水體重金屬污染在線監測系統的應用研究

摘要：針對水體重金屬污染問題，探索在線監測系統在環境保護中的應用效果與實際操作性。通過部署傳感器和數據處理技術，實時監測水體中的多種重金屬含量，包括鉛、汞和鎘等。通過對貴州省典型河流和湖庫的長期監控，收集并分析了大量監測數據，評估了系統的性能穩定性和監測精度。結果表明，所采用的在線監測系統能夠提供高精度和可靠性的數據，系統穩定性在各項指標中表現優異。水體重金屬在線監測技術不僅提升了監測效率、加強了對環境政策制定的支持，還為及時響應環境污染事件提供了強有力的技術保障。

關鍵詞：水體 重金屬[A1] 污染 在線監測系統 卡爾曼濾波

Study on the Application of Online Monitoring System for Water Bodies Heavy Metal Pollution

QIAO Bin

Linfen Ecological Environment Monitoring Center of Shanxi Province， Linfen， Shanxi Province， 041000 China

Abstract： It explores the application effect and practical operability of online monitoring systems in environmental protection to address the problem of heavy metal pollution in water bodies. By deploying sensors and data processing technology， it real-time monitors various heavy metal contents in water bodies， including lead， mercury， and cadmium. Through long-term monitoring of typical rivers and lakes in Guizhou Province， a large amount of monitoring data was collected and analyzed to evaluate the performance stability and monitoring accuracy of the system. The results indicate that the online monitoring system used can provide high-precision and reliable data， and the system stability performs well in various indicators. The conclusion points out that online monitoring technology for heavy metals in water bodies not only improves monitoring efficiency， strengthens support for environmental policy formulation， but also provides strong technical support for timely response to environmental pollution events.

Key Words： Water body; Heavy metal pollution; Online monitoring system; Kalman filter

水體重金屬污染已成為全球環境污染中的重要問題，嚴重影響水質安全和生態系統健康。重金屬元素（如鉛、汞、鎘、鉻等）一旦進入水體，難以降解，具有較強的持久性和累積性，并且對生物和人類健康構成重大威脅。因此，實時監測水體中的重金屬污染成為保障水環境質量、確保公共健康的重要手段[1]。研究和推廣水體重金屬污染在線監測系統，對提升水環境管理水平、保障水體資源的可持續利用具有重要的現實意義和社會價值。

1" 水體重金屬在線監測系統概述

1.1 水體重金屬污染特點與監測需求

根據生態環境部發布的《2023中國生態環境狀況公報》數據，盡管我國整體水質狀況有所改善，優良水質（I～III類）斷面比例達89.4%，但水體中依然存在較為嚴重的重金屬污染問題[2]。[A2] 重金屬（如鉛、鎘、砷、汞等）常由工業廢水、農業面源污染與礦區廢水排放進入水體，對生態系統和人類健康造成長遠影響。通過高效的在線傳感器，可以實時監測水體中重金屬濃度，及時發現污染異常，提供精確的數據支持，便于相關部門迅速采取治理措施[3]。

1.2 在線監測系統概述

在水質在線監測系統中（如圖1所示），各類監測設備相互配合，形成了完整的監控網絡。系統主要包括多個水質自動分析儀、自動采樣單元、流量監測設備和數據控制平臺，它們協同工作，實現實時監測和數據傳輸。（1）各個分析儀器分別監測不同的水質指標，如pH、溫度、化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、總有機碳（Total Organic Carbon，TOC）、氨氮（NH?-N）、總磷（Total Phosphorus，TP）、總氮（Total Nitrogen，TN）等，以全面評估水體的污染狀況。這些分析儀通過數據傳輸與數據控制平臺連接，將實時數據傳輸至監控中心，實現數據的集中管理和分析。（2）水質自動采樣單元能夠根據設定的時間間隔或水流狀況自動采集水樣，確保監測數據的代表性和時效性。（3）流量監測單元則負責測量水流量，以便與水質數據結合進行更全面的水環境分析。

整個系統通過精確的實時監測，能夠及時發現水體污染變化，為環境保護和水質管理提供強有力的技術支持。通過數據傳輸鏈路，系統還能夠遠程進行控制和調節，從而優化水質監測的效率與精度。該系統能夠實現水質的自動化監測，為環境治理與保護提供了重要的技術保障。

1.3 水體重金屬監測的傳感器與數據處理技術

1.3.1傳感器

傳感器主要包括電化學傳感器、光譜傳感器和生物傳感器等，它們能夠檢測水體中的鉛、汞、鎘、鉻等重金屬離子的濃度，其測量原理基于Nernst方程描述的電位與濃度之間的關系，即[A4] ：

式（1）中：為標準電極電位；為氣體常數；為溫度；為電子數；為法拉第常數；為活性離子濃度。

1.3.2數據處理技術

數據處理技術包括信號放大、濾波、數據融合等，這些技術可以優化傳感器輸出的信號質量，提高測量數據的準確性和可靠性。

卡爾曼濾波是一種有效的數據處理算法，被廣泛用于消除噪聲和優化傳感器數據。卡爾曼濾波通過一個迭代過程，結合多個測量觀察值（每一個觀察都包含一定的噪聲）來估算過程的狀態[4]。卡爾曼濾波主要包括兩個步驟：預測和更新。以下是卡爾曼濾波的基本方程。

