人工智能（AI）賦能徐州市水域智慧治理的環(huán)保實(shí)踐與挑戰(zhàn)

張金瑞

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇徐州 221000）

摘要：面對(duì)跨域治理碎片化、工業(yè)遺產(chǎn)污染深層化及水資源超載三重挑戰(zhàn)，徐州市以國(guó)家“長(zhǎng)江大保護(hù)”戰(zhàn)略為引領(lǐng)，創(chuàng)新應(yīng)用人工智能（AI）技術(shù)驅(qū)動(dòng)水域智慧治理轉(zhuǎn)型。本研究系統(tǒng)闡述了徐州市AI賦能水域處理的三大核心實(shí)踐，一是構(gòu)建全域感知網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)空天地一體化監(jiān)測(cè)體系、動(dòng)態(tài)電子圍欄及卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)污染溯源模型，實(shí)現(xiàn)省界監(jiān)測(cè)盲區(qū)削減47%，污染響應(yīng)時(shí)效縮短62%（8.2小時(shí)→3.1小時(shí)）；二是革新污水處理工藝。融合聲脈沖電凝聚（S-PEC）與貝葉斯優(yōu)化算法，自適應(yīng)調(diào)控重金屬/酚類(lèi)污染物去除過(guò)程，使特征污染物去除率突破95%，并通過(guò)強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型動(dòng)態(tài)優(yōu)化藥劑投加，推動(dòng)污水廠運(yùn)行從“穩(wěn)定達(dá)標(biāo)”躍升為“精準(zhǔn)降耗增效”；三是突破跨域協(xié)同壁壘?；诼?lián)邦學(xué)習(xí)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)蘇魯皖豫四省數(shù)據(jù)主權(quán)共享，開(kāi)發(fā)區(qū)塊鏈智能合約生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制，并依托數(shù)字孿生流域平臺(tái)耦合氣象-內(nèi)澇模型，汛期積水點(diǎn)減少62%。未來(lái)，AI將深化量子傳感靶向修復(fù)、聯(lián)邦學(xué)習(xí)秒級(jí)決策、DAO公眾共治等場(chǎng)景應(yīng)用，推動(dòng)治理范式從“工程治水”向“人-機(jī)-自然共生的智慧生態(tài)”進(jìn)化。徐州實(shí)踐為全球資源型城市提供了基于技術(shù)迭代、制度創(chuàng)新、文明重塑于一體的系統(tǒng)性治理樣板。

關(guān)鍵詞：徐州市水域治理，人工智能、智慧水域、跨域協(xié)同、智慧生態(tài)

1 引言

在國(guó)家“長(zhǎng)江大保護(hù)”戰(zhàn)略與《長(zhǎng)江保護(hù)法》剛性約束下，徐州市以“四水統(tǒng)籌”（水安全、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)）為核心，構(gòu)建了“立法-工程-市場(chǎng)”三位一體的治理體系。通過(guò)實(shí)施《徐州市駱馬湖水環(huán)境保護(hù)條例》等區(qū)域性法規(guī)，率先建立蘇魯皖豫“五聯(lián)機(jī)制”（聯(lián)合監(jiān)測(cè)、執(zhí)法、應(yīng)急等），推動(dòng)跨省界河湖治理從“屬地分割”轉(zhuǎn)向“協(xié)同共治”。政策驅(qū)動(dòng)下，徐州實(shí)現(xiàn)了從“一城煤灰半城土”到“一城青山半城湖”的生態(tài)逆轉(zhuǎn)：投資165億元推進(jìn)主城區(qū)雨污分流，根治奎河400年黑臭歷史，建成云龍湖、潘安湖等生態(tài)地標(biāo)，使國(guó)考斷面優(yōu)Ⅲ比例提升至97.8%，為工業(yè)城市綠色轉(zhuǎn)型提供了“徐州樣本”。

盡管徐州在水域治理方面取得了優(yōu)異的成績(jī)。但是，當(dāng)前徐州水域治理仍面臨三重結(jié)構(gòu)性矛盾。一是，跨域治理碎片化。例如，82%水域?qū)偬K魯皖豫共轄流域（如駱馬湖、南四湖），省界監(jiān)測(cè)盲區(qū)達(dá)47%，污染事件溯源平均耗時(shí)32天，行政壁壘導(dǎo)致責(zé)任推諉與標(biāo)準(zhǔn)割裂；二是，工業(yè)遺產(chǎn)污染深層次化。具體表現(xiàn)為，煤炭產(chǎn)業(yè)遺留的重金屬/酚類(lèi)復(fù)合污染持續(xù)釋放，奎河底泥鎘含量超標(biāo)7倍，傳統(tǒng)工藝對(duì)多環(huán)芳烴去除率不足65%；三是，水資源超載危機(jī)。人均水資源量?jī)H398m3（全國(guó)均值19%），工業(yè)用水占比62%，而再生水回用率僅為30%，水資源利用效率低下，亟需進(jìn)一步提升。

