智慧水文背景下的水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)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(lèi)生存和發(fā)展的基礎(chǔ),而水環(huán)境監(jiān)測(cè)是保護(hù)水資源和維護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要手段。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的不斷增長(zhǎng),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(yán)峻的挑戰(zhàn)。為了有效地保護(hù)水資源和維護(hù)生態(tài)環(huán)境,作為水環(huán)境監(jiān)測(cè)重要載體的水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室也需要不斷創(chuàng)新和發(fā)展,以適應(yīng)智慧水文時(shí)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(cè)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(cè)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和發(fā)展,以期為智慧水文時(shí)代水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)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(cè)技術(shù)綜述

近年來(lái),水文智慧化背景下的智慧水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)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(cè)實(shí)驗(yàn)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(guò)建立監(jiān)測(cè)站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)對(duì)水文要素和水環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)實(shí)驗(yàn)室也在加強(qiáng)對(duì)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(zhǔn)確性。

3)人工智能技術(shù):智慧水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室也開(kāi)始嘗試運(yùn)用人工智能技術(shù),如機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等,以提高數(shù)據(jù)處理和分析的自動(dòng)化程度和智能化水平。

4)區(qū)塊鏈技術(shù):為了保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的安全性和可信度,一些智慧水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室也開(kāi)始引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù),通過(guò)去中心化的方式實(shí)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(cè)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)也越來(lái)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(hù)、水資源管理等領(lǐng)域的合作,以實(shí)現(xiàn)更全面、更高效的水環(huán)境監(jiān)測(cè)和保護(hù)[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(shí)現(xiàn)水文要素和水環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)預(yù)警,從而實(shí)現(xiàn)水資源的高效利用和水環(huán)境的保護(hù)。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(cè)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(cè)技術(shù)

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

智慧水文技術(shù)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位、流量、水質(zhì)等水文要素和水環(huán)境參數(shù),提供精準(zhǔn)、全面的水環(huán)境數(shù)據(jù),為水環(huán)境監(jiān)測(cè)和管理提供了有力的支撐;水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)則通過(guò)對(duì)水環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)和評(píng)估,提供水環(huán)境保護(hù)和管理的科學(xué)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(yàn)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(cè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的真實(shí)案例:

1)深圳市智慧水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室:該實(shí)驗(yàn)室利用傳感器、互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)等手段,實(shí)現(xiàn)水環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析,同時(shí)能夠預(yù)測(cè)水質(zhì)變化和發(fā)出預(yù)警信號(hào),為城市水環(huán)境管理提供了科學(xué)數(shù)據(jù)支持。

2)南京水文水資源勘測(cè)局智慧水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室:該實(shí)驗(yàn)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(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、水文模型模擬系統(tǒng)等技術(shù)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了對(duì)水資源和水環(huán)境的全方位、立體化、動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)和管理。

3)上海海洋大學(xué)智慧水域環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室:該實(shí)驗(yàn)室利用多智能傳感器、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等手段,實(shí)現(xiàn)了對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的多參數(shù)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析,為海洋環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供了科學(xué)數(shù)據(jù)支持。

4)北京市水科學(xué)技術(shù)研究院智慧水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室:該實(shí)驗(yàn)室建設(shè)了智能水環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)和智能水文站等技術(shù)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了對(duì)北京地區(qū)范圍內(nèi)的大型流域的水環(huán)境監(jiān)測(cè)和管理,為水資源保護(hù)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(cè)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)在保護(hù)水資源和維護(hù)生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮著重要作用,同時(shí)也為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提供了有益的經(jīng)驗(yàn)和啟示。

綜上所述,智慧水文技術(shù)和水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的深度融合,將成為智慧水文時(shí)代水環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要發(fā)展趨勢(shì),也將推動(dòng)水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)新和發(fā)展。

2 水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與發(fā)展

2.1 水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室的意義

水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室是為滿足水環(huán)境監(jiān)測(cè)和評(píng)估需要建立的一種具備實(shí)驗(yàn)研究能力的場(chǎng)所,主要用于開(kāi)展水環(huán)境監(jiān)測(cè)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(hù)和管理提供科學(xué)依據(jù)。水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和發(fā)展,對(duì)于提高水環(huán)境監(jiān)測(cè)水平,推動(dòng)智慧水文技術(shù)和水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

2.2 水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室的組成

水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室的組成和包括實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室建筑和基礎(chǔ)設(shè)施、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和分析儀器等。其中,實(shí)驗(yàn)設(shè)備和分析儀器是實(shí)驗(yàn)室的核心設(shè)備,主要包括水質(zhì)分析儀器、水量監(jiān)測(cè)設(shè)備、水生態(tài)監(jiān)測(cè)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(shí)驗(yàn)室開(kāi)展水環(huán)境監(jiān)測(cè)、分析、評(píng)估和研究的必備條件,也是實(shí)驗(yàn)室在智慧水文時(shí)代的重要支撐[2]。

2.3 水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行與管理

水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室運(yùn)行過(guò)程中,需要制定科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方案和操作規(guī)程,定期進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器的校準(zhǔn)和維護(hù),保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。此外,實(shí)驗(yàn)室需要加強(qiáng)與相關(guān)部門(mén)和單位的合作與交流,共同推動(dòng)水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,提高實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)水平和應(yīng)用能力。

