水环境监测技术和仪器的发展研究

＊周明 陈果

（长江水利委员会水文局汉江水文水资源勘测局 湖北 441022）

1.水环境监测技术分析

（1）微生物检测技术。水环境监测中，主要检测水体含微生物量、物理性质、化学元素等，进而对水质进行评价。而微生物检测是检测水体微生物，结合环境分析学、化学检测学等原理，以此判断水体是否被污染，哪些污染物超标等[1]。该技术使用中，由于存在难以量化、具体的表达水体污染程度，仅用于辅助手段，却占有重要地位。

（2）气相色谱技术。该技术是以气体为流动相色谱法，是新型分离分析技术，广泛用于科学、农业、工业及环境保护中。气相色谱法根据物质极性、沸点等差异，将混合物进行分离检测。实际应用中，汽化室将水样气化，被载气输入含固/液的色谱柱中，水样内部含有不同元素，存在吸附性、沸点等参数差异，使得各组分能够形成吸附平衡，以流动相将各组分反复分配、吸附等，使得最大组分、浓度元素先流出[2]。检测器对组分检测分析，转变组分为电信号，记录后生成气象色谱图。

（3）遥感技术。水处理工作中，遥感技术相比其他监测技术，能够自动收集监测结果，确保结果可靠准确，具有动态监测效果，不会受人为干扰，无需付出过多成本。一方面遥感技术能够监测固体悬浮物，利用红外光波测定悬浮物，构建悬浮物波段幅值模型，了解水体水质。

2.水环境监测技术和仪器的发展现状

(1)监测技术

①自动监测技术。在信息时代下，全面开展环境保护工作，为满足保护水环境要求，结合环保规范，将信息技术纳入监测工作中成为现阶段重点，构建可控信息平台与汇总机制，推动水环境监测工作发展。水质自动监测技术中，借助信息系统，能够自动采集、处理水样，利用在线分析仪等，与传感器配合，打造水环境监测平台。具体功能如下：

一是自动数据传输，与监测站相配合，能够自动扫描信息，根据预先设置要求，提取准确参数，构建数据管理体系，将其按照要求传输数据至相应云平台。

二是在线自动监测，根据地方不同用途水质要求，制定水样分析参数，完成自动采集、测定工作，实时获得水样数据，及时监测，准确控制水污染情况，避免污染周遭环境[3]。

三是自动报警留样，由于水环境流动变化，必须根据监测情况确定变化规律、污染物分布情况等，进而对异常参数准确评估，配合数据中心，确保工作人员能够了解水环境情况，根据留存样品制定治理方案。

四是远程控制功能，通过对水环境的远程跟踪、控制，与财税分析、反吹吸、管理配水等模块，使得工作人员远程即可开展工作。

五是自动传输分析，基于数据自动汇总，对各阶段水样参数整理分析，按照检测结果，将数据进行分类，评价水环境的水质。

②生物监测技术。生物监测技术是利用生物学知识，监测环境与生物的关系，评价水污染，不同生物层面监测内容存在差异。该技术具有灵敏度高的特点，即便在极低污染浓度下，也能及时作出反应，提供实时监测。并且，生物监测能够将水污染情况直接反映出来，某地区产生水污染后，地区生物种群生物链也受影响，经过长期监测，有助于了解污染源，具有广泛适用范围。

③“3S”监测技术。“3S”技术由地理信息系统、遥感技术、卫星导航系统构成，凭借通讯技术、计算机技术与微信技术支持，能够剖析、处理收集数据，有效监测水环境，检测速度较快，经济实用性良好。但是，“3S”技术也存在缺陷，由于我国南北跨度大、地幅广阔、水质有所差异，部分地区水环境监测项目中，难以发挥“3S”技术效用，需结合其他技术开展工作。

④物联网技术。该技术是根据射频识别、通信系统技术对水环境开展监测，能够监测具体水质情况、河流断面水量等，不会对河段生态造成影响，实现水质数据的实时传送，确保数据及时准确，便于人员开展针对性分析，提高工作效率。

