智能技术“把脉”三峡库区生态

位于汉丰湖下游的高阳平湖的“浮标”———水生态环境原位感知系统。

■本报记者 甘晓

不久前，位于重庆开州的汉丰湖迎来了600名冬泳者，一场冬泳比赛如火如荼进行。这个因三峡工程而形成的人工湖也成为风景优美的景区，深受游客喜爱。

在科学家眼里，作为三峡库区支流，汉丰湖也是一个条件优良的实验室。日前，《中国科学报》从中科院重庆绿色智能技术研究院（以下简称“中科院重庆研究院”）获知，科研人员成功研发“三峡库区水生态环境感知系统及平台”，实现了气象、水文、水质等常规参数指标，以及藻毒素、二氧化碳、水质综合毒性等特征污染和生物毒性指标等20多个指标的监测。

中科院重庆研究院院长、该系统研发负责人袁家虎指出：“科研人员采用智能技术研制自动测量传感器和大数据分析平台，为三峡库区水生态安全‘把脉’。”“从地方现实需求出发凝练关键科学问题，并用前沿科学技术解决这些问题。”这是袁家虎的逻辑，也是“面向国民经济主战场”的科学践行。

向环保部门报告“水华”警情

2018年8月，重庆市开州区环保部门收到一封有关汉丰湖夏季水华预警的报告。中科院重庆研究院的科研人员在这份报告中写道：“经过现场两个点位数据测定和样品分析，显示此次暴发水华为蓝藻水华。”水华生物量浓度、水体总氮浓度等数据以及现场观测照片、藻类显微镜照片均详细地记录在报告中。

这次“实战”获得了地方政府的“点赞”。“这份报告背后，是高科技的支撑。”袁家虎指出。

三峡库区蓄水以来，水库次级支流水体富营养化不时发生，进而藻类大类繁殖形成“水华”现象。袁家虎介绍，过去对水质进行监测，大部分是依靠人工采集到实验室进行测试，已有在线监测设备尚无法实现“水华”预警及实时监控。

2014年起，袁家虎带领科研团队在国家水专项课题“三峡库区水生态环境感知系统及平台业务化运行”支持下，自主研发了多种传感器，并在三峡库区水生生态监测浮标上安装，用无线传输的方式提供监测数据。

据记者了解，监测指标包括原位藻毒素、水质综合毒性、藻细胞显微观测及水体二氧化碳变化速率等。2017年9月起，科研人员在大宁河、澎溪河高阳平湖、草堂河及香溪河等四条水华易发支流部署在线监测系统，开展示范应用。

袁家虎介绍，6次数据比对显示，自动监测系统和传统监测系统各项指标结果数据均具有显著的相关性，监测数据为决策提供了技术支撑。

突破多项实时检测技术

实时、稳定、可靠，是科研人员对该系统监测情况的评价。为实现这一目标，科研人员在实时检测技术上取得了多项突破。

例如，在水质综合毒性检测上，已有水质综合毒性检测仪普遍采用的冻干粉在常温下需要每天更换一次，这不适于野外无人值守。为此，科研人员采用低温技术研发出新型冻干粉试剂盒，更换周期长达10至15天，适用于三峡库区水体现场检测的生物连续培养。

在原位藻毒素的液相色谱在线检测方面，科研人员采用大体积进样环富集技术，利用高效液相色谱分离藻毒素。同时，分子印迹膜技术被用于捕获藻毒素，表面等离子体共振技术用于相位相干测量。“多种高科技将藻毒素检测限提高到0.001mg/L。”袁家虎表示，“旨在实现现实需求的极高灵敏度。”

此外，在原位藻细胞观测方面，科研人员针对现有藻细胞显微观测仪无法在线监测的缺陷，自主研发了适合水体藻细胞原位检测的显微观测仪。该观测仪采用暗视场照明技术提高藻细胞成像的对比度，建立了从自动采样清洗、实时测量到显微图像自动上传的一套完整的系统。

获超算平台支持

获得监测数据后，如何利用数据成为科研人员关注的焦点。多年来，中科院重庆研究院大数据挖掘及应用中心研究团队围绕上述监测数据的处理开展了一系列基础研究。

例如，为提高水环境安全预警的精确度，科研人员以“粒计算”理论为基础，提出了两种“多粒度预测模型”，在模拟实验中获得了高精度的预测结果，能被用于三峡库区复杂的时间序列水质预测。这项成果发表在《化学计量学和智能实验室系统》、《神经计算》等期刊上。

2018年1月，“三峡库区水生态环境感知平台”的建立让这些基础研究获得了应用。这一平台由重庆市超算服务平台支持，由基于300万亿次/秒超级计算机、云计算平台和监控会商室组成。

袁家虎介绍，从浮标中获取的大量监测数据传输到这一平台后，借助大数据平台和数据驱动的模型方法，可实现重点示范区域数据管理、可视化和水环境安全预警。

生态环境局不久前，该平台的应用通过重庆市环保局组织的专家评估。评估中，专家认为，该平台“提高了水质预测的准确性”，“有利于促进三峡水库水生态管理的科学化、系统化”。

此外，科研人员还通过上述监测数据开展了基于水库生命特征演变研究，提出构建耦合生态过程动态表征、数据适时传输、数据分析的三峡库区感知技术与方法体系，为大型水库水环境综合管理提供支撑。

《中国科学报》 (2019-01-17 第7版 信息技术)