摘要： 地下水環(huán)境監(jiān)測是地下水污染防治的重要環(huán)節(jié)，我國地下水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)基礎(chǔ)較為薄弱. 對比歐美發(fā)達國家地下水監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)和運行模式，分析國家地下水監(jiān)測工程、“十四五”國家地下水質(zhì)量考核點位、國家級化工園區(qū)和北京市地下水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)的建設(shè)情況，歸納出監(jiān)測網(wǎng)在區(qū)域背景值點位布設(shè)，在線監(jiān)測設(shè)備研發(fā)，以及監(jiān)管平臺建設(shè)、數(shù)據(jù)共享和應(yīng)用服務(wù)等方面存在的問題. 基于監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)現(xiàn)狀，依托新興技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用，總結(jié)其發(fā)展趨勢集中于在線監(jiān)測設(shè)備換代升級、監(jiān)測點位物聯(lián)互通、多樣數(shù)據(jù)解析可視、信息傳輸安全保真四個方面. 最后結(jié)合我國監(jiān)測井建設(shè)現(xiàn)狀與管理模式提出以下發(fā)展建議：①整合現(xiàn)有點位，銜接國家地下水監(jiān)測工程和“十四五”地下水考核點位，統(tǒng)籌構(gòu)建國家級、省級地下水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系.②加快新一代水質(zhì)在線監(jiān)測設(shè)備研發(fā)，降低故障率，提高監(jiān)測精度；探索基于地球物理探測、衛(wèi)星遙感解譯、無人機航測和埋設(shè)傳感器等技術(shù)的新型監(jiān)測方式. ③國家級地下水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)與地表水監(jiān)測網(wǎng)、大氣污染監(jiān)測網(wǎng)、土壤監(jiān)測網(wǎng)等進行多網(wǎng)融合. 這為我國地下水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)奠定了基礎(chǔ).

關(guān)鍵詞： 地下水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)；地下水污染防治；地下水環(huán)境監(jiān)管平臺；國家地下水監(jiān)測工程

地下水是最豐富的淡水資源，提供了全世界約1/2的飲用水、1/4的灌溉用水和1/3的工業(yè)用水^[1-2].由于環(huán)境變化和人類活動影響，地下水不斷發(fā)生時空演變，如果含水層信息不掌握，便不能對地下水開展有效評估和管理. 目前全球已有81個國家和地區(qū)建立地下水監(jiān)測網(wǎng)，有41個國家和地區(qū)擁有地下水監(jiān)測信息系統(tǒng)^[3]. 相比以物理特征為目標(biāo)的監(jiān)測網(wǎng)，地下水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)則專注水質(zhì)對環(huán)境和人類健康產(chǎn)生的影響. 地下水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)的目標(biāo)是保護環(huán)境和公共健康，預(yù)防和解決地下水污染問題，其覆蓋面更具有地域性.

我國地下水資源量為8.195 7×10¹¹ m³，地下水源供水量為8.538×10¹⁰m³，占供水總量的14.5%^[4]. 《2021年中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》^[5]和“十四五”國家地下水環(huán)境質(zhì)量考核點位監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，地下水Ⅴ類水(GB/T 14848-2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》)點位占20.6%.地下水污染具有隱蔽性和持久性，污染物可在不易被察覺的情況下對人居安全和飲水安全造成影響，因此開展地下水環(huán)境監(jiān)測是污染防治的重要環(huán)節(jié)^[6]. 《地下水污染防治實施方案》^[7]強調(diào)建立全國地下水環(huán)境監(jiān)測體系，提出要完善地下水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)，整合現(xiàn)有地下水環(huán)境監(jiān)測井，加強運行維護和管理，完善地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)報送制度. 到2025年底，構(gòu)建全國地下水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng). 《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測規(guī)劃綱要(2020-2035年)》^[8]提出，構(gòu)建重點區(qū)域質(zhì)量監(jiān)管和“雙源”(地下水型飲用水水源地和重點地下水污染源)監(jiān)控相結(jié)合的全國地下水環(huán)境監(jiān)測體系. 《地下水管理條例》^[9]要求強化對污染地下水行為的管控，建設(shè)地下水水質(zhì)監(jiān)測井. 生態(tài)環(huán)境部等七部委聯(lián)合印發(fā)《“十四五”土壤、地下水和農(nóng)村生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》^[10]，明確建立地下水污染防治管理體系，提升生態(tài)環(huán)境監(jiān)管能力.

