弓永強

（忻州市生態(tài)環(huán)境局東部區(qū)域監(jiān)測技術保障中心，山西 原平 034100）

引言

水對人類的生存至關重要，但人類活動對其質量造成了污染[1]。城市化和工業(yè)化導致水污染問題加劇，進而引起土地使用、健康和糧食短缺問題。全球約有10 億人無法獲得安全飲用水。在全球范圍內，發(fā)展中國家每年約有220 萬人死于水傳播疾病[2]。為了實現一個可持續(xù)的生態(tài)環(huán)境，必須考慮污染的減少。在當今的千年發(fā)展目標和現在的可持續(xù)發(fā)展目標的支持下，世界各國領導人已經表現出了追求改善水質的意愿和承諾?？沙掷m(xù)發(fā)展目標強調清潔水可用的重要性，這就要求減少污染、改善水質和解決缺水的問題。

各種污染物的引入，如有機物、有害化學物質和來自家庭、工業(yè)和農業(yè)活動的營養(yǎng)物質，已經造成了有害的影響。例如：有害藻類對河流、湖泊或飲用水供應系統(tǒng)[3]。因此，需要適當的水質監(jiān)測技術，以便制訂有效的水資源管理戰(zhàn)略或改進現有的自然水系統(tǒng)管理計劃。一般來說，水質數據通常是通過實地采樣和在實驗室環(huán)境中對樣品進行連續(xù)物理化學分析來定期收集的。有時使用現場部署的分析儀或便攜式傳感器來測量水質參數。水質數據包括各種物理、化學和微生物參數。傳統(tǒng)的實地取樣方法（例如，在單一地點的點取樣）和實驗室分析需要大量的勞動和時間（幾小時到幾周）。它還需要運輸樣品，而這些樣品可能不能代表取樣時的水質（例如，在運輸過程中可能發(fā)生不良反應）。這些數據通常是按周、月或季節(jié)收集的，這限制了數據在有效水資源管理決策過程或對有毒污染物輸入等意外事件快速業(yè)務反應的適用性。通過發(fā)展監(jiān)測能力，同時建立一個包括空間和時間變化的水質數據庫，可以改善區(qū)域范圍的水質管理和無法進入的地形位置。先進的數據收集可以顯著地有利于持續(xù)監(jiān)測水資源、評估洪水地區(qū)、污染管理和人為活動的影響等目的。最近，已使用自動取樣裝置定期收集水樣(例如，間隔幾小時)，以估計指定現場溪流的污染物負荷。然后在實驗室中測量相關污染物濃度（重要的是總氮（TN）或磷（TP）濃度）。使用自動取樣裝置的不足之一是取樣瓶的數量有限。眾所周知，第一次沖水可能表現出較高的污染物負荷。因此，采樣時間間隔的管理應考慮到峰值負荷時期。然而，盡管有這些限制，大多數監(jiān)測方案都是以外地為基礎的，因此迫切需要改進監(jiān)測方法。

1 水質監(jiān)測在環(huán)境工程中的意義

先進的環(huán)境工程技術越來越多地用于水質監(jiān)測，并為適當管理水資源提供有用的信息。在環(huán)境工程中，有可能提高環(huán)境工程技術在廣泛領域的水質監(jiān)測的適用性[4]。監(jiān)測技術如現場傳感環(huán)境工程技術，能夠實現有效的水質監(jiān)測，通常被稱為智能水質監(jiān)測技術。實時水質監(jiān)測系統(tǒng)可以應用于飲用水供應過程的管理，包括湖泊、河流和海洋中的原水。特別是，飲用水供應系統(tǒng)需要實時監(jiān)測，以維持水質標準并防止意外事故，包括水處理過程的故障和原水的污染。湖泊、河流和海洋中的天然水體可以通過現場實時監(jiān)測系統(tǒng)進行有效管理，利用多光譜或高光譜成像傳感器的基于區(qū)域的監(jiān)測越來越多地應用于廣泛區(qū)域的數據采集。

環(huán)境工程技術中最新進展使可靠的測量、以低成本傳輸和管理大量環(huán)境數據成為可能，這可以支持決策過程。環(huán)境工程技術已經廣泛應用于各個領域，例如氣象問題和公共衛(wèi)生保護的預警系統(tǒng)。實時在線水質監(jiān)測系統(tǒng)的一般功能是對實測數據進行數據采集、傳輸和解釋。先進的數據分析技術，如機器學習，也為有效的水質數據管理提供了有價值的工具。近年來，深度學習作為一種機器學習方法，越來越多地用于海量環(huán)境數據的分析，為水質管理提供有用的信息。

