太(tai)湖以其豐富(fu)的水(shui)資源為蘇州、無(wu)錫、常州等地區(qu)近2 000萬人口提供著生活用(yong)水(shui)和(he)工業用(yong)水(shui)。陸地生態系統中化肥、農藥的使用(yong)導致(zhi)大(da)量氮(dan)、磷進入太(tai)湖，水(shui)體富(fu)營養化導致(zhi)藻類(lei)大(da)量繁殖并形成水(shui)華(hua)現象，破壞了太(tai)湖的自然循環，且局面有(you)可(ke)能進一步惡(e)化。

傳(chuan)統的水質監(jian)測手段——常(chang)(chang)規(gui)化學(xue)分析法測定結果較精確(que)(que)，但樣(yang)品不易保存(cun)，大(da)量化學(xue)試(shi)驗操(cao)作復雜(za)、成本高、周期長。太湖水體(ti)面積約(yue)2 500 km2，以常(chang)(chang)規(gui)化學(xue)分析法1 km2 測1個點計算(suan)，需(xu)要測2 500個點; 1 個被測水樣(yang)測N個水質參(can)數，需(xu)要做2500×N個測試(shi)，這(zhe)樣(yang)大(da)規(gui)模的測試(shi)非常(chang)(chang)困難。常(chang)(chang)規(gui)化學(xue)法不能實(shi)現太湖水質多點同(tong)時在線監(jian)測，不能獲(huo)得實(shi)時、全面、準確(que)(que)的太湖水質狀況。

采用近紅外光譜(pu)N IR 測(ce)定法可實(shi)現(xian)對太(tai)湖(hu)水總磷(TP)、總氮(dan)(TN )含(han)量的快(kuai)速(su)、無(wu)損、自動(dong)監測(ce)，通(tong)過GPRS無(wu)線網(wang)絡附加(jia)GPS數據將在(zai)線監測(ce)信息傳送至(zhi)監控中(zhong)心GIS 水質數據管理系統。由于系統不間斷連續監測(ce)，因(yin)此獲得的數據能及時(shi)、準確地反映太(tai)湖(hu)水質狀況(kuang)和污染變化(hua)趨勢(shi)，為各(ge)級(ji)環境(jing)管理部門及時(shi)掌握水質狀況(kuang)，預警、預報重大水質污染事故提供依據[1-2]。

1 在線水質監測系統

設(she)計(ji)采用以近紅外光譜NIR測(ce)定法為核心的監測(ce)技術，系(xi)統由采樣監測(ce)終端、終端控制模塊(kuai)、監控中心3部分組成(cheng)[3- 4] 。

1. 1 近(jin)紅(hong)外光譜(pu)監測技術

近紅(hong)外(wai)光譜(pu)(pu)法是20世紀90年(nian)代(dai)以來(lai)發展最(zui)快(kuai)、最(zui)引人注目的(de)光譜(pu)(pu)分析技術，幾乎所有(you)有(you)機物(wu)的(de)主(zhu)要(yao)結構和(he)組(zu)成都可(ke)以在(zai)近紅(hong)外(wai)光譜(pu)(pu)中找到信(xin)號，加之測試(shi)時間短、不消耗化學試(shi)劑、適(shi)合現場直接(jie)檢測，在(zai)國民經濟的(de)各(ge)個領(ling)域被廣泛應(ying)用(yong)。近年(nian)來(lai)近紅(hong)外(wai)光譜(pu)(pu)在(zai)環境尤其是水質方(fang)面(mian)的(de)應(ying)用(yong)集中在(zai)中紅(hong)外(wai)波段(反映有(you)機物(wu)分子振動信(xin)號的(de)基頻(pin)信(xin)息)，相(xiang)對于近紅(hong)外(wai)光譜(pu)(pu)具有(you)信(xin)號強(qiang)度高、結構明顯、信(xin)息量豐富(fu)等諸多(duo)優點[5] 。

本設計(ji)選用Infra Spec公(gong)司最(zui)新(xin)生(sheng)產的(de)VFA- IR紅(hong)外分光(guang)儀(5 400~10 800 nm )，對(dui)每一個水樣平均(jun)掃(sao)描(miao)40次透射光(guang)譜(pu)并(bing)自(zi)動(dong)求其平均(jun)光(guang)譜(pu)，采用窗口寬度為5 個點(dian)的(de)Savitzky- Golay濾波器(qi)濾波，使用N ico le t公(gong)司開發(fa)的(de)光(guang)譜(pu)定量分析軟(ruan)件(jian)TQ Analyst v6 建立TP、TN 標(biao)準溶液(ye)和太湖水樣偏最(zui)小二(er)乘法(PLS)回歸(gui)預測模(mo)型[6-8] 。

