水體重金屬污染在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用研究

摘要：針對水體重金屬污染問題，探索在線監(jiān)測系統(tǒng)在環(huán)境保護中的應(yīng)用效果與實際操作性。通過部署傳感器和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實時監(jiān)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(jiān)控，收集并分析了大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，評估了系統(tǒng)的性能穩(wěn)定性和監(jiān)測精度。結(jié)果表明，所采用的在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠提供高精度和可靠性的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定性在各項指標(biāo)中表現(xiàn)優(yōu)異。水體重金屬在線監(jiān)測技術(shù)不僅提升了監(jiān)測效率、加強了對環(huán)境政策制定的支持，還為及時響應(yīng)環(huán)境污染事件提供了強有力的技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：水體 重金屬[A1] 污染 在線監(jiān)測系統(tǒng) 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(huán)境污染中的重要問題，嚴(yán)重影響水質(zhì)安全和生態(tài)系統(tǒng)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(gòu)成重大威脅。因此，實時監(jiān)測水體中的重金屬污染成為保障水環(huán)境質(zhì)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(jiān)測系統(tǒng)，對提升水環(huán)境管理水平、保障水體資源的可持續(xù)利用具有重要的現(xiàn)實意義和社會價值。

1" 水體重金屬在線監(jiān)測系統(tǒng)概述

1.1 水體重金屬污染特點與監(jiān)測需求

根據(jù)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《2023中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》數(shù)據(jù)，盡管我國整體水質(zhì)狀況有所改善，優(yōu)良水質(zhì)（I～III類）斷面比例達89.4%，但水體中依然存在較為嚴(yán)重的重金屬污染問題[2]。[A2] 重金屬（如鉛、鎘、砷、汞等）常由工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)面源污染與礦區(qū)廢水排放進入水體，對生態(tài)系統(tǒng)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(jiān)測水體中重金屬濃度，及時發(fā)現(xiàn)污染異常，提供精確的數(shù)據(jù)支持，便于相關(guān)部門迅速采取治理措施[3]。

1.2 在線監(jiān)測系統(tǒng)概述

在水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)中（如圖1所示），各類監(jiān)測設(shè)備相互配合，形成了完整的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)主要包括多個水質(zhì)自動分析儀、自動采樣單元、流量監(jiān)測設(shè)備和數(shù)據(jù)控制平臺，它們協(xié)同工作，實現(xiàn)實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸。（1）各個分析儀器分別監(jiān)測不同的水質(zhì)指標(biāo)，如pH、溫度、化學(xué)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(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)控制平臺連接，將實時數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理和分析。（2）水質(zhì)自動采樣單元能夠根據(jù)設(shè)定的時間間隔或水流狀況自動采集水樣，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的代表性和時效性。（3）流量監(jiān)測單元則負責(zé)測量水流量，以便與水質(zhì)數(shù)據(jù)結(jié)合進行更全面的水環(huán)境分析。

整個系統(tǒng)通過精確的實時監(jiān)測，能夠及時發(fā)現(xiàn)水體污染變化，為環(huán)境保護和水質(zhì)管理提供強有力的技術(shù)支持。通過數(shù)據(jù)傳輸鏈路，系統(tǒng)還能夠遠程進行控制和調(diào)節(jié)，從而優(yōu)化水質(zhì)監(jiān)測的效率與精度。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)水質(zhì)的自動化監(jiān)測，為環(huán)境治理與保護提供了重要的技術(shù)保障。

1.3 水體重金屬監(jiān)測的傳感器與數(shù)據(jù)處理技術(shù)

1.3.1傳感器

傳感器主要包括電化學(xué)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(guān)系，即[A4] ：

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

1.3.2數(shù)據(jù)處理技術(shù)

數(shù)據(jù)處理技術(shù)包括信號放大、濾波、數(shù)據(jù)融合等，這些技術(shù)可以優(yōu)化傳感器輸出的信號質(zhì)量，提高測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

