生態環境保護工作中環境監測技術應用

劉增彩

（黔西南生態環境監測中心 貴州興義 562400）

引言

社會經濟發展中需協同推進生態環境保護，維持生態環境的穩定性，走可持續發展之路。水資源是生態環境中的重要組成要素，屬于生態環境保護中的重點內容，在具體工作中，需注重監測技術的合理應用，及時掌握水資源特性，準確采取管控措施，避免水資源浪費、污染等問題。

1 生態環境保護中應用環境監測技術的必要性

近年來，隨著國內自然生態環境保護工作的持續性推進，各式各樣新型環保技術研發出來，將新時代背景下的技術優勢體現得淋漓盡致，這些環保技術有機融入到各種品類的產業形態中，為環保產業體系發展的品質和水準提供了有力保障。借助環境監測，將有利于新型技術優勢的精準發揮，更有助于生態環境保護措施的充分落實，進而為加強環保的可操控性和條理性提供推動力。

環境監測技術可用于實施監控和高效管控各個種類的污染源，為生態環境保護的順利推進提供保障。

就各種類型的企業工廠而言，能夠充分利用自動化監測設施和方法，對工廠排出的污染物進行更系統科學地監測，及時發現污染現象并予以處理，最大程度地降低污染物對生態環境的威脅和破壞。在日常的監督和檢查過程中，有關單位應積極了解企業對于環境和污染物等方面的監測狀況，在掌握真實狀況的基礎上給予改進建議，及時解決污染源對環境的消極影響等問題，同時，也要將生態環境保護的關鍵性和重要性積極展示在公眾面前。就各個地區而言，利用環境監測手段來收集相關的數據和信息，能夠直截了當地掌握該地區水資源、土質以及空氣的污染實況，確保環境保護技術落到實處。

如今，許多環境監測手段更呈現出自動化的傾向，智能性和獨立性都得到了極大地提升，將該類環境監測手段和智能化監測設施應用到實地時，必須依照各種類型廢棄物的投放標準和規定來推行，為生態環境保護提供有效的借鑒依據和參考憑證。監測人員可以借助目前所有的監測手段和檢測結果，科學系統地推動城市發展進程，為后續城市開展生態建設積累可資借鑒的經驗，將對環境保護的積極作用發揮到最大。

2 水生態環境智慧監測技術概述

環境監測的對象為大氣環境、土壤環境、水環境等，監測內容較廣，在監測過程中，相關人員會對大氣、土壤、水等進行取樣，然后對樣本進行詳細檢測和分析，明確樣本的化學性質、物理性質，并借助儀器對樣本的成分、濃度等進行測定，明確其污染物數量、種類等，以對環境污染的具體狀況進行直觀了解，協助相關人員開展環境保護工作。水生態環境感知和信息獲取、數據傳輸、智慧應用共同組成水生態環境智慧監測技術體系，多項技術協同配合，構建成集數據獲取、傳輸、處理、應用于一體的流程化監控模式，對水環境信息的反饋具有及時性，而且監測數據對水環境的管控具有指導意義。隨著技術的發展，水環境智慧監測技術的應用水平逐步提高，監測覆蓋面擴寬，監測數據的利用價值得以提升，成為水生態環境管控中的“得力助手”[1]。

3 水生態環境智慧監測關鍵技術

3.1 感知傳感器技術

感知層的主要功能在于借助傳感器獲取水生態環境信息，且考慮到監測信息全面性的要求，通常由多種類型的傳感器共同組成感知層。隨著技術的進步，國產水質監測裝備在功能、精度等方面均有所升級，應用效果逐漸改善。水生態環境監測傳感器主要有3 種類型，即化學傳感器、物理傳感器和生物傳感器。

3.1.1 化學傳感器

化學傳感器應用于水環境監測時，存在測量周期長的局限性，難以滿足高效監測的要求，而且為順利進行監測還需摻入化學物質，易引起水資源污染。

3.1.2 物理傳感器

物理傳感器具有效率較高的優勢，通過電化學方法的應用，能夠確保整個測量活動在數秒內完成，獲得的監測信息具有實時性。物理傳感器的適用范圍廣，在水體pH、重金屬、電導率等指標的監測中均具有可行性，屬于應用較為廣泛的水生態環境監測裝置。

