湖泊是重要的生產生活用水來源，中國一半以上的城鎮飲用水來自湖泊。2023年，開展水質監測的209個重要湖泊(水庫)中，I~Ⅲ類水質湖泊(水庫)占74.6%，比2022年上升0.8個百分點;劣V類水質湖泊(水庫)占4.8%。目前對于湖泊的監測主要還是以手工和在線結合的方式，未能有效地對整個湖泊進行有效的監測。
湖泊是一個相對封閉的水體環境，外來因素對其影響比較大。如何有效的進行湖泊立體的監測是值得思考的問題。
生態環境講的是天空地海一體化，由于我們講湖泊，場景相對單一，這里我們借用數字孿生里的一個概念，“天空地水工”一體化監測，有別于數字孿生里的應用，我們看下在生態環境里都匹配哪些技術及應用。“天”主要利用衛星遙感、北斗等技術裝備，實現對湖泊水體、洪澇災害、湖岸情況等的大尺度全局監測感知；“空”主要利用無人機，搭載高光譜、水質分析儀、采樣裝置等監測儀器，實現對湖泊水質、藻類分布、岸線排污等監測感知，對目標點位進行定點、定深采樣；“地”主要利用水質自動監測站、AI智能采樣站、氣象站、大氣沉降站、地下水站、土壤墑情站、視頻監測站等地面監測設施設備，實現水氣土的監測感知；“水”主要利用浮標、浮船、無人船等監測技術裝備，實現對河湖庫水體的流量、水質、水生生物等水中水下要素的精準自動化監測感知；“工”主要水下潛艇、水下機器人、機器學習AI視頻等手段，實現剖面和水底的巡航監測。
傳統的監測主要是以手工或在線監測為主，布點和監測頻次受成本的影響都有一定的局限性。監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源釋放，主要來源有哪些呢，天空地水工如何去監測呢？
污染是協同的，是相互作用、相互影響的，是跨介質傳播的，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，入湖河流將匯水區域的污染物帶入湖泊，入湖河流的監測也是目前布設在線監測*多的，如環太湖流域有錯綜復雜的在線監測網。氣水傳輸主要通過大氣干濕沉降，將空氣中的污染物質帶入到湖泊當中，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。土壤的污染物質主要是農藥、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；一是經滲流到地下水。土水傳輸主要體現在汛期污染上。2023年，灌溉規模達到10萬畝及以上的農田灌區監測的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。研究發現，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安全。‘天空地水工’監測一張網，結合協同監測理論可以有效厘清湖泊污染來源，同時利用大數據、大模型應用分析污染貢獻，我們看看都有哪些數智化創新技術在湖泊監測中應用。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的遷移，分析‘氣水傳輸’的貢獻無人機采樣主要是對特定區域的污染遷移及轉化作為補充，同時也可作為月度例行采樣。智能實驗室：除了包含常規參數外，為了分析污染物的遷移轉化應補充硝酸鹽、亞硝酸鹽、磷酸鹽以及區域的特征污染物。分析手工采樣及智能采樣送回的水樣。衛星遙感、高光譜主要解決面域上的水質、水華識別與反演，實現由精準的標準方法監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、潛艇及剖面監測，分析不同深度的水質水生態問題智能地表水水站，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，有了數據量，通過場景有了維度，我們還要通過模型去分析，去應用。基于指紋溯源+多元統計模型的入湖河流域總氮溯源分析技術，可以分析河流傳輸的污染貢獻。基于數字孿生+大數據的地表水環境預警溯源分析技術，可以實現通過自動監測數據與氣象、水文、地理信息等數據關聯分析，實現污染快速溯源，這里希望可以和水利部門的數字孿生可以共用，共同推進美麗河湖、美麗中國建設。綜上所述，新質生產力在湖泊監測中的應用體現在遙感技術、多源數據融合技術、智能監測系統的應用以及技術創新與研發等多個方面。這些技術的應用和發展，將有助于提高湖泊監測的精度和效率，推動湖泊保護和管理工作的科學化、精準化和智能化。