(2)监测仪器

①水质监测站。水质监测作为反映水环境的直观手段，计算机与自动化技术发展下，水质监测不局限于实验室分析，扩充至在线自动监测。在水质自动监测站中，沿河布置传感器，监测项目包括氨氮、高锰酸盐指数、总氮、总磷等指数，跨越多个地区，实时掌握主要河段水质，保证发现问题后，对污染河段能够精准锁定，辅助考核。

②视频监控天眼。传统各部门独立管理方式，会耗费较多人力物力，存在污染源难发现、位置定位难的情况[4]。

为此水环境监测在主要排污口、重点河段、产业园区等，布置视频监控天眼设施，建立立体监控网络，对水源24h监控。关联断面、污染源、流域内视频监控，提高环境执法效率。

③污染源监测。污染源监测是对点源监测，能够远程、实时监控排放污染源，设置在线监控设施，实现规范化、常规化管理，及时排水预警，保证断面水质产生异常变化，利用污染源监测仪器，追溯污染。还可根据河流水质变化，控制源头污染源排放，实现精细化管理。

④无人机监测。水环境监测中，由于植被影响、地形复杂，监测人员难以走进现场，导致无法掌握排污口情况。个别企业私设暗管，不经排放直接排入地表水或管网，带来持续污染影响。在科技水平下，无人机广泛用于生态领域，有效解决地形复杂问题，减少户外调查量。为此，水环境监测仪器可配置无人机、热成像设备、智能全影像探测雷达，排查河流排污口与陆域污水私接。

3.水环境监测技术和仪器的实践应用

（1）地表水监测。地表水作为最易被污染的水体环境，为保证环境质量，需结合管理规范，建立科学控制模式，合理利用监测技术及仪器，准确防控污染。现有地表水监测时，主要采取远程和动态监控协同控制模式，尤其是断面水体与流域水质，必须汇总数据，对水体污染及时预测，以免引发更多负面影响[5]。还能从整体层面合理规划水质管理，结合环保要求，完成工程项目。

（2）水库监测。在地区水库资源中，为实现常态化管理，需要执行动态管控，确保水体环境各参数平衡，做到综合监管。而水库监测中，主要监测指标有总磷量、PH数值、COD参数、氨氮等，为加强评估，可采取自动监测技术，编程远程分析模块，配合传感器收集的各项参数内容，开展合理调控，从源头降低污染，循序渐进开展水源保护。此过程中，一是监测水库水质，借助物联网技术，实现各设备连接，通过人机互动的方式，建立水环境监督模式，使得人员能够及时得到水质数据。二是结合工程管理部门，保证水质监测技术与仪器应用合理性，开展阶段性施工，加强管理，合理管控水库数据信息，优化自动化测试与控制。

（3）水源地水质监测。水源地水质要求较高，为开展水环境阿博湖，需制定水质监测、仪器处理要求，确保评估结果与要求相符，构建源头水质管理体系。借助水质自动检测技术、气象色谱技术、微生物检测技术等，连续对区域开展水质监测，控制每隔8h自动收集参数1次，实现24h监测，确保水质数据具有代表性。一是利用监测技术仪器，管理者可及时把控水源地水质，将水质参数传输至有关部门，采取科学管护方法，统筹治理污水环境。二是应用监测技术仪器，构建监测体系，获取动态水质数据，优化管理水平。三是开展水质周报工作，做到每周对水质情况进行上报汇总，且将数据公开发布，将其共享至环保网、监测网，建立水质管理平台，有助于全国把控水质环境，构建规范、制度的水质监控方法。例如，某地水质监测，借助水质监测系统，对比总磷、总氮等数据指标，以半年为单位汇总数据，将其储存分析，发现总磷数值较高，根据数据调查地区水质超标原因，制定防治方案。