（1）預測步驟[A6] 。

預測[A7] 狀態估計。

預測誤差協方差。

式（2）、式（3）中：?為時間步k的預測狀態；為狀態轉移矩陣；為前一時間步的最佳估計；為控制輸入矩陣；為控制向量；為時間步k的預測狀態估計誤差協方差矩陣；為預測協方差矩陣；為狀態轉移矩陣的轉置矩陣；為過程噪聲協方差矩陣。

（2）更新步驟[A8] 。

卡爾曼增益。

更新狀態估計。

更新誤差協方差。

式（4）～式（6）中：為卡爾曼增益；為觀測矩陣；為時間步k更新后的狀態；為實際觀測值；為觀測噪聲協方巧矩陣；為更新后的誤差協方差矩陣；為單位矩陣。方程結合，使卡爾曼濾波能夠連續更新其狀態估計，并根據最新的測量數據調整，從而提供對系統狀態更準確的理解。

2" 應用案例研究[A9]

2.1 應用背景

以貴州省具有代表性的河流和湖庫為重點監測點，部署水體重金屬污染在線監測系統，重點關注對生態和人體健康具有潛在危害的重金屬元素。監測系統的設置旨在對水質進行連續的實時監控，確保符合《地表水環境質量標準》（GB 3838－2002）和《生活飲用水衛生標準》（GB 5749[A10] －2006）[5]。

2.2 監測過程

監測過程涉及精密的儀器和嚴格的操作流程，使用了在線監測設備進行數據分析和驗證。監測設備被設定為自動取樣并分析重金屬的含量，能夠處理多種濃度等級的標準樣品和加標樣品，包括低、中、高3個不同濃度，以及實際水樣，以模擬各種污染水平。標準的樣品濃度依據地方標準《水質重金屬自動在線監測系統（ICP-MS法）技術要求和試驗方法（征求意見稿）》。

監測過程中，各設備首先對3個不同濃度級別的標準樣品進行檢測，以校準設備和確認其準確性。此外，通過加標恢復實驗來評估樣品中污染物的回收率和監測方法的可靠性。每個樣品都進行至少6次重復測定，以統計分析結果的穩定性和重復性。

3 系統性能評估

長期穩定性數據反映了監測系統在連續運行期間的可靠性和精確性，是評估監測設備性能的重要方面。表2通過分析6種不同設備（標記為SA、SB、SC、SD、SE、SF）對22種元素的長期穩定性百分比數據，對系統的整體性能進行了綜合評價。數據顯示，在所有測試的元素中，銀的長期穩定性在各設備中的表現最為顯著，特別是設備SA顯示出了最高的穩定性（4.24%），這表明該設備在長時間運行中對銀元素的監測具有極高的可靠性和一致性。設備SD在監測汞的穩定性方面也表現出色，長期穩定性達到了2.67%，這反映了在連續監測中，即使是對極為微量的汞元素，設備也能夠保持良好的性能。在對鐵元素的監測中，設備SF顯示出了較高的穩定性（2.15%），這與設備SD在監測釩元素時的穩定性（0.61%）形成鮮明對比，后者顯示了最低的穩定性值。這種差異可能與設備的內部校準機制、使用的技術或環境條件的適應性有關。例如：某些設備可能更適合在特定的環境條件下運行，或者在處理某些特定元素的測定時更為精確。此外，錳和硒的穩定性在各設備中表現出較大的差異，其中，設備SD的錳穩定性最高（2.85%），硒在設備SE和SF中表現出相對較高的穩定性（2.15%），這說明了不同設備在監測特定元素時可能存在的性能差異，強調了進行設備選擇和配置的重要性。

4" 結語

研究通過詳細分析水體重金屬污染在線監測系統的應用，展示了該技術在環境監測領域的重要價值。在線監測技術能夠提供關于水質狀況的實時、連續數據，對識別和響應環境污染事件至關重要。尤其在處理鉛、汞等難降解的重金屬污染時，該系統不僅能夠提升監測效率，還能免增強數據的準確性和時效性。此外，研究中所述的長期穩定性評估結果證實了在線監測設備在連續運行中的可靠性和精度。綜上所述，推廣水體重金屬在線監測技術，在全球范圍內對保護水資源和生態安全具有重要意義，是實現可持續環境管理的關鍵步驟。

參考文獻[A11] [A12]

鄭強廷.水體中重金屬SERS選擇性檢測及其高效去除過程研究[D].上海：上海師范大學， 2024.

生態環境部網站.生態環境部發布《2023中國生態環境狀況公報》[EB/OL].[2024-06-06].https：//www.gov. cn/lianbo/bumen/202406/content_6955727.htm．

JAIN R，THAKUR A，KAUR P，etc.Advances in imaging-assisted sensing techniques for heavy metals in water： Trends， challenges， and opportunities[J].TrAC Trends in Analytical Chemistry，2020，123：115758.

鐘啟俊，卓靜， 吳偉俊，等.小微水體底泥重金屬污染擴散動態監測方法研究[J].環境科學與管理，2024，49（12）：132-136.

康樹靜.基于遙感技術的水體重金屬污染范圍監測方法研究[J].環境科學與管理，2023，48（10）：138-143.