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多源光谱法在线水质监测技术原理及应用案例

一、技术原理

现阶段常用的河道断面水质在线监测技术分为两种技术路线：光谱法和传统化学法。

传统化学法水质监测技术通过自动化复刻化学实验室的化验步骤，流程繁琐，因需要高温高压处理样品，耗时很长，导致监测频率低，最快为4小时监测一次；因设备集成度低，对维护人员的专业程度要求高，往往需要专人运维；因监测过程需消耗有毒性的强氧化剂，化学反应产生的废液也需进行专业废液回收处理，运行成本高且不符合绿色环保的发展方向。相比之下，光谱法水质在线监测技术采用纯物理监测手段，无试剂无污染，省略了繁琐的样品预处理过程，通过光源照射水样得到的光谱进行分析，即可获得准确水质数据，监测周期短至分钟级。正在逐步替代传统化学法技术成为未来发展方向。

针对我国主要生态环境问题与重大科技需求，依据《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，科技部、生态环境部、住房和城乡建设部、气象局、林草局于2022年编制发布了《“十四五”生态环境领域科技创新专项规划》通知各地区各部门结合实际贯彻落实，规划中明确提出重点研发免/少试剂的小型在线监测设备。

目前国内各种光谱法水质监测技术中，“多源光谱融合分析技术”技术领先程度最高。该项技术是浙江大学国家高技术研究与发展计划（国家863计划），科技部重点项目的研究成果。通过计算机建模和独有的自适应抗干扰算法，对紫外/可见光吸收光谱、荧光发射光谱和拉曼散射光谱进行融合计算分析，充分利用三类光谱各自的优势，实现信息互补，多维度的模拟计算去除各项干扰因素，得到对水质综合指标更全面、准确的分析。

性能指标参数

二、产品优势

采用多源光谱融合水质分析法的水质在线监测设备很多，其中杭州希玛诺光电技术股份有限公司的高集成多光谱在线水质快速监测系统性能指标优秀、应用广泛，成熟可靠。已在全国各省市河道断面、湖库断面及库区水质监测相关项目中广泛应用，其中包括水利部国家水资源监控能力建设水质在线监测项目（十几个省市的几百个国家级重点水源地）、南水北调中线、东线水质在线监测项目，珠江流域水质在线监测项目、江苏无锡河长制、广西河长制、江苏泰州河长制、武汉市江夏区国家数字乡村试点建设项目、成都双流区白河智能流域管理示范项目等多个国家级、省级重点项目。

受到行业专家及用户的高度认可， 2015 年起至今产品连续多年被列入《水利先进实用技术重点推广指导目录》； 2016 年被列入水利部《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》 ，其中使用该产品的广西壮族自治区国家水资源监控能力建设项目被水利部评为“水利先进实用技术优秀示范工程”。2019 年该项技术产品被列入《河（湖）长制适用技术指南目录》 及《北京市发展和改革委员会发布北京市 2108 年节能低碳技术产品推荐目录》。2020 获得中国生产力促进奖，入选《北京市发展和改革委员会关于发布北京节能技术产品推荐目录》。2021 年获得《浙江省水利新技术推广证书》及《水利先进实用技术推广证书》；由中国环境科学研究院牵头，应用该产品的“基于人工智能的白河流域监管”项目荣获“2021年度智慧环保创新十大案例”。2022 年获得湖北省科技进步奖二等奖。

多源光谱融合分析法具有以下优势：

Ø 测量精度高，与传统化学法在线监测方法精度相当。

Ø 数据实时获取，监测周期可短至2分钟。

Ø 抗干扰能力强、预警性强，可应用于污染物动态及通量分析和特征研究，进行污染物预警溯源。

Ø 集成度高、单站占地仅1平方米，应用场景更加灵活。

Ø 建设费用低、无需配套水电、站房，支撑太阳能供电，可景观式安装。

Ø 不使用任何化学试剂，运行维护费用低，且绿色环保，无二次污染风险。

典型案例

1、上海市水土保持监测站（城市径流试验站）蒙自站和北新泾北站建设项目共包含22个站点

北新泾北系统新建固定监测点位总计11处，其中，8处土地利用监测分别设置东华大学国家大学科技园2处（B01、B02）、道路1处（B04）、新泾公园2处（B05、B06）、新泾六村3处（B08-B10）。3处（B03、B07、B11）管网主干节点，分别设置在金钟路、新渔路、剑河路位置。

