周杰+李婷+楊金艷+王勇

摘 要：該文總結(jié)了水環(huán)境質(zhì)量測(cè)量的遙感監(jiān)測(cè)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)、生物傳感監(jiān)測(cè)等3方面的國(guó)際前沿技術(shù)以及目前應(yīng)用比較成熟的案例。討論了傳感器和監(jiān)測(cè)集成手段的發(fā)展趨勢(shì)，指出未來(lái)水質(zhì)監(jiān)測(cè)將沿著大面積以及惡劣條件下自動(dòng)化監(jiān)測(cè)發(fā)展，傳感器將向生物傳感器、半導(dǎo)體感測(cè)電極固態(tài)傳感器方向發(fā)展的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)監(jiān)測(cè) 前沿技術(shù) 傳感器

中圖分類號(hào)：X52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）04（a）-0120-02

水資源是人類賴以生存的資源，是承載人類社會(huì)進(jìn)步的重要資源，更是地球生物圈賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。然而隨著社會(huì)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，水資源的污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)是水質(zhì)評(píng)價(jià)與水污染防治的重要依據(jù)。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法檢測(cè)和分析過(guò)程復(fù)雜、周期長(zhǎng)，數(shù)據(jù)的頻次、時(shí)效和代表性遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于環(huán)境管理與決策的需求。而且隨著水環(huán)境不斷惡化，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)已不能完全反映水質(zhì)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。近年來(lái)，隨著科技的迅猛發(fā)展，各種水質(zhì)監(jiān)測(cè)新技術(shù)如雨后春筍般發(fā)展起來(lái)。

從SCIE、EI等數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索，經(jīng)過(guò)去重，近5年來(lái)相關(guān)文獻(xiàn)365篇，其中與水質(zhì)測(cè)量主題密切相關(guān)的有57篇。經(jīng)過(guò)分析，目前國(guó)際水環(huán)境測(cè)量前沿技術(shù)主要集中于：遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)方面（共15篇，其中6篇影響因子2.0以上）、水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)方面（共11篇，其中4篇影響因子2.0以上）、生物監(jiān)測(cè)技術(shù)方面（共8篇，其中7篇影響因子2.0以上）。

1 遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)

遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)主要是利用水體及其污染物的光譜特性的差異，通過(guò)遙感傳感器進(jìn)行水環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)的技術(shù)。

Doa C等[1]利用陸地衛(wèi)星專題制圖儀（TM）數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)算法來(lái)估算水質(zhì)變量，如葉綠素a、總懸浮顆粒以及水的透明度。地面數(shù)據(jù)從多個(gè)西班牙湖泊中提取，涵蓋多種營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，從貧營(yíng)養(yǎng)到營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩。與此同時(shí)，論文對(duì)TM與Deimos-1衛(wèi)星之間的光譜等量代換也進(jìn)行了測(cè)試。將所提出算法套用到Deimos-1衛(wèi)星，時(shí)間分辨率就被提高到3天，這樣空間分辨率也提高到了22 m。該方法用于葉綠素a的均方根誤差（RMSE）為40 mg/m3（數(shù)據(jù)范圍：32～238 mg/m3），總懸浮顆粒的RMSE為10 mg/L（數(shù)據(jù)范圍：25～89 mg/m3），水體透明度的RMSE為0.10 m（數(shù)據(jù)范圍：0.17～0.40 m）。

Harvey E T等[2]利用MERIS（中分辨率成像光譜儀）衛(wèi)星數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)沿岸地區(qū)的葉綠素a濃度。通過(guò)將衛(wèi)星估測(cè)得出的葉綠素a濃度與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出兩者間有很強(qiáng)的相關(guān)性：利用短時(shí)期（0～3 d）對(duì)比，得出RMSE為64%，MNB為17%；而利用每月平均對(duì)比，得出RMSE和MNB分別為8%。研究證明，由于MERIS可以得到一個(gè)縱觀全局的視野以及更高的時(shí)間分辨率，因此它在捕捉空間動(dòng)態(tài)變化以及浮游植物水華擴(kuò)張程度比基于船舶的監(jiān)測(cè)更好。且研究結(jié)果顯示，當(dāng)海洋水色遙感與現(xiàn)場(chǎng)采樣相結(jié)合，可以為海岸帶的有效監(jiān)控和管理提供了更好的基礎(chǔ)。