（4）排污口监测。在水环境监测中，为建立可控污染控制体系，减少污染排放，打造系统、完整的管理体系，以免常态化管理不足，影响污水管理质量。相关企业排污口是将污水处理后排入河流或管网的设施，需采取自动监测技术，确保监督可控性与规范性。在排污口监测中，可利用气相色谱法，涉及关键技术如下：①火焰光度检测器技术，使用气相色谱技术对水环境磷含量进行监测，选择甲醛萃取剂，结合磷元素可氧化燃烧特点，利用火焰光度检测器，确定水环境磷含量。②顶空气相色谱技术，水环境总磷监测中，采取衍生化反应，转化水中硝酸盐为衍生物，利用其易挥发特性监测分析。③电子捕获器技术，联用电子捕获器与气相色谱技术，监测水环境硝酸盐与亚硝酸盐氮含量。

（5）监测报警。水质监测中，采取水质自动化监测技术，与远程监控相结合，能够发挥自动化、信息化监控特点，实现对水质情况动态管控，保证水质评价、控制体系更科学，也能全面分析水源分布，发现重大污染立即报警，以免水污染蔓延，增加环境污染指数，加大地方经济损失。以某地区水质监测为例，地方水库是下属县城供水源头，为阶段性地方引水重点，下游城市取水重地，如果水污染严重，将会造成饮水安全问题，需做好监测工作。为此，该地区采取自动监测，利用系统、在线监测仪等评估是否存在微生物、氮磷元素异常等，做好参数报警工作，出现问题及时通知部门处理。该水库监测站2021年末发现挥发酚超标，使用自动采样器，收集和化验水质水样，使得环保人员能够根据数据内容，确定上游存在排污口问题，且对周围排放污染超标企业等进行检查，发现后将其关停，实现规范化治理，确保水源安全，提高水源质量，减少污染情况。

4.水环境监测技术和仪器的发展趋势分析

（1）提升监测范围。水环境污染因素较多，加上科技发展下，呈现逐年增多趋势，导致现有监测技术与仪器无法有效监测污染因子，使得污染治理较为盲目，消耗物力、人力较多，难以保证效果。例如，微生物污染中，微生物超标会污染水环境，大肆繁殖。由于生物迁移、水体流动，污染周围水体，无法准确、及时判定。所以，监测技术与仪器发展下，需要拓展监测范围，将有机污染、重金属污染等纳入监测范围，更好的发挥监测技术与仪器优势。

（2）提高监测集成化。在监测技术与仪器发展下，水质监测领域应用愈发广泛，受到资金与技术限制，技术与仪器完善度不足，适用性较低。为更好的应用监测技术与仪器，需提高集成化水平，合理应用光电子技术、微电子技术、生物芯片技术等，以分布广泛、稳步发展、高精质量为目标，分级分类建设。例如，水站建设时，涉及微型站、岸边站、简易站等，均需要有高集成监测系统。

（3）提高监测智能化。计算机技术发展下，智能化、自动化水平逐渐提高，以色谱仪、光谱仪为例，具备自动控制测试、自动取样、数据处理功能，及自诊断、自校正、自联网功能。并建立专家智能系统，实现数据复杂的哈德曼变换、傅里叶变换，配合三维图谱与专家分析，即可短期内获得监测结果，成为新一代仪器发展方向。

（4）实现仪器小型化。监测仪器向微型化、小型化、多参数化发展，合理应用微型传感器、微电子、新材料等，缩小现有仪器体积，优化结构、造型美观、线条明快。例如，液相色谱、气相色谱、热分析仪等，体积仅为原有的1/4或1/3，便于携带使用。

5.结论

综上所述，在社会经济发展与人口增加下，水环境污染日趋严重，对水环境监测提出新要求。各国为达到环保要求，积极探索新监测技术与仪器，可应用自动监控技术与仪器，优化监测点布置。未来发展中，水环境监测技术与仪器需加大创新研究，提升监测范围，提高监测集成化，从而提高监测结果精准可靠性，满足环保需求。