基于傳感技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測與評(píng)估方法研究

弓 斌

（略陽縣環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站，陜西 漢中 724300）

引言

水質(zhì)監(jiān)測對(duì)于保護(hù)環(huán)境和人類健康至關(guān)重要，而傳感器技術(shù)提供了高效、準(zhǔn)確的水質(zhì)評(píng)估方法。在水質(zhì)傳感器的技術(shù)支持下，需要重點(diǎn)討論監(jiān)測和水質(zhì)評(píng)估的方法，從傳統(tǒng)的采樣技術(shù)到先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室分析，再到實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集和持續(xù)監(jiān)測，增強(qiáng)了保護(hù)水資源的能力。

1 水質(zhì)監(jiān)測中的傳感器技術(shù)概述

1.1 傳感器的定義和用途

傳感器是檢測和測量物理、化學(xué)或生物特性，并將這些信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或其他可以解釋和記錄的輸出設(shè)備。在水質(zhì)監(jiān)測中，傳感器在收集各種參數(shù)的數(shù)據(jù)，以評(píng)估水體狀況、確保其安全性和各種用途（飲用水供應(yīng)、水生生態(tài)系統(tǒng)和工業(yè)應(yīng)用）的適用性方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

傳感器在水質(zhì)監(jiān)測中的主要目的是提供關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)有助于科學(xué)家、環(huán)境機(jī)構(gòu)和水處理設(shè)施做出明智的決策并及時(shí)采取行動(dòng)，維護(hù)水生生態(tài)系統(tǒng)的健康。

1.2 水質(zhì)監(jiān)測中使用的傳感器類型

水質(zhì)監(jiān)測傳感器有多種類型，用于測量特定的物理、化學(xué)或生物參數(shù)。

1.2.1 物理傳感器

物理傳感器測量不涉及化學(xué)反應(yīng)的水的特性，這些傳感器有助于了解水的物理特性和狀況。使用物理傳感器監(jiān)測的一些常見物理參數(shù)如下。

（1）溫度傳感器提供有關(guān)水溫變化的信息。溫度是影響水質(zhì)的關(guān)鍵因素，水溫變化會(huì)影響氣體的溶解度、化學(xué)反應(yīng)和水生生態(tài)系統(tǒng)的整體健康。

（2）濁度傳感器測量由懸浮顆粒引起的水的混濁度或渾濁度，高濁度表明沉積物徑流或污染，并會(huì)影響光穿透，影響水生植物和生物。

（3）電導(dǎo)率傳感器測量水傳導(dǎo)電流的能力。該參數(shù)與溶解離子的濃度有關(guān)，可以深入了解鹽度、營養(yǎng)水平和污染[1]。

1.2.2 化學(xué)傳感器

化學(xué)傳感器旨在檢測水中存在的特定化合物或離子，這些傳感器在識(shí)別污染物和評(píng)估水質(zhì)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。使用化學(xué)傳感器監(jiān)測的一些常見化學(xué)參數(shù)如下。

（1）pH值傳感器測量水的酸堿度，pH值會(huì)影響化學(xué)品的溶解度和水生生物的健康。

（2）溶解氧傳感器測量水中溶解氧的濃度。充足的溶解氧對(duì)于水生生物至關(guān)重要，低水平則表明存在污染或氧氣耗盡。

（3）營養(yǎng)物傳感器，用于測量水中硝酸鹽和磷酸鹽等營養(yǎng)物的濃度。過量的營養(yǎng)物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致富營養(yǎng)化，導(dǎo)致有害藻華并對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響。

1.2.3 生物傳感器

生物傳感器利用活生物體或其生物成分來評(píng)估水質(zhì)，這些傳感器對(duì)于監(jiān)測污染物對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)的影響特別有用。常見的生物傳感器類型包括如下幾種。

