2023光谱水质智能监测应用白皮书

1 水质在线监测的 新时代背景 2 光谱水质在线监测 的应用现状 2.1建立光谱水质检测标准，指明行业发展方向62.2建立光谱设备检验机制，保障行业高质发展72.3建立光谱水质基础平台，夯实行业发展土壤7 1.1水质是国家水网安全的关键1 1.2水质监测行业面临诸多挑战2 1.3光谱在水质监测领域的应用3 1.4光谱智能监测确保国家水网 长制久安4 光谱水质在线监测 的应用现状 光谱水质智能监测 方案架构 目录 3 光谱水质智能监测 解决方案 3.1光谱水质智能监测方案架构9 3.2光谱水质智能监测关键技术11 4 光谱水质智能监测 应用实践 4.1深圳龙岗河光谱水质智能监测14 4.2洞庭湖光谱水质智能监测15 5 未来展望 未来展望16 6 编制说明 编制说明18 第一章 水质在线监测的新时代背景 1.1水质是国家水网安全的关键 习近平总书记指出，水是生存之本、文明之源；必须牢固树立和践行绿水青山就是金山银山的理念，站在人与自然和谐共生的高度谋划发展。 2023年5月25日，中共中央、国务院印发《国家水网建设规划纲要》，是中国水利发展史、生态文明建设史上具有重要里程碑意义的大事。国家水网是以自然河湖为基 础、引调、排水工程为通道、调蓄工程为结点、智慧调控为手段，集水资源优化配置、流域防洪减灾、水生态系统保护等功能于一体的综合体系。加快构建国家水网，建设现代化高质量的水利、水务基础设施网络，统筹解决水资源、水生态、水环境、水灾害问题，是以习近平同志为核心的党中央作出的重大战略部署。 习近平总书记多次强调信息化对经济发展、社会治理的驱动引领作用，强化信息资源深度整合，打通经济、社会发展的信息“大动脉”。水网工程作为国家重大基础设施建设，投入多，影响大，在建设过程中以信息流带动技术流、资金流、人才流、物资流，促进资源配置优化，促进全要素生产率提升，对水网经济发展、社会精细治理起到引领性的作用。 水网智慧化是国家水资源配置、水生态保护、水环境治理、防洪减灾的强烈需求，是把握数字化、网络化、智能化融合发展的契机，是提升水资源、水生态、水环境、水灾害应对能力的重要手段。要推进互联网、大数据、人工智能等新一代信息技术同实体工程深度融合，才能推动水利水务、生态环 境的技术变革和优化升级，从而实现供水保障、生态维持、环境保护、防洪抗旱、发电航运和工程运行等水功能的全方位统筹。 水资源是国家水网的主体，是人类社会生存和发展的基础，水污染问题直接威胁到人民群众的健康和生活。水质在线监测是全面掌握水资源质量状况，构建水资源保护和水环境治理体系的重要手段。通过建立多参数水质在线监测系统，提升水质在线监测装备的技术水平和水体保障能力，及时、准确、全面、高效的反映水资源质量和水环境污染状况，满足数字化时代大规模水质监测和预警网络构建的核心装备需求，对国家水网建设产生重要的现实意义和巨大的社会经济效能。 1.2水质监测行业面临诸多挑战 据生态环境部2022年生态环境状况公 报，全国地表水监测有3629个国控断面，Ⅰ-Ⅲ类水质断面占比87.9%。其中，长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河、辽河七大流域和浙闽片河流、西北诸河、西南诸河主要江河有3115个国控断面，Ⅰ-Ⅲ类水质断面占比90.2%；开展水质监测的重要湖泊 （水库）有210个，Ⅰ-Ⅲ类水质湖泊（水库）占比73.8%。水质国控体系建设已相对完善。 随着国家水网等重大关键基础设施及数字中国、数字孪生等数字化转型项目的推 进，水资源、水环境治理能力持续提升，水利水务、生态环境监测在线监测能力不断增强，监测手段由传统的人工观测逐步转向在线的自动监测与人工巡测、驻测相结合的模式。在此期间，我国水利水务、生态环境监测行业取得了较大发展，但仍然存在如下不足。 （一）水质智慧化监测能力尚不完善目前水质监测仍然以化学法、电极法为 主，监测方法相对粗放，智慧化能力不够完善。