基于传感技术的水质监测与评估方法研究

弓 斌

（略阳县环境保护监测站，陕西 汉中 724300）

引言

水质监测对于保护环境和人类健康至关重要，而传感器技术提供了高效、准确的水质评估方法。在水质传感器的技术支持下，需要重点讨论监测和水质评估的方法，从传统的采样技术到先进的实验室分析，再到实时在线监测系统，实现了实时数据收集和持续监测，增强了保护水资源的能力。

1 水质监测中的传感器技术概述

1.1 传感器的定义和用途

传感器是检测和测量物理、化学或生物特性，并将这些信息转换为电信号或其他可以解释和记录的输出设备。在水质监测中，传感器在收集各种参数的数据，以评估水体状况、确保其安全性和各种用途（饮用水供应、水生生态系统和工业应用）的适用性方面发挥着至关重要的作用。

传感器在水质监测中的主要目的是提供关键水质参数的准确实时数据。这些数据有助于科学家、环境机构和水处理设施做出明智的决策并及时采取行动，维护水生生态系统的健康。

1.2 水质监测中使用的传感器类型

水质监测传感器有多种类型，用于测量特定的物理、化学或生物参数。

1.2.1 物理传感器

物理传感器测量不涉及化学反应的水的特性，这些传感器有助于了解水的物理特性和状况。使用物理传感器监测的一些常见物理参数如下。

（1）温度传感器提供有关水温变化的信息。温度是影响水质的关键因素，水温变化会影响气体的溶解度、化学反应和水生生态系统的整体健康。

（2）浊度传感器测量由悬浮颗粒引起的水的混浊度或浑浊度，高浊度表明沉积物径流或污染，并会影响光穿透，影响水生植物和生物。

（3）电导率传感器测量水传导电流的能力。该参数与溶解离子的浓度有关，可以深入了解盐度、营养水平和污染[1]。

1.2.2 化学传感器

化学传感器旨在检测水中存在的特定化合物或离子，这些传感器在识别污染物和评估水质方面发挥着关键作用。使用化学传感器监测的一些常见化学参数如下。

（1）pH值传感器测量水的酸碱度，pH值会影响化学品的溶解度和水生生物的健康。

（2）溶解氧传感器测量水中溶解氧的浓度。充足的溶解氧对于水生生物至关重要，低水平则表明存在污染或氧气耗尽。

（3）营养物传感器，用于测量水中硝酸盐和磷酸盐等营养物的浓度。过量的营养物质会导致富营养化，导致有害藻华并对水质产生负面影响。

1.2.3 生物传感器

生物传感器利用活生物体或其生物成分来评估水质，这些传感器对于监测污染物对水生生态系统的影响特别有用。常见的生物传感器类型包括如下几种。

（1）生化需氧量（BOD）传感器测量微生物分解水中有机物时消耗的氧气量。高BOD水平，可以表明污染及其对水生生物的潜在影响。

（2）藻类和浮游植物传感器可以检测藻类和浮游植物物种的存在和丰度。藻华会破坏生态系统，并产生对水生生物和人类健康有害的毒素。

（3）微生物传感器利用细菌或酶来检测水中的特定污染物或病原体，对于监测水传播疾病和有害微生物很有价值。

2 水质监测中常用的评估参数

水质监测是评估水体健康和安全的关键实践，确保其适合各种用途，包括饮用水供应、娱乐活动和水生生态系统保护。为了实现这一目标，需要评估一系列参数，为了解水的状况提供有价值的数据。

2.1 温度

温度是水质监测的基本参数，影响水生生态系统内的各种物理和化学过程。水温会影响气体的溶解度、水生生物的代谢率，以及水生生态系统的整体健康。与温度监测相关有如下方面。

（1）季节变化。水温随季节变化，影响水生物种的分布和行为。温度波动还会影响藻类和其他微生物的生长。

（2）热污染。由于人类活动（如工业排放，或河岸缺乏遮阴）导致水的过度加热，形成热污染。这会降低溶解氧水平，并对冷水物种造成压力，从而对水生生物产生不利影响[2]。

2.2 pH值

pH值是水的酸度或碱度的衡量标准，范围为0（强酸性）到14（强碱性），其中7为中性。水中的pH值会显著影响化学反应、营养物质的可用性以及水生生物的整体健康。有关pH值监测的一些重要因素如下。