1. 2 采樣監測終(zhong)端

采樣(yang)(yang)(yang)監測終端由水(shui)樣(yang)(yang)(yang)采集和測量(liang)池兩(liang)部(bu)分組(zu)(zu)成(見圖1)。水(shui)樣(yang)(yang)(yang)采集部(bu)分由軟管通(tong)道、蠕動(dong)泵、過濾網膜(mo)組(zu)(zu)成。將軟管伸入待測水(shui)源，通(tong)過蠕動(dong)泵(采用創(chuang)銳(rui)分配(pei)型BT100FJ系(xi)蠕動(dong)泵,最大流量(liang)為380 mL /m in)抽取待測水(shui)樣(yang)(yang)(yang)，經過0. 45 μm 目過濾網膜(mo)去除水(shui)中懸(xuan)浮顆粒(li)和水(shui)生物(wu)殘體等雜(za)質對光譜分析的(de)干擾，處理過的(de)水(shui)樣(yang)(yang)(yang)傳輸到測量(liang)池。

經過(guo)(guo)過(guo)(guo)濾的水(shui)樣(yang)(yang)在(zai)測量池(chi)(chi)中(zhong)(zhong)儲存起來(lai)，等溶液穩定，池(chi)(chi)內安裝的Infra Spec VFA - IR紅外分光儀(yi)對每個(ge)水(shui)樣(yang)(yang)進行光譜采集，光譜采集過(guo)(guo)程不需加溫加壓，每一個(ge)水(shui)樣(yang)(yang)光譜采集時(shi)間不超過(guo)(guo)1 min。自動清洗裝置(zhi)用(yong)來(lai)定期清洗測量池(chi)(chi)，防止水(shui)中(zhong)(zhong)污染物或雜質長時(shi)間附著(zhu)在(zai)測量池(chi)(chi)表面，影響光譜的準確度[9] 。

1. 3 終端(duan)控制模塊

終(zhong)端控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)模(mo)塊負(fu)責完成(cheng)監測單元的采(cai)樣控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)、配水控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)、清洗控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)，以及GPS數據采(cai)集、水質監測數據采(cai)集和數據傳輸控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)等功能。

設計選用三星公司(si)(si)生產的S3C2410處理(li)器(qi)，HOLUX公司(si)(si)的M-89 GPS模塊和SIMCOM 公司(si)(si)的SIM300C GPRS 模塊。微處理(li)器(qi)控制采(cai)樣監(jian)(jian)(jian)測終端的動作(zuo)、按(an)照協議(yi)讀(du)取GPS定位信息(xi)和水質監(jian)(jian)(jian)測數據，數據由串口傳至GPRS DTU，通過GPRS無線網絡發送至監(jian)(jian)(jian)控中(zhong)心(xin)。系統結構(gou)見(jian)圖2。

S3C2410是一款基于ARM 920T 內(nei)核的(de)(de)32位RS IC 嵌入(ru)式微處理器(qi)(qi)(qi)，系統擴展64MB 的(de)(de)K9F1208 Flash存儲(chu)器(qi)(qi)(qi)、SDRAM存儲(chu)器(qi)(qi)(qi)、復位電路(lu)、實時時鐘等，用來(lai)存儲(chu)操作系統、水質(zhi)(zhi)信(xin)息(xi)(xi)(xi)等，LCD用來(lai)顯示采集的(de)(de)水質(zhi)(zhi)信(xin)息(xi)(xi)(xi)。InfraSpecVFA - IR分光儀測得的(de)(de)TN、TP水質(zhi)(zhi)數(shu)(shu)據經模數(shu)(shu)轉換(huan)器(qi)(qi)(qi)ADCO傳輸(shu)至微處理器(qi)(qi)(qi)并發送(song)到監控中(zhong)(zhong)心。存儲(chu)單元M - 89 GPS模塊通(tong)過(guo)串口以NMEA - 0183標準輸(shu)出多種格式的(de)(de)定(ding)位數(shu)(shu)據，微處理器(qi)(qi)(qi)以中(zhong)(zhong)斷(duan)方式實時接收，從定(ding)位語句(ju)中(zhong)(zhong)RMC 提取(qu)時間、經度(du)、緯度(du)數(shu)(shu)據。SIM300C 模塊使用內(nei)嵌的(de)(de)TCP/IP協議(yi)與服務(wu)器(qi)(qi)(qi)進行遠程(cheng)通(tong)信(xin)，系統運(yun)行后配置數(shu)(shu)據傳輸(shu)率、系統IP地址、通(tong)信(xin)端口、APN(Access Po int Name) 等信(xin)息(xi)(xi)(xi)，連接計算機(ji)成功即進入(ru)數(shu)(shu)據傳輸(shu)階段[10- 11] 。