目前，人工智能技術(shù)正成為破解上述矛盾的關(guān)鍵路徑。徐州通過(guò)構(gòu)建“天地空一體化”智能監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)（如金龍湖綠網(wǎng)平臺(tái)），實(shí)現(xiàn)污染響應(yīng)時(shí)效從8.2小時(shí)縮短至3.1小時(shí)；數(shù)字孿生流域系統(tǒng)（銅山區(qū)試點(diǎn)）耦合氣象數(shù)據(jù)與內(nèi)澇模型，精準(zhǔn)調(diào)控泵閘啟閉，汛期積水點(diǎn)減少62%，顯著提升了城市防洪排澇的能力。

未來(lái)需進(jìn)一步深化AI賦能，聯(lián)邦學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)跨省數(shù)據(jù)共享，化解“信息孤島”，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效流通和共享。AI從輔助工具漸漸升級(jí)為治理系統(tǒng)的核心驅(qū)動(dòng)，未來(lái)將推動(dòng)環(huán)境工程學(xué)科范式向“數(shù)字孿生”轉(zhuǎn)型；在AI的協(xié)同治理下，最終將實(shí)徐州打造成工業(yè)城市樣板，實(shí)現(xiàn)資源枯竭型城市可通過(guò)智慧治水實(shí)現(xiàn)生態(tài)逆襲。

2 AI賦能徐州水域治理的核心場(chǎng)景與工程實(shí)踐

2.1 智能監(jiān)測(cè)與污染溯源系統(tǒng)：構(gòu)建全域感知神經(jīng)網(wǎng)

徐州通過(guò)集成物聯(lián)網(wǎng)傳感器、無(wú)人機(jī)高光譜掃描及衛(wèi)星遙感等先進(jìn)技術(shù)，形成了“空天地一體化”監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，突破了傳統(tǒng)點(diǎn)狀監(jiān)測(cè)的局限。在駱馬湖等敏感水域，部署了動(dòng)態(tài)電子圍欄技術(shù)，基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法實(shí)時(shí)識(shí)別非法排污與藻華異常，并能夠及時(shí)聯(lián)動(dòng)執(zhí)法平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水域環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控和快速響應(yīng)。

進(jìn)一步利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建污染物逆向遷移模型，結(jié)合水文參數(shù)實(shí)現(xiàn)污染源的精準(zhǔn)定位。該模型能夠根據(jù)污染物的遷移規(guī)律和水文條件，準(zhǔn)確推斷出污染源的位置，將環(huán)境工程中的被動(dòng)響應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)預(yù)警，有效根治了跨域監(jiān)管盲區(qū)與響應(yīng)滯后的痛點(diǎn)。通過(guò)這種智能監(jiān)測(cè)與污染溯源系統(tǒng)，徐州能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理水域污染問(wèn)題，保障水域生態(tài)環(huán)境的安全。

2.2 污水處理工藝的AI優(yōu)化：驅(qū)動(dòng)廠站智慧化運(yùn)行

針對(duì)工業(yè)廢水重金屬/酚類(lèi)污染物去除的瓶頸問(wèn)題，徐州創(chuàng)新融合聲脈沖電凝聚（S - PEC）與貝葉斯優(yōu)化算法，自適應(yīng)匹配最佳脈沖參數(shù)以提升絮凝效率。在荊馬河污水廠部署強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型，該模型能夠根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)的波動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)藥劑投加量，替代了傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)的粗放控制模式，實(shí)現(xiàn)了污水處理的精準(zhǔn)化和智能化。

同步構(gòu)建數(shù)字孿生廠區(qū)，通過(guò)機(jī)理模型預(yù)演工藝調(diào)整對(duì)出水的影響。數(shù)字孿生廠區(qū)能夠模擬不同工藝參數(shù)下的污水處理過(guò)程，預(yù)測(cè)出水水質(zhì)，為工藝調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)污水處理從“穩(wěn)定達(dá)標(biāo)”到“精準(zhǔn)降耗增效”的工程范式躍遷。通過(guò)這種 AI 優(yōu)化的污水處理工藝，徐州能夠提高污水處理效率，降低處理成本，減少對(duì)環(huán)境的污染。

