2014年，当全美聚焦密歇根州弗林特市的水危机时，另一场危机正在俄亥俄州托莱多市悄然上演，但关注度远不及前者。

伊利湖（Lake Erie）是托莱多市的饮用水源，湖中爆发的有害藻华侵入了城市供水系统。当年8月2日，居民收到紧急警告，被告知不要饮用或使用自来水——这一禁令持续了近三天。

这场危机催生了对水质的新一轮关注，并促成了Smart Lake Erie项目的诞生。该项目由非营利组织克利夫兰水联盟（CWA）及多个合作伙伴牵头，与纽约州乔治湖（Lake George）的Jefferson Project有相似之处。

随着越来越多的城市和水务团体寻求改善饮用水质并最终避免另一场公共卫生危机，“智慧湖泊”倡议正蓄势待发。

藻华与盐分侵蚀水质

有害藻华会向水中释放毒素并污染供水，是智慧湖泊技术力图解决的主要问题。藻华在藻类生长失控时发生，但美国国家海洋和大气管理局（NOAA）表示，目前尚不清楚多种因素如何共同作用产生有害藻华。

据NOAA称，污染、水流变化和气候变化可能都起作用，此外，草坪和农业中的磷和氮等营养物质流入水体也是诱因。其影响可能是毁灭性的。

“这对鱼类栖息地及其他水生植物和动物来说，是每年夏天都会出现的严重干扰，”Smart Lake Erie项目在CWA的项目经理Max Herzog在接受Smart Cities Dive采访时表示，“同时，它对区域经济也有显著影响，尤其是旅游业、娱乐业以及房地产价值。”

人力成本同样巨大。在海洋保护协会（Ocean Conservancy）制作的一段关于预防五大湖区水危机的视频中，克利夫兰市水质经理Scott Moegling回忆了2006年湖泊藻类进入城市水处理厂和居民管道的情形。当时饮用水呈黄色，系统需要冲洗以清除有害藻类。

外部组织同样担忧有害藻华对水质的影响。在2017年8月由美国国家科学技术委员会为白宫准备的跨部门报告中，来自多个联邦机构的科学家警告称，藻华对野生动物和人类的日常生存可能产生巨大影响。

“它们还可能对一个社区的社会健康产生严重影响，导致依赖水生或海产品捕捞或旅游业的湖滨经济收入损失；破坏生计、社会和文化的实践；或丧失与水生资源利用相关的社区认同，”报告写道，“这些影响让我们不得不提出关键问题：我的自来水可以安全饮用或沐浴吗？我们能在海滩游泳吗？我能吃这条鱼吗？我的宠物有风险吗？这会影响我的生意或工作吗？”

纽约州北部的乔治湖虽然不像伊利湖那样受有害藻华困扰，但倡导者和其他人士表示，他们仍在密切监测情况。相反，一个主要担忧是道路除冰盐渗入湖水。随着该地区新建建筑和道路的增加，盐分径流加剧，对野生动物可能具有毒性，同时降低水质。

“道路盐是我们面临的最严重的水威胁之一，”倡导组织FUND for Lake George的执行董事Eric Siy告诉Smart Cities Dive，“而且它在太长时间内被忽视和忽略，现在正以非常丑陋、隐蔽的方式反噬我们。”

Siy表示，湖周围房屋的化粪池系统如果维护不当，也可能导致污染。

“道路盐是我们面临的最严重的水威胁之一。它在太长时间内被忽视和忽略，现在正以非常丑陋、隐蔽的方式反噬我们。”

——Eric Siy，FUND for Lake George执行董事

避免饮用水危机的愿望已成为俄亥俄州和纽约州民选官员的重大关切，促使两州制定了全州范围的计划。俄亥俄州最近启动了H2Ohio项目，在头两年投入1.72亿美元，用于数据驱动的解决方案，以预防有害藻华和磷径流。

在H2Ohio的启动仪式上，俄亥俄州州长、共和党人Mike DeWine表示，这项基于科学的计划将保护水质，同时投资帮助农民和其他行业改变习惯。

“很简单，如果我们从一个水危机跌跌撞撞到另一个水危机，我们的州就无法繁荣，”DeWine说。

纽约州州长、民主党人Andrew Cuomo在2018年宣布了应对12个湖泊有害藻华的行动计划，作为一项6500万美元保护上州水质计划的一部分。

技术驱动的监测

为应对有害藻华以及盐和化粪池污染等重大问题，伊利湖和乔治湖正转向技术手段，包括精密的传感器网络，以监测水质。

在乔治湖，Jefferson Project始于2013年，是IBM、FUND for Lake George和伦斯勒理工学院（RPI）的合作项目，后者已在湖上的Darrin Fresh Water Institute开展研究。

