智能技術“把脈”三峽庫區生態

　　 不久前，位于重慶開州的漢豐湖迎來了600名冬泳者，一場冬泳比賽如火如荼進行。這個因三峽工程而形成的人工湖也成為風景優美的景區，深受游客喜愛。

　　在科學家眼里，作為三峽庫區支流，漢豐湖也是一個條件優良的實驗室。日前，《中國科學報》從中科院重慶綠色智能技術研究院（以下簡稱“中科院重慶研究院”）獲知，科研人員成功研發“三峽庫區水生態環境感知系統及平臺”，實現了氣象、水文、水質等常規參數指標，以及藻毒素、二氧化碳、水質綜合毒性等特征污染和生物毒性指標等20多個指標的監測。

　　中科院重慶研究院院長、該系統研發負責人袁家虎指出：“科研人員采用智能技術研制自動測量傳感器和大數據分析平臺，為三峽庫區水生態安全‘把脈’。”“從地方現實需求出發凝練關鍵科學問題，并用前沿科學技術解決這些問題。”這是袁家虎的邏輯，也是“面向國民經濟主戰場”的科學踐行。

　　向環保部門報告“水華”警情

　　2018年8月，重慶市開州區環保部門收到一封有關漢豐湖夏季水華預警的報告。中科院重慶研究院的科研人員在這份報告中寫道：“經過現場兩個點位數據測定和樣品分析，顯示此次暴發水華為藍藻水華。”水華生物量濃度、水體總氮濃度等數據以及現場觀測照片、藻類顯微鏡照片均詳細地記錄在報告中。

　　這次“實戰”獲得了地方政府的“點贊”。“這份報告背后，是高科技的支撐。”袁家虎指出。

　　三峽庫區蓄水以來，水庫次級支流水體富營養化不時發生，進而藻類大類繁殖形成“水華”現象。袁家虎介紹，過去對水質進行監測，大部分是依靠人工采集到實驗室進行測試，已有在線監測設備尚無法實現“水華”預警及實時監控。

　　2014年起，袁家虎帶領科研團隊在國家水專項課題“三峽庫區水生態環境感知系統及平臺業務化運行”支持下，自主研發了多種傳感器，并在三峽庫區水生生態監測浮標上安裝，用無線傳輸的方式提供監測數據。

　　據記者了解，監測指標包括原位藻毒素、水質綜合毒性、藻細胞顯微觀測及水體二氧化碳變化速率等。2017年9月起，科研人員在大寧河、澎溪河高陽平湖、草堂河及香溪河等四條水華易發支流部署在線監測系統，開展示范應用。

　　袁家虎介紹，6次數據比對顯示，自動監測系統和傳統監測系統各項指標結果數據均具有顯著的相關性，監測數據為決策提供了技術支撐。

　　突破多項實時檢測技術

　　實時、穩定、可靠，是科研人員對該系統監測情況的評價。為實現這一目標，科研人員在實時檢測技術上取得了多項突破。

　　例如，在水質綜合毒性檢測上，已有水質綜合毒性檢測儀普遍采用的凍干粉在常溫下需要每天更換一次，這不適于野外無人值守。為此，科研人員采用低溫技術研發出新型凍干粉試劑盒，更換周期長達10至15天，適用于三峽庫區水體現場檢測的生物連續培養。

　　在原位藻毒素的液相色譜在線檢測方面，科研人員采用大體積進樣環富集技術，利用高效液相色譜分離藻毒素。同時，分子印跡膜技術被用于捕獲藻毒素，表面等離子體共振技術用于相位相干測量。“多種高科技將藻毒素檢測限提高到0.001mg/L。”袁家虎表示，“旨在實現現實需求的極高靈敏度。”

　　此外，在原位藻細胞觀測方面，科研人員針對現有藻細胞顯微觀測儀無法在線監測的缺陷，自主研發了適合水體藻細胞原位檢測的顯微觀測儀。該觀測儀采用暗視場照明技術提高藻細胞成像的對比度，建立了從自動采樣清洗、實時測量到顯微圖像自動上傳的一套完整的系統。

　　獲超算平臺支持

　　獲得監測數據后，如何利用數據成為科研人員關注的焦點。多年來，中科院重慶研究院大數據挖掘及應用中心研究團隊圍繞上述監測數據的處理開展了一系列基礎研究。

　　例如，為提高水環境安全預警的精確度，科研人員以“粒計算”理論為基礎，提出了兩種“多粒度預測模型”，在模擬實驗中獲得了高精度的預測結果，能被用于三峽庫區復雜的時間序列水質預測。這項成果發表在《化學計量學和智能實驗室系統》、《神經計算》等期刊上。

　　2018年1月，“三峽庫區水生態環境感知平臺”的建立讓這些基礎研究獲得了應用。這一平臺由重慶市超算服務平臺支持，由基于300萬億次/秒超級計算機、云計算平臺和監控會商室組成。

　　袁家虎介紹，從浮標中獲取的大量監測數據傳輸到這一平臺后，借助大數據平臺和數據驅動的模型方法，可實現重點示范區域數據管理、可視化和水環境安全預警。

　　生態環境局不久前，該平臺的應用通過重慶市環保局組織的專家評估。評估中，專家認為，該平臺“提高了水質預測的準確性”，“有利于促進三峽水庫水生態管理的科學化、系統化”。

　　此外，科研人員還通過上述監測數據開展了基于水庫生命特征演變研究，提出構建耦合生態過程動態表征、數據適時傳輸、數據分析的三峽庫區感知技術與方法體系，為大型水庫水環境綜合管理提供支撐。