光谱水质智能监测应用白皮书+-v10.0.pdf
目录1.1水质是国家水网安全的关键11.2水质监测行业面临诸多挑战21.3光谱在水质监测领域的应用31.4光谱智能监测确保国家水网长制久安41水质在线监测的新时代背景光谱水质在线监测的应用现状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光谱水质智能监测方案架构343.1光谱水质智能监测方案架构93.2光谱水质智能监测关键技术114.1深圳龙岗河光谱水质智能监测144.2洞庭湖光谱水质智能监测15光谱水质智能监测解决方案光谱水质智能监测应用实践5未来展望6编制说明未来展望16编制说明18第1页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。第2页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，投资及后期运维第3页成本高等问题，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第4页在1665年，牛顿利用一块三棱镜把白光分成了红、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
