弓永強(qiáng)

（忻州市生態(tài)環(huán)境局東部區(qū)域監(jiān)測技術(shù)保障中心，山西 原平 034100）

引言

水對人類的生存至關(guān)重要，但人類活動對其質(zhì)量造成了污染[1]。城市化和工業(yè)化導(dǎo)致水污染問題加劇，進(jìn)而引起土地使用、健康和糧食短缺問題。全球約有10 億人無法獲得安全飲用水。在全球范圍內(nèi)，發(fā)展中國家每年約有220 萬人死于水傳播疾病[2]。為了實(shí)現(xiàn)一個可持續(xù)的生態(tài)環(huán)境，必須考慮污染的減少。在當(dāng)今的千年發(fā)展目標(biāo)和現(xiàn)在的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的支持下，世界各國領(lǐng)導(dǎo)人已經(jīng)表現(xiàn)出了追求改善水質(zhì)的意愿和承諾?？沙掷m(xù)發(fā)展目標(biāo)強(qiáng)調(diào)清潔水可用的重要性，這就要求減少污染、改善水質(zhì)和解決缺水的問題。

各種污染物的引入，如有機(jī)物、有害化學(xué)物質(zhì)和來自家庭、工業(yè)和農(nóng)業(yè)活動的營養(yǎng)物質(zhì)，已經(jīng)造成了有害的影響。例如：有害藻類對河流、湖泊或飲用水供應(yīng)系統(tǒng)[3]。因此，需要適當(dāng)?shù)乃|(zhì)監(jiān)測技術(shù)，以便制訂有效的水資源管理戰(zhàn)略或改進(jìn)現(xiàn)有的自然水系統(tǒng)管理計(jì)劃。一般來說，水質(zhì)數(shù)據(jù)通常是通過實(shí)地采樣和在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中對樣品進(jìn)行連續(xù)物理化學(xué)分析來定期收集的。有時使用現(xiàn)場部署的分析儀或便攜式傳感器來測量水質(zhì)參數(shù)。水質(zhì)數(shù)據(jù)包括各種物理、化學(xué)和微生物參數(shù)。傳統(tǒng)的實(shí)地取樣方法（例如，在單一地點(diǎn)的點(diǎn)取樣）和實(shí)驗(yàn)室分析需要大量的勞動和時間（幾小時到幾周）。它還需要運(yùn)輸樣品，而這些樣品可能不能代表取樣時的水質(zhì)（例如，在運(yùn)輸過程中可能發(fā)生不良反應(yīng)）。這些數(shù)據(jù)通常是按周、月或季節(jié)收集的，這限制了數(shù)據(jù)在有效水資源管理決策過程或?qū)τ卸疚廴疚镙斎氲纫馔馐录焖贅I(yè)務(wù)反應(yīng)的適用性。通過發(fā)展監(jiān)測能力，同時建立一個包括空間和時間變化的水質(zhì)數(shù)據(jù)庫，可以改善區(qū)域范圍的水質(zhì)管理和無法進(jìn)入的地形位置。先進(jìn)的數(shù)據(jù)收集可以顯著地有利于持續(xù)監(jiān)測水資源、評估洪水地區(qū)、污染管理和人為活動的影響等目的。最近，已使用自動取樣裝置定期收集水樣(例如，間隔幾小時)，以估計(jì)指定現(xiàn)場溪流的污染物負(fù)荷。然后在實(shí)驗(yàn)室中測量相關(guān)污染物濃度（重要的是總氮（TN）或磷（TP）濃度）。使用自動取樣裝置的不足之一是取樣瓶的數(shù)量有限。眾所周知，第一次沖水可能表現(xiàn)出較高的污染物負(fù)荷。因此，采樣時間間隔的管理應(yīng)考慮到峰值負(fù)荷時期。然而，盡管有這些限制，大多數(shù)監(jiān)測方案都是以外地為基礎(chǔ)的，因此迫切需要改進(jìn)監(jiān)測方法。

1 水質(zhì)監(jiān)測在環(huán)境工程中的意義

先進(jìn)的環(huán)境工程技術(shù)越來越多地用于水質(zhì)監(jiān)測，并為適當(dāng)管理水資源提供有用的信息。在環(huán)境工程中，有可能提高環(huán)境工程技術(shù)在廣泛領(lǐng)域的水質(zhì)監(jiān)測的適用性[4]。監(jiān)測技術(shù)如現(xiàn)場傳感環(huán)境工程技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)有效的水質(zhì)監(jiān)測，通常被稱為智能水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)。實(shí)時水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)可以應(yīng)用于飲用水供應(yīng)過程的管理，包括湖泊、河流和海洋中的原水。特別是，飲用水供應(yīng)系統(tǒng)需要實(shí)時監(jiān)測，以維持水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)并防止意外事故，包括水處理過程的故障和原水的污染。湖泊、河流和海洋中的天然水體可以通過現(xiàn)場實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行有效管理，利用多光譜或高光譜成像傳感器的基于區(qū)域的監(jiān)測越來越多地應(yīng)用于廣泛區(qū)域的數(shù)據(jù)采集。

環(huán)境工程技術(shù)中最新進(jìn)展使可靠的測量、以低成本傳輸和管理大量環(huán)境數(shù)據(jù)成為可能，這可以支持決策過程。環(huán)境工程技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，例如氣象問題和公共衛(wèi)生保護(hù)的預(yù)警系統(tǒng)。實(shí)時在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的一般功能是對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸和解釋。先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，如機(jī)器學(xué)習(xí)，也為有效的水質(zhì)數(shù)據(jù)管理提供了有價(jià)值的工具。近年來，深度學(xué)習(xí)作為一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法，越來越多地用于海量環(huán)境數(shù)據(jù)的分析，為水質(zhì)管理提供有用的信息。

