當前，我國對水環(huán)境的保護由單純的水體化學(xué)污染指標控制逐步轉變?yōu)樗h(huán)境、水生態(tài)、水資源、水安全的統籌治理。生態(tài)環(huán)境監測在生態(tài)環(huán)境保護和生態(tài)文明建設中起到了關(guān)鍵的基礎性和支撐性作用。水環(huán)境監測不僅能夠及時(shí)發(fā)現和評估水資源質(zhì)量的變化，還能為政策制定者提供必要的支持，使其能夠迅速應對各種水污染事件并采取有效的治理措施。隨著(zhù)人們對環(huán)境問(wèn)題認識的加深以及科技的快速發(fā)展，水環(huán)境監測行業(yè)必須不斷創(chuàng )新，以適應日益變化的環(huán)境需求。大數據、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等新興信息技術(shù)的快速發(fā)展，為水環(huán)境監測的進(jìn)一步提升帶來(lái)了巨大的機遇，推動(dòng)該領(lǐng)域朝著(zhù)數字化和智慧化方向邁進(jìn)。
一、水環(huán)境監測現狀與問(wèn)題 我國的水環(huán)境質(zhì)量監測始于1973年，并于1974年開(kāi)始獨立建制。1982年，國家環(huán)境保護總局會(huì )同17個(gè)有關(guān)部門(mén)組建了由54個(gè)監測站組成的國家環(huán)境監測網(wǎng)。在“十四五”期間，全國布設了3641個(gè)國家地表水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)、考核、排名監測斷面。針對不同的水環(huán)境，提出了具體的監測指標體系和評價(jià)體系。
（一）城鎮污水處理廠(chǎng)
經(jīng)過(guò)多年的研究與實(shí)踐，城鎮污水處理廠(chǎng)的進(jìn)出水水質(zhì)監測技術(shù)已經(jīng)取得了顯著(zhù)的進(jìn)步?，F代水質(zhì)監測技術(shù)能夠實(shí)時(shí)、準確地監測水中的各種污染指標，如化學(xué)需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、氨氮、總磷等，為污水處理廠(chǎng)的運營(yíng)提供堅實(shí)的數據支撐。同時(shí)，隨著(zhù)數據采集與收集技術(shù)的日益成熟，借助自動(dòng)化、智能化的數據采集系統，已經(jīng)實(shí)現了對污水處理廠(chǎng)各環(huán)節的實(shí)時(shí)監控，確保了數據的精確性與時(shí)效性。城鎮污水處理廠(chǎng)已經(jīng)形成了一整套相對完備的管理體系。隨著(zhù)信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，污水處理廠(chǎng)還積極引入先進(jìn)的管理信息系統，實(shí)現對污水處理過(guò)程的精細化管理，進(jìn)一步提高管理效率和水平。
污水處理廠(chǎng)在應對溢流污染及生化系統運行狀況監測等方面仍面臨諸多挑戰。溢流污染的處理是污水處理廠(chǎng)運營(yíng)中的一大難題，往往在暴雨等極端天氣下，污水流量驟增，超出污水處理廠(chǎng)的處理能力，致使未經(jīng)充分處理的污水直接排放至環(huán)境中，對水體造成嚴重污染。針對此問(wèn)題，污水處理廠(chǎng)需加強預警機制建設，通過(guò)實(shí)時(shí)監測與數據分析，提前預判溢流風(fēng)險，并采取有效措施予以應對，如增設調蓄池、優(yōu)化排水管網(wǎng)布局等。同時(shí)，生化系統運行狀況監測是污水處理廠(chǎng)運營(yíng)管理的關(guān)鍵環(huán)節。生化處理作為核心工藝，其運行效率與穩定性直接影響出水水質(zhì)。然而，由于生化系統復雜多變，易受進(jìn)水水質(zhì)、溫度、pH值等多種因素的影響，監測難度大、調控不及時(shí)。因此，污水處理廠(chǎng)需引入更先進(jìn)的監測技術(shù)與智能化管理系統，以實(shí)現對生化系統的精準監控與高效調控，確保出水水質(zhì)穩定達標。