1 國外地下水監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)現(xiàn)狀

1.1 美國

1991年美國啟動國家水質(zhì)評價計劃(NAWQA)^[12]，共布設(shè)監(jiān)測點42 000個，布設(shè)密度為3.76個/(10³ km²)，其中水質(zhì)監(jiān)測點6 800個. 2009年美國組建國家地下水監(jiān)測網(wǎng)(NGWMN)^[13]對水位、水質(zhì)進行長期監(jiān)測，監(jiān)測點數(shù)量17 852個，布設(shè)密度為1.9個/(10³ km²)，水質(zhì)監(jiān)測井?dāng)?shù)量4 042個. 監(jiān)測網(wǎng)覆蓋美國67個主要含水層，采用隨機抽樣和網(wǎng)格抽樣方法對各水文地質(zhì)單元進行布點，其中包括未固結(jié)砂礫含水層點位11 803個，半固結(jié)砂含水層點位1 919個，砂巖含水層點位805個，砂巖碳酸鹽巖含水層點位417個，碳酸鹽巖含水層點位920個，火成巖和變質(zhì)巖含水層點位334個，其他巖石含水層點位1 654個. 監(jiān)測點數(shù)量每年都會有所調(diào)整，2020年國家地下水監(jiān)測網(wǎng)水位監(jiān)測點降至14 378個，水質(zhì)監(jiān)測點降至3 408個^[3].

國家地下水監(jiān)測網(wǎng)分為地下水背景網(wǎng)、疑似變化網(wǎng)和已變化網(wǎng)3個子網(wǎng)絡(luò)^[14]，如圖1所示. 背景網(wǎng)用于監(jiān)測未受人類活動影響的含水層；疑似變化網(wǎng)監(jiān)測可能受到影響的含水層；已變化網(wǎng)監(jiān)測受到影響的含水層. 每個子網(wǎng)再細分為趨勢井、監(jiān)控井和專題井，趨勢井監(jiān)測多年水位水質(zhì)變化，其中又提取出骨干監(jiān)測井；監(jiān)控井定期報告水資源整體水位和水質(zhì)狀況，起普查作用；此外，美國地質(zhì)調(diào)查局開展了地下水的各種專題研究，并根據(jù)研究需求選取部分監(jiān)測井組成專題網(wǎng). 監(jiān)測頻次和監(jiān)測指標(biāo)依據(jù)子網(wǎng)和含水層類型設(shè)定^[14]. 監(jiān)測頻次方面，趨勢井不低于1次/a，監(jiān)控井潛水含水層1～4次/a，監(jiān)控井承壓水1次/(2～5 a). 趨勢井基礎(chǔ)監(jiān)測指標(biāo)為水位、水溫、pH和電導(dǎo)率，監(jiān)控井監(jiān)測指標(biāo)為八大離子、氨氮、硝酸鹽、溶解氧、溶解性總固體、氧化還原電位、錳以及美國飲用水標(biāo)準(zhǔn)中的其他檢測指標(biāo)，此外趨勢井和監(jiān)控井可加選微量金屬、有機物、新污染物和放射性同位素，專題網(wǎng)監(jiān)測頻次和指標(biāo)取決于專題工作需求.

國家地下水監(jiān)測網(wǎng)識別生態(tài)系統(tǒng)所需的地下水資源量，為國家級決策提供地下水管理和開發(fā)所需的信息，相比地方監(jiān)測系統(tǒng)對污染場地的監(jiān)管，其主要用于評估主要含水層水位、水質(zhì)基線和長期趨勢. 作為最成熟的多流域地下水監(jiān)測網(wǎng)，其優(yōu)勢是應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，連接監(jiān)測設(shè)備和平臺，并通過NGWMN數(shù)據(jù)系統(tǒng)收集長期的水位、水質(zhì)、鉆孔和巖性等數(shù)據(jù). 同時監(jiān)測網(wǎng)也面臨覆蓋范圍有限、監(jiān)測點數(shù)量不足、設(shè)備故障率高、運行維護資金人力短缺的問題.