卡爾曼濾波是一種有效的數(shù)據(jù)處理算法，被廣泛用于消除噪聲和優(yōu)化傳感器數(shù)據(jù)。卡爾曼濾波通過一個迭代過程，結(jié)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(tài)[4]。卡爾曼濾波主要包括兩個步驟：預(yù)測和更新。以下是卡爾曼濾波的基本方程。

（1）預(yù)測步驟[A6] 。

預(yù)測[A7] 狀態(tài)估計。

預(yù)測誤差協(xié)方差。

式（2）、式（3）中：?為時間步k的預(yù)測狀態(tài)；為狀態(tài)轉(zhuǎn)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(yù)測狀態(tài)估計誤差協(xié)方差矩陣；為預(yù)測協(xié)方差矩陣；為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣；為過程噪聲協(xié)方差矩陣。

（2）更新步驟[A8] 。

卡爾曼增益。

更新狀態(tài)估計。

更新誤差協(xié)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(tài)；為實際觀測值；為觀測噪聲協(xié)方巧矩陣；為更新后的誤差協(xié)方差矩陣；為單位矩陣。方程結(jié)合，使卡爾曼濾波能夠連續(xù)更新其狀態(tài)估計，并根據(jù)最新的測量數(shù)據(jù)調(diào)整，從而提供對系統(tǒng)狀態(tài)更準(zhǔn)確的理解。

2" 應(yīng)用案例研究[A9]

2.1 應(yīng)用背景

以貴州省具有代表性的河流和湖庫為重點監(jiān)測點，部署水體重金屬污染在線監(jiān)測系統(tǒng)，重點關(guān)注對生態(tài)和人體健康具有潛在危害的重金屬元素。監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)置旨在對水質(zhì)進行連續(xù)的實時監(jiān)控，確保符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838－2002）和《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749[A10] －2006）[5]。

2.2 監(jiān)測過程

監(jiān)測過程涉及精密的儀器和嚴(yán)格的操作流程，使用了在線監(jiān)測設(shè)備進行數(shù)據(jù)分析和驗證。監(jiān)測設(shè)備被設(shè)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(biāo)準(zhǔn)樣品和加標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)的樣品濃度依據(jù)地方標(biāo)準(zhǔn)《水質(zhì)重金屬自動在線監(jiān)測系統(tǒng)（ICP-MS法）技術(shù)要求和試驗方法（征求意見稿）》。

監(jiān)測過程中，各設(shè)備首先對3個不同濃度級別的標(biāo)準(zhǔn)樣品進行檢測，以校準(zhǔn)設(shè)備和確認(rèn)其準(zhǔn)確性。此外，通過加標(biāo)恢復(fù)實驗來評估樣品中污染物的回收率和監(jiān)測方法的可靠性。每個樣品都進行至少6次重復(fù)測定，以統(tǒng)計分析結(jié)果的穩(wěn)定性和重復(fù)性。

3 系統(tǒng)性能評估

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

4" 結(jié)語

研究通過詳細分析水體重金屬污染在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，展示了該技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的重要價值。在線監(jiān)測技術(shù)能夠提供關(guān)于水質(zhì)狀況的實時、連續(xù)數(shù)據(jù)，對識別和響應(yīng)環(huán)境污染事件至關(guān)重要。尤其在處理鉛、汞等難降解的重金屬污染時，該系統(tǒng)不僅能夠提升監(jiān)測效率，還能免增強數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時效性。此外，研究中所述的長期穩(wěn)定性評估結(jié)果證實了在線監(jiān)測設(shè)備在連續(xù)運行中的可靠性和精度。綜上所述，推廣水體重金屬在線監(jiān)測技術(shù)，在全球范圍內(nèi)對保護水資源和生態(tài)安全具有重要意義，是實現(xiàn)可持續(xù)環(huán)境管理的關(guān)鍵步驟。

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