弓 斌

（略陽縣環(huán)境保護監(jiān)測站，陜西 漢中 724300）

引言

水質監(jiān)測對于保護環(huán)境和人類健康至關重要，而傳感器技術提供了高效、準確的水質評估方法。在水質傳感器的技術支持下，需要重點討論監(jiān)測和水質評估的方法，從傳統(tǒng)的采樣技術到先進的實驗室分析，再到實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現了實時數據收集和持續(xù)監(jiān)測，增強了保護水資源的能力。

1 水質監(jiān)測中的傳感器技術概述

1.1 傳感器的定義和用途

傳感器是檢測和測量物理、化學或生物特性，并將這些信息轉換為電信號或其他可以解釋和記錄的輸出設備。在水質監(jiān)測中，傳感器在收集各種參數的數據，以評估水體狀況、確保其安全性和各種用途（飲用水供應、水生生態(tài)系統(tǒng)和工業(yè)應用）的適用性方面發(fā)揮著至關重要的作用。

傳感器在水質監(jiān)測中的主要目的是提供關鍵水質參數的準確實時數據。這些數據有助于科學家、環(huán)境機構和水處理設施做出明智的決策并及時采取行動，維護水生生態(tài)系統(tǒng)的健康。

1.2 水質監(jiān)測中使用的傳感器類型

水質監(jiān)測傳感器有多種類型，用于測量特定的物理、化學或生物參數。

1.2.1 物理傳感器

物理傳感器測量不涉及化學反應的水的特性，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如下。

（1）溫度傳感器提供有關水溫變化的信息。溫度是影響水質的關鍵因素，水溫變化會影響氣體的溶解度、化學反應和水生生態(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，并會影響光穿透，影響水生植物和生物。

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

1.2.2 化學傳感器

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

（1）pH值傳感器測量水的酸堿度，pH值會影響化學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。充足的溶解氧對于水生生物至關重要，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)物質會導致富營養(yǎng)化，導致有害藻華并對水質產生負面影響。

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估水質，這些傳感器對于監(jiān)測污染物對水生生態(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物時消耗的氧氣量。高BOD水平，可以表明污染及其對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。藻華會破壞生態(tài)系統(tǒng)，并產生對水生生物和人類健康有害的毒素。

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

2 水質監(jiān)測中常用的評估參數

水質監(jiān)測是評估水體健康和安全的關鍵實踐，確保其適合各種用途，包括飲用水供應、娛樂活動和水生生態(tài)系統(tǒng)保護。為了實現這一目標，需要評估一系列參數，為了解水的狀況提供有價值的數據。

2.1 溫度

溫度是水質監(jiān)測的基本參數，影響水生生態(tài)系統(tǒng)內的各種物理和化學過程。水溫會影響氣體的溶解度、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。溫度波動還會影響藻類和其他微生物的生長。

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

2.2 pH值

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

（1）對水生生物的影響。許多水生物種對于生存和繁殖有特定的pH值要求。pH值的急劇變化，會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值波動的影響。

（3）酸雨。酸雨會降低天然水域的pH值，對水生生態(tài)系統(tǒng)造成風險。監(jiān)測pH值有助于確定受酸雨影響的區(qū)域，并指導應其工作。

2.3 溶解氧

溶解氧（DO）是水質評估中的一個重要參數，因其決定了支持水生生物的氧氣量。充足的溶解氧水平，對于魚類和其他水生生物的呼吸至關重要。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。生物和化學過程，如有機物的分解和微生物呼吸會消耗溶解氧。高有機負荷或污染會導致缺氧。

（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。與濁度相關主要考慮如下因素。

（1）對生態(tài)系統(tǒng)的影響。高濁度會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、農田或侵蝕河岸的沉積物徑流會顯著增加渾濁度，監(jiān)測濁度有助于識別沉積物污染源。

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

2.5 電導率

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

（1）鹽度評估。電導率可以深入了解水的鹽度，有助于識別鹽水對淡水源的入侵。

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

（3）污染預警。電導率的變化可以發(fā)出污染物進入水體的信號，使其成為有用的預警指標。

2.6 營養(yǎng)水平

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

（1）富營養(yǎng)化風險。營養(yǎng)水平升高會導致藻類和其他水生植物快速生長，導致氧氣耗盡并對水生生物產生負面影響。

（2）確定養(yǎng)分污染源，如農業(yè)徑流、污水排放或工業(yè)廢水，對于有效管理至關重要。

（3）藻華。監(jiān)測營養(yǎng)水平可以幫助預防有害的藻華。

3 基于傳感技術的水質監(jiān)測與評估方法

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。正確的采樣技術對于確保數據準確可靠至關重要。

3.1.1 抓取采樣

抓取采樣涉及特定地點和時間采集單個水樣，該方法適用于評估短期內變化不大的水質參數[4]。主要考慮如下因素。

（1）在有代表性的時間和頻率進行采樣，以捕獲水質的變化。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標簽的容器，防止污染并確保可追溯性。不同的參數可能需要特定類型的容器，如用于有機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（如溶解氧）需要立即分析，而其他參數則需要防腐劑，以保證在運送到實驗室過程中保持其完整性。抓取采樣通常用于測量溫度、pH值、濁度和電導率等參數，是一種經濟有效的定期監(jiān)測方法，適用于許多水質評估需求。