1.2 歐盟

歐盟國家地下水監(jiān)測點密度高. 《歐洲淡水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(1996年)》^[15]建議將地下水監(jiān)測點密度控制在40～50個/(10³ km²)之間. 荷蘭建立了49 000個監(jiān)測點組成的網(wǎng)絡(luò)，密度高達1 176.47個/(10³ km²)^[16].法國地下水監(jiān)測網(wǎng)(RNESP)布點方案為潛水含水層2個/(10³ km²)、小型承壓含水層1個/(10³ km²)、大型承壓含水層0.33個/(10³ km²)、深層含水層0.14個/(10³ km²). 目前法國國家地下水監(jiān)測網(wǎng)監(jiān)測點數(shù)量為5 049個，密度為9.18個/(10³ km²)^[3,17]. 此外，希臘國家監(jiān)測網(wǎng)監(jiān)測點1 392個，密度10.53個/(10³ km²)；意大利皮埃蒙特地區(qū)地下水監(jiān)測網(wǎng)(RMRAS)監(jiān)測點605個，密度23.81個/(10³ km²)；德國巴伐利亞地區(qū)地下水監(jiān)測網(wǎng)監(jiān)測點約3 000個，密度約41.67個/(10³ km²)^[3,18].

歐盟國家地下水在線監(jiān)測占比接近100%，監(jiān)測頻次也高于美國(見表1). 荷蘭國家地下水監(jiān)測網(wǎng)和德國巴伐利亞地下水監(jiān)測網(wǎng)全部使用在線監(jiān)測設(shè)備，能夠?qū)崟r傳輸數(shù)據(jù). 法國國家地下水監(jiān)測網(wǎng)有1 450個監(jiān)測點使用在線監(jiān)測設(shè)備，占比為79%.荷蘭地下水監(jiān)測網(wǎng)監(jiān)測頻次為1次/h，德國和法國監(jiān)測頻次能達到1次/d，但是在線監(jiān)測指標(biāo)為水位、水溫、pH、礦化度等基礎(chǔ)指標(biāo)^[16-18]. 荷蘭、法國、德國等國家已建立從監(jiān)測網(wǎng)到監(jiān)測設(shè)備、數(shù)據(jù)庫、門戶網(wǎng)站和地下水應(yīng)用工具等一體化的信息系統(tǒng). 荷蘭地下水信息網(wǎng)、法國地下水?dāng)?shù)據(jù)的國家門戶網(wǎng)站(ADES)，德國巴伐利亞環(huán)境署網(wǎng)站能夠?qū)崟r共享監(jiān)測數(shù)據(jù)，并且匹配地下水應(yīng)用工具. 以荷蘭為例，地下水應(yīng)用工具能夠進行場地地下水流場插值、水位特征曲線擬合，地下水與降雨、蒸發(fā)、潮汐的相關(guān)性分析.

歐盟國家地下水監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)目的并不一致，法國和德國監(jiān)測網(wǎng)多用于水資源管理、農(nóng)業(yè)灌溉和硝酸鹽污染監(jiān)管等，荷蘭監(jiān)測網(wǎng)則是側(cè)重于海水入侵治理和氣候變化研究. 歐盟國家地下水監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)勢在于監(jiān)測點密度大，在線監(jiān)測占比高，能夠獲得更精準(zhǔn)的實時數(shù)據(jù). 監(jiān)測網(wǎng)監(jiān)管區(qū)域含水層結(jié)構(gòu)簡單，具有成熟的地下水模型，可預(yù)測地下水的變化趨勢和影響，但存在監(jiān)測指標(biāo)簡單、缺少長期監(jiān)測水質(zhì)的計劃和運行成本過高的問題.

