jiān)測設(shè)備、傳感器技術(shù)和信息技術(shù),建立高效、精準、智能的水環(huán)境監(jiān)測體系。

2)建立科學的數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng):通過數(shù)據(jù)采集、處理、分析和模型模擬,實現(xiàn)對水環(huán)境質(zhì)量變化趨勢和污染源監(jiān)測的精準評估。

3)有針對性的制定實驗室質(zhì)量管理策略,包括內(nèi)部質(zhì)量控制(IQC),使用內(nèi)部參考材料、標準和協(xié)議來監(jiān)測實驗室數(shù)據(jù)的準確性和精確性的過程。外部質(zhì)量評估(EQA),包括參與外部能力測試項目,實驗室接收已知濃度的樣品并對其進行盲法分析。質(zhì)量保證/質(zhì)量控制(QA/QC),使用內(nèi)部、外部審核和定期審查,以確保實驗室數(shù)據(jù)準確、可靠,并符合監(jiān)管要求。

4)推動數(shù)據(jù)共享和開放:通過數(shù)據(jù)共享和開放,提高水環(huán)境監(jiān)測的效率和精度,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和應(yīng)用。

5)形成實驗室專屬的標準操作程序(SOP),SOP是所有實驗室程序的詳細協(xié)議,包括樣品的收集、處理、保存和分析。這些程序確保所有實驗室工作人員遵循一致和可重復(fù)的方法。

6)強化人才隊伍建設(shè):注重人才培養(yǎng),加強技術(shù)交流和合作,提高人才隊伍的創(chuàng)新能力和專業(yè)水平。

7)積極開展科研與技術(shù)創(chuàng)新:積極開展水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)研究和創(chuàng)新,探索新型的水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)和方法,提高水環(huán)境監(jiān)測的科學性和精度。

5 結(jié)論和展望

文章主要探討了水文智慧化背景下水環(huán)境監(jiān)測實驗室的發(fā)展定位和策略,重點介紹了智慧水環(huán)境監(jiān)測實驗室的概念和特點、技術(shù)和方法、優(yōu)勢和應(yīng)用,以及水環(huán)境監(jiān)測實驗室的建設(shè)與發(fā)展、運行與管理等方面的內(nèi)容。通過對水環(huán)境監(jiān)測實驗室和智慧水環(huán)境監(jiān)測實驗室的對比分析,文章闡明了智慧水環(huán)境監(jiān)測實驗室在實時性、準確性、自動化程度、數(shù)據(jù)分析能力等方面的發(fā)展定位與策略[3]。

隨著智慧水文的不斷發(fā)展和水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的不斷迭代更新,未來水環(huán)境監(jiān)測實驗室將面臨更多的機遇和挑戰(zhàn)。因此,后續(xù)的研究可以從以下幾個方向開展。

1)加強跨學科合作,如水生態(tài)學、環(huán)境科學、水文學、地理信息系統(tǒng)等,以便獲取更全面的信息和知識,提高實驗室的監(jiān)測研究水平。

2)將智慧水環(huán)境監(jiān)測實驗室與其他智慧水文系統(tǒng)進行整合,并進行數(shù)據(jù)挖掘和分析,進一步提高水環(huán)境監(jiān)測的效率和精準性,實現(xiàn)對水環(huán)境的全面監(jiān)測和預(yù)警。

3)探討智慧水環(huán)境監(jiān)測實驗室在水環(huán)境保護和治理方面的應(yīng)用,依托數(shù)字孿生水文技術(shù)將實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)與模型進行比對,更準確地預(yù)測水環(huán)境變化趨勢并提供及時的預(yù)警,融入到服務(wù)全社會經(jīng)濟社會發(fā)展的大潮當中,為實現(xiàn)水環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)和方法支持。

4)積極尋求國內(nèi)外水環(huán)境監(jiān)測相關(guān)領(lǐng)域的合作伙伴,深化國際合作開展研究和技術(shù)交流,共同推進水環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的發(fā)展,提高智慧水環(huán)境監(jiān)測實驗室的國際競爭力。