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(xué)精細(xì)、自動智能、集成聯(lián)動與可視化表達(dá)是水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建的新發(fā)展模式。結(jié)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(lǐng)域的研究進(jìn)展，從方法、技術(shù)、應(yīng)用等方面闡述水環(huán)境監(jiān)測發(fā)展現(xiàn)狀，同時(shí)針對日益突出的水環(huán)境安全問題，在監(jiān)測技術(shù)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(jìn)行分析。

關(guān)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(bào)》顯示，我國依然存在嚴(yán)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(yán)重，而且隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水資源利用過量、水質(zhì)污染、海岸帶生態(tài)空間逐漸縮小等問題日益突出，直接導(dǎo)致我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境建設(shè)進(jìn)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(chǔ)，在水資源短缺和水污染日益嚴(yán)重的形勢下，水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的進(jìn)步對相關(guān)研究和交流的支撐作用也日益增強(qiáng)。2020年4月，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《關(guān)于推進(jìn)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(qiáng)現(xiàn)代化監(jiān)測能力；監(jiān)測技術(shù)體系亟需從傳統(tǒng)監(jiān)測向天地一體化、自動智能化、科學(xué)精細(xì)化、集成聯(lián)動化目標(biāo)發(fā)展；實(shí)施主要污染因子、重點(diǎn)污染河段走航試點(diǎn)監(jiān)測，查清水質(zhì)變化與污染擴(kuò)散規(guī)律。

我國水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)體系歷經(jīng)70余年，得到了長足發(fā)展，在黨的二十大報(bào)告指導(dǎo)，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(gè)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(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)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(shù)研究與發(fā)展提供參考。

1水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)研究進(jìn)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(zhì)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(chǔ)的方法，在大力發(fā)展新興技術(shù)的時(shí)代背景下，仍然有一大批科研工作者致力于基礎(chǔ)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(shù)在重金屬離子檢測方面具有較大的技術(shù)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(xué)特性，總結(jié)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(shù)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(jié)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(qiáng)度定量判斷低于某特定值濃度溶液中物質(zhì)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(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性，證明三維熒光技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測中具備較好的應(yīng)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(shí)驗(yàn)室自動儀器分析技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)樣品和實(shí)際水樣的監(jiān)測實(shí)驗(yàn)分析，得出與純手工方法測定完全可比的結(jié)果。

水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)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(chǎn)養(yǎng)殖水環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測的需求，潘賀等[6]研究設(shè)計(jì)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對水庫水環(huán)境的pH和溶解氧的實(shí)時(shí)監(jiān)測。針對水環(huán)境監(jiān)測及無線傳感網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離傳輸問題，陳杰等[7]提出了基于改進(jìn)的高斯骨架差分進(jìn)化的波束合成遠(yuǎn)距離傳輸優(yōu)化方法，為解決偏遠(yuǎn)地區(qū)水環(huán)境監(jiān)測的遠(yuǎn)距離傳輸提供了理論與技術(shù)支撐。為實(shí)現(xiàn)南水北調(diào)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(shè)計(jì)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(jī)APP遠(yuǎn)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(shí)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(yùn)移規(guī)律響應(yīng)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(xì)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(yīng)急監(jiān)測。中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所針對高光譜遙感技術(shù)開展了長期的技術(shù)研發(fā)，成果豐碩[9]，提出了改進(jìn)雙峰法水體分布自動化解釋、湖泊長時(shí)序水量評估、“軟分類”下水體葉綠素a濃度反演、生物光學(xué)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(lǐng)域新的監(jiān)測解析技術(shù)方法。

無人機(jī)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(jī)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(gòu)建了水表反射率n階導(dǎo)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(zhì)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(shí)間分辨率難以統(tǒng)一的技術(shù)壁壘，還能夠?qū)πl(wèi)星遙感監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定與檢驗(yàn)。張運(yùn)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(chǎn)高光譜成像儀，構(gòu)建了透明度、懸浮物、總氮、總磷等關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)高精度遙感反演算法，反演精度可達(dá)80%及以上，并將相關(guān)算法植入高光譜成像儀中獲得關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)高頻動態(tài)變化過程，精細(xì)刻畫了時(shí)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(bǔ)。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(jī)，另一種是寬視場相機(jī)，可實(shí)現(xiàn)高空間分辨率、多光譜與寬覆蓋的結(jié)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(nèi)陸水體環(huán)境動態(tài)監(jiān)測方面具有良好的應(yīng)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(jìn)的BP訓(xùn)練算法構(gòu)建了水環(huán)境參數(shù)反演模型，可真實(shí)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(jī)搭載多光譜相機(jī)的遙感監(jiān)測方案，結(jié)合影像特征變換與面向?qū)ο蠓诸惙椒ǎ崛『诔羲w的遙感信息。