（二）排水管網(wǎng)
在城市基礎設施的智能化升級中，排水管網(wǎng)監測技術(shù)的提升占據了舉足輕重的地位。近年來(lái)，隨著(zhù)水位、流量、水質(zhì)等傳感器監測技術(shù)不斷完善，以及數據采集與傳輸技術(shù)日益成熟，排水管網(wǎng)監測工作取得了顯著(zhù)成效。
傳感器作為排水管網(wǎng)監測系統的“哨兵”，能夠實(shí)時(shí)、準確地捕捉管道內的各種關(guān)鍵參數。水位傳感器精準反饋水位變化，為防洪排澇決策提供有力支持；流量傳感器通過(guò)測量水流速度，揭示排水管網(wǎng)的真實(shí)運行狀態(tài)；而水質(zhì)傳感器則實(shí)時(shí)監測水質(zhì)指標，確保排水質(zhì)量始終符合環(huán)保標準。這些傳感器的廣泛應用，不僅顯著(zhù)提升了排水管網(wǎng)監測的準確性和時(shí)效性，更為城市管理者提供了翔實(shí)、可靠的數據支撐。在數據采集與傳輸方面，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展使得排水管網(wǎng)監測系統的數據傳輸更迅速、準確。借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，傳感器采集到的數據能夠實(shí)時(shí)傳輸至監測中心，實(shí)現對排水管網(wǎng)運行狀態(tài)的遠程監控。同時(shí)，數據的存儲和處理也變得更加高效、便捷，為后續的數據分析和預警提供了堅實(shí)基礎。
隨著(zhù)全球氣候變暖加劇，極端天氣事件頻發(fā)，城市內澇已成為許多城市面臨的嚴峻挑戰。面對這一挑戰，人們發(fā)現既有預測預警技術(shù)手段尚存不足。為了有效應對城市內澇，需要依靠更加先進(jìn)的預測預警技術(shù)，并結合對歷史數據的深度處理和分析。通過(guò)安裝高精度、實(shí)時(shí)性強的水位、流量和水質(zhì)傳感器，可以實(shí)時(shí)監測城市排水管網(wǎng)和關(guān)鍵區域的水情變化，捕捉微小的水位波動(dòng)和流量變化，為內澇防控提供準確的基礎數據。同時(shí)，結合遙感技術(shù)、地理信息系統（GIS）和氣象雷達等先進(jìn)手段，可以對城市地表水信息、降雨情況進(jìn)行全面監測，進(jìn)一步提高預測的準確性和時(shí)效性。利用大數據技術(shù)和人工智能算法，可以對歷史數據進(jìn)行深度挖掘和關(guān)聯(lián)分析，揭示出內澇與降雨量、排水管網(wǎng)、地形地貌等因素之間的復雜關(guān)系，為城市內澇的精準預測和及時(shí)預警提供有力支持。
（三）流域水資源監測
流域水資源監測在水資源管理中發(fā)揮著(zhù)基礎性的作用。該監測工作主要依靠流域內的水文觀(guān)測站和遙感技術(shù)來(lái)完成，利用多種技術(shù)可實(shí)時(shí)獲得河流、湖泊和水庫的水量、水質(zhì)信息。水文監控著(zhù)重于監測降雨、蒸發(fā)和徑流等核心指標。當前，氣象監測、自動(dòng)雨量計等技術(shù)都能提供瞬時(shí)氣象數據。但在一些偏遠地區，裝備不完善、數據傳輸困難等問(wèn)題仍是提高監測準確率的主要障礙。水質(zhì)監測方法包括自動(dòng)化監測站、現場(chǎng)實(shí)際監測及實(shí)驗室分析等，這些方法均能實(shí)時(shí)監測水中的主要污染指標，如溶解氧和COD等。
近年來(lái)，源廠(chǎng)聯(lián)網(wǎng)一體化多層次監控系統應運而生，它將遙感技術(shù)、自動(dòng)化監控設備及數據分析工具有機地結合在一起，為流域綜合實(shí)時(shí)監測提供了一種創(chuàng )新解決思路。然而，不同監測系統間的數據孤島現象以及缺乏一致性調度策略制約著(zhù)管理效能。今后，智能化、集成化以及動(dòng)態(tài)化將是流域水資源監測技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。