Jefferson Project在乔治湖部署了超过500个传感器，分布在52个智能传感器平台上，提供水流等条件的实时数据。湖上还有漂浮的机器人浮标，其传感器可降至不同深度，测量水温、pH值酸度和叶绿素水平。浮标配备完整的气象站，可捕捉风速并监测空气状况，以提供对恶劣天气影响的洞察。

IBM研究员兼Jefferson Project副主任Harry Kolar告诉Smart Cities Dive，一些气象站还建在湖内及周边的岩石露头上。湖的支流中也设有站点，测量水流和水深，以及流入和流出乔治湖的盐度和水化学特性。

这些站点随后利用人工智能（AI）、机器学习和物联网（IoT）技术相互通信，将数据输入Jefferson Project的建模系统。

这些投资源于一项为期30年的湖泊水质研究，该研究汇集了包括道路盐径流在内的各种趋势数据。Siy表示，这种技术驱动的方法代表了乔治湖以往水质监测工作的重大转变，他称过去的做法是“零散的”，更侧重于问题出现后的应对。

“我们真正颠覆了现状，并确定在现状保护方法下，过去一代人时间里乔治湖发生了什么……我们希望下一代乔治湖是什么样子？”Siy说，“如果我们想改变趋势线，就必须从现状中进化。”

Smart Lake Erie的情况类似，它源于CWA及其合作伙伴举办的Erie Hack系列创新挑战赛。在2017年的首届比赛中，许多重点放在实时水质监测上。

如今，Smart Lake Erie使用浮标上的各种传感器监测营养物质和水化学特性，以及湖面和周边地区的天气。Herzog表示，该倡议有多个相关项目，包括Smart Citizen Science，该项目将下一代水质监测设备引入伊利湖地区的志愿者监测项目，并将其置于一个共同的数据平台上。

Smart Lake Erie计划今年夏天与俄亥俄州自然资源部和咨询公司Limnotech合作，启动首个高频流域水质传感项目的规模化试点。该项目将重点展示低成本、高频率监测如何在不大幅牺牲质量的情况下收集高分辨率数据。

“要真正实现我们所需的营养物质减少，以便我们的区域从生态角度真正清理，我们需要能够监测和评估各种旨在减少营养污染的项目的影响，并收集数据以自适应地管理这些项目，提高其效率并保持其效率，”Herzog说。

成果与机遇

智慧湖泊项目正在产生成果，也为监测乔治湖和伊利湖的状况带来机遇。Kolar表示，RPI的研究团队已利用乔治湖收集的数据发表同行评审论文，包括关于水化学变化如何影响青蛙的研究。

IBM众多物联网传感器收集的数据输入到Kolar所称的Jefferson Project的“建模系统”中，该系统利用这些数据预测整个湖泊流域的天气和径流。IBM使用其先进的Deep Thunder软件来处理数据并进行高分辨率天气预测。

“它增强了科学能力，因为我们智能地查看数据，分析建模数据，这些数据也经过传感器验证，因此你能够很好地理解准确性、模型的技能，从那里我们可以做出非常好的预测，然后做出适当的反应，”Kolar说。

与此同时，公众可以发短信给一些智能浮标，获取天气、水质和水化学信息。Jefferson Project也通过数字数据仪表板公开提供类似的天气和水质信息，并将在未来几个月持续更新。

Herzog指出，随着有害藻华和盐径流等问题得到解决，水质得到保护，饮用水处理设施为修复工作承担的成本也将降低。

“在很多情况下，技术已经存在，问题在于弄清楚如何正确实施它们，如何维持这些技术的部署和维护，并以迭代和动态的方式继续管理。”

——Max Herzog，克利夫兰水联盟项目经理

技术含量较低的进展也能发挥作用。跨部门联邦报告称，重新造林和湿地恢复有助于解决氮径流和减少水系统中的营养物质等问题，但报告强调，使用技术进行监测和收集数据对于理解特定条件与野生动物影响之间的联系至关重要。

建模对于识别有害藻华可能发生的地点和时间也至关重要，使地方官员有机会在藻华变得过于严重之前加以阻止，报告称。

随着地方政府寻求复制乔治湖和伊利湖的成功经验，Herzog建议采取区域方法，让每个与湖泊健康相关的政府或实体都参与进来。围绕智慧气候或交通项目的区域合作已在大凤凰城和北德克萨斯地区出现，Herzog表示，这种方法也适用于智慧湖泊。

“在很多情况下，技术已经存在，问题在于弄清楚如何正确实施它们，如何维持这些技术的部署和维护，并以迭代和动态的方式继续管理，”他说，“这确实需要与所有利益相关者进行全面、深度的合作，并在多个层面获得支持。”

Siy表示，他希望乔治湖和Jefferson Project能够向他人展示可能性，尤其是在问题被揭露之后。

“人们比以往任何时候都更需要灵感，还有什么地方比乔治湖更适合成为他人灵感的源泉呢？”他说。