1.2.3 其它數(shù)據(jù)源

毫米波輻射計(jì)具備較好的云、霧、沙暴、雨雪穿透特性，可實(shí)現(xiàn)多天氣、全時(shí)間監(jiān)測。周璐艷等[15]通過Modbus網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議進(jìn)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(shí)時(shí)監(jiān)測方案，能對水環(huán)境進(jìn)行有效可靠的實(shí)時(shí)監(jiān)測。隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，機(jī)械溢油事故時(shí)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(chǎn)品存在不同的響應(yīng)特征，且特征具備“指紋性”，使其在復(fù)雜干擾條件下實(shí)現(xiàn)油膜厚度測量具有明顯的技術(shù)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(chǔ)設(shè)計(jì)了油膜厚度計(jì)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(gè)重要的固有光學(xué)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(shù)，認(rèn)為水體多重散射機(jī)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(guān)關(guān)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(shí)間內(nèi)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(chǎn)者，繁衍速度快、生活周期短，能夠顯現(xiàn)環(huán)境的短期效應(yīng)與瞬時(shí)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(nèi)已建設(shè)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(zāi)害的預(yù)警監(jiān)測，實(shí)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(shí)現(xiàn)浮游藻類監(jiān)測工作的標(biāo)準(zhǔn)化推廣和普及應(yīng)用，胡圣等[19]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立了一套浮游藻類智能監(jiān)測設(shè)備，該設(shè)備能實(shí)現(xiàn)浮游藻類檢測的自動進(jìn)樣、自動顯微攝影，同時(shí)可充分發(fā)揮深度學(xué)習(xí)技術(shù)在視覺分析領(lǐng)域的優(yōu)勢，自動進(jìn)行浮游藻類智能識別和計(jì)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(guān)性顯著，張汲偉等[20]采用統(tǒng)計(jì)法分別構(gòu)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(zhì)評價(jià)等級體系。孫梟瓊等[21]利用DNA條形碼技術(shù)與傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)鑒定相結(jié)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(shí)空分布特征。

1.3.3 其它生物監(jiān)測

分子生物學(xué)是從分子水平來研究生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能，從而闡明生命現(xiàn)象本質(zhì)的科學(xué)。隨著分子生物學(xué)技術(shù)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(yùn)用空間和利用價(jià)值。吳鵬等[22]研究了多種分子生物學(xué)技術(shù)方法（PCR、克隆文庫、變形梯度凝膠電泳、環(huán)介導(dǎo)等溫?cái)U(kuò)增、實(shí)時(shí)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(jià)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(yīng)等方面的運(yùn)用，為分子生物學(xué)技術(shù)在海洋環(huán)境監(jiān)測中的合理應(yīng)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(shí)現(xiàn)對生物、化學(xué)靶標(biāo)的檢測，在許多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)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(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展，認(rèn)為生物傳感器亟需創(chuàng)新發(fā)展，與微納米技術(shù)、微流控技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)小體積、快響應(yīng)、高靈敏、強(qiáng)抗干擾、長使用壽命。

2 水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)發(fā)展思路

目前，水資源利用過量、水質(zhì)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(yán)重，水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)依然面臨著很大挑戰(zhàn)?；诂F(xiàn)有技術(shù)方法存在的問題，未來還需繼續(xù)完善監(jiān)測技術(shù)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(biāo)和技術(shù)規(guī)范，推動科研成果和新技術(shù)的轉(zhuǎn)化推廣，強(qiáng)化多源遙感、生物監(jiān)測等高新技術(shù)的應(yīng)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(shù)發(fā)展構(gòu)架進(jìn)行了說明。