2 水質監(jiān)測的相關環(huán)節(jié)分析

2.1 數據傳輸環(huán)節(jié)分析

用于水質監(jiān)測的環(huán)境工程技術包括現場傳感系統(tǒng)、數據云和機器學習組件。無處不在的環(huán)水質監(jiān)測已經越來越多地用于環(huán)境工程分析。云計算可以在不使用本地計算機硬件的情況下存儲和分析大量數據。通過網站對記錄的數據進行簡單、遠程的評估是其重要優(yōu)勢之一。此外，無線傳感器是收集現場數據最有效的方法之一，在水質管理中廣泛使用現場傳感技術需要考慮的幾個因素(如互操作性、功耗、可靠性、可用性和安全性)，實時數據和用戶硬件平臺之間互操作性的重要性，以最小化額外的調整。傳感系統(tǒng)的低功耗率對于現場傳感器與數據平臺之間的穩(wěn)定數據傳輸至關重要。數據平臺的可靠性和可用性至關重要，功能豐富的商業(yè)平臺以最大限度地減少改進數據系統(tǒng)設計，并將重點放在傳感技術的開發(fā)上。通過加密和認證技術采取適當的安全措施向公眾提供實時數據的重要性，低成本有線或無線技術的發(fā)展使得實時數據可以很容易地轉移到基于互聯(lián)網的數據平臺上，從而提高了水質管理數據的可用性。

2.2 區(qū)域的監(jiān)測環(huán)節(jié)分析

基于區(qū)域的監(jiān)測技術，如高光譜圖像傳感器，以收集遠距離、寬流域的代表性數據，克服基于點的監(jiān)測的局限性。例如，水體表面的藻類濃度往往分布不均勻，因此基于點的監(jiān)測可能無法提供準確的數據來反映藻華的程度。基于區(qū)域的監(jiān)測使用高光譜圖像傳感器可以提供更準確的藻類濃度分布。利用飛機采集數據的成本相對較高，如何找到高光譜圖像與藻類濃度之間的恰當關系，是當前提高高光譜圖像在野外實際適用性所面臨的挑戰(zhàn)。海量數據的合理可視化對于湖泊、河流和海洋水資源的管理至關重要，無線傳感器技術為數據的監(jiān)測、管理和可視化提供有效的工具。

2.3 無線傳感器環(huán)節(jié)分析

在環(huán)境工程中，多個現場在線傳感器被用于實時監(jiān)測，而對于大型自然水系統(tǒng)的監(jiān)測，有線傳感器被廣泛使用。然而，與傳統(tǒng)的監(jiān)測方法相比，無線傳感器網絡在海量數據的實時檢測方面具有明顯的優(yōu)勢，且成本相對較低。適用于水質監(jiān)測的代表性無線網絡技術有Wifi、無線通信技術（ZigBee）和藍牙。Wi-Fi 是基于無線局域網的設備數據傳輸最常用的技術之一。ZigBee 比Wifi 耗電少，成本也低。然而，它展示了一個較短的傳輸區(qū)域，因此適合于封閉網絡，如家庭網絡。藍牙的低功耗接近ZigBee，傳輸區(qū)域相對較廣；因此，它的使用近來有所增加。實時監(jiān)控數據在傳感器節(jié)點和數據云之間的傳輸分為兩個步驟：（1）傳感器節(jié)點到控制器，（2）控制器到數據云。ZigBee 或藍牙用于傳感器節(jié)點和控制器之間的數據傳輸。Wifi 主要用于控制器與數據云之間的數據傳輸，而不用于傳感器節(jié)點與控制器之間的數據傳輸，因為其功耗過高。最近，低功耗廣域網絡，如LoRa 和SigFox 越來越多地用于水質監(jiān)測，因為它們具有更廣泛的通信范圍（超過幾十公里），而傳統(tǒng)的無線技術，如ZigBee 和藍牙（幾百米的通信距離）。在不久的將來，低成本和大范圍的水質監(jiān)測范式可能會取得進展。

3 結論

利用傳感技術從現場監(jiān)測收集到的大量數據，與深度學習等先進的數據分析技術相結合，可以更有效地用于水質管理。因此，這些技術在現場監(jiān)測、數據傳輸和分析方面的最新發(fā)展促進了水質管理的優(yōu)化。然而，許多水質監(jiān)測系統(tǒng)仍然依賴于定期的人工采樣和監(jiān)測，盡管收集的數據是通過新的機器學習技術來分析的。因此，開發(fā)和應用基于傳感器技術的現場實時監(jiān)測系統(tǒng)，結合深度學習等高科技數據分析技術，尋找更好的水質管理解決方案是十分必要的。