2 國內(nèi)地下水監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)現(xiàn)狀

2.1 國家地下水監(jiān)測工程

國家地下水監(jiān)測工程共建站點20 469個，其中自然資源部門10 171個，水利部門10 298個，監(jiān)控面積350×10⁴ km²，站點密度為5.8個/(10³ km²)^[11]. 自然資源部門監(jiān)測點包括孔隙水監(jiān)測點8 024個，裂隙水監(jiān)測點1 245個，巖溶水監(jiān)測點902個，覆蓋8個流域、3個盆地、2個高原、1個山地區(qū)域，共14個地下水資源一級區(qū)，如表2所示. 國家地下水監(jiān)測工程初步形成了全國性的地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對我國大型平原區(qū)、盆地及巖溶區(qū)地下水動態(tài)的區(qū)域性監(jiān)控.

國家地下水監(jiān)測工程全部安裝了自動在線監(jiān)測設(shè)備. 自然資源部門在線監(jiān)測頻次采用“24采1發(fā)”模式，即每小時采集信息1條、每日傳輸1次，共24條數(shù)據(jù). 監(jiān)測指標(biāo)為地下水位、水溫、大氣壓、氣溫等. 自然資源部門研發(fā)了平臺和數(shù)據(jù)庫在內(nèi)的信息應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)多源數(shù)據(jù)接入和多層級數(shù)據(jù)與信息管理，具備動態(tài)分析、水均衡分析、水質(zhì)評價、污染評價、水位預(yù)警分析及水化學(xué)模擬等監(jiān)測數(shù)據(jù)的快速分析功能. 國家地下水監(jiān)測工程是目前國內(nèi)規(guī)模最大、技術(shù)最成熟的地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，其實現(xiàn)了地下水監(jiān)測信息自動采集與傳輸，提高了地下水監(jiān)測頻次和時效性，實現(xiàn)了監(jiān)測平臺信息接收處理、共享交換、分析評價、資料整編等自動化處理，提高了全國地下水監(jiān)管能力.

2.2 “十四五”國家地下水環(huán)境質(zhì)量考核點位

生態(tài)環(huán)境部在“十三五”地下水考核點位基礎(chǔ)上進行優(yōu)化補充，確定了“十四五”國家地下水環(huán)境質(zhì)量考核點位. “十四五”地下水考核點位共布設(shè)1 912個^[5,19]，其中區(qū)域點位1 294個，污染風(fēng)險監(jiān)控點位348個，飲用水源點位270個. 監(jiān)測指標(biāo)方面，區(qū)域點位為《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848-2017)中的29項常規(guī)指標(biāo)；污染風(fēng)險監(jiān)控點位為29項常規(guī)指標(biāo)附加5項特征指標(biāo)；飲用水源點位則為29項常規(guī)指標(biāo)或93項全部指標(biāo)，93項指標(biāo)每2～3年監(jiān)測一次. 監(jiān)測點每年至少監(jiān)測1次，一個水文年內(nèi)完成2次監(jiān)測，需至少包括豐水期、枯水期各一次. 地下水考核點位的布設(shè)科學(xué)、全面反映了重點區(qū)域地下水環(huán)境質(zhì)量狀況和變化趨勢，支撐了生態(tài)環(huán)境保護工作，但相比國家級地下水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，仍存在監(jiān)測點數(shù)量不足的問題.

(2)全省17市元素基準(zhǔn)值變幅較大的元素主要為B，Br，C，Cl，Co，I，P，Sr，CaO，MgO，Na2O，Corg，其變異系數(shù)大于或等于0.40，東營市Cl元素變異系數(shù)為0.89，Br元素的變異系數(shù)為0.67，濟寧市、萊蕪市C元素的變異系數(shù)分別為0.69,0.66；一般來說元素基準(zhǔn)含量的變化主要受成土母質(zhì)及各成土因素的影響。東營市Cl，Br元素含量不但變化大，而基準(zhǔn)值也是全省基準(zhǔn)值的23.5和2.56倍，這與東營市所處的地理位置密切相關(guān)，具有明顯的地域特征。

2.3 國家級化工園區(qū)監(jiān)測網(wǎng)

