科普小課堂第59期丨水生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)智慧監(jiān)測感知技術

2024-04-16 17:29:10 0 雙良環(huán)境

　　2024-04水生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)智慧監(jiān)測感知技術

　　《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測規(guī)劃綱要(2020—2035年)》提出，地表水監(jiān)測要“逐步實現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測向水生態(tài)監(jiān)測轉(zhuǎn)變”，“監(jiān)測手段從傳統(tǒng)手工監(jiān)測向天地一體、自動智能、科學精細、集成聯(lián)動的方向發(fā)展”。隨著傳感技術和通信技術的不斷進步，基于物聯(lián)網(wǎng)的水生態(tài)環(huán)境智慧監(jiān)測技術可實現(xiàn)全方位、實時、高效的水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測，為水生態(tài)環(huán)境監(jiān)管提供新的技術方法。下文介紹水生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)智慧監(jiān)測的感知技術[1]。

　　(1)自動在線監(jiān)測技術

　　水生態(tài)環(huán)境自動在線監(jiān)測技術主要包括固定式、浮標式和小型移動式3種集成形式。

　　01固定式監(jiān)測系統(tǒng)

　　固定式監(jiān)測系統(tǒng)一般是指建設在固定房屋內(nèi)的自動監(jiān)測站。其儀器設備種類較多，監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性較好，但占地面積大，建設和維護成本高，無法大量布置，且水樣采集易受天氣因素干擾，故主要用于地表水重要斷面和重要點位的水質(zhì)自動監(jiān)測。固定站內(nèi)的在線監(jiān)測儀器可實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸，此外，亦可采用人工方式讀取和記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)。監(jiān)測項目包括水溫、pH、溶解氧、電導率、濁度、化學需氧量、生化需氧量、總有機碳、可溶性有機碳、UV254、硝酸鹽、亞硝酸鹽、硫化氫、總懸浮固體、苯系物、色度、氨氮、總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)、重金屬、葉綠素a、藍綠藻、磷酸鹽、鹽度、氯化物、氟化物、生物毒性、流量、液位等，此外還涉及視頻、指紋圖和光譜報警等。

　　目前，同一水源的固定式自動監(jiān)測站存在監(jiān)測范圍小、數(shù)量少、位置固定等缺點，難以全面反映水質(zhì)狀況，故主要適用于河流斷面考核監(jiān)測、出入境斷面監(jiān)測、重要點位監(jiān)測。

　　02浮標式監(jiān)測系統(tǒng)

　　浮標式監(jiān)測系統(tǒng)是由浮標、維護平臺、傳感器組、通信設備、供電系統(tǒng)、錨系等組成的自動監(jiān)測站。其布置方式靈活，可以通過錨鏈固定在不同水域的水面上，快速、準確地對水質(zhì)進行監(jiān)測并實時傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，抗環(huán)境干擾能力較強。浮標式監(jiān)測系統(tǒng)多采用電極和光譜等方法獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測項目主要包括水溫、pH、溶解氧、電導率、濁度、氨氮、硝酸鹽氮、葉綠素a、藍綠藻等。

　　該系統(tǒng)適用于水面面積大、難以建設觀測站點、不易采用常規(guī)河道監(jiān)測手段、需要快速開展污染監(jiān)測和預警的水域，如近海、水庫、湖泊、濕地、水源地等。

　　03小型移動式監(jiān)測系統(tǒng)

　　小型移動式監(jiān)測系統(tǒng)是通過可移動的在線監(jiān)測設備對不同水域進行監(jiān)測。其監(jiān)測區(qū)域靈活，設備集成度高，可以實現(xiàn)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)遠程傳輸。因具備占地面積小和投資較少的特點，其主要適用于市內(nèi)小型河流、景觀河流和部分典型污染河流。由于移動式水質(zhì)監(jiān)測站的內(nèi)部空間有限，故以常規(guī)五項參數(shù)、氨氮和化學需氧量等指標的電極法或光度法檢測儀器為主。

　　隨著水質(zhì)快速檢測方法的發(fā)展，高性能的小型移動式監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)對生化需氧量、總磷、總氮、葉綠素a等11個參數(shù)的在線實時監(jiān)測，且占地面積不超過1 m2。其中，化學需氧量的測定可采用紫外吸收法，氨氮可采用離子選擇性電極法或紫外吸收法。這些檢測方法校準簡便，無需更換試劑，但較易受水質(zhì)干擾。