3.1.3 生物傳感器

生物傳感器具有靈敏度高的特點，在水體生化需氧量、重金屬等指標的監測中均具有可行性，不足之處在于穩定性相對有限、成本較高，但可以肯定的是，隨著技術的發展，生物傳感器的穩定性逐步提升，可應用成本有所降低，是具有較好發展前景的水生態環境監測傳感器。尤其是在數字全息顯微成像技術的支撐下，能夠擴寬監測的覆蓋面，實現對水中微小生物的監測，根據監測結果更加全面地反映水生態環境狀況,為管控工作提供重要參考[2]。

3.2 感知集成技術

3.2.1 自動在線監測技術

常見的自動在線監測技術類型及特點如表1所示。

表1 水生態環境自動在線監測系統

3.2.1.1 固定式監測系統

監測精度高，但固定式監測系統的規模較大，需占用較大面積，對現場建設環境提出較高要求，且建設成本和維護成本均較高，若天氣環境惡劣，水樣采集活動將受到影響。數據的監測記錄可采用人工操作的方式或儀器自動執行。固定式監測系統的水生態環境監測項目包含pH、水溫、電導率、生化需氧量、總懸浮固體、氨氮、總磷、總氮、重金屬、硝酸鹽、亞硝酸鹽、藍綠藻、氯化物等，可較為全面地進行水生態環境監測。在應用固定式監測系統進行同一水源的監測時，存在監測范圍有限、靈活性不足（系統的布設位置較為固定）等局限性，因此監測結果僅能夠反映特定區域的水質狀況，而難以對整片水域的水資源狀況進行客觀評價。由于固定式自動監測系統的局限性，其難以得到大范圍的應用，主要被應用于某些重點區域、河流斷面等部位的監測工作中[3]。

3.2.1.2 浮標式監測系統

浮標式監測系統的關鍵組成包含浮標、傳感器組、通信設備、平臺等（見圖1）,突出特征在于具有靈活性，可根據水質監測需求將系統以錨鏈固定的方式穩固在指定位置，高效、準確地進行水質監測，監測活動的獨立性和穩定性良好，不易受環境影響。浮標式監測系統的監測項目包含pH、氨氮、藍綠藻、水溫、電導率、濁度等，主要以光譜和電極的方式獲取數據。從適用性的角度來看，觀測站點建設難度高、水面面積較大的區域可采用浮標式監測系統，具體應用場景包含水庫、湖泊、濕地、近海等。

圖1 浮標式監測系統

3.2.1.3 小型移動式監測系統

在線監測設備高度集成，可靈活地進行特定區域的水質監測，通常在景觀河流、市內小型河流的水質監測中采用小型移動式監測系統，其占地面積不超過1m2（見圖2）。監測項目包含常規五項參數、化學需氧量、總氮、總磷等。不同監測指標對應的監測方法不同，如氨氮通過電極法進行監測，化學需氧量通過紫外吸收法進行監測。實踐表明，小型移動式監測系統的運行較為簡單，在水質監測活動中無需更換試劑，但存在穩定性不足的弊端，主要表現在于監測易受水質干擾。

圖2 小型移動式監測系統

3.2.2 應急快速監測技術

部分水域突發水質污染事故，為及時探明水域的實際狀況并采取管控措施，需要快速進行監測，確定水生態環境的污染范圍、污染類型及程度，此時宜采用應急快速監測技術。根據快速、準確等要求進行軟硬件配置，為現場應急監測提供幫助，常見類型有便攜式監測設備、移動式現場監測系統、水生生物在線監測系統。

3.2.2.1 便攜式監測設備

監測基于光學、電化學、色譜-質譜聯用等原理而實現，設備的體積較小，具有便攜性的突出優勢。在水生態環境的應急監測中，可快速地確定常規水質指標。

3.2.2.2 移動式現場監測系統

（1）應急監測船

關鍵組成部分包含船體、便攜式應急監測儀器、流動實驗室、防護設施等，屬于能夠在水面完成采樣、分析活動的水質監測平臺，可提供的功能包含移動監測、水上實驗等，實現對特定范圍內水資源的監測。