國家級化工園區(qū)地下水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)是針對68個國家級化工園區(qū)組建的，用于監(jiān)測園區(qū)及周邊地下水環(huán)境，目前共布設(shè)監(jiān)測點1 554個，其中新建點1 011個，利用已有點543個. 監(jiān)測網(wǎng)可分上游對照點131個，內(nèi)部監(jiān)測點856個，污染擴散點567個. 監(jiān)測指標(biāo)兼顧常規(guī)指標(biāo)和園區(qū)特征指標(biāo)，以“35+N”的原則確定，其中 “35”為GB/T 14848-2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的39項常規(guī)指標(biāo)扣除微生物指標(biāo)和放射性指標(biāo)；“N”為園區(qū)特征指標(biāo). 對照點每年監(jiān)測頻次不少于1次，其他監(jiān)測點每年監(jiān)測頻次不少于2次. 當(dāng)出現(xiàn)地下水污染時，監(jiān)測頻次加倍. 該監(jiān)測網(wǎng)能夠反映化工園區(qū)地下水環(huán)境狀況，協(xié)助開展修復(fù)或管控工作，加強了重點污染源地區(qū)的監(jiān)管，但由于缺少在線監(jiān)測設(shè)備，無法及時發(fā)現(xiàn)污染事故，預(yù)警和應(yīng)急處置能力較弱.

2.4 北京市地下水監(jiān)測網(wǎng)

在省級監(jiān)測網(wǎng)中，北京市地下水監(jiān)測網(wǎng)系統(tǒng)處于領(lǐng)先地位，監(jiān)測點有1 786個，密度為108.8個/(10³ km²).在整合264個已有監(jiān)測點的基礎(chǔ)上，在水源地、污染區(qū)、地下水限采區(qū)及山區(qū)新建240個監(jiān)測點，形成北京市地下水環(huán)境監(jiān)測站網(wǎng)系統(tǒng)〔密度30.71個/(10³ km²)〕^[20]. 新建監(jiān)測點中，有平原區(qū)監(jiān)測井64眼、山區(qū)監(jiān)測井30眼、污染源監(jiān)測井136眼，泉水監(jiān)測點10處. 北京市有地下水自動監(jiān)測站1 241個，占監(jiān)測網(wǎng)系統(tǒng)的69%. 自動監(jiān)測站每天6次自動采集、傳輸、存儲地下水?dāng)?shù)據(jù)，實現(xiàn)了國家級、市級監(jiān)測信息聯(lián)動管理. 地下水環(huán)境監(jiān)測站網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)了全市范圍整體化、含水層組立體化、各區(qū)域系統(tǒng)化的監(jiān)測方式，監(jiān)測精度達到國內(nèi)最高水平，但后期運行維護對資金和人員技術(shù)要求較高.