（1）生化需氧量（BOD）傳感器測量微生物分解水中有機(jī)物時(shí)消耗的氧氣量。高BOD水平，可以表明污染及其對(duì)水生生物的潛在影響。

（2）藻類和浮游植物傳感器可以檢測藻類和浮游植物物種的存在和豐度。藻華會(huì)破壞生態(tài)系統(tǒng)，并產(chǎn)生對(duì)水生生物和人類健康有害的毒素。

（3）微生物傳感器利用細(xì)菌或酶來檢測水中的特定污染物或病原體，對(duì)于監(jiān)測水傳播疾病和有害微生物很有價(jià)值。

2 水質(zhì)監(jiān)測中常用的評(píng)估參數(shù)

水質(zhì)監(jiān)測是評(píng)估水體健康和安全的關(guān)鍵實(shí)踐，確保其適合各種用途，包括飲用水供應(yīng)、娛樂活動(dòng)和水生生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要評(píng)估一系列參數(shù)，為了解水的狀況提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)。

2.1 溫度

溫度是水質(zhì)監(jiān)測的基本參數(shù)，影響水生生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的各種物理和化學(xué)過程。水溫會(huì)影響氣體的溶解度、水生生物的代謝率，以及水生生態(tài)系統(tǒng)的整體健康。與溫度監(jiān)測相關(guān)有如下方面。

（1）季節(jié)變化。水溫隨季節(jié)變化，影響水生物種的分布和行為。溫度波動(dòng)還會(huì)影響藻類和其他微生物的生長。

（2）熱污染。由于人類活動(dòng)（如工業(yè)排放，或河岸缺乏遮陰）導(dǎo)致水的過度加熱，形成熱污染。這會(huì)降低溶解氧水平，并對(duì)冷水物種造成壓力，從而對(duì)水生生物產(chǎn)生不利影響[2]。

2.2 pH值

pH值是水的酸度或堿度的衡量標(biāo)準(zhǔn)，范圍為0（強(qiáng)酸性）到14（強(qiáng)堿性），其中7為中性。水中的pH值會(huì)顯著影響化學(xué)反應(yīng)、營養(yǎng)物質(zhì)的可用性以及水生生物的整體健康。有關(guān)pH值監(jiān)測的一些重要因素如下。

（1）對(duì)水生生物的影響。許多水生物種對(duì)于生存和繁殖有特定的pH值要求。pH值的急劇變化，會(huì)傷害或殺死水生生物。

（2）緩沖能力。水的緩沖能力是指其抵抗pH值變化的能力。緩沖能力低的水體更容易受到污染，或其他外部因素引起的pH值波動(dòng)的影響。

（3）酸雨。酸雨會(huì)降低天然水域的pH值，對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)造成風(fēng)險(xiǎn)。監(jiān)測pH值有助于確定受酸雨影響的區(qū)域，并指導(dǎo)應(yīng)其工作。

2.3 溶解氧

溶解氧（DO）是水質(zhì)評(píng)估中的一個(gè)重要參數(shù)，因其決定了支持水生生物的氧氣量。充足的溶解氧水平，對(duì)于魚類和其他水生生物的呼吸至關(guān)重要。DO監(jiān)測包括如下方面。

（1）影響溶解氧的因素。溫度、鹽度和大氣壓力會(huì)影響水所能容納的氧氣量。較熱的水和較冷的水含有更少的溶解氧。

（2）需氧量。生物和化學(xué)過程，如有機(jī)物的分解和微生物呼吸會(huì)消耗溶解氧。高有機(jī)負(fù)荷或污染會(huì)導(dǎo)致缺氧。

（3）氧飽和度。溶解氧水平通常以氧飽和度的百分比表示，表示在給定溫度和壓力下水可以容納多少氧氣[3]。

2.4 濁度

濁度是指由于懸浮顆粒（如淤泥、粘土、藻類和有機(jī)物）的存在而引起的水的混濁或渾濁。監(jiān)測濁度可以深入了解水的透明度和污染物的存在。與濁度相關(guān)主要考慮如下因素。