1. 4 監控中(zhong)心

監控(kong)中心是整個(ge)水(shui)(shui)質(zhi)自動(dong)監測系統(tong)的指揮中心，用來(lai)接(jie)收(shou)、顯(xian)示、分析各監測點的水(shui)(shui)質(zhi)參數(shu)。監控(kong)中心通(tong)過無線網絡管理終端控(kong)制(zhi)模塊，定(ding)時采集監測終端數(shu)據，建立(li)水(shui)(shui)質(zhi)數(shu)據庫(ku),以ArcGIS地理信(xin)息系統(tong)為平臺(tai)進行地圖制(zhi)作，選用ESRI公司(si)的Map Objects組件、VsualBasic6. 0 開發語言(yan)、Microsoft Access數(shu)據庫(ku)開發水(shui)(shui)質(zhi)數(shu)據管理信(xin)息系統(tong)，系統(tong)結構見圖3[12- 13]。

GIS系(xi)統通(tong)過串口通(tong)信(xin)接收(shou)GPRS 接收(shou)機(ji)發送的(de)(de)GPRS數(shu)據(ju)，對數(shu)據(ju)進行分析后(hou)，動態顯示(shi)地圖(tu)信(xin)息(xi)(xi)、GPS 監(jian)測(ce)點坐標、TP、TN 監(jian)測(ce)數(shu)據(ju)及水(shui)(shui)功能(neng)區劃(hua)等信(xin)息(xi)(xi)。隨著時間的(de)(de)延(yan)長(chang)、水(shui)(shui)環境數(shu)據(ju)庫的(de)(de)豐富，還可以通(tong)過應(ying)用模型(xing)實現水(shui)(shui)質評(ping)價、富營養(yang)化(hua)評(ping)價及水(shui)(shui)環境容量計算(suan)等功能(neng)，實現趨勢分析和模擬預測(ce),為(wei)各級環境管理部門提供(gong)決策所需的(de)(de)信(xin)息(xi)(xi)。

2 結語

利(li)用近(jin)紅外光譜NIR測(ce)(ce)(ce)定(ding)技(ji)術無損(sun)、快(kuai)速的(de)(de)(de)優(you)勢進行太(tai)(tai)湖(hu)水質(zhi)監(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)，借助GPS工具(ju)、覆蓋范(fan)圍廣的(de)(de)(de)GPRS網絡(luo)實(shi)(shi)現監(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)數據的(de)(de)(de)精準、連(lian)續、在(zai)線的(de)(de)(de)傳送，以地(di)理信息系(xi)統(tong)G IS為平臺開發水質(zhi)數據管理系(xi)統(tong)，可實(shi)(shi)現監(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)點水質(zhi)數據的(de)(de)(de)動態(tai)顯示(shi)、計算與分析(xi)。系(xi)統(tong)水質(zhi)監(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)數據豐富、采樣監(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)終端維(wei)護(hu)方(fang)便(bian)、可以方(fang)便(bian)地(di)處理水環境的(de)(de)(de)日常監(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)，通過數學模型及時(shi)地(di)分析(xi)各類水質(zhi)指(zhi)標，能(neng)實(shi)(shi)時(shi)、迅速、準確地(di)反映太(tai)(tai)湖(hu)水質(zhi)狀況(kuang)，提高水質(zhi)監(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)、管理的(de)(de)(de)水平。

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作者簡介(jie): 董(dong)曉嵐(lan)(1980- )，女，江(jiang)蘇蘇州(zhou)人，講師(shi)，碩士(shi)，研究方向為CAD /CAM /CAE集成(cheng)。

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