現(xiàn)在，如果你要監(jiān)測水源中的有毒細(xì)菌，你必須把水樣放到實(shí)驗(yàn)室觀察數(shù)天。與此同時(shí)，你無法知道水源是否安全可用。傳感器可以立即檢測到水中的細(xì)菌。傳感器使用了一種阻抗流細(xì)胞計(jì)數(shù)的技術(shù)。
近期，中科院精密測量院杜耘課題組面源污染研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國農(nóng)科院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所、北京航空航天大學(xué)科研人員，在徑流總氮(TN)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測技術(shù)方面取得重要進(jìn)展。
面源污染是指降雨條件下污染物隨徑流匯入受納水體引起富營養(yǎng)化等水污染的現(xiàn)象。氮磷是水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵指標(biāo)。降雨條件下，面源污染徑流水量水質(zhì)短期內(nèi)呈分鐘尺度變化，現(xiàn)有技術(shù)難以捕獲徑流氮磷的濃度峰值和變化過程。智能水站運(yùn)維復(fù)雜、成本高，且TN檢測采用化學(xué)法，監(jiān)測頻次偏低；水環(huán)境遙感技術(shù)受時(shí)空及光譜分辨率、云雨天況等因素影響，監(jiān)測精度不確定性大，制約了其在降雨條件下小微水體環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用。
針對(duì)上述問題，研究團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)面向面源污染徑流水體，基于指標(biāo)之間的生物、物理和化學(xué)關(guān)聯(lián)，解析傳感器可測的水量水質(zhì)常規(guī)指標(biāo)(如電導(dǎo)率、氧化還原電位、pH、溫度、氨氮、硝氮等)與TN濃度之間的定量關(guān)系；通過判定系數(shù)(R2)、準(zhǔn)確度(Acc)、平均相對(duì)誤差(MRE)以及對(duì)缺失數(shù)據(jù)的容忍度等多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行算法優(yōu)選，確定決策樹為TN反演最佳算法；在此基礎(chǔ)上開發(fā)了基于多源傳感器及智能算法的TN高頻監(jiān)測技術(shù)。結(jié)果表明：新方法可實(shí)現(xiàn)徑流TN分鐘級(jí)(<5min)監(jiān)測；在田間出口、溝渠等相似背景環(huán)境下，反演精度高(r2>0.9，Acc>85%)；結(jié)合均值填補(bǔ)算法，實(shí)現(xiàn)部分變量缺失條件下(缺失變量數(shù)n≤2、缺失值比例P≤75%)的TN反演，彌補(bǔ)了野外傳感器損壞所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)異常等問題，提高技術(shù)適應(yīng)性。
傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、變換電路、輔助電源四部分構(gòu)成。其中，敏感元件直接接收測量，用于輸出被測量有關(guān)的物理量信號(hào)，敏感元件主要包括熱敏、光敏、濕敏、氣敏、力敏、聲敏、磁敏、色敏、味敏、放射性敏感等十大類;轉(zhuǎn)換元件用于將敏感元件輸出的物理量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào);
變換電路用于將轉(zhuǎn)換元件輸出電信號(hào)進(jìn)行放大、調(diào)制等處理;輔助電源用于為系統(tǒng)(主要是敏感元件和轉(zhuǎn)換元件)提供能量。
科研人員介紹，TN實(shí)時(shí)高頻監(jiān)測技術(shù)將傳感器“快速檢測”和智能算法“數(shù)據(jù)處理”的優(yōu)勢相結(jié)合，數(shù)據(jù)獲取穩(wěn)定、監(jiān)測頻率高、精度高，不受云雨、夜間天況限制，且適用于溝塘等小微水體，可為面源污染的應(yīng)急預(yù)警和精準(zhǔn)溯源提供重要的技術(shù)支持。
這個(gè)技術(shù)，有望應(yīng)用于水污染的環(huán)境監(jiān)測，同時(shí)也可以應(yīng)用日常的水質(zhì)監(jiān)測。目前，市場上出現(xiàn)了很多空氣檢測的產(chǎn)品，相對(duì)于空氣，水對(duì)人類來講也是十分重要的。所以，利用傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，監(jiān)測水質(zhì)，有著重要的環(huán)保意義。
資料來源：儀多多儀器網(wǎng)、中國科學(xué)報(bào)