2.3 跨域協(xié)同治理的智能決策：重構(gòu)流域治理生產(chǎn)關(guān)系

針對(duì)蘇魯皖交界水域行政割裂的難題，徐州設(shè)計(jì)聯(lián)邦學(xué)習(xí)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)主權(quán)保護(hù)下的聯(lián)合建模，如 LSTM水質(zhì)預(yù)測(cè)模型。該架構(gòu)能夠在保護(hù)各地區(qū)數(shù)據(jù)主權(quán)的前提下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和聯(lián)合建模，破解了省界數(shù)據(jù)孤島導(dǎo)致的預(yù)測(cè)偏差問(wèn)題?；趨^(qū)塊鏈開(kāi)發(fā)智能合約生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制，依據(jù)斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)觸發(fā)跨省賠付，消除了責(zé)任推諉現(xiàn)象，提高了跨域治理的積極性和主動(dòng)性。

在銅山區(qū)試點(diǎn)數(shù)字孿生流域平臺(tái)，耦合內(nèi)澇模型與氣象雷達(dá)生成淹沒(méi)熱力圖，驅(qū)動(dòng)泵閘智能調(diào)度。該平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)流域內(nèi)的水位、流量等信息，結(jié)合氣象預(yù)報(bào)和內(nèi)澇模型，預(yù)測(cè)淹沒(méi)區(qū)域和程度，實(shí)現(xiàn)泵閘的智能調(diào)度，將技術(shù)協(xié)同轉(zhuǎn)化為跨域治理的制度性創(chuàng)新。通過(guò)這種跨域協(xié)同治理的智能決策系統(tǒng)，徐州能夠?qū)崿F(xiàn)流域治理的協(xié)同化和智能化，提高治理效率和效果。

3 AI賦能徐州水域治理的未來(lái)圖景

3.1 全域智能決策中樞：流域級(jí)數(shù)字孿生體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性治理

AI 將融合量子傳感、氣象衛(wèi)星與社會(huì)用水大數(shù)據(jù)，構(gòu)建跨介質(zhì)水循環(huán)數(shù)字孿生體。通過(guò)多模態(tài)感知網(wǎng)絡(luò)，如納米熒光傳感器 + 微波雷達(dá)，實(shí)時(shí)生成流域“健康圖譜”，全面、準(zhǔn)確地反映流域的生態(tài)狀況。結(jié)合深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)與水文機(jī)理模型，自主推演退圩還湖、雨洪調(diào)蓄等工程的生態(tài)效益，實(shí)現(xiàn)泵閘調(diào)度、生態(tài)補(bǔ)償?shù)拿爰?jí)決策。

在蘇魯皖豫流域構(gòu)建聯(lián)邦學(xué)習(xí)協(xié)同鏈，動(dòng)態(tài)分配跨省治理責(zé)任與資金，推動(dòng)治理時(shí)效從“小時(shí)級(jí)”躍遷至“秒級(jí)”，根治傳統(tǒng)跨域響應(yīng)滯后難題。通過(guò)這種全域智能決策中樞，徐州能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)流域的系統(tǒng)性治理，提高治理的效率和精準(zhǔn)度。

3.2 技術(shù)深度嵌合：物理AI融合催生分子級(jí)靶向治理

AI 與聲、光、電、磁等物理手段深度耦合，重塑污染治理范式。在智能材料精準(zhǔn)修復(fù)方面，基于重金屬污染預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)調(diào)控 MOFs 材料孔徑，實(shí)現(xiàn)奎河底泥鎘污染的選擇性吸附，提高了污染修復(fù)的針對(duì)性和有效性。在能量場(chǎng)協(xié)同優(yōu)化方面，強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型實(shí)時(shí)匹配聲脈沖電凝聚（S - PEC）參數(shù)，使磷酸鹽去除率突破 99%，顯著提高了污染物的去除效率。在碳 - 水智慧聯(lián)動(dòng)方面，光伏預(yù)測(cè)與污水處理能耗模型協(xié)同，利用谷電蓄能降本 30%（如馬坡灌區(qū)），實(shí)現(xiàn)了能源的高效利用和節(jié)能減排。技術(shù)邏輯從“經(jīng)驗(yàn)試錯(cuò)”轉(zhuǎn)向“機(jī)理引導(dǎo)的智能設(shè)計(jì)”，治理精度達(dá)到分子級(jí)，為徐州的水域污染治理提供了更加科學(xué)、高效的方法。