3 地下水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)存在的問題

國內(nèi)地下水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)已初具規(guī)模，但仍面臨以下問題：一是區(qū)域地下水環(huán)境背景值監(jiān)測點欠缺. 地下水環(huán)境監(jiān)測點多圍繞“雙源”布設(shè)，復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境會導(dǎo)致地下水超標(biāo)，因此需對區(qū)域地下水環(huán)境背景值進行監(jiān)測. 當(dāng)前上游井多位于“雙源”區(qū)上游50 m以內(nèi)，考慮到“雙源”周邊人類活動、歷史遺留污染物和污染物擴散的影響^[21]，上游井水質(zhì)只能代表特定范圍的對照值，無法滿足監(jiān)測區(qū)域背景值的要求. 二是環(huán)境監(jiān)測井設(shè)計前瞻性不足. 相比國家地下水監(jiān)測工程，新建監(jiān)測井功能提升不明顯. 監(jiān)測井結(jié)構(gòu)和保護裝置未預(yù)留新型傳感器、物聯(lián)網(wǎng)存儲設(shè)備和傳輸設(shè)備的空間，井牌設(shè)計未預(yù)留二維碼等信息載體區(qū)域；其次點位周邊條件考慮不足，布點時未統(tǒng)籌考慮周邊供電供網(wǎng)；最后是缺乏綜合性規(guī)劃，地下水監(jiān)測應(yīng)與生態(tài)環(huán)境監(jiān)測協(xié)同，與土壤、地表水、大氣等監(jiān)測點統(tǒng)籌布設(shè)，現(xiàn)有監(jiān)測點位不具備同時監(jiān)測土壤水、植被、大氣等多功能監(jiān)測的設(shè)計. 三是水質(zhì)在線監(jiān)測設(shè)備不成熟，在線監(jiān)測點位占比低. 目前在線監(jiān)測設(shè)備檢測指標(biāo)主要為物理指標(biāo)，監(jiān)控污染物種類和數(shù)量有限，相比室內(nèi)檢測，精度低且易受干擾. 監(jiān)測指標(biāo)單一難以解決多源污染問題，需要結(jié)合多種監(jiān)測技術(shù)同步進行. 目前在線監(jiān)測設(shè)備昂貴，損壞率較高，后期維護和管理也十分困難. 與水質(zhì)檢測配套的自動洗井、取樣、廢水處理等設(shè)備也有待升級. 四是地下水環(huán)境監(jiān)管平臺建設(shè)薄弱，數(shù)據(jù)共享和應(yīng)用服務(wù)相對較差. 監(jiān)管平臺的應(yīng)用使信息傳輸和分析效率得到提升，但仍存在以下問題：①平臺建設(shè)未標(biāo)準(zhǔn)化，地下水監(jiān)測涉及不同的行業(yè)和地區(qū)，監(jiān)測數(shù)據(jù)具有多樣性、復(fù)雜性，缺乏標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)格式、共享協(xié)議和接口等方案，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)難以整合和交換，使得數(shù)據(jù)共享的質(zhì)量和效率受到限制；②當(dāng)數(shù)據(jù)共享面臨各種安全和隱私風(fēng)險時，缺乏安全性保障；③數(shù)據(jù)分析結(jié)果與應(yīng)用小工具不匹配，不利于結(jié)果可視性，擴大受眾范圍. 五是監(jiān)測網(wǎng)資金來源單一. 相比水位監(jiān)測，地下水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)的運行和維護需要更高的資金和人力成本，管理和運維人員所需的專業(yè)技術(shù)要求也更高. 現(xiàn)有監(jiān)測網(wǎng)資金模式多為單一來源，增大了運營風(fēng)險，致使持續(xù)監(jiān)測出現(xiàn)間斷的可能性增大，同時單一資金來源也會使監(jiān)測數(shù)據(jù)挖掘不充分，多方數(shù)據(jù)難以整合，數(shù)據(jù)可利用性低.

4 監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)趨勢

4.1 水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備升級

傳統(tǒng)的人工采樣和檢測方法存在一定滯后性. 在線監(jiān)測的優(yōu)勢在于可根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)自動采集并傳輸數(shù)據(jù)，具有高效性和低成本性. Floury等^[22]研發(fā)了用于在線檢測的IC芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)水體陰陽離子的在線檢測. 用于檢測鉛、鎘、鋅、銅、汞等重金屬的檢測芯片被研發(fā)并用3D打印技術(shù)制造^[23]. 電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)被用于在線水質(zhì)微量元素的單次多元素分析，單次可進行20～70種微量元素檢測^[24].Von-Freyberg等^[25]首次進行氘氧同位素的高頻分析的在線應(yīng)用. 根據(jù)美國地下水和溪流信息計劃(GWSIP)的2021年預(yù)算(不含其他基金配套費用)，用于國家地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的維護費用為153.4×10⁴美元，占比為19.06%，用于新一代監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)的費用高達554×10⁴美元，占比為68.82%^[26]. 新一代在線監(jiān)測設(shè)備是水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域的研發(fā)焦點，具備物聯(lián)化和智能化特點，能夠使檢測和傳輸更精準(zhǔn)^[27]. 新設(shè)備更自主地監(jiān)測和運維功能，是推動水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)革新、提升地下水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)價值的基礎(chǔ).

4.2 監(jiān)測點物聯(lián)互通

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可實現(xiàn)各監(jiān)測點之間通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸和共享監(jiān)測數(shù)據(jù)，避免手動傳輸和維護的繁瑣過程. 通過物聯(lián)互通模式，德克薩斯州地下水監(jiān)測網(wǎng)采用了WiFi、ZigBee和藍牙等技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備間的無線通信. 這種技術(shù)能夠集成多種傳感器數(shù)據(jù)，降低傳輸噪聲和誤差，并提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性^[28]. 此外，監(jiān)測點之間的物聯(lián)互通還可以將地下水監(jiān)測與智慧城市的發(fā)展有機結(jié)合，共享各類行業(yè)的數(shù)據(jù)，為智慧城市的建設(shè)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐^[29]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還可以降低不必要的監(jiān)測點建設(shè)和人工數(shù)據(jù)傳輸，從而降低運維成本^[30-32].