（1）对水生生物的影响。许多水生物种对于生存和繁殖有特定的pH值要求。pH值的急剧变化，会伤害或杀死水生生物。

（2）缓冲能力。水的缓冲能力是指其抵抗pH值变化的能力。缓冲能力低的水体更容易受到污染，或其他外部因素引起的pH值波动的影响。

（3）酸雨。酸雨会降低天然水域的pH值，对水生生态系统造成风险。监测pH值有助于确定受酸雨影响的区域，并指导应其工作。

2.3 溶解氧

溶解氧（DO）是水质评估中的一个重要参数，因其决定了支持水生生物的氧气量。充足的溶解氧水平，对于鱼类和其他水生生物的呼吸至关重要。DO监测包括如下方面。

（1）影响溶解氧的因素。温度、盐度和大气压力会影响水所能容纳的氧气量。较热的水和较冷的水含有更少的溶解氧。

（2）需氧量。生物和化学过程，如有机物的分解和微生物呼吸会消耗溶解氧。高有机负荷或污染会导致缺氧。

（3）氧饱和度。溶解氧水平通常以氧饱和度的百分比表示，表示在给定温度和压力下水可以容纳多少氧气[3]。

2.4 浊度

浊度是指由于悬浮颗粒（如淤泥、粘土、藻类和有机物）的存在而引起的水的混浊或浑浊。监测浊度可以深入了解水的透明度和污染物的存在。与浊度相关主要考虑如下因素。

（1）对生态系统的影响。高浊度会减少水中的光线穿透，影响水生植物的生长以及生物体寻找食物和躲避捕食者的能力。

（2）沉积物径流。建筑工地、农田或侵蚀河岸的沉积物径流会显著增加浑浊度，监测浊度有助于识别沉积物污染源。

（3）法规遵从性。许多环境法规都规定了浊度限制，以保护水生生态系统和水质，定期监控对于合规性至关重要。

2.5 电导率

电导率测量水传导电流的能力，受到溶解离子（包括盐和矿物质）浓度的影响，是了解水质的重要参数。电导率监测包括如下方面。

（1）盐度评估。电导率可以深入了解水的盐度，有助于识别盐水对淡水源的入侵。

（2）监测营养物水平。电导率升高表明存在营养物，如硝酸盐和磷酸盐，这会导致富营养化和有害藻华。

（3）污染预警。电导率的变化可以发出污染物进入水体的信号，使其成为有用的预警指标。

2.6 营养水平

营养水平，特别是硝酸盐（NO3-）和磷酸盐（PO43-），是水质监测的关键参数，在促进藻类和水生植物生长方面发挥着作用。营养水平过高会导致富营养化，从而破坏水生生态系统。有关营养物监测要考虑如下因素。

（1）富营养化风险。营养水平升高会导致藻类和其他水生植物快速生长，导致氧气耗尽并对水生生物产生负面影响。

（2）确定养分污染源，如农业径流、污水排放或工业废水，对于有效管理至关重要。

（3）藻华。监测营养水平可以帮助预防有害的藻华。

3 基于传感技术的水质监测与评估方法

3.1 抽样方法

采样是收集有代表性的水样以供后续分析的过程。正确的采样技术对于确保数据准确可靠至关重要。

3.1.1 抓取采样

抓取采样涉及特定地点和时间采集单个水样，该方法适用于评估短期内变化不大的水质参数[4]。主要考虑如下因素。

（1）在有代表性的时间和频率进行采样，以捕获水质的变化。如可以定期采样来监测每日变化，而季节性采样可以捕捉长期趋势。

（2）使用清洁且贴有适当标签的容器，防止污染并确保可追溯性。不同的参数可能需要特定类型的容器，如用于有机化合物分析的琥珀色玻璃瓶，或用于微生物测试的塑料瓶。某些参数（如溶解氧）需要立即分析，而其他参数则需要防腐剂，以保证在运送到实验室过程中保持其完整性。抓取采样通常用于测量温度、pH值、浊度和电导率等参数，是一种经济有效的定期监测方法，适用于许多水质评估需求。