3.3 治理倫理重構(gòu)：DAO與元宇宙激活多元共治生態(tài)

AI 推動(dòng)治理主體從政府單核主導(dǎo)轉(zhuǎn)向“人機(jī)共智”共生網(wǎng)絡(luò)。在鏈上自治監(jiān)管方面，市民通過(guò) AI 識(shí)圖舉報(bào)污染，區(qū)塊鏈智能合約自動(dòng)核驗(yàn)并發(fā)放通證激勵(lì)，建立了全民監(jiān)督聯(lián)盟，提高了公眾參與治理的積極性和主動(dòng)性。在生成式 AI 賦能基層方面，GPT流域助手為鄉(xiāng)鎮(zhèn)人員生成定制化治理方案，如南四湖面源防控方案，提供了更加精準(zhǔn)、有效的治理指導(dǎo)。在元宇宙共識(shí)機(jī)制方面，VR 平臺(tái)模擬清淤工程生態(tài)影響，公眾參與決策提升治理認(rèn)同，增強(qiáng)了治理的民主性和科學(xué)性。行政邊界消融，形成有溫度、可自進(jìn)化的“中國(guó)式智慧治水”范式，為徐州的水域治理注入了新的活力和動(dòng)力。

4 AI賦能徐州水域治理：從“治水”到“智水”的范式躍遷

徐州水域治理在AI 的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)了三重跨越。其一，感知決策升維。通過(guò)空天地一體化監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)與深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型，構(gòu)建流域級(jí)數(shù)字孿生體，將污染響應(yīng)時(shí)效從小時(shí)級(jí)壓縮至分鐘級(jí)。例如，奎河溯源定位提速 80%，有效提高了對(duì)污染事件的響應(yīng)速度和處理效率，根治了跨域監(jiān)管盲區(qū)。其二，技術(shù)邏輯重構(gòu)。AI 與物理手段深度嵌合，如聲脈沖電凝聚參數(shù)自適應(yīng)優(yōu)化、MOFs材料智能調(diào)控，推動(dòng)污染治理從經(jīng)驗(yàn)試錯(cuò)轉(zhuǎn)向分子級(jí)靶向干預(yù)，使工業(yè)廢水特征污染物去除率突破 95%，顯著提高了污染治理的效果和質(zhì)量。其三，治理生態(tài)進(jìn)化?；趨^(qū)塊鏈智能合約與聯(lián)邦學(xué)習(xí)架構(gòu)，建立蘇魯皖豫數(shù)據(jù)主權(quán)共享與生態(tài)補(bǔ)償鏈，將傳統(tǒng)行政割裂轉(zhuǎn)化為鏈上協(xié)同自治，實(shí)現(xiàn)了治理模式的創(chuàng)新和升級(jí)。

未來(lái)，AI 將進(jìn)一步催化革命性變革。在技術(shù)層，量子傳感與多模態(tài)融合將實(shí)現(xiàn)“顯微級(jí)”精準(zhǔn)治污，提高污染監(jiān)測(cè)和治理的精度。在機(jī)制層，DAO 市民監(jiān)督聯(lián)盟與生成式 AI 助手（如 GPT 流域治理引擎）將重塑“人機(jī)共智”治理生態(tài)，增強(qiáng)治理的科學(xué)性和民主性。在倫理層，元宇宙公眾參與平臺(tái)將推動(dòng)治水從政府工程升華為社會(huì)共識(shí)，提高公眾對(duì)水域治理的認(rèn)同感和參與度。徐州以“淮海智水大腦”為樞紐，正從“一城煤灰半城土”的工業(yè)遺址，蛻變?yōu)槿蛸Y源型城市“AI+生態(tài)”治理的中國(guó)樣板，其核心價(jià)值在于證明智慧治水不僅是技術(shù)迭代，更是人、自然與機(jī)器共生的文明形態(tài)進(jìn)化。

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作者簡(jiǎn)介：張金瑞，男，博士研究生，講師，主要環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)水處理、大氣污染治理等方面的教學(xué)研究工作，通訊地址：徐州市鼓樓區(qū)襄王南路1號(hào)，聯(lián)系電話：15952244200，郵箱：zjr199573@163.com