（1）對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響。高濁度會(huì)減少水中的光線穿透，影響水生植物的生長以及生物體尋找食物和躲避捕食者的能力。

（2）沉積物徑流。建筑工地、農(nóng)田或侵蝕河岸的沉積物徑流會(huì)顯著增加渾濁度，監(jiān)測濁度有助于識(shí)別沉積物污染源。

（3）法規(guī)遵從性。許多環(huán)境法規(guī)都規(guī)定了濁度限制，以保護(hù)水生生態(tài)系統(tǒng)和水質(zhì)，定期監(jiān)控對(duì)于合規(guī)性至關(guān)重要。

2.5 電導(dǎo)率

電導(dǎo)率測量水傳導(dǎo)電流的能力，受到溶解離子（包括鹽和礦物質(zhì)）濃度的影響，是了解水質(zhì)的重要參數(shù)。電導(dǎo)率監(jiān)測包括如下方面。

（1）鹽度評(píng)估。電導(dǎo)率可以深入了解水的鹽度，有助于識(shí)別鹽水對(duì)淡水源的入侵。

（2）監(jiān)測營養(yǎng)物水平。電導(dǎo)率升高表明存在營養(yǎng)物，如硝酸鹽和磷酸鹽，這會(huì)導(dǎo)致富營養(yǎng)化和有害藻華。

（3）污染預(yù)警。電導(dǎo)率的變化可以發(fā)出污染物進(jìn)入水體的信號(hào)，使其成為有用的預(yù)警指標(biāo)。

2.6 營養(yǎng)水平

營養(yǎng)水平，特別是硝酸鹽（NO3-）和磷酸鹽（PO43-），是水質(zhì)監(jiān)測的關(guān)鍵參數(shù)，在促進(jìn)藻類和水生植物生長方面發(fā)揮著作用。營養(yǎng)水平過高會(huì)導(dǎo)致富營養(yǎng)化，從而破壞水生生態(tài)系統(tǒng)。有關(guān)營養(yǎng)物監(jiān)測要考慮如下因素。

（1）富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。營養(yǎng)水平升高會(huì)導(dǎo)致藻類和其他水生植物快速生長，導(dǎo)致氧氣耗盡并對(duì)水生生物產(chǎn)生負(fù)面影響。

（2）確定養(yǎng)分污染源，如農(nóng)業(yè)徑流、污水排放或工業(yè)廢水，對(duì)于有效管理至關(guān)重要。

（3）藻華。監(jiān)測營養(yǎng)水平可以幫助預(yù)防有害的藻華。

3 基于傳感技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測與評(píng)估方法

3.1 抽樣方法

采樣是收集有代表性的水樣以供后續(xù)分析的過程。正確的采樣技術(shù)對(duì)于確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠至關(guān)重要。

3.1.1 抓取采樣

抓取采樣涉及特定地點(diǎn)和時(shí)間采集單個(gè)水樣，該方法適用于評(píng)估短期內(nèi)變化不大的水質(zhì)參數(shù)[4]。主要考慮如下因素。

（1）在有代表性的時(shí)間和頻率進(jìn)行采樣，以捕獲水質(zhì)的變化。如可以定期采樣來監(jiān)測每日變化，而季節(jié)性采樣可以捕捉長期趨勢。

（2）使用清潔且貼有適當(dāng)標(biāo)簽的容器，防止污染并確?？勺匪菪浴２煌膮?shù)可能需要特定類型的容器，如用于有機(jī)化合物分析的琥珀色玻璃瓶，或用于微生物測試的塑料瓶。某些參數(shù)（如溶解氧）需要立即分析，而其他參數(shù)則需要防腐劑，以保證在運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室過程中保持其完整性。抓取采樣通常用于測量溫度、pH值、濁度和電導(dǎo)率等參數(shù)，是一種經(jīng)濟(jì)有效的定期監(jiān)測方法，適用于許多水質(zhì)評(píng)估需求。