4.3 數(shù)據(jù)分析可視

隨著監(jiān)測井?dāng)?shù)量和監(jiān)測頻次的增加，大數(shù)據(jù)技術(shù)可以通過多維度、深度分析地下水環(huán)境數(shù)據(jù)，更準(zhǔn)確地評估地下水環(huán)境質(zhì)量和污染擴散過程. 數(shù)據(jù)分析和可視化技術(shù)已經(jīng)在監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)分析中得到應(yīng)用. 人工智能技術(shù)可以利用數(shù)據(jù)挖掘和機器學(xué)習(xí)從大量數(shù)據(jù)中提取有助于地下水環(huán)境監(jiān)測和管理的信息，實現(xiàn)自動化和快速化的數(shù)據(jù)分析. 通過分析數(shù)據(jù)集，人工智能可以預(yù)測地下水環(huán)境的潛在風(fēng)險，并計算解決方案. 以數(shù)據(jù)為中心的機器學(xué)習(xí)方法可以收集地下水關(guān)鍵參數(shù)來訓(xùn)練機器學(xué)習(xí)模型，并利用訓(xùn)練好的模型進行地下水質(zhì)量分析或預(yù)測^[33]. 人工智能算法如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)、模糊推理系統(tǒng)(ANFIS)、遺傳算法(GA)和支持向量機(SVM)等已經(jīng)成功應(yīng)用于水質(zhì)預(yù)測模擬和監(jiān)測網(wǎng)點位優(yōu)化，并取得了良好的效果^[34-38]. 數(shù)字孿生作為一種數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，可以實時模擬地下水環(huán)境的變化，并利用預(yù)測模型計算未來的地下水環(huán)境狀況. 數(shù)字孿生還可以減少一部分實地測繪工作，將監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果以可視化形式展示，幫助用戶更直觀地理解和做出決策. 德國北萊茵威斯特法倫州利用數(shù)字孿生技術(shù)監(jiān)測地下水流動和水化學(xué)特征，能夠?qū)崟r展現(xiàn)地下水環(huán)境中的水質(zhì)變化和潛在風(fēng)險^[39].

4.4 數(shù)據(jù)信息安全保真

在地下水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)運行中，數(shù)據(jù)信息面臨篡改、泄漏、丟失等安全問題. 利用區(qū)塊鏈去中心化特性可保證監(jiān)測數(shù)據(jù)不被篡改或竄改，從而增加數(shù)據(jù)的安全性和隱私性，也可以記錄數(shù)據(jù)來源、傳輸和使用過程，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實性和透明度；智能合約能夠使事先編寫的條款自動執(zhí)行，避免執(zhí)行過程受人為因素干擾. 區(qū)塊鏈技術(shù)還可以授權(quán)數(shù)據(jù)使用權(quán)限，被授權(quán)者可了解數(shù)據(jù)被收集、處理和使用的情況，增強數(shù)據(jù)的可信度和追溯性. Sukrutha等^[40]將地下水監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)加載到分布式數(shù)據(jù)存儲(DDS)和區(qū)塊鏈(BC)上，并通過Infura網(wǎng)關(guān)和智能契約實現(xiàn)了雙哈希過程. 智能合約可控制數(shù)據(jù)訪問和共享，數(shù)據(jù)質(zhì)量和完整性得到了提高，實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全傳輸和妥善管理.