（2）應急監測車

適用于野外現場采樣、存儲和分析，為滿足水資源監測要求，適配獨立的實驗室工作系統，能夠穩定地完成數據的采集、分析、傳輸等一系列工作[4]。

3.2.2.3 水生生物在線監測系統

水生生物在線監測系統按照監測對象的不同，設有生物行為變化、生物生理變化2 類監測系統，監測結果可反映水生態品質在突發環境事件后的具體表現，為應急響應提供數據參考。該系統主要通過傳感器監測生物生理指標，或采用攝像技術，以影像資料的方式進行記錄，進而反映水生生物的行為特征及其在某時間段內的變化。經過監測后，再進行數據分析，評價水生態環境，采取行之有效的管控措施。

3.2.3 遙感監測技術

無人機遙感技術是頗具代表性的水生態環境遙感監測形式，根據水中物質的折射率反饋物質的含量，涉及到的具體監測指標包含水體透明度、懸浮物質、葉綠素a 等。通過無人機遙感技術監測水生態環境時，主要采用的技術形式包含遙感傳感、影像拼接等。在多項技術的共同配合下，可自主規劃航線，高效完成特定范圍的監測活動，同時適配的傳感器具有較高精度，能夠滿足小范圍內的高精度監測要求，監測期間獲取到的數據及時得到反饋，便于工作人員對特定區域內的水生態環境做出客觀判斷。衛星遙感在水生態環境監測中的應用優勢突出，如監測范圍較大，并可對監測資料進行處理、解譯等操作，從而評價水質狀況。多光譜遙感的數據源豐富，數據獲取具有便捷性，能夠滿足高效、高精度的監測要求。高光譜遙感的突出優勢在于高速地捕捉水體精細光譜特征，不足之處在于難以滿足大范圍水資源的監測要求、掃描幅寬較窄等。基于衛星遙感技術的水生態環境監測還具備識別黑臭水體、懸浮物濃度反演等功能，通過多方面信息進行水資源狀況的整體評價，總體來看富有可行性。

4 水生態環境監測智慧應用技術

從應用層的角度來看，數據展示和智能決策等均是水生態環境監測物聯網應用層的重要部分。

4.1 數據展示

依托人機交互，完成對數據的一系列操作，具體涉及到數據的查找、分類、聚合、對比，也可以根據水環境保護工作要求進行數據的導入和導出，再進一步針對導入、導出的數據做二次加工，充分發揮出數據在水生態環境監測與防控中的應用價值。在基于物聯網的水生態監測技術發展趨勢下，提供個性化的數據展示功能，用戶可根據工作需求做個性化定制，使水生態監測技術更具可行性。DataV 及其它數據展示中間件技術的發展，更利于數據展示功能的開發。如，通過固定框架能夠完成70%～80%的功能開發，在保證數據展示功能有效的同時降低操作難度、縮短時間。

4.2 智能決策

在水生態環境智慧監測技術應用初期，根據監測要求，為監測系統設定參數，結合實際監測數據進行對比分析，做簡單的智能決策和執行。如，設定水質參數閾值，在日常監測過程中，將實測結果與閾值做對比分析，若實測值超出或即將接近閾值，則進行預警預報，以便實行管控措施。隨著智能化技術的發展，智能決策的功能得以升級，可參與更多復雜事項的決策，同時決策的及時性、可靠性均有所提升。如，在更高級行業算法的支持下，可以根據運算結果更加精準地進行水生態環境的判斷以及智能決策。在技術發展路徑中，向算法模塊嵌入多種類型的應用，共同配合，實現深度智能決策的目標，其中以集成學習算法XGBoost 和深度神經網絡頗具代表性，其功能在于可實現對葉綠素a 的回歸預測，進而評價水體富營養化程度，若存在此類水生態環境問題，工作人員將及時進行處理，減小水體富營養化的影響范圍，取得良好的水環境治理效果[5]。

結語

本文經分析后提出水生態環境監測技術的主要類型及具體應用策略，通過此類技術的應用，及時反饋水生態環境的實際狀況，有利于水生態污染的判斷、治理等后續工作的開展。在未來的發展中，相關人員仍需持續探索水環境監測技術，從擴寬適用范圍、增強穩定性、提高精度等方面進行突破，切實提高水環境監測技術的綜合應用水平，為水環境監測管理工作保駕護航。