二、水環(huán)境監測面臨的挑戰 目前，我國的水環(huán)境質(zhì)量監測網(wǎng)絡(luò )已初步形成一定規模，為水資源的管理和保護提供了重要的數據支持。建設人與自然和諧共生的美麗中國的目標對環(huán)境監測水平、質(zhì)量和功能提出了更高的要求。目前，水環(huán)境監測主要面臨如下挑戰。
（一）污水處理廠(chǎng)以末端監測為主，缺少全過(guò)程監測
污水處理廠(chǎng)末端監控是指在出水口監測COD、氨氮、總磷和總氮等指標。這種監測形式能夠實(shí)現實(shí)時(shí)監控，并且便于利用物聯(lián)網(wǎng)的信息化管理手段對監測數據進(jìn)行管理，能夠及時(shí)發(fā)現污染指標是否超標，起到監督作用，降低對水環(huán)境、水生態(tài)的影響。然而，末端監測方式在污染防治的主動(dòng)性和系統性上存在不足，難以指導污水處理廠(chǎng)實(shí)現優(yōu)化運行。
全過(guò)程監測是對進(jìn)水水質(zhì)、處理過(guò)程及出水水質(zhì)等關(guān)鍵環(huán)節進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，以實(shí)現對整個(gè)處理過(guò)程的監管。通過(guò)深度分析與智能化處理，及時(shí)識別異常情況，提供整改提升方案和科學(xué)決策支持，從而提高管理效率與處理效果。全過(guò)程監測能夠更早地識別潛在的污染問(wèn)題，進(jìn)而采取預防措施，避免污染事件或減少污染對生態(tài)環(huán)境的影響，有助于改變以末端監測為主的現狀。因此，增加全過(guò)程監測的比例，對于提升我國水環(huán)境監測的系統性和全面性至關(guān)重要。
（二）主要關(guān)注具體污染指標，缺少對水生態(tài)指標的監測
我國水環(huán)境監測長(cháng)期以來(lái)主要關(guān)注的是具體的污染指標，如COD、氨氮、重金屬等。這種監測模式確實(shí)能有效地反映某些特定污染物的濃度變化，為污染控制和環(huán)境治理提供基礎數據。然而，這種以單一指標為導向的監測方式忽視了水體作為一個(gè)復雜生態(tài)系統的整體健康狀況，難以全面評估水環(huán)境的生態(tài)功能。
水環(huán)境中，生物群落和生態(tài)過(guò)程對于維持生態(tài)系統的穩定和健康至關(guān)重要。例如，水體中的生物多樣性、水生植物的生長(cháng)狀況、營(yíng)養元素的循環(huán)等，都是衡量水生態(tài)系統健康狀況的重要指標。目前的水環(huán)境監測體系對這些生態(tài)指標關(guān)注較少，缺乏系統性的監測和評估。因此，未來(lái)的水環(huán)境監測應當向更加綜合和生態(tài)化的方向發(fā)展，將污染指標與生態(tài)健康指標結合起來(lái)，全面評估水體的生態(tài)功能和可持續性。
（三）監測數據服務(wù)功能單一，缺乏系統性思維
我國水環(huán)境監測的數據服務(wù)功能較為單一，只側重于提供某些特定污染物的監測數據或滿(mǎn)足某一類(lèi)環(huán)境管理需求。然而，水環(huán)境問(wèn)題往往是多因素、多過(guò)程、多空間尺度交織的復雜問(wèn)題，單一的監測數據或目標難以滿(mǎn)足反映水體環(huán)境整體健康狀況的需求。例如，雖然污水處理廠(chǎng)出水重點(diǎn)監測COD、氨氮等指標，但是其所含的抗生素抗性基因、菌落結構會(huì )對受納水體的生態(tài)安全同樣具有重要影響，而這些指標往往未被納入監測范圍。
