太湖以其豐富的水資源為蘇州、無錫、常州等地區(qū)近2 000萬人口提供著生活用水和工業(yè)用水。陸地生態(tài)系統(tǒng)中化肥、農(nóng)藥的使用導致大量氮、磷進入太湖，水體富營養(yǎng)化導致藻類大量繁殖并形成水華現(xiàn)象，破壞了太湖的自然循環(huán)，且局面有可能進一步惡化。

傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測手段——常規(guī)化學分析法測定結(jié)果較精確，但樣品不易保存，大量化學試驗操作復雜、成本高、周期長。太湖水體面積約2 500 km2，以常規(guī)化學分析法1 km2 測1個點計算，需要測2 500個點; 1 個被測水樣測N個水質(zhì)參數(shù)，需要做2500×N個測試，這樣大規(guī)模的測試非常困難。常規(guī)化學法不能實現(xiàn)太湖水質(zhì)多點同時在線監(jiān)測，不能獲得實時、全面、準確的太湖水質(zhì)狀況。

采用近紅外光譜N IR 測定法可實現(xiàn)對太湖水總磷(TP)、總氮(TN )含量的快速、無損、自動監(jiān)測，通過GPRS無線網(wǎng)絡附加GPS數(shù)據(jù)將在線監(jiān)測信息傳送至監(jiān)控中心GIS 水質(zhì)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。由于系統(tǒng)不間斷連續(xù)監(jiān)測，因此獲得的數(shù)據(jù)能及時、準確地反映太湖水質(zhì)狀況和污染變化趨勢，為各級環(huán)境管理部門及時掌握水質(zhì)狀況，預警、預報重大水質(zhì)污染事故提供依據(jù)[1-2]。

1 在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)

設(shè)計采用以近紅外光譜NIR測定法為核心的監(jiān)測技術(shù)，系統(tǒng)由采樣監(jiān)測終端、終端控制模塊、監(jiān)控中心3部分組成[3- 4] 。

1. 1 近紅外光譜監(jiān)測技術(shù)

近紅外光譜法是20世紀90年代以來發(fā)展最快、最引人注目的光譜分析技術(shù)，幾乎所有有機物的主要結(jié)構(gòu)和組成都可以在近紅外光譜中找到信號，加之測試時間短、不消耗化學試劑、適合現(xiàn)場直接檢測，在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域被廣泛應用。近年來近紅外光譜在環(huán)境尤其是水質(zhì)方面的應用集中在中紅外波段(反映有機物分子振動信號的基頻信息)，相對于近紅外光譜具有信號強度高、結(jié)構(gòu)明顯、信息量豐富等諸多優(yōu)點[5] 。

本設(shè)計選用Infra Spec公司最新生產(chǎn)的VFA- IR紅外分光儀(5 400~10 800 nm )，對每一個水樣平均掃描40次透射光譜并自動求其平均光譜，采用窗口寬度為5 個點的Savitzky- Golay濾波器濾波，使用N ico le t公司開發(fā)的光譜定量分析軟件TQ Analyst v6 建立TP、TN 標準溶液和太湖水樣偏最小二乘法(PLS)回歸預測模型[6-8] 。

1. 2 采樣監(jiān)測終端

采樣監(jiān)測終端由水樣采集和測量池兩部分組成(見圖1)。水樣采集部分由軟管通道、蠕動泵、過濾網(wǎng)膜組成。將軟管伸入待測水源，通過蠕動泵(采用創(chuàng)銳分配型BT100FJ系蠕動泵,最大流量為380 mL /m in)抽取待測水樣，經(jīng)過0. 45 μm 目過濾網(wǎng)膜去除水中懸浮顆粒和水生物殘體等雜質(zhì)對光譜分析的干擾，處理過的水樣傳輸?shù)綔y量池。

經(jīng)過過濾的水樣在測量池中儲存起來，等溶液穩(wěn)定，池內(nèi)安裝的Infra Spec VFA - IR紅外分光儀對每個水樣進行光譜采集，光譜采集過程不需加溫加壓，每一個水樣光譜采集時間不超過1 min。自動清洗裝置用來定期清洗測量池，防止水中污染物或雜質(zhì)長時間附著在測量池表面，影響光譜的準確度[9] 。

