水環(huán)境質(zhì)量測量前沿技術(shù)與趨勢

周杰+李婷+楊金艷+王勇

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

關(guān)鍵詞：水質(zhì)監(jiān)測 前沿技術(shù) 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(fā)展的基礎(chǔ)。然而隨著社會生產(chǎn)的不斷發(fā)展，水資源的污染問題日益嚴重。水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測是水質(zhì)評價與水污染防治的重要依據(jù)。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測方法檢測和分析過程復雜、周期長，數(shù)據(jù)的頻次、時效和代表性遠遠滯后于環(huán)境管理與決策的需求。而且隨著水環(huán)境不斷惡化，傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)已不能完全反映水質(zhì)動態(tài)變化規(guī)律。近年來，隨著科技的迅猛發(fā)展，各種水質(zhì)監(jiān)測新技術(shù)如雨后春筍般發(fā)展起來。

從SCIE、EI等數(shù)據(jù)庫中檢索，經(jīng)過去重，近5年來相關(guān)文獻365篇，其中與水質(zhì)測量主題密切相關(guān)的有57篇。經(jīng)過分析，目前國際水環(huán)境測量前沿技術(shù)主要集中于：遙感監(jiān)測技術(shù)方面（共15篇，其中6篇影響因子2.0以上）、水質(zhì)自動監(jiān)測方面（共11篇，其中4篇影響因子2.0以上）、生物監(jiān)測技術(shù)方面（共8篇，其中7篇影響因子2.0以上）。

1 遙感監(jiān)測技術(shù)

遙感監(jiān)測技術(shù)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(huán)境監(jiān)測與評價的技術(shù)。

Doa C等[1]利用陸地衛(wèi)星專題制圖儀（TM）數(shù)據(jù)的經(jīng)驗算法來估算水質(zhì)變量，如葉綠素a、總懸浮顆粒以及水的透明度。地面數(shù)據(jù)從多個西班牙湖泊中提取，涵蓋多種營養(yǎng)狀態(tài)，從貧營養(yǎng)到營養(yǎng)過剩。與此同時，論文對TM與Deimos-1衛(wèi)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(wèi)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(shù)據(jù)范圍：32～238 mg/m3），總懸浮顆粒的RMSE為10 mg/L（數(shù)據(jù)范圍：25～89 mg/m3），水體透明度的RMSE為0.10 m（數(shù)據(jù)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(wèi)星數(shù)據(jù)監(jiān)測沿岸地區(qū)的葉綠素a濃度。通過將衛(wèi)星估測得出的葉綠素a濃度與現(xiàn)場測量結(jié)果進行對比，得出兩者間有很強的相關(guān)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(tài)變化以及浮游植物水華擴張程度比基于船舶的監(jiān)測更好。且研究結(jié)果顯示，當海洋水色遙感與現(xiàn)場采樣相結(jié)合，可以為海岸帶的有效監(jiān)控和管理提供了更好的基礎(chǔ)。

2 水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)

水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)是把自動分析儀器和現(xiàn)代化的傳感器組合起來并配上先進的控制芯片、網(wǎng)絡(luò)通訊和專業(yè)分析軟件，使水樣采集、分析到記錄、傳輸、數(shù)據(jù)處理及存貯整個過程實現(xiàn)高度自動化，從而進行多參數(shù)在線快速、自動監(jiān)測的技術(shù)。

水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)可測定的參數(shù)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(zhì)污染指標和葉綠素、氨氮、硝酸鹽氮等水質(zhì)組分指標項目。目前水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)主要分為水質(zhì)自動分析儀和水質(zhì)在線自動監(jiān)測兩大類。

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

有4篇重要文獻論述了用少數(shù)的機器人解決大范圍環(huán)境監(jiān)測的問題。應(yīng)用實例包括：通過一個自主水表機器人監(jiān)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(guān)參數(shù)，如體積、深度和GPS位置；機器人惡劣環(huán)境下水下水質(zhì)監(jiān)測與互饋等。

Zhuiykov S[5]分析了用于在線監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)的固態(tài)傳感器，這些參數(shù)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(tài)傳感器相結(jié)合。在高度靈敏和有選擇性納米結(jié)構(gòu)的SE發(fā)展中，對于結(jié)構(gòu)和形態(tài)的控制起著日益重要的作用，是確定性能的關(guān)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(jīng)被用來顯示傳感器特性的最優(yōu)化。

3 生物傳感監(jiān)測技術(shù)

現(xiàn)代生物監(jiān)測技術(shù)主要是利用活的生物體或微生物對環(huán)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(jiān)測它們對環(huán)境的反應(yīng)，從而對環(huán)境質(zhì)量做出評價。

Di Lorenzo M等[4]在研究中，使用一個小規(guī)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(zhì)進行連續(xù)監(jiān)測。生物傳感器的動態(tài)范圍為1～25μg/L。

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

4 結(jié)語

隨著科學技術(shù)的發(fā)展以及水質(zhì)監(jiān)測方法的標準化，水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)不斷朝著實時分析、自動化分析、大面積覆蓋等方向發(fā)展。結(jié)合新興技術(shù)，如遙感、機器人、在線網(wǎng)絡(luò)、生物技術(shù)等的應(yīng)用，不但拓寬了水質(zhì)監(jiān)測的范圍，而且也使水質(zhì)監(jiān)測分析儀器更具便攜性、操作簡單以及分析快速等優(yōu)點。與此同時，可用于現(xiàn)場即時監(jiān)測的各類儀器設(shè)備打破了場地的局限，通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程工作，為在人類無法觸及的惡劣工作環(huán)境進行水環(huán)境監(jiān)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，F(xiàn)rancisque 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.