系統性思維則強調從整體和全局的角度進(jìn)行水環(huán)境監測和管理。它要求在監測設計中考慮到水體的多功能性和復雜性，不僅要監測污染物，還要監測生態(tài)系統的各個(gè)組成部分和功能狀態(tài)。此外，系統性思維還要求在監測中綜合考慮空間和時(shí)間維度，既要關(guān)注水體的當前狀態(tài)，還要關(guān)注其長(cháng)期變化趨勢以及不同區域之間的相互影響。
（四）監測數據管理利用水平有待提高
盡管我國在水環(huán)境監測數據的獲取方面取得了顯著(zhù)進(jìn)展，但在數據的管理、分析和利用方面依然存在水平低、滯后的問(wèn)題。大量數據被收集后，往往因數據管理系統不完善、數據共享機制不足、分析手段落后等原因，未能充分發(fā)揮其潛在價(jià)值。數據的存儲、整理和標準化不足，導致不同地區、不同機構之間的數據格式、標準不統一，數據質(zhì)量參差不齊，難以進(jìn)行有效的整合和比較。收集到的監測數據往往沒(méi)有被及時(shí)地深度分析，其利用主要停留在簡(jiǎn)單的統計和報告階段。面對復雜的環(huán)境問(wèn)題，需要通過(guò)數據挖掘、大數據分析、機器學(xué)習等先進(jìn)分析技術(shù)，從數據中揭示規律和趨勢，指導環(huán)境管理和決策。當前，這些先進(jìn)技術(shù)在我國水環(huán)境監測中的應用還處于起步階段。
（五）缺乏多介質(zhì)環(huán)境之間污染物遷移轉化監測
水環(huán)境中的污染問(wèn)題往往涉及多介質(zhì)環(huán)境（如水體、沉積物、大氣、生物等）之間的相互作用和污染物的遷移轉化。忽視這些多介質(zhì)環(huán)境之間的相互關(guān)系，可能會(huì )導致對污染源、污染路徑以及污染物最終歸宿的誤判，進(jìn)而影響污染防治措施的有效性。
污染物在環(huán)境中的遷移和轉化是一個(gè)涉及多種物理、化學(xué)和生物過(guò)程的復雜現象。例如，大氣沉降是水中汞污染的重要來(lái)源，如果不把大氣監測數據和水環(huán)境監測數據結合起來(lái)，就難以準確描述汞污染的遷移轉化規律，特別是底泥中的汞含量。只有通過(guò)多介質(zhì)環(huán)境的綜合監測，才能全面了解污染物的遷移路徑、轉化機制和最終歸宿，從而制定出更為科學(xué)有效的污染治理策略。
（六）需加強對水環(huán)境碳排放水平的監測
隨著(zhù)全球氣候變化的加劇以及我國碳達峰碳中和戰略的實(shí)施，碳排放的監測和控制已成為我國水環(huán)境治理的重點(diǎn)。然而，當前我國的水環(huán)境監測體系中，碳排放水平的監測仍然是一個(gè)相對薄弱的環(huán)節。水環(huán)境中的生物地球化學(xué)作用通過(guò)碳的釋放和吸納影響大氣中的溫室氣體濃度。對碳排放水平進(jìn)行監測，能夠為水環(huán)境治理和管理提供數據和理論支撐。例如，傳統的污水末端處理模式在管網(wǎng)輸送和污水處理廠(chǎng)處理階段會(huì )產(chǎn)生大量溫室氣體，對這些過(guò)程加以監測和識別，可為我國污水處理系統的碳減排提供有力支撐。
另外，我國水環(huán)境監測還存在如下一些問(wèn)題。首先，由于各地區經(jīng)濟發(fā)展水平各異，導致生態(tài)環(huán)境監測技術(shù)和設備的發(fā)展水平參差不齊，部分地區仍依賴(lài)傳統的監測手段，缺乏先進(jìn)的技術(shù)支持。同時(shí)，由于對生態(tài)環(huán)境監測需求的快速增長(cháng)，相關(guān)專(zhuān)業(yè)人才的培養和培訓未能及時(shí)跟上，導致在具體監測及分析過(guò)程中缺乏足夠的專(zhuān)業(yè)知識和技能。其次，盡管建設了大量監測站，但不同地區、不同部門(mén)的數據質(zhì)量和標準可能存在差異，導致數據不一致，難以形成統一的、具有可比性的監測結果。一些偏遠地區和農村的監測站點(diǎn)較少，監測覆蓋面明顯不足。再次，某些新污染物（如微塑料、藥物殘留等）和生物多樣性監測仍較為薄弱。當前的生態(tài)環(huán)境監測往往側重于單項指標的監測，缺乏對系統性、綜合性問(wèn)題的分析能力，難以有效支持生態(tài)環(huán)境管理決策。