1. 3 終端控制模塊

終端控制模塊負責完成監(jiān)測單元的采樣控制、配水控制、清洗控制，以及GPS數(shù)據(jù)采集、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸控制等功能。

設(shè)計選用三星公司生產(chǎn)的S3C2410處理器，HOLUX公司的M-89 GPS模塊和SIMCOM 公司的SIM300C GPRS 模塊。微處理器控制采樣監(jiān)測終端的動作、按照協(xié)議讀取GPS定位信息和水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由串口傳至GPRS DTU，通過GPRS無線網(wǎng)絡發(fā)送至監(jiān)控中心。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

S3C2410是一款基于ARM 920T 內(nèi)核的32位RS IC 嵌入式微處理器，系統(tǒng)擴展64MB 的K9F1208 Flash存儲器、SDRAM存儲器、復位電路、實時時鐘等，用來存儲操作系統(tǒng)、水質(zhì)信息等，LCD用來顯示采集的水質(zhì)信息。InfraSpecVFA - IR分光儀測得的TN、TP水質(zhì)數(shù)據(jù)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADCO傳輸至微處理器并發(fā)送到監(jiān)控中心。存儲單元M - 89 GPS模塊通過串口以NMEA - 0183標準輸出多種格式的定位數(shù)據(jù)，微處理器以中斷方式實時接收，從定位語句中RMC 提取時間、經(jīng)度、緯度數(shù)據(jù)。SIM300C 模塊使用內(nèi)嵌的TCP/IP協(xié)議與服務器進行遠程通信，系統(tǒng)運行后配置數(shù)據(jù)傳輸率、系統(tǒng)IP地址、通信端口、APN(Access Po int Name) 等信息，連接計算機成功即進入數(shù)據(jù)傳輸階段[10- 11] 。

1. 4 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心是整個水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)的指揮中心，用來接收、顯示、分析各監(jiān)測點的水質(zhì)參數(shù)。監(jiān)控中心通過無線網(wǎng)絡管理終端控制模塊，定時采集監(jiān)測終端數(shù)據(jù)，建立水質(zhì)數(shù)據(jù)庫,以ArcGIS地理信息系統(tǒng)為平臺進行地圖制作，選用ESRI公司的Map Objects組件、VsualBasic6. 0 開發(fā)語言、Microsoft Access數(shù)據(jù)庫開發(fā)水質(zhì)數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3[12- 13]。

GIS系統(tǒng)通過串口通信接收GPRS 接收機發(fā)送的GPRS數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析后，動態(tài)顯示地圖信息、GPS 監(jiān)測點坐標、TP、TN 監(jiān)測數(shù)據(jù)及水功能區(qū)劃等信息。隨著時間的延長、水環(huán)境數(shù)據(jù)庫的豐富，還可以通過應用模型實現(xiàn)水質(zhì)評價、富營養(yǎng)化評價及水環(huán)境容量計算等功能，實現(xiàn)趨勢分析和模擬預測,為各級環(huán)境管理部門提供決策所需的信息。

2 結(jié)語

利用近紅外光譜NIR測定技術(shù)無損、快速的優(yōu)勢進行太湖水質(zhì)監(jiān)測，借助GPS工具、覆蓋范圍廣的GPRS網(wǎng)絡實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的精準、連續(xù)、在線的傳送，以地理信息系統(tǒng)G IS為平臺開發(fā)水質(zhì)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)監(jiān)測點水質(zhì)數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示、計算與分析。系統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)豐富、采樣監(jiān)測終端維護方便、可以方便地處理水環(huán)境的日常監(jiān)測，通過數(shù)學模型及時地分析各類水質(zhì)指標，能實時、迅速、準確地反映太湖水質(zhì)狀況，提高水質(zhì)監(jiān)測、管理的水平。

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作者簡介: 董曉嵐(1980- )，女，江蘇蘇州人，講師，碩士，研究方向為CAD /CAM /CAE集成。

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