3.1.2 復合采樣

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

（1）復合采樣可以使用不同的策略來完成，如時間比例（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）自動化設備和泵可以用于一段時間內連續(xù)收集樣品，確保復合樣品具有代表性；收集后，復合樣品必須在實驗室分析前徹底混合，確保均勻性。

（3）在評估受變異性影響的參數時，如流量波動的河流中的營養(yǎng)水平，或風暴事件期間的污染物濃度。復合采樣特別有價值，提供了對水質趨勢的更全面了解。

3.1.3 自動采樣

自動采樣系統(tǒng)使用儀器和泵，依據預定的時間間隔自動采集水樣。這些系統(tǒng)效率很高，減少了手動采樣的需要。主要特點為：自動化系統(tǒng)可以編程，為在特定時間、特定流量條件下或響應降雨事件等觸發(fā)因素收集樣本；自動采樣器通常具有數據記錄功能，記錄采樣時間、日期、位置和相關參數等信息；一些自動采樣系統(tǒng)允許遠程監(jiān)控和控制，從而能夠實時數據收集和采樣計劃調整。自動采樣對于連續(xù)監(jiān)測快速變化或受特定事件影響的參數特別有用，確保高頻率的數據收集，而無需持續(xù)的人工干預。

3.2 實驗室分析技術

實驗室分析技術涉及對現場采集的水樣進行檢查，以確定特定水質參數的濃度。這些技術提供了有關水的化學、物理和生物特性的精確而詳細的信息。

3.2.1 光譜法

光譜法是一種廣泛使用的技術，根據各種物質吸收特定波長光的能力，測量水中各種物質的濃度。該技術對于評估可通過比色反應量化的參數特別有用。光譜法可用于分析營養(yǎng)物濃度（如硝酸鹽、磷酸鹽）、有機化合物和金屬離子等參數。使用已知濃度的標準溶液生成校準曲線，將吸光度讀數與分析物濃度相關聯。這種技術具有高度準確度和精密度，使其適合法規(guī)遵從性和研究應用。光譜法對于評估水中的營養(yǎng)水平特別有價值，有助于識別污染源和管理富營養(yǎng)化[5]。

3.2.2 色譜法

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

3.2.3 微生物檢測

微生物檢測涉及對水樣進行檢查，以檢測和定量微生物，包括細菌、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，濃縮和捕獲微生物以進行計數和鑒定。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（PCR）等分子方法可以提供快速且特異性的檢測。微生物測試對于確保飲用水、娛樂用水和廢水處理過程的安全至關重要，有助于預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)，也稱為原位或實時監(jiān)測系統(tǒng)，直接在現場提供水質參數的連續(xù)數據收集和評估，這些系統(tǒng)可以立即洞察水質變化和趨勢。

3.3.1 實時數據采集

實時數據收集涉及連續(xù)測量水質參數并將其傳輸到中央數據庫或監(jiān)測站。主要特點是在線監(jiān)測系統(tǒng)使用各種傳感器和探頭，測量溫度、pH值、溶解氧、濁度和電導率等參數；實時采集的數據通過無線或有線方式傳輸至中央數據庫或監(jiān)控中心；當參數水平超過預定義閾值時，在線監(jiān)測系統(tǒng)可以觸發(fā)警報，從而能夠快速響應污染事件。實時數據收集對于立即響應水質變化、污染事件和保護水生生態(tài)系統(tǒng)具有重要價值。

3.3.2 連續(xù)監(jiān)測

連續(xù)監(jiān)測涉及長時間不間斷地測量水質參數。主要考慮因素包括連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)定期記錄數據，為趨勢分析和報告創(chuàng)建詳細的數據集；可以集成多個傳感器來同時評估多個參數，從而提供水質的全面視圖；通過持續(xù)監(jiān)控收集的數據，可以遠程訪問并與利益相關者實時共享。連續(xù)監(jiān)測對于長期研究、趨勢分析以及了解氣候變化和污染對水體的影響特別有用。

3.3.3 遙感技術

遙感技術利用衛(wèi)星、無人機或其他空中平臺從遠處收集水質參數數據。遙感技術不需要與水體直接接觸，降低了污染風險，最大限度地減少了對環(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水質參數的詳細信息，包括葉綠素水平、懸浮固體和濁度。

4 結語

在水資源面臨越來越大壓力的背景下，有效的水質監(jiān)測和評估至關重要。傳感器技術具有多種物理、化學和生物傳感器，可以為水體狀況提供有價值的數據。從溫度到營養(yǎng)水平，這些傳感器能夠準確跟蹤關鍵參數。通過利用傳感技術的力量，保護寶貴的水資源。