三、水環(huán)境監測未來(lái)發(fā)展展望與策略 大數據、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等現代信息技術(shù)的涌現為水環(huán)境監測的發(fā)展帶來(lái)了巨大機遇。這些新興技術(shù)的深度融合，必將推動(dòng)水環(huán)境監測技術(shù)實(shí)現重大突破。未來(lái)的水環(huán)境監測行業(yè)應聚焦于以下幾個(gè)方面。
（一）統一標準的制定
隨著(zhù)傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國正致力于制定統一的傳感器技術(shù)標準，以確保在水質(zhì)監測中使用的設備具備一致的性能與可靠性。這一措施旨在提升數據的可比性和可重復性，確保監測結果的科學(xué)性。同時(shí)，針對水環(huán)境監測過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節，將建立一套完善的質(zhì)量管理體系，該體系將包括技術(shù)審核、數據驗證、結果評估等內容，確保數據采集、分析和報告的精確性與可信度。這些舉措共同為提高水質(zhì)監測的準確性和可信性奠定了基礎。
（二）利用大數據技術(shù)，結合歷史監測數據和實(shí)時(shí)數據，建立一個(gè)綜合數據庫，以便于進(jìn)行長(cháng)期的趨勢分析與評估
這種方式不僅能夠揭示水環(huán)境系統的變化規律，而且可為決策制定過(guò)程提供支持。通過(guò)建立數學(xué)模型來(lái)模擬水環(huán)境系統的動(dòng)態(tài)變化，預測未來(lái)的發(fā)展趨勢，這一重要步驟將為決策者制定更加科學(xué)的水資源管理策略提供幫助，從而實(shí)現資源的可持續利用。此外，設立常態(tài)化監測機制，全面覆蓋主要河流、水庫、湖泊等水體，形成長(cháng)期監測機制。這一機制能夠防止監測工作受短期突發(fā)環(huán)境事件的影響而中斷，通過(guò)持續的監測實(shí)現及時(shí)的響應與干預，為長(cháng)效化的水質(zhì)管理策略提供堅實(shí)基礎。
（三）通過(guò)人工智能技術(shù)構建的智能監測系統能夠實(shí)現自動(dòng)化數據處理和分析
例如，利用機器學(xué)習算法識別水中污染物或監測水質(zhì)變化模式，并自動(dòng)生成預警信息。同時(shí)，積極研發(fā)適用于水環(huán)境的數學(xué)模型，這些模型通過(guò)分析多變量之間的關(guān)系，為復雜生態(tài)系統提供更準確的動(dòng)態(tài)特征呈現，進(jìn)而支持科學(xué)決策。依托大數據與人工智能技術(shù)，建立一個(gè)綜合水環(huán)境決策支持平臺，該平臺集成多種監測數據、模擬結果和專(zhuān)家建議，輔助政策制定和執行，推動(dòng)智慧化水質(zhì)管理向前發(fā)展。
（四）加強過(guò)程監管
利用大數據、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)實(shí)現過(guò)程分析、預測預警及量化監管。對污染治理設施各單元之間的邏輯關(guān)系進(jìn)行深入分析，并對污水處理的各項參數進(jìn)行全面計算，以評估治理設施是否按照設計參數正常運行。根據進(jìn)水水質(zhì)指標，動(dòng)態(tài)調整運行參數，并結合治理設施的全過(guò)程數據，對出水水質(zhì)進(jìn)行前瞻性預測，督促實(shí)現污水處理設施的標準化運營(yíng)，促進(jìn)跨區域量化監督管理。
（五）未來(lái)的水環(huán)境監測需要轉向更加綜合和生態(tài)化的視角
將污染指標與生態(tài)健康指標結合起來(lái)，全面評估水體的生態(tài)功能和可持續性。這要求在監測內容上增加對生物群落結構、水體營(yíng)養鹽動(dòng)態(tài)、生態(tài)過(guò)程等方面的監測。同時(shí)，也需要發(fā)展生態(tài)模型和評估工具，以便將監測數據轉化為對生態(tài)系統健康的綜合評估，指導水環(huán)境的保護與修復工作。
