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(cè)感知技術(shù)

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(cè)感知技術(shù)

　　《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)劃綱要(2020—2035年)》提出，地表水監(jiān)測(cè)要“逐步實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)向水生態(tài)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)變”，“監(jiān)測(cè)手段從傳統(tǒng)手工監(jiān)測(cè)向天地一體、自動(dòng)智能、科學(xué)精細(xì)、集成聯(lián)動(dòng)的方向發(fā)展”。隨著傳感技術(shù)和通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于物聯(lián)網(wǎng)的水生態(tài)環(huán)境智慧監(jiān)測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)全方位、實(shí)時(shí)、高效的水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為水生態(tài)環(huán)境監(jiān)管提供新的技術(shù)方法。下文介紹水生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)智慧監(jiān)測(cè)的感知技術(shù)[1]。

　　(1)自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

　　水生態(tài)環(huán)境自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括固定式、浮標(biāo)式和小型移動(dòng)式3種集成形式。

　　01固定式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

　　固定式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般是指建設(shè)在固定房屋內(nèi)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)站。其儀器設(shè)備種類較多，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性較好，但占地面積大，建設(shè)和維護(hù)成本高，無(wú)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(diǎn)位的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。固定站內(nèi)的在線監(jiān)測(cè)儀器可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，此外，亦可采用人工方式讀取和記錄監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、化學(xué)需氧量、生化需氧量、總有機(jī)碳、可溶性有機(jī)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(lán)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(bào)警等。

　　目前，同一水源的固定式自動(dòng)監(jiān)測(cè)站存在監(jiān)測(cè)范圍小、數(shù)量少、位置固定等缺點(diǎn)，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(cè)、出入境斷面監(jiān)測(cè)、重要點(diǎn)位監(jiān)測(cè)。

　　02浮標(biāo)式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

　　浮標(biāo)式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由浮標(biāo)、維護(hù)平臺(tái)、傳感器組、通信設(shè)備、供電系統(tǒng)、錨系等組成的自動(dòng)監(jiān)測(cè)站。其布置方式靈活，可以通過(guò)錨鏈固定在不同水域的水面上，快速、準(zhǔn)確地對(duì)水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，抗環(huán)境干擾能力較強(qiáng)。浮標(biāo)式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多采用電極和光譜等方法獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要包括水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、氨氮、硝酸鹽氮、葉綠素a、藍(lán)綠藻等。

　　該系統(tǒng)適用于水面面積大、難以建設(shè)觀測(cè)站點(diǎn)、不易采用常規(guī)河道監(jiān)測(cè)手段、需要快速開(kāi)展污染監(jiān)測(cè)和預(yù)警的水域，如近海、水庫(kù)、湖泊、濕地、水源地等。

　　03小型移動(dòng)式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

　　小型移動(dòng)式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)可移動(dòng)的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)不同水域進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其監(jiān)測(cè)區(qū)域靈活，設(shè)備集成度高，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。因具備占地面積小和投資較少的特點(diǎn)，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(dòng)式水質(zhì)監(jiān)測(cè)站的內(nèi)部空間有限，故以常規(guī)五項(xiàng)參數(shù)、氨氮和化學(xué)需氧量等指標(biāo)的電極法或光度法檢測(cè)儀器為主。

　　隨著水質(zhì)快速檢測(cè)方法的發(fā)展，高性能的小型移動(dòng)式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生化需氧量、總磷、總氮、葉綠素a等11個(gè)參數(shù)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且占地面積不超過(guò)1 m2。其中，化學(xué)需氧量的測(cè)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(cè)方法校準(zhǔn)簡(jiǎn)便，無(wú)需更換試劑，但較易受水質(zhì)干擾。

　　(2)應(yīng)急快速監(jiān)測(cè)技術(shù)

　　突發(fā)性水環(huán)境污染事故發(fā)生后，需對(duì)水生態(tài)環(huán)境的受污染程度和范圍進(jìn)行應(yīng)急快速監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)設(shè)備主要包括便攜式監(jiān)測(cè)設(shè)備、移動(dòng)式現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和水生生物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

　　01便攜式監(jiān)測(cè)設(shè)備

　　基于光學(xué)、電化學(xué)、色譜、色譜-質(zhì)譜聯(lián)用等原理和技術(shù)開(kāi)發(fā)出的便攜式監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備的種類多樣，其特點(diǎn)是體積小、攜帶方便，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)快速定性和定量分析多種常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)，以及檢測(cè)未知污染物的需求。

　　02移動(dòng)式現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

　　移動(dòng)式現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括監(jiān)測(cè)車和監(jiān)測(cè)船兩類。

　　應(yīng)急監(jiān)測(cè)車配備獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)室工作系統(tǒng)，具備現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)采樣、存儲(chǔ)和分析。

　　應(yīng)急監(jiān)測(cè)船是在水面完成現(xiàn)場(chǎng)采樣和分析的平臺(tái)，由船體、船載流動(dòng)實(shí)驗(yàn)室、便攜式應(yīng)急監(jiān)測(cè)儀器和應(yīng)急防護(hù)設(shè)施等組成，具備移動(dòng)監(jiān)測(cè)、水上實(shí)驗(yàn)、快速預(yù)警等功能，可機(jī)動(dòng)監(jiān)測(cè)轄區(qū)內(nèi)的水質(zhì)狀況。

　　水生生物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

　　水生生物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可直接反映突發(fā)環(huán)境事件對(duì)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(cè)系統(tǒng)( 如攝像示蹤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和四極阻抗監(jiān)測(cè)系統(tǒng))和基于生物生理變化的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(如發(fā)光菌在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和藻類熒光分析系統(tǒng))兩大類。其檢測(cè)原理是通過(guò)傳感器探測(cè)生物生理指標(biāo)和行為強(qiáng)度的變化，或通過(guò)攝像技術(shù)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(yīng)急監(jiān)測(cè)提供技術(shù)手段。

　　(3)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)

　　遙感監(jiān)測(cè)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(duì)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(jìn)行監(jiān)測(cè)。

　　無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)主要包括遙感傳感技術(shù)、影像拼接技術(shù)與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸存儲(chǔ)技術(shù)。相對(duì)于衛(wèi)星遙感，無(wú)人機(jī)遙感的航線可自主規(guī)劃，且作業(yè)簡(jiǎn)單、易于操作，可搭載多類型高精度傳感器，影像分辨率可達(dá)厘米級(jí)，適用于小范圍、高分辨率遙感數(shù)據(jù)的即時(shí)獲取，主要從宏觀上觀測(cè)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(cè)范圍大、資料獲取方便、圖像處理和解譯容易等特點(diǎn)，能夠?qū)Υ蠓秶w水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其中：高光譜遙感能夠捕捉水體的精細(xì)光譜特征，但同時(shí)也存在掃描幅寬較窄、重訪周期較長(zhǎng)、不利于大范圍監(jiān)測(cè)和應(yīng)急監(jiān)測(cè)等局限性; 多光譜遙感因波段數(shù)量少且光譜范圍寬，無(wú)法獲取內(nèi)陸水體的細(xì)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(shì)。

　　在水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中，主要利用衛(wèi)星遙感開(kāi)展藍(lán)藻水華反演、懸浮物濃度反演，以及黑臭水體識(shí)別等。