由于监测设备感知速度慢、稳定性不高、集成化及智能化程度不足，投资及后期运维 成本高等问题，极大的限制了水质在线监测系统的广泛部署，导致水质监测在时间、空间、变速等维度存在较多“盲区”，无法及时捕捉到国家水网各节点的水环境变化趋势，水环境污染事件时有发生，对建设牢固的水网安全防线带来了极大挑战。 （二）水质监测数据价值未充分释放基于水资源、水环境精细化治理能力提 升的需要，除国控站外，水利水务、生态环境等行业主管部门各自独立建设了大量水质监测站点，这些水质监测站点采用的技术路线不一，监测指标、监测频次、监测质量有限，未能有效形成水质监测一张网。另外，水质监测数据共建共享的协作机制不够成 熟，未能实现水利水务、生态环境等行业主管部门监测数据的高质量共享，难以准确核算国家水网各节点的污染负荷，难以全面准确掌握国家水网的水质状况。 （三）水质监测技术手段较为单一目前水质监测仍然以地面观测站为主， 水质监测技术手段相对单一。由于受到监测设施装备智慧化水平及投资成本的限制，地面观测站网无法对国家水网实现全面有效覆盖，迫切需要发展多种监测方法，充分利用视频监控、无人机、遥感卫星等手段，集成紫外、可见光、红外、雷达、激光等多种传感器，形成空天地一体化的立体监测网络。 1.3光谱在水质监测领域的应用 光是一种电磁波，通常的光波包括紫外光、可见光和红外光，波长范围在200nm~50μm，它是由原子和分子的电子跃迁、分子的震动或转动跃迁而产生的。根据量子理论，原子的外层电子跃迁、分子的外层电子跃迁、分子振动/转动会吸收或发射特定频率的光，通过测量其光谱、强度等信息可定性、定量分析物质的成分、结构等信息。这种研究物质的光谱辐射，或辐射与物质的相互作用，并以此为基础而建立的分析方法就成为光谱分析法。 图1-3光波谱区及能量跃迁相关图 在1665年，牛顿利用一块三棱镜把白 COD，总磷，总氮，叶绿素等多种物质成分；通过光谱法建立水污染特征指纹库，对污染 光分成了红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种 颜色，开启了“光谱学”研究的先河。1814年，德国物理学家夫琅禾费设计了包含狭缝、色散棱镜和观察镜的分光光学系统，用它来观察太阳光，并发现了太阳光谱中的吸收暗线夫琅禾费线。1859年，克希霍夫和本森为研究金属的光谱，设计了世界上第一台结构完善的光谱仪器，同时也标志着光谱学的诞生。 光谱分析法被广泛应用于各种物质分析检测，例如元素成分，铁，钙，镁，磷，氮等和分子成分，甲烷，二氧化氮等。光谱分析已成为现代分析化学手段最多、应用最广泛、功能最强大的分析方法之一。由于光谱分析方法在定性、定量、结构分析方面有着优越的表现，已广泛应用于矿业、冶炼、能源化工、环境、生命科学、医学、食品、医药、环境、商检、空间探索等领域。在水质监测领域，光谱分析法被用于监测水中的 进行溯源监测等。 光谱分析法分为吸收光谱，发射光谱，荧光光谱，散射光谱等多种方式。一般而言，在地面光谱水质在线监测系统中常用吸收光谱、荧光光谱等分析方法。 吸收光谱方法：基于水中物质对特定波长的光的吸收强度来检测物质成分和浓度。当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时，其吸光度与吸光物质的浓度以及吸收层厚度成正比，满足Lambert-Beer定律。一般采用紫外-可见光吸收谱。 荧光谱方法：基于水中物质受特定波长的光激发而产生特定波长的荧光来判断物质成分和浓度。一般情况下，采用三维荧光光谱，可以获得激发波长和发射波长同时变化的荧光强度信息。 1.4光谱智能监测确保国家水网长制久安 光谱智能分析方法作为一种强有力的检测和分析技术，有着灵敏度高、检出限低、操作简便、分析速度快、选择性好、试样用量少、样品损坏少等优点。 （一）光物瞬时反应，分析速度快：检测的原理是光和物质的相互作用，反应速度快，分析时间在几秒到几分钟的时间。 （二）灵敏度高，选择性好：通过特征光谱的选择，测定化学性质相近的元素和化合物，检测精度可以到ppm(10-6）、ppb （10-9），甚至ppt（10-12)级别。 （三）操作简便，无需对样品进行预处理：光谱分析方法检测的是光信号，很少或无需做特殊的制样，可以对待测物品直接原 位检测；同时也无需准备复杂的化学试剂。 （四）非接触、非侵入式监测，微损/无损：通过光谱实现非接触检测，对待测样品无损坏，实现无损检测。 由于光谱智能分析技术具备上述极简、智能的特点，可广泛用于国家水网的水 质在线实时监测系统的构建。基于国家水网的“纲”、“目”、“结”实现光谱智能分析设备的广泛部署，建立国家水网水质光谱指纹，全水体、全天候对水质变化进行监测预警，并可对水质问题进行快速溯源，可极大的提升国家水资源精细化管理水平，确保国家水网长制久安。 第二章 光谱水质在线监测的应用现状 2.1建立光谱水质检测标准，指明行业发展方向 当前水质检测标准以化学法和电极法为主，但是随着新技术的蓬勃发展，光谱水质标准正在逐步引入。2007年，《水污染源在线监测系统验收技术规范（试行）》（HJT354-2007）的行业标准发布，代表在线水质监测系统的起步。该标准首次定义在线水质监测，但是仅定义了6项指标，包括pH、化学需氧量COD、总有机碳TOC、紫外UV- 氯、氨氮、磷等；大部分指标采用传统检测方法，且一种传感器仅监测一个指标。2013年，《水环境监测规范》（SL219-2013）的行业标准发布，水质在线监测指标扩展到19项，且首次引入光谱法。2019年11月，中国水利企业协会发布团体标准《光谱法水质在线监测系统技术导则》（TCWEC13-2019），代表在线水质监测正式进入光谱时代，无序 发展的光谱水质在线监测行业在一定程度上实现了有据可依。该标准定义了17项可用光谱检测的基础指标，其中多个指标用光谱法取代了传统的检测手段。 但是，光谱水质检测标准仍然存在两个主要问题，极大的限制了光谱水质产业的发展。（1）当前光谱水质在线监测标准尚未在布点与采样、检测技术路线、检测规程、监 测设备技术规格、监测数据处理等方面做出详细规定，从而导致光谱水质在线监测系统的验收标准不统一，无法引导光谱水质在线监测产业的健康有序发展。（2）当前光谱水质检测标准尚停留在团体标准，未上升到行业标准、国家标准层面，导致既有标准的约束力有限，无法实现全产业链条的“力出一孔”。 2.2建立光谱设备检验机制，保障行业高质发展 2017年5月，水利部发布《国家水资源监控能力建设项目地表水饮用水水源地水质在线监测技术指南》，对水质在线监测系统的建站标准、建站流程、查勘与选址要求、建设技术要求、检验和测试、运行和维护都做出了详细规定，在系统功能、信号与接口、监测频次、结构要求、供电要求、防护要求等方面都做出了具体约束。 但是，光谱水质技术路线与化学法、电极法有着本质的不同，光谱水质技术在设备的小型化、集成化、智能化等方面具有电化学方法无可比拟的优势，并能够结合物联网、云计算、大数据和人工智能等技术实现设备准确性、鲁棒性、适应性等质量参数的 持续优化提升，同时软件定义设备的方式也带来了设备后期运维模式的变革，传统的设备检验机制已无法满足智能化时代光谱水质在线监测设备的要求。 通过建立光谱设备检验机制，一方面，对光谱设备本身的系统功能、设备性能等方面做出明确规定，引导光谱设备产业链上下游实现器件的标准化、集成对接的标准化以及安装调试的标准化，持续提升器件的竞争力、整机设备的质量水平以及系统工程建设和运维效率；另外一方面，有利于高质量光谱样本数据的积累，利用云化的软件算法定义硬件设备，充分释放数据价值，持续提升水质在线监测系统的智能化水平。 2.3建立光谱水质基础平台，夯实行业发展土壤 目前光谱水质在线监测发展尚处于初级阶段，光谱水质在线监测系统厂商各自为 战，独立收集水质光谱数据和浓度参考值，基于获取的样本数据建立对应的水质光谱 算法模型。光谱水质采集设备、数据、算法模型对于水利水务行业主管部门、生态环境行业主管部门、权威计量部门、其他系统厂商而言，都以“黑