3水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)優(yōu)化方向分析

3.1 完善監(jiān)測技術(shù)體系

3.1.1 高新技術(shù)創(chuàng)新

3.1.1.1 完善監(jiān)測指標(biāo)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(zhì)參數(shù)屬性特征和波譜特征認(rèn)知；進(jìn)一步研究水生植物、風(fēng)力干擾、船體擾動等各類干擾因素與遙感水質(zhì)參數(shù)的關(guān)系。提升生物、生態(tài)和有機(jī)物毒性監(jiān)測等應(yīng)用，完善監(jiān)測指標(biāo)體系；加強(qiáng)微生物酶活、光合作用、群落代謝、呼吸作用和次級生產(chǎn)力等功能性參數(shù)指標(biāo)的應(yīng)用，推動分子生物學(xué)方法研究，獲取高質(zhì)量、高含量DNA或RNA樣品，加強(qiáng)測序技術(shù)、基因芯片和生物信息學(xué)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(jī)碳、有色可溶性有機(jī)物、藻密度、水生植被等有明確光學(xué)信號的直接參數(shù)，以及總氮、顆粒態(tài)磷、藻毒素、細(xì)胞粒徑、群落結(jié)構(gòu)和初級生產(chǎn)力等沒有明確光學(xué)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(qiáng)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(gòu)建

大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，為水環(huán)境高分辨率監(jiān)測提供了技術(shù)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(gòu)建水環(huán)境監(jiān)測的大數(shù)據(jù)保障體系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)時(shí)空一體化。融合多種監(jiān)測指標(biāo)，不同的監(jiān)測指標(biāo)之間互相彌補(bǔ)，形成監(jiān)測指標(biāo)全覆蓋，提高監(jiān)測指標(biāo)的精確度、適用性。耦合航空航天、無人機(jī)、陸基（地基、岸基）遙感，構(gòu)建天-空-地立體化監(jiān)測體系，結(jié)合斷面人工巡測與自動觀測開展協(xié)同監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)水環(huán)境關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)的歷史長時(shí)序重建和實(shí)時(shí)高頻動態(tài)監(jiān)測。結(jié)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(shí)現(xiàn)監(jiān)測信息互補(bǔ)，發(fā)展不受水體、季節(jié)和空間變化約束的普適性更強(qiáng)的可遷移反演模型。實(shí)現(xiàn)水環(huán)境監(jiān)測大數(shù)據(jù)時(shí)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(biāo)準(zhǔn)體系。

3.2 提高感知裝備性能

目前，國產(chǎn)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(jìn)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(jìn)展。但在適用于不同應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)需求的水環(huán)境監(jiān)測集成設(shè)備（如藻類、浮游生物在線監(jiān)測儀器等）方面，仍需針對關(guān)鍵技術(shù)開展攻關(guān)。另外，在通信技術(shù)方面，5G技術(shù)的廣泛應(yīng)用可推動水環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的快速發(fā)展。

3.3 加強(qiáng)智能化建設(shè)

合理有效地使用大數(shù)據(jù)和云技術(shù)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(wù)化，逐步實(shí)現(xiàn)天地基一體化監(jiān)測。

大力發(fā)展水質(zhì)監(jiān)測機(jī)器人，在監(jiān)測參數(shù)分析上，可依托大數(shù)據(jù)、AI技術(shù)，深入挖掘AI分析方法；在反演模型構(gòu)建上，可發(fā)展輻射傳輸機(jī)理模型，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、隨機(jī)森林、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等人工智能算法。如，基于無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法反演總氮濃度；使用近端遙感和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對總氮、總磷、COD進(jìn)行預(yù)測等。

結(jié)語

堅(jiān)持“綠水青山就是金山銀山”，引領(lǐng)美麗中國建設(shè)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(jià)是其中至關(guān)重要的一點(diǎn)。水環(huán)境常規(guī)監(jiān)測、遙感監(jiān)測、生物監(jiān)測技術(shù)在江河湖海等水環(huán)境系統(tǒng)監(jiān)測與評價(jià)中發(fā)揮了關(guān)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(jīng)驗(yàn)。未來，還需進(jìn)一步構(gòu)建天地一體化、自動智能化、科學(xué)精細(xì)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(xué)管理和“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供重要支撐。

參考文獻(xiàn)

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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(shí)驗(yàn)師，主要從事水環(huán)境實(shí)驗(yàn)教學(xué)與管理工作。