基于傳感技術的水質監測與評估方法研究

弓 斌

（略陽縣環境保護監測站，陜西 漢中 724300）

引言

水質監測對于保護環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，需要重點討論監測和水質評估的方法，從傳統的采樣技術到先進的實驗室分析，再到實時在線監測系統，實現了實時數據收集和持續監測，增強了保護水資源的能力。

1 水質監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、水生生態系統和工業應用）的適用性方面發揮著至關重要的作用。

傳感器在水質監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，維護水生生態系統的健康。

1.2 水質監測中使用的傳感器類型

水質監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系統的整體健康。

（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揮著關鍵作用。使用化學傳感器監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）營養物傳感器，用于測量水中硝酸鹽和磷酸鹽等營養物的濃度。過量的營養物質會導致富營養化，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，這些傳感器對于監測污染物對水生生態系統的影響特別有用。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。藻華會破壞生態系統，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，對于監測水傳播疾病和有害微生物很有價值。

2 水質監測中常用的評估參數

水質監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系統保護。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

溫度是水質監測的基本參數，影響水生生態系統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，以及水生生態系統的整體健康。與溫度監測相關有如下方面。

（1）季節變化。水溫隨季節變化，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、營養物質的可用性以及水生生物的整體健康。有關pH值監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，對水生生態系統造成風險。監測pH值有助于確定受酸雨影響的區域，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）對生態系統的影響。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，監測濁度有助于識別沉積物污染源。

（3）法規遵從性。許多環境法規都規定了濁度限制，以保護水生生態系統和水質，定期監控對于合規性至關重要。

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）監測營養物水平。電導率升高表明存在營養物，如硝酸鹽和磷酸鹽，這會導致富營養化和有害藻華。

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

2.6 營養水平

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

（1）富營養化風險。營養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）確定養分污染源，如農業徑流、污水排放或工業廢水，對于有效管理至關重要。

（3）藻華。監測營養水平可以幫助預防有害的藻華。

3 基于傳感技術的水質監測與評估方法

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測每日變化，而季節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。這些系統效率很高，減少了手動采樣的需要。主要特點為：自動化系統可以編程，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；一些自動采樣系統允許遠程監控和控制，從而能夠實時數據收集和采樣計劃調整。自動采樣對于連續監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，使其適合法規遵從性和研究應用。光譜法對于評估水中的營養水平特別有價值，有助于識別污染源和管理富營養化[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，在環境監測和法規遵從性方面發揮著關鍵作用。

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。傳統的基于培養的方法涉及在特定培養基上培養微生物，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。

3.3 在線監測系統

在線監測系統，也稱為原位或實時監測系統，直接在現場提供水質參數的連續數據收集和評估，這些系統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測量水質參數并將其傳輸到中央數據庫或監測站。主要特點是在線監測系統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控中心；當參數水平超過預定義閾值時，在線監測系統可以觸發警報，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系統具有重要價值。

3.3.2 連續監測

連續監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監控系統定期記錄數據，為趨勢分析和報告創建詳細的數據集；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；通過持續監控收集的數據，可以遠程訪問并與利益相關者實時共享。連續監測對于長期研究、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境的干擾；遙感可以覆蓋廣泛的區域，適合監測大型湖泊、河流或沿海地區；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。