3.1.2 復(fù)合采樣

復(fù)合采樣涉及不同地點(diǎn)或時(shí)間間隔收集多個(gè)抓取樣本，然后將其組合起來以創(chuàng)建單個(gè)代表性樣本。該方法有助于消除水質(zhì)的空間和時(shí)間變化。具體包括如下方面。

（1）復(fù)合采樣可以使用不同的策略來完成，如時(shí)間比例（定期采集樣本）、流量比例（與流量成比例采集的樣本）或基于事件（在特定事件期間采集的樣本，如雨水徑流）。

（2）自動(dòng)化設(shè)備和泵可以用于一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)收集樣品，確保復(fù)合樣品具有代表性；收集后，復(fù)合樣品必須在實(shí)驗(yàn)室分析前徹底混合，確保均勻性。

（3）在評(píng)估受變異性影響的參數(shù)時(shí)，如流量波動(dòng)的河流中的營養(yǎng)水平，或風(fēng)暴事件期間的污染物濃度。復(fù)合采樣特別有價(jià)值，提供了對(duì)水質(zhì)趨勢的更全面了解。

3.1.3 自動(dòng)采樣

自動(dòng)采樣系統(tǒng)使用儀器和泵，依據(jù)預(yù)定的時(shí)間間隔自動(dòng)采集水樣。這些系統(tǒng)效率很高，減少了手動(dòng)采樣的需要。主要特點(diǎn)為：自動(dòng)化系統(tǒng)可以編程，為在特定時(shí)間、特定流量條件下或響應(yīng)降雨事件等觸發(fā)因素收集樣本；自動(dòng)采樣器通常具有數(shù)據(jù)記錄功能，記錄采樣時(shí)間、日期、位置和相關(guān)參數(shù)等信息；一些自動(dòng)采樣系統(tǒng)允許遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制，從而能夠?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)收集和采樣計(jì)劃調(diào)整。自動(dòng)采樣對(duì)于連續(xù)監(jiān)測快速變化或受特定事件影響的參數(shù)特別有用，確保高頻率的數(shù)據(jù)收集，而無需持續(xù)的人工干預(yù)。

3.2 實(shí)驗(yàn)室分析技術(shù)

實(shí)驗(yàn)室分析技術(shù)涉及對(duì)現(xiàn)場采集的水樣進(jìn)行檢查，以確定特定水質(zhì)參數(shù)的濃度。這些技術(shù)提供了有關(guān)水的化學(xué)、物理和生物特性的精確而詳細(xì)的信息。

3.2.1 光譜法

光譜法是一種廣泛使用的技術(shù)，根據(jù)各種物質(zhì)吸收特定波長光的能力，測量水中各種物質(zhì)的濃度。該技術(shù)對(duì)于評(píng)估可通過比色反應(yīng)量化的參數(shù)特別有用。光譜法可用于分析營養(yǎng)物濃度（如硝酸鹽、磷酸鹽）、有機(jī)化合物和金屬離子等參數(shù)。使用已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液生成校準(zhǔn)曲線，將吸光度讀數(shù)與分析物濃度相關(guān)聯(lián)。這種技術(shù)具有高度準(zhǔn)確度和精密度，使其適合法規(guī)遵從性和研究應(yīng)用。光譜法對(duì)于評(píng)估水中的營養(yǎng)水平特別有價(jià)值，有助于識(shí)別污染源和管理富營養(yǎng)化[5]。

3.2.2 色譜法

色譜法是一種復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)，用于分離和定量水樣中的化合物。常見的色譜技術(shù)包括氣相色譜（GC）、液相色譜（LC）和高效液相色譜（HPLC），每種技術(shù)都適合特定的分析物。色譜法可以識(shí)別和量化有機(jī)化合物的復(fù)雜混合物，包括污染物、農(nóng)藥和藥物。色譜方法具有高靈敏度和選擇性，可以檢測痕量污染物。色譜法對(duì)于評(píng)估水中的有機(jī)污染物至關(guān)重要，在環(huán)境監(jiān)測和法規(guī)遵從性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