3 智慧水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與發(fā)展

3.1 智慧水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室的概念和特點(diǎn)

智慧水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室是指在傳統(tǒng)水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)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(cè)、數(shù)據(jù)處理和管理等多種功能的現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)室。智慧水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室具有自動(dòng)化、信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn),能夠?qū)崿F(xiàn)水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)傳輸和實(shí)時(shí)處理,提高水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

3.2 智慧水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)

智慧水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)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(jì)算技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)等。其中,傳感器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智慧化的基礎(chǔ),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境中水質(zhì)、水量、水生態(tài)等多個(gè)指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集;數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)可以對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)算技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)驗(yàn)研究和數(shù)據(jù)分析。

3.3 智慧水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)

智慧水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和可靠性上,同時(shí)也具備高效性、智能化和自動(dòng)化等特點(diǎn)。智慧水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室可以應(yīng)用于水環(huán)境監(jiān)測(cè)、水環(huán)境評(píng)估、水污染控制和水資源管理等多個(gè)領(lǐng)域,特別是在應(yīng)急監(jiān)測(cè)和預(yù)警、水污染治理和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方面,具備重要的應(yīng)用價(jià)值。

4 智慧水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的定位和策略

4.1 發(fā)展定位和目標(biāo)

智慧水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展定位是基于智慧水文背景下,利用先進(jìn)的監(jiān)測(cè)設(shè)備、傳感器技術(shù)以及信息技術(shù),對(duì)水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行全方位、高效、精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)和分析,為保障水資源的合理利用和保護(hù)水生態(tài)環(huán)境提供支持和保障。具體目標(biāo)包括:①提高水環(huán)境監(jiān)測(cè)的科學(xué)性和精度;②推動(dòng)水環(huán)境監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化和智能化;③實(shí)現(xiàn)水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享和應(yīng)用。

4.2 發(fā)展策略和措施

為了實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo),智慧水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室需要采取以下策略和措施:

1)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室設(shè)施:通過(guò)引入先進(jìn)的監(jiān)測(cè)設(shè)備、傳感器技術(shù)和信息技術(shù),建立高效、精準(zhǔn)、智能的水環(huán)境監(jiān)測(cè)體系。

2)建立科學(xué)的數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng):通過(guò)數(shù)據(jù)采集、處理、分析和模型模擬,實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境質(zhì)量變化趨勢(shì)和污染源監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)評(píng)估。

3)有針對(duì)性的制定實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議來(lái)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精確性的過(guò)程。外部質(zhì)量評(píng)估(EQA),包括參與外部能力測(cè)試項(xiàng)目,實(shí)驗(yàn)室接收已知濃度的樣品并對(duì)其進(jìn)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(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠,并符合監(jiān)管要求。

4)推動(dòng)數(shù)據(jù)共享和開(kāi)放:通過(guò)數(shù)據(jù)共享和開(kāi)放,提高水環(huán)境監(jiān)測(cè)的效率和精度,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和應(yīng)用。

5)形成實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)屬的標(biāo)準(zhǔn)操作程序(SOP),SOP是所有實(shí)驗(yàn)室程序的詳細(xì)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(shí)驗(yàn)室工作人員遵循一致和可重復(fù)的方法。

6)強(qiáng)化人才隊(duì)伍建設(shè):注重人才培養(yǎng),加強(qiáng)技術(shù)交流和合作,提高人才隊(duì)伍的創(chuàng)新能力和專(zhuān)業(yè)水平。

7)積極開(kāi)展科研與技術(shù)創(chuàng)新:積極開(kāi)展水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)研究和創(chuàng)新,探索新型的水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)和方法,提高水環(huán)境監(jiān)測(cè)的科學(xué)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(cè)實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展定位和策略,重點(diǎn)介紹了智慧水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室的概念和特點(diǎn)、技術(shù)和方法、優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用,以及水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與發(fā)展、運(yùn)行與管理等方面的內(nèi)容。通過(guò)對(duì)水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室和智慧水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室的對(duì)比分析,文章闡明了智慧水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室在實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、自動(dòng)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(cè)技術(shù)的不斷迭代更新,未來(lái)水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室將面臨更多的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。因此,后續(xù)的研究可以從以下幾個(gè)方向開(kāi)展。

1)加強(qiáng)跨學(xué)科合作,如水生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、水文學(xué)、地理信息系統(tǒng)等,以便獲取更全面的信息和知識(shí),提高實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)測(cè)研究水平。

2)將智慧水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室與其他智慧水文系統(tǒng)進(jìn)行整合,并進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和分析,進(jìn)一步提高水環(huán)境監(jiān)測(cè)的效率和精準(zhǔn)性,實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境的全面監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

3)探討智慧水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室在水環(huán)境保護(hù)和治理方面的應(yīng)用,依托數(shù)字孿生水文技術(shù)將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)與模型進(jìn)行比對(duì),更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)水環(huán)境變化趨勢(shì)并提供及時(shí)的預(yù)警,融入到服務(wù)全社會(huì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的大潮當(dāng)中,為實(shí)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(guó)內(nèi)外水環(huán)境監(jiān)測(cè)相關(guān)領(lǐng)域的合作伙伴,深化國(guó)際合作開(kāi)展研究和技術(shù)交流,共同推進(jìn)水環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展,提高智慧水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。