5 建議

5.1 構(gòu)建全國地下水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系

整合現(xiàn)有地下水調(diào)查井、“雙源”地下水環(huán)境監(jiān)測井，銜接國家地下水監(jiān)測工程和“十四五”國考點，統(tǒng)籌構(gòu)建國家級、省級地下水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系. 美國國家監(jiān)測網(wǎng)中水質(zhì)長期監(jiān)測井受設(shè)備損壞和運維成本的影響，數(shù)量由4 042降至3 408個，且每年還在減少. 我國國土面積和水文地質(zhì)復(fù)雜程度與美國相近，國家級地下水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)長期監(jiān)測點數(shù)量可借鑒美國，建議初期布設(shè)3 000個左右. 國家級監(jiān)測網(wǎng)主要用于監(jiān)測大流域的水質(zhì)狀況和變化趨勢，為區(qū)域度水資源開發(fā)和生態(tài)系統(tǒng)保護提供數(shù)據(jù)，為國家決策提供支撐. 省級監(jiān)測網(wǎng)應(yīng)在“雙源”地下水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)基礎(chǔ)上，形成具備區(qū)域特點的地下水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)，能夠具備“雙源”尺度上的水資源保護、污染評價、風(fēng)險評估和污染預(yù)測預(yù)警等功能. 同時需完善后期維保體系，合理配置資金和人力資源，確?？沙掷m(xù)性監(jiān)測. 全國地下水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系，可根據(jù)監(jiān)測網(wǎng)功能需求，細分子網(wǎng)絡(luò)，并進行差異化監(jiān)測和管理.

5.2 推進新型設(shè)備研發(fā)和平臺迭代優(yōu)化

加快新一代水質(zhì)在線監(jiān)測設(shè)備研發(fā)：一是制定新一代水質(zhì)在線監(jiān)測設(shè)備在功能性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、時效性等方面的標(biāo)準(zhǔn)；二是集中攻克傳感器研發(fā)、芯片設(shè)計與制作、抗干擾和數(shù)據(jù)處理等關(guān)鍵技術(shù)難題；三是開展多條件外場應(yīng)用測試，實地考驗新設(shè)備的性能和穩(wěn)定性. 同時搭建國家級地下水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)平臺，實現(xiàn)從系統(tǒng)規(guī)劃、硬件配套、系統(tǒng)組裝、軟件開發(fā)和調(diào)試到平臺運行維護全過程管理，并定期根據(jù)應(yīng)用反饋、政策導(dǎo)向、技術(shù)更新進行迭代優(yōu)化.

5.3 探索新型監(jiān)測方式

當(dāng)前地下水監(jiān)測網(wǎng)全部依賴于監(jiān)測井或地下水露頭，可針對特定污染源或場地，探索基于地球物理探測、衛(wèi)星遙感解譯、無人機航測和埋設(shè)傳感器等技術(shù)的新型監(jiān)測方法. 電阻率層析成像技術(shù)(ERT)對地下水有機物和重金屬污染監(jiān)測具有一定效果；重力衛(wèi)星(GRACE)可探測區(qū)域地下水動態(tài)，也被用于大區(qū)域硝酸鹽濃度分析；無人機配合熱紅外成像技術(shù)(TIR)可監(jiān)測地下水向地表水、海洋的排泄強度，進而計算地下水向其他水體輸入污染物的比例；隨著水平定向鉆井(HDD)及管線鋪設(shè)技術(shù)的提高，可直接在含水層水平埋設(shè)線狀分布的傳感器，進行水質(zhì)監(jiān)測.

5.4 進行多網(wǎng)融合，開展應(yīng)用服務(wù)

將國家級地下水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)與地表水監(jiān)測網(wǎng)、大氣污染監(jiān)測網(wǎng)、土壤監(jiān)測網(wǎng)等進行多網(wǎng)融合. 地下水監(jiān)測與地表水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的融合可以加強對地表水和地下水轉(zhuǎn)換和污染遷移的認(rèn)識. 大氣中污染物的遷移、擴散和沉降會對地下水水質(zhì)及保護產(chǎn)生重要影響，二者網(wǎng)絡(luò)融合，便于全面深入地了解地下水污染機理和影響. 借助地下水水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)開展生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)值研究，開發(fā)平臺地下水應(yīng)用小程序，為公眾、企業(yè)提供可視化數(shù)據(jù)及分析結(jié)果. 在監(jiān)測井建設(shè)中，可側(cè)重礦泉水水源地、溫泉水源、地?zé)崮荛_發(fā)等，助力企業(yè)創(chuàng)收，關(guān)注名井、名泉、依賴地下水生態(tài)區(qū)等地下水相關(guān)景區(qū)，推動地方經(jīng)濟發(fā)展.