　　(2)應急快速監(jiān)測技術

　　突發(fā)性水環(huán)境污染事故發(fā)生后，需對水生態(tài)環(huán)境的受污染程度和范圍進行應急快速監(jiān)測，監(jiān)測設備主要包括便攜式監(jiān)測設備、移動式現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)和水生生物在線監(jiān)測系統(tǒng)。

　　01便攜式監(jiān)測設備

　　基于光學、電化學、色譜、色譜-質(zhì)譜聯(lián)用等原理和技術開發(fā)出的便攜式監(jiān)測儀器設備的種類多樣，其特點是體積小、攜帶方便，能夠滿足現(xiàn)場快速定性和定量分析多種常規(guī)水質(zhì)指標，以及檢測未知污染物的需求。

　　02移動式現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)

　　移動式現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)主要包括監(jiān)測車和監(jiān)測船兩類。

　　應急監(jiān)測車配備獨立的實驗室工作系統(tǒng)，具備現(xiàn)場快速分析、數(shù)據(jù)處理和通信傳輸?shù)墓δ?，適用于野外現(xiàn)場采樣、存儲和分析。

　　應急監(jiān)測船是在水面完成現(xiàn)場采樣和分析的平臺，由船體、船載流動實驗室、便攜式應急監(jiān)測儀器和應急防護設施等組成，具備移動監(jiān)測、水上實驗、快速預警等功能，可機動監(jiān)測轄區(qū)內(nèi)的水質(zhì)狀況。

　　水生生物在線監(jiān)測系統(tǒng)

　　水生生物在線監(jiān)測系統(tǒng)可直接反映突發(fā)環(huán)境事件對水生態(tài)系統(tǒng)健康的影響，主要分為基于生物行為變化的在線監(jiān)測系統(tǒng)( 如攝像示蹤監(jiān)測系統(tǒng)和四極阻抗監(jiān)測系統(tǒng))和基于生物生理變化的在線監(jiān)測系統(tǒng)(如發(fā)光菌在線監(jiān)測系統(tǒng)和藻類熒光分析系統(tǒng))兩大類。其檢測原理是通過傳感器探測生物生理指標和行為強度的變化，或通過攝像技術連續(xù)觀察、記錄水生生物的行為變化，從而為突發(fā)環(huán)境事件中的水生態(tài)環(huán)境應急監(jiān)測提供技術手段。

　　(3)遙感監(jiān)測技術

　　遙感監(jiān)測是根據(jù)水體中不同物質(zhì)的折射率反饋物質(zhì)的組成和含量，可對水體中的懸浮物質(zhì)、葉綠素a，以及水體透明度、熱污染、石油污染等進行監(jiān)測。

　　無人機遙感技術主要包括遙感傳感技術、影像拼接技術與數(shù)據(jù)實時傳輸存儲技術。相對于衛(wèi)星遙感，無人機遙感的航線可自主規(guī)劃，且作業(yè)簡單、易于操作，可搭載多類型高精度傳感器，影像分辨率可達厘米級，適用于小范圍、高分辨率遙感數(shù)據(jù)的即時獲取，主要從宏觀上觀測水華的發(fā)生情況，以及采集河流水文信息等。

　　衛(wèi)星遙感具有監(jiān)測范圍大、資料獲取方便、圖像處理和解譯容易等特點，能夠?qū)Υ蠓秶w水質(zhì)進行監(jiān)測。其中：高光譜遙感能夠捕捉水體的精細光譜特征，但同時也存在掃描幅寬較窄、重訪周期較長、不利于大范圍監(jiān)測和應急監(jiān)測等局限性; 多光譜遙感因波段數(shù)量少且光譜范圍寬，無法獲取內(nèi)陸水體的細微光譜特征，但具有數(shù)據(jù)源多、數(shù)據(jù)易獲取、成像幅寬大和重訪周期短等優(yōu)勢。

　　在水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中，主要利用衛(wèi)星遙感開展藍藻水華反演、懸浮物濃度反演，以及黑臭水體識別等。