3.2.3 微生物檢測

微生物檢測涉及對(duì)水樣進(jìn)行檢查，以檢測和定量微生物，包括細(xì)菌、病毒和藻類。常見的微生物測試使用大腸桿菌或大腸菌等指示生物，評(píng)估糞便污染和病原微生物的存在情況。通常采用膜過濾技術(shù)，濃縮和捕獲微生物以進(jìn)行計(jì)數(shù)和鑒定。傳統(tǒng)的基于培養(yǎng)的方法涉及在特定培養(yǎng)基上培養(yǎng)微生物，而聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）等分子方法可以提供快速且特異性的檢測。微生物測試對(duì)于確保飲用水、娛樂用水和廢水處理過程的安全至關(guān)重要，有助于預(yù)防水傳播疾病的暴發(fā)。

3.3 在線監(jiān)測系統(tǒng)

在線監(jiān)測系統(tǒng)，也稱為原位或?qū)崟r(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，直接在現(xiàn)場提供水質(zhì)參數(shù)的連續(xù)數(shù)據(jù)收集和評(píng)估，這些系統(tǒng)可以立即洞察水質(zhì)變化和趨勢。

3.3.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集涉及連續(xù)測量水質(zhì)參數(shù)并將其傳輸?shù)街醒霐?shù)據(jù)庫或監(jiān)測站。主要特點(diǎn)是在線監(jiān)測系統(tǒng)使用各種傳感器和探頭，測量溫度、pH值、溶解氧、濁度和電導(dǎo)率等參數(shù)；實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)通過無線或有線方式傳輸至中央數(shù)據(jù)庫或監(jiān)控中心；當(dāng)參數(shù)水平超過預(yù)定義閾值時(shí)，在線監(jiān)測系統(tǒng)可以觸發(fā)警報(bào)，從而能夠快速響應(yīng)污染事件。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集對(duì)于立即響應(yīng)水質(zhì)變化、污染事件和保護(hù)水生生態(tài)系統(tǒng)具有重要價(jià)值。

3.3.2 連續(xù)監(jiān)測

連續(xù)監(jiān)測涉及長時(shí)間不間斷地測量水質(zhì)參數(shù)。主要考慮因素包括連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)定期記錄數(shù)據(jù)，為趨勢分析和報(bào)告創(chuàng)建詳細(xì)的數(shù)據(jù)集；可以集成多個(gè)傳感器來同時(shí)評(píng)估多個(gè)參數(shù)，從而提供水質(zhì)的全面視圖；通過持續(xù)監(jiān)控收集的數(shù)據(jù)，可以遠(yuǎn)程訪問并與利益相關(guān)者實(shí)時(shí)共享。連續(xù)監(jiān)測對(duì)于長期研究、趨勢分析以及了解氣候變化和污染對(duì)水體的影響特別有用。

3.3.3 遙感技術(shù)

遙感技術(shù)利用衛(wèi)星、無人機(jī)或其他空中平臺(tái)從遠(yuǎn)處收集水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)。遙感技術(shù)不需要與水體直接接觸，降低了污染風(fēng)險(xiǎn)，最大限度地減少了對(duì)環(huán)境的干擾；遙感可以覆蓋廣泛的區(qū)域，適合監(jiān)測大型湖泊、河流或沿海地區(qū)；通常采用多光譜或高光譜成像來捕獲有關(guān)水質(zhì)參數(shù)的詳細(xì)信息，包括葉綠素水平、懸浮固體和濁度。

4 結(jié)語

在水資源面臨越來越大壓力的背景下，有效的水質(zhì)監(jiān)測和評(píng)估至關(guān)重要。傳感器技術(shù)具有多種物理、化學(xué)和生物傳感器，可以為水體狀況提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)。從溫度到營養(yǎng)水平，這些傳感器能夠準(zhǔn)確跟蹤關(guān)鍵參數(shù)。通過利用傳感技術(shù)的力量，保護(hù)寶貴的水資源。