2 水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)是把自動(dòng)分析儀器和現(xiàn)代化的傳感器組合起來(lái)并配上先進(jìn)的控制芯片、網(wǎng)絡(luò)通訊和專業(yè)分析軟件，使水樣采集、分析到記錄、傳輸、數(shù)據(jù)處理及存貯整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化，從而進(jìn)行多參數(shù)在線快速、自動(dòng)監(jiān)測(cè)的技術(shù)。

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)可測(cè)定的參數(shù)有水溫、電導(dǎo)率、pH值、溶解氧、濁度、氧化還原電位等綜合性指標(biāo)項(xiàng)目，還可測(cè)定生化需氧量、總有機(jī)碳等水質(zhì)污染指標(biāo)和葉綠素、氨氮、硝酸鹽氮等水質(zhì)組分指標(biāo)項(xiàng)目。目前水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)主要分為水質(zhì)自動(dòng)分析儀和水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)兩大類。

BannaM H等[3]飲用水分布系統(tǒng)中用于測(cè)量常見水質(zhì)參數(shù)（pH值，混濁度，游離氯，溶解氧和電導(dǎo)率）的傳感器技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了詳細(xì)的描述和對(duì)比。同樣，文中提出了未來(lái)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的改進(jìn)建議以及發(fā)展趨勢(shì)。

有4篇重要文獻(xiàn)論述了用少數(shù)的機(jī)器人解決大范圍環(huán)境監(jiān)測(cè)的問(wèn)題。應(yīng)用實(shí)例包括：通過(guò)一個(gè)自主水表機(jī)器人監(jiān)測(cè)的室外游泳池的溫度場(chǎng)；通過(guò)機(jī)器人聲吶圖像來(lái)探測(cè)水體中魚群并測(cè)量其相關(guān)參數(shù)，如體積、深度和GPS位置；機(jī)器人惡劣環(huán)境下水下水質(zhì)監(jiān)測(cè)與互饋等。

Zhuiykov S[5]分析了用于在線監(jiān)測(cè)水質(zhì)參數(shù)的固態(tài)傳感器，這些參數(shù)包括pH、溶解氧（DO）、電導(dǎo)率、濁度、溶解有機(jī)碳（DOC）以及溶解金屬離子。預(yù)計(jì)下一代無(wú)線傳感器將基于可克服生物污垢障礙的薄膜或厚膜半導(dǎo)體感測(cè)電極（SE）的固態(tài)傳感器相結(jié)合。在高度靈敏和有選擇性納米結(jié)構(gòu)的SE發(fā)展中，對(duì)于結(jié)構(gòu)和形態(tài)的控制起著日益重要的作用，是確定性能的關(guān)鍵因素。在研究摻雜復(fù)雜氧化物的SE的各種化學(xué)傳感器所獲得的成果，已經(jīng)被用來(lái)顯示傳感器特性的最優(yōu)化。

3 生物傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)

現(xiàn)代生物監(jiān)測(cè)技術(shù)主要是利用活的生物體或微生物對(duì)環(huán)境中某種污染物敏感的特性，配上核酸探針及生物傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)它們對(duì)環(huán)境的反應(yīng)，從而對(duì)環(huán)境質(zhì)量做出評(píng)價(jià)。

Di Lorenzo M等[4]在研究中，使用一個(gè)小規(guī)模的單室空氣陰極微生物燃料電池（SCMFC），通過(guò)快速原型3D打印一層一層制造，被測(cè)試作為一種生物傳感器對(duì)水質(zhì)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。生物傳感器的動(dòng)態(tài)范圍為1～25μg/L。

這類生物傳感器監(jiān)測(cè)的應(yīng)用還有：利用苔蘚植物對(duì)環(huán)境污染物的生物阻抗進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)；利用地下飲用水供應(yīng)廠天然有機(jī)物的熒光特性作為研究供水污染。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法的標(biāo)準(zhǔn)化，水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷朝著實(shí)時(shí)分析、自動(dòng)化分析、大面積覆蓋等方向發(fā)展。結(jié)合新興技術(shù)，如遙感、機(jī)器人、在線網(wǎng)絡(luò)、生物技術(shù)等的應(yīng)用，不但拓寬了水質(zhì)監(jiān)測(cè)的范圍，而且也使水質(zhì)監(jiān)測(cè)分析儀器更具便攜性、操作簡(jiǎn)單以及分析快速等優(yōu)點(diǎn)。與此同時(shí)，可用于現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)監(jiān)測(cè)的各類儀器設(shè)備打破了場(chǎng)地的局限，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程工作，為在人類無(wú)法觸及的惡劣工作環(huán)境進(jìn)行水環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了可能。

參考文獻(xiàn)

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