（六）推行系統性思維的監測方式
綜合運用地面監測、遙感監測、無(wú)人機監測等多種技術(shù)手段，從不同空間尺度獲取數據；利用大數據分析和模型模擬技術(shù)，進(jìn)行多因素綜合分析；建立跨部門(mén)、跨區域的數據共享和協(xié)同工作機制，確保不同領(lǐng)域、不同區域的監測數據能夠相互融合，形成完整的環(huán)境監測網(wǎng)絡(luò )。
（七）在水環(huán)境監測中逐步引入碳排放監測指標，建立完善的監測網(wǎng)絡(luò )和數據采集系統
這需要從技術(shù)和管理兩個(gè)層面著(zhù)手，首先是開(kāi)發(fā)適用于不同水體類(lèi)型的碳監測技術(shù)、設備和方法，其次是制定統一的監測標準和操作規程，確保數據的準確性和可比性。此外，還應加強與氣候變化研究的結合，通過(guò)綜合分析水體碳排放數據，揭示其在全球碳循環(huán)中的作用。
（八）未來(lái)的環(huán)境監測傳感器將朝著(zhù)多參數方向發(fā)展，即單個(gè)傳感器可以同時(shí)監測多個(gè)參數
這不僅可提高數據采集的效率，還能降低部署多個(gè)傳感器的成本以及減少空間占用。此外，多功能傳感器還能綜合分析各參數間的關(guān)系，提供更全面的環(huán)境信息。同時(shí)，未來(lái)傳感器需要具備實(shí)時(shí)監測與數據分析、遠程控制與自動(dòng)校準、多傳感器協(xié)同工作與網(wǎng)絡(luò )化等功能。
總之，我國水環(huán)境監測的發(fā)展趨勢體現在采用更先進(jìn)的技術(shù)、建設集成化監控平臺以及加強政策支持等方面。隨著(zhù)大數據、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等現代信息技術(shù)的融合應用，人們實(shí)現了對水質(zhì)的實(shí)時(shí)、準確監測和分析預警，有效地提升了水資源管理的科學(xué)性和精確性。同時(shí)，政府對水環(huán)境保護法規的不斷完善以及公眾環(huán)保意識的增強，也為水環(huán)境監測提供了堅實(shí)的政策和社會(huì )支持，推動(dòng)了水環(huán)境治理和保護工作的深入開(kāi)展。未來(lái)中國水環(huán)境監測的發(fā)展將是一個(gè)綜合性、多元化的過(guò)程，涉及技術(shù)、政策法規、社會(huì )參與等多個(gè)方面。不斷創(chuàng )新和改進(jìn)我國水環(huán)境監測體系，將有效提升水環(huán)境治理水平，支撐深入打好污染防治攻堅戰，助力美麗中國建設。
作者： 劉鵬程1,2程海軍1劉晴靚1呂東偉1程喜全2,3張瑛潔2,3王明星1馬軍1*
本文作者馬軍系中國工程院院士，哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授，城市水資源開(kāi)發(fā)利用（北方）國家工程研究中心主任，國際水協(xié)會(huì )水廠(chǎng)設計與運行管理委員會(huì )主席，第三屆黑龍江省生態(tài)環(huán)境監測專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員大比武活動(dòng)專(zhuān)家委員會(huì )主任
1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗室
2.中歐膜技術(shù)研究院
3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)威海校區
本文來(lái)源于《世界環(huán)境》2024.05期觀(guān)點(diǎn)欄目
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