水環境質量測量前沿技術與趨勢

周杰+李婷+楊金艷+王勇

摘 要：該文總結了水環境質量測量的遙感監測、自動監測、生物傳感監測等3方面的國際前沿技術以及目前應用比較成熟的案例。討論了傳感器和監測集成手段的發展趨勢，指出未來水質監測將沿著大面積以及惡劣條件下自動化監測發展，傳感器將向生物傳感器、半導體感測電極固態傳感器方向發展的趨勢。

關鍵詞：水質監測 前沿技術 傳感器

中圖分類號：X52 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）04（a）-0120-02

水資源是人類賴以生存的資源，是承載人類社會進步的重要資源，更是地球生物圈賴以生存和發展的基礎。然而隨著社會生產的不斷發展，水資源的污染問題日益嚴重。水環境質量監測是水質評價與水污染防治的重要依據。傳統的水質監測方法檢測和分析過程復雜、周期長，數據的頻次、時效和代表性遠遠滯后于環境管理與決策的需求。而且隨著水環境不斷惡化，傳統監測技術已不能完全反映水質動態變化規律。近年來，隨著科技的迅猛發展，各種水質監測新技術如雨后春筍般發展起來。

從SCIE、EI等數據庫中檢索，經過去重，近5年來相關文獻365篇，其中與水質測量主題密切相關的有57篇。經過分析，目前國際水環境測量前沿技術主要集中于：遙感監測技術方面（共15篇，其中6篇影響因子2.0以上）、水質自動監測方面（共11篇，其中4篇影響因子2.0以上）、生物監測技術方面（共8篇，其中7篇影響因子2.0以上）。

1 遙感監測技術

遙感監測技術主要是利用水體及其污染物的光譜特性的差異，通過遙感傳感器進行水環境監測與評價的技術。

Doa C等[1]利用陸地衛星專題制圖儀（TM）數據的經驗算法來估算水質變量，如葉綠素a、總懸浮顆粒以及水的透明度。地面數據從多個西班牙湖泊中提取，涵蓋多種營養狀態，從貧營養到營養過剩。與此同時，論文對TM與Deimos-1衛星之間的光譜等量代換也進行了測試。將所提出算法套用到Deimos-1衛星，時間分辨率就被提高到3天，這樣空間分辨率也提高到了22 m。該方法用于葉綠素a的均方根誤差（RMSE）為40 mg/m3（數據范圍：32～238 mg/m3），總懸浮顆粒的RMSE為10 mg/L（數據范圍：25～89 mg/m3），水體透明度的RMSE為0.10 m（數據范圍：0.17～0.40 m）。

Harvey E T等[2]利用MERIS（中分辨率成像光譜儀）衛星數據監測沿岸地區的葉綠素a濃度。通過將衛星估測得出的葉綠素a濃度與現場測量結果進行對比，得出兩者間有很強的相關性：利用短時期（0～3 d）對比，得出RMSE為64%，MNB為17%；而利用每月平均對比，得出RMSE和MNB分別為8%。研究證明，由于MERIS可以得到一個縱觀全局的視野以及更高的時間分辨率，因此它在捕捉空間動態變化以及浮游植物水華擴張程度比基于船舶的監測更好。且研究結果顯示，當海洋水色遙感與現場采樣相結合，可以為海岸帶的有效監控和管理提供了更好的基礎。

2 水質自動監測技術

水質自動監測技術是把自動分析儀器和現代化的傳感器組合起來并配上先進的控制芯片、網絡通訊和專業分析軟件，使水樣采集、分析到記錄、傳輸、數據處理及存貯整個過程實現高度自動化，從而進行多參數在線快速、自動監測的技術。

水質自動監測技術可測定的參數有水溫、電導率、pH值、溶解氧、濁度、氧化還原電位等綜合性指標項目，還可測定生化需氧量、總有機碳等水質污染指標和葉綠素、氨氮、硝酸鹽氮等水質組分指標項目。目前水質自動監測技術主要分為水質自動分析儀和水質在線自動監測兩大類。

BannaM H等[3]飲用水分布系統中用于測量常見水質參數（pH值，混濁度，游離氯，溶解氧和電導率）的傳感器技術的特點和優勢進行了詳細的描述和對比。同樣，文中提出了未來水質監測的改進建議以及發展趨勢。

有4篇重要文獻論述了用少數的機器人解決大范圍環境監測的問題。應用實例包括：通過一個自主水表機器人監測的室外游泳池的溫度場；通過機器人聲吶圖像來探測水體中魚群并測量其相關參數，如體積、深度和GPS位置；機器人惡劣環境下水下水質監測與互饋等。

Zhuiykov S[5]分析了用于在線監測水質參數的固態傳感器，這些參數包括pH、溶解氧（DO）、電導率、濁度、溶解有機碳（DOC）以及溶解金屬離子。預計下一代無線傳感器將基于可克服生物污垢障礙的薄膜或厚膜半導體感測電極（SE）的固態傳感器相結合。在高度靈敏和有選擇性納米結構的SE發展中，對于結構和形態的控制起著日益重要的作用，是確定性能的關鍵因素。在研究摻雜復雜氧化物的SE的各種化學傳感器所獲得的成果，已經被用來顯示傳感器特性的最優化。

3 生物傳感監測技術

現代生物監測技術主要是利用活的生物體或微生物對環境中某種污染物敏感的特性，配上核酸探針及生物傳感器來監測它們對環境的反應，從而對環境質量做出評價。

Di Lorenzo M等[4]在研究中，使用一個小規模的單室空氣陰極微生物燃料電池（SCMFC），通過快速原型3D打印一層一層制造，被測試作為一種生物傳感器對水質進行連續監測。生物傳感器的動態范圍為1～25μg/L。

這類生物傳感器監測的應用還有：利用苔蘚植物對環境污染物的生物阻抗進行水質監測；利用地下飲用水供應廠天然有機物的熒光特性作為研究供水污染。

4 結語

隨著科學技術的發展以及水質監測方法的標準化，水質監測技術不斷朝著實時分析、自動化分析、大面積覆蓋等方向發展。結合新興技術，如遙感、機器人、在線網絡、生物技術等的應用，不但拓寬了水質監測的范圍，而且也使水質監測分析儀器更具便攜性、操作簡單以及分析快速等優點。與此同時，可用于現場即時監測的各類儀器設備打破了場地的局限，通過互聯網實現遠程工作，為在人類無法觸及的惡劣工作環境進行水環境監測提供了可能。

參考文獻

[1] Dona C，Sanchez J M，Caselles V，et al.Empirical Relationships for Monitoring Water Quality of Lakes and Reservoirs Through Multispectral Images[J].Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing， 2014，7（5）：1632-1641.

[2] Harvey E T，Kratzer S，Philipson P.Satellite-based water quality monitoring for improved spatial and temporal retrieval of chlorophyll-a in coastal waters[J].Remote Sensing of Environment，2015（158）：417-430.

[3] Banna MH，Imran S，Francisque A，et al.Online drinking water quality monitoring： review on available and emerging technologies[J].Critical Reviews in Environmental Science and Technology，2014，44（12）：1370-1421.

[4] Zhuiykov S.Solid-state sensors monitoring parameters of water quality for the next generation of wireless sensor networks[J].Sensors and Actuators B：Chemical， 2012，161（1）：1-20.

[5] Di Lorenzo M，Thomson A R，Schneider K，et al.A small-scale air-cathode microbial fuel cell for on-line monitoring of water quality[J].Biosensors and Bioelectronics，2014（62）：182-188.