湖泊是重要的生产生活用水来源，中国一半以上的城镇饮用水来自湖泊。2023年，开展水质监测的209个重要湖泊(水库)中，I~Ⅲ类水质湖泊(水库)占74.6%，比2022年上升0.8个百分点;劣V类水质湖泊(水库)占4.8%。目前对于湖泊的监测主要还是以手工和在线结合的方式，未能有效地对整个湖泊进行有效的监测。
湖泊是一个相对封闭的水体环境，外来因素对其影响比较大。如何有效的进行湖泊立体的监测是值得思考的问题。
生态环境讲的是天空地海一体化，由于我们讲湖泊，场景相对单一，这里我们借用数字孪生里的一个概念，“天空地水工”一体化监测，有别于数字孪生里的应用，我们看下在生态环境里都匹配哪些技术及应用。“天”主要利用卫星遥感、北斗等技术装备，实现对湖泊水体、洪涝灾害、湖岸情况等的大尺度全局监测感知；“空”主要利用无人机，搭载高光谱、水质分析仪、采样装置等监测仪器，实现对湖泊水质、藻类分布、岸线排污等监测感知，对目标点位进行定点、定深采样；“地”主要利用水质自动监测站、AI智能采样站、气象站、大气沉降站、地下水站、土壤墒情站、视频监测站等地面监测设施设备，实现水气土的监测感知；“水”主要利用浮标、浮船、无人船等监测技术装备，实现对河湖库水体的流量、水质、水生生物等水中水下要素的精准自动化监测感知；“工”主要水下潜艇、水下机器人、机器学习AI视频等手段，实现剖面和水底的巡航监测。
传统的监测主要是以手工或在线监测为主，布点和监测频次受成本的影响都有一定的局限性。监测力度和维度远远不足，湖泊又是重要的水源地，污染来源一定要说清，那么湖泊的污染物除了内源释放，主要来源有哪些呢，天空地水工如何去监测呢？
污染是协同的，是相互作用、相互影响的，是跨介质传播的，理清各个来源的污染贡献，采取有效手段治理湖泊的问题，保障饮用水源地安全，湖泊污染主要有以下4大来源。河流传输是湖泊污染物主要来源，入湖河流将汇水区域的污染物带入湖泊，入湖河流的监测也是目前布设在线监测*多的，如环太湖流域有错综复杂的在线监测网。气水传输主要通过大气干湿沉降，将空气中的污染物质带入到湖泊当中，如空气中的氮氧化物、硫氧化物以及重金属，下图是近8年，大气降水中的硫酸根、硝酸根的浓度。土壤的污染物质主要是农药、化肥等，对水的传输主要包含两方面，一是通过降水的地表径流进入湖泊；一是经渗流到地下水。土水传输主要体现在汛期污染上。2023年，灌溉规模达到10万亩及以上的农田灌区监测的1883个灌溉用水断面(点位)中，1758个断面(点位)达标，占93.4%，主要超标指标为粪大肠菌群、悬浮物和pH。研究发现，湖泊周边浅层地下水受到地表氮素投入负荷、降雨和灌溉等因素驱动，NO3--N污染较为严重，通过和湖泊的水利交换威胁着湖泊水质安全。‘天空地水工’监测一张网，结合协同监测理论可以有效厘清湖泊污染来源，同时利用大数据、大模型应用分析污染贡献，我们看看都有哪些数智化创新技术在湖泊监测中应用。智能采样：AI智能采样站、大气沉降采样站、无人机采样AI智能采样站主要解决汛期污染问题，分析‘土水传输’的贡献大气沉降采样站主要是分析大气中污染物质的迁移，分析‘气水传输’的贡献无人机采样主要是对特定区域的污染迁移及转化作为补充，同时也可作为月度例行采样。智能实验室：除了包含常规参数外，为了分析污染物的迁移转化应补充硝酸盐、亚硝酸盐、磷酸盐以及区域的特征污染物。分析手工采样及智能采样送回的水样。卫星遥感、高光谱主要解决面域上的水质、水华识别与反演，实现由精准的标准方法监测专项模糊的面源覆盖。三维荧光、紫外可见图谱主要解决污染溯源的问题，通过指纹图谱快速定位。3、水下机器人、潜艇及剖面监测，分析不同深度的水质水生态问题智能地表水水站，解决‘河流传输’的问题；智能地下水水站，解决‘地下传输’的问题。通过一张网，有了数据量，通过场景有了维度，我们还要通过模型去分析，去应用。基于指纹溯源+多元统计模型的入湖河流域总氮溯源分析技术，可以分析河流传输的污染贡献。基于数字孪生+大数据的地表水环境预警溯源分析技术，可以实现通过自动监测数据与气象、水文、地理信息等数据关联分析，实现污染快速溯源，这里希望可以和水利部门的数字孪生可以共用，共同推进美丽河湖、美丽中国建设。综上所述，新质生产力在湖泊监测中的应用体现在遥感技术、多源数据融合技术、智能监测系统的应用以及技术创新与研发等多个方面。这些技术的应用和发展，将有助于提高湖泊监测的精度和效率，推动湖泊保护和管理工作的科学化、精准化和智能化。