2 水質(zhì)監(jiān)測的相關(guān)環(huán)節(jié)分析

2.1 數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)分析

用于水質(zhì)監(jiān)測的環(huán)境工程技術(shù)包括現(xiàn)場傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)云和機(jī)器學(xué)習(xí)組件。無處不在的環(huán)水質(zhì)監(jiān)測已經(jīng)越來越多地用于環(huán)境工程分析。云計(jì)算可以在不使用本地計(jì)算機(jī)硬件的情況下存儲和分析大量數(shù)據(jù)。通過網(wǎng)站對記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單、遠(yuǎn)程的評估是其重要優(yōu)勢之一。此外，無線傳感器是收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)最有效的方法之一，在水質(zhì)管理中廣泛使用現(xiàn)場傳感技術(shù)需要考慮的幾個因素(如互操作性、功耗、可靠性、可用性和安全性)，實(shí)時數(shù)據(jù)和用戶硬件平臺之間互操作性的重要性，以最小化額外的調(diào)整。傳感系統(tǒng)的低功耗率對于現(xiàn)場傳感器與數(shù)據(jù)平臺之間的穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸至關(guān)重要。數(shù)據(jù)平臺的可靠性和可用性至關(guān)重要，功能豐富的商業(yè)平臺以最大限度地減少改進(jìn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并將重點(diǎn)放在傳感技術(shù)的開發(fā)上。通過加密和認(rèn)證技術(shù)采取適當(dāng)?shù)陌踩胧┫蚬娞峁?shí)時數(shù)據(jù)的重要性，低成本有線或無線技術(shù)的發(fā)展使得實(shí)時數(shù)據(jù)可以很容易地轉(zhuǎn)移到基于互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)平臺上，從而提高了水質(zhì)管理數(shù)據(jù)的可用性。

2.2 區(qū)域的監(jiān)測環(huán)節(jié)分析

基于區(qū)域的監(jiān)測技術(shù)，如高光譜圖像傳感器，以收集遠(yuǎn)距離、寬流域的代表性數(shù)據(jù)，克服基于點(diǎn)的監(jiān)測的局限性。例如，水體表面的藻類濃度往往分布不均勻，因此基于點(diǎn)的監(jiān)測可能無法提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來反映藻華的程度?；趨^(qū)域的監(jiān)測使用高光譜圖像傳感器可以提供更準(zhǔn)確的藻類濃度分布。利用飛機(jī)采集數(shù)據(jù)的成本相對較高，如何找到高光譜圖像與藻類濃度之間的恰當(dāng)關(guān)系，是當(dāng)前提高高光譜圖像在野外實(shí)際適用性所面臨的挑戰(zhàn)。海量數(shù)據(jù)的合理可視化對于湖泊、河流和海洋水資源的管理至關(guān)重要，無線傳感器技術(shù)為數(shù)據(jù)的監(jiān)測、管理和可視化提供有效的工具。

2.3 無線傳感器環(huán)節(jié)分析

在環(huán)境工程中，多個現(xiàn)場在線傳感器被用于實(shí)時監(jiān)測，而對于大型自然水系統(tǒng)的監(jiān)測，有線傳感器被廣泛使用。然而，與傳統(tǒng)的監(jiān)測方法相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在海量數(shù)據(jù)的實(shí)時檢測方面具有明顯的優(yōu)勢，且成本相對較低。適用于水質(zhì)監(jiān)測的代表性無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有Wifi、無線通信技術(shù)（ZigBee）和藍(lán)牙。Wi-Fi 是基于無線局域網(wǎng)的設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸最常用的技術(shù)之一。ZigBee 比Wifi 耗電少，成本也低。然而，它展示了一個較短的傳輸區(qū)域，因此適合于封閉網(wǎng)絡(luò)，如家庭網(wǎng)絡(luò)。藍(lán)牙的低功耗接近ZigBee，傳輸區(qū)域相對較廣；因此，它的使用近來有所增加。實(shí)時監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)在傳感器節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)云之間的傳輸分為兩個步驟：（1）傳感器節(jié)點(diǎn)到控制器，（2）控制器到數(shù)據(jù)云。ZigBee 或藍(lán)牙用于傳感器節(jié)點(diǎn)和控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸。Wifi 主要用于控制器與數(shù)據(jù)云之間的數(shù)據(jù)傳輸，而不用于傳感器節(jié)點(diǎn)與控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸，因?yàn)槠涔倪^高。最近，低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)，如LoRa 和SigFox 越來越多地用于水質(zhì)監(jiān)測，因?yàn)樗鼈兙哂懈鼜V泛的通信范圍（超過幾十公里），而傳統(tǒng)的無線技術(shù)，如ZigBee 和藍(lán)牙（幾百米的通信距離）。在不久的將來，低成本和大范圍的水質(zhì)監(jiān)測范式可能會取得進(jìn)展。

3 結(jié)論

利用傳感技術(shù)從現(xiàn)場監(jiān)測收集到的大量數(shù)據(jù)，與深度學(xué)習(xí)等先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)相結(jié)合，可以更有效地用于水質(zhì)管理。因此，這些技術(shù)在現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸和分析方面的最新發(fā)展促進(jìn)了水質(zhì)管理的優(yōu)化。然而，許多水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)仍然依賴于定期的人工采樣和監(jiān)測，盡管收集的數(shù)據(jù)是通過新的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來分析的。因此，開發(fā)和應(yīng)用基于傳感器技術(shù)的現(xiàn)場實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合深度學(xué)習(xí)等高科技數(shù)據(jù)分析技術(shù)，尋找更好的水質(zhì)管理解決方案是十分必要的。