蒙自系统新建固定监测点位总计11处，其中，9处土地利用监测分别设置世博园博物馆2处（M09、M10）、博荟广场4处（M04、M05、M06、M07）、滨江壹号院2处（M02、M03）、道路1处（M08）。在管网主干节点设置1处监测点位（M01），控制片区上游汇入区域，表征蒙自上游区域汇水及雨水径流污染情况。在入泵站前雨水井设置1处监测点位（M11），以监测整个蒙自片区汇水及雨水径流污染情况。

监测指标包含：总磷、总氮、化学需氧量、氨氮、油类、悬浮物、流量。

上海市水土保持监测站（城市径流试验站）蒙自站和北新泾北站建设项目于2025年1月22日开始进场，2025年5月16日全部施工完毕，并于2025年5月16日开始进行设备调试工作，2025年6月28日完成全部调试工作。

北新泾北系统和蒙自系统监测点位及集水区范围分布

 水质自动监测站外观照片

徐泾镇水域监测项目

    作为千年古镇，蟠龙天地曾受困于河道生态问题：绿泥漂浮水面，水草生长欠佳，鱼类数量亦有所减少。面对水域的危机，一场融合江南智慧与数字科技的生态手术悄然启动：“草-螺-鱼”生态链抑制浮泥和藻类，恢复水生态系统功能；无人船昼夜巡航，精准打捞污染物；多源光谱监测站实时透析水质基因，水域水质和水体透明度得到明显改善。

徐泾镇水域监测设备采购项目于2024年9月27日开始进场施工，2025年1月15日完工。建设完成内容包含：无人打捞船（水质检测功能）1艘、水质自动监测站3套等。该项目集成了高精度自主导航、多参数水质传感器与实时数据传输系统，彻底颠覆了传统人工采样监测模式。在蟠龙天地复杂的水街、河道网络中，无人船可自主执行全天候、全覆盖的巡航任务，实时获取包括pH、溶解氧、氨氮、浊度、COD等关键水质指标的三维时空数据，形成“水下-水面-平台”一体化的立体监测网络。其先进性体现在：一、高效率，监测效率较人工提升5倍以上，实现了从“瞬时点状采样”到“连续面状扫描”的跨越；二、高精度与高密度，厘米级路径控制确保了无盲区监测，所获数据密度与精度远超常规手段，为精准溯源与预警提供了坚实的数据底座；三、高智慧，依托平台算法模型，能动态感知水质变化趋势，智能预警富营养化、黑臭水体等风险，实现从“被动治理”到“主动预警、精准防控”的智慧化管理升级。

在蟠龙天地的实践中，该技术已成为保障景区高品质水环境的核心技术支撑，成效显著，具备在广大河、湖、库水域进行大规模推广的先进性与成熟度，为落实河湖长制、建设幸福河湖提供了强有力的科技利器。

 蟠龙天地水域设备照片

3、江苏无锡河长制项目

无锡市河长制管理平台的河湖感知体系建设，是在整合环保、水文等部门的数据的基础上，在无锡26条重点河道的关键断面新建 39 个高集成多光谱水质在线监测站，监测频率为1小时 1 次，监测参数为：高锰酸盐指数、总氮、总磷、氨氮、化学需氧量、温度、pH、溶解氧、电导率、浊度，共10种水质参数，实现对全市重点河湖水质的实时监测预警。项目于2020年12月10日完工，现已稳定高效运行4年多。

本项目深度融合于江苏省无锡市河长制管理体系，通过布建覆盖全域的现代化水质监测网络，为河湖治理与长效管护提供了革命性的技术支撑。在无锡这一河网密布、治理需求迫切的典型区域，我们部署了包括高频次在线水质监测站，实现了对重点河道、湖泊断面水质（如氨氮、总磷、高锰酸盐指数等关键指标）的实时、连续、精准感知。该应用的先进性体现在：一、数据驱动决策，将传统“事后治理”模式转变为“实时预警、溯源追踪、精准施策”的主动管理模式，极大提升了河长制的工作效率与科学决策水平；二、全流程闭环管理，监测数据无缝对接河长制管理平台，一旦发现异常，可即刻触发预警并推送至相应河长，形成“发现-交办-处置-反馈”的智慧化管理闭环；三、效能提升显著，有效解决了人工巡河频次低、发现问题滞后等痛点。

无锡河长制站点实景图（左：太阳能供电，右：市电供电）

无锡市河长制管理平台截图 （站点全览）