3.1.2 复合采样

复合采样涉及不同地点或时间间隔收集多个抓取样本，然后将其组合起来以创建单个代表性样本。该方法有助于消除水质的空间和时间变化。具体包括如下方面。

（1）复合采样可以使用不同的策略来完成，如时间比例（定期采集样本）、流量比例（与流量成比例采集的样本）或基于事件（在特定事件期间采集的样本，如雨水径流）。

（2）自动化设备和泵可以用于一段时间内连续收集样品，确保复合样品具有代表性；收集后，复合样品必须在实验室分析前彻底混合，确保均匀性。

（3）在评估受变异性影响的参数时，如流量波动的河流中的营养水平，或风暴事件期间的污染物浓度。复合采样特别有价值，提供了对水质趋势的更全面了解。

3.1.3 自动采样

自动采样系统使用仪器和泵，依据预定的时间间隔自动采集水样。这些系统效率很高，减少了手动采样的需要。主要特点为：自动化系统可以编程，为在特定时间、特定流量条件下或响应降雨事件等触发因素收集样本；自动采样器通常具有数据记录功能，记录采样时间、日期、位置和相关参数等信息；一些自动采样系统允许远程监控和控制，从而能够实时数据收集和采样计划调整。自动采样对于连续监测快速变化或受特定事件影响的参数特别有用，确保高频率的数据收集，而无需持续的人工干预。

3.2 实验室分析技术

实验室分析技术涉及对现场采集的水样进行检查，以确定特定水质参数的浓度。这些技术提供了有关水的化学、物理和生物特性的精确而详细的信息。

3.2.1 光谱法

光谱法是一种广泛使用的技术，根据各种物质吸收特定波长光的能力，测量水中各种物质的浓度。该技术对于评估可通过比色反应量化的参数特别有用。光谱法可用于分析营养物浓度（如硝酸盐、磷酸盐）、有机化合物和金属离子等参数。使用已知浓度的标准溶液生成校准曲线，将吸光度读数与分析物浓度相关联。这种技术具有高度准确度和精密度，使其适合法规遵从性和研究应用。光谱法对于评估水中的营养水平特别有价值，有助于识别污染源和管理富营养化[5]。

3.2.2 色谱法

色谱法是一种复杂的实验室技术，用于分离和定量水样中的化合物。常见的色谱技术包括气相色谱（GC）、液相色谱（LC）和高效液相色谱（HPLC），每种技术都适合特定的分析物。色谱法可以识别和量化有机化合物的复杂混合物，包括污染物、农药和药物。色谱方法具有高灵敏度和选择性，可以检测痕量污染物。色谱法对于评估水中的有机污染物至关重要，在环境监测和法规遵从性方面发挥着关键作用。

3.2.3 微生物检测

微生物检测涉及对水样进行检查，以检测和定量微生物，包括细菌、病毒和藻类。常见的微生物测试使用大肠杆菌或大肠菌等指示生物，评估粪便污染和病原微生物的存在情况。通常采用膜过滤技术，浓缩和捕获微生物以进行计数和鉴定。传统的基于培养的方法涉及在特定培养基上培养微生物，而聚合酶链反应（PCR）等分子方法可以提供快速且特异性的检测。微生物测试对于确保饮用水、娱乐用水和废水处理过程的安全至关重要，有助于预防水传播疾病的暴发。

3.3 在线监测系统

在线监测系统，也称为原位或实时监测系统，直接在现场提供水质参数的连续数据收集和评估，这些系统可以立即洞察水质变化和趋势。

3.3.1 实时数据采集

实时数据收集涉及连续测量水质参数并将其传输到中央数据库或监测站。主要特点是在线监测系统使用各种传感器和探头，测量温度、pH值、溶解氧、浊度和电导率等参数；实时采集的数据通过无线或有线方式传输至中央数据库或监控中心；当参数水平超过预定义阈值时，在线监测系统可以触发警报，从而能够快速响应污染事件。实时数据收集对于立即响应水质变化、污染事件和保护水生生态系统具有重要价值。

3.3.2 连续监测

连续监测涉及长时间不间断地测量水质参数。主要考虑因素包括连续监控系统定期记录数据，为趋势分析和报告创建详细的数据集；可以集成多个传感器来同时评估多个参数，从而提供水质的全面视图；通过持续监控收集的数据，可以远程访问并与利益相关者实时共享。连续监测对于长期研究、趋势分析以及了解气候变化和污染对水体的影响特别有用。

3.3.3 遥感技术

遥感技术利用卫星、无人机或其他空中平台从远处收集水质参数数据。遥感技术不需要与水体直接接触，降低了污染风险，最大限度地减少了对环境的干扰；遥感可以覆盖广泛的区域，适合监测大型湖泊、河流或沿海地区；通常采用多光谱或高光谱成像来捕获有关水质参数的详细信息，包括叶绿素水平、悬浮固体和浊度。

4 结语

在水资源面临越来越大压力的背景下，有效的水质监测和评估至关重要。传感器技术具有多种物理、化学和生物传感器，可以为水体状况提供有价值的数据。从温度到营养水平，这些传感器能够准确跟踪关键参数。通过利用传感技术的力量，保护宝贵的水资源。