近期，精密測量院杜耘課題組面源污染研究團隊聯(lián)合中國農(nóng)科院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所、北京航空航天大學科研人員，在徑流總氮（TN）實時在線監(jiān)測技術方面取得重要進展。相關研究發(fā)表在水資源水環(huán)境領域期刊Water Research上。

　　面源污染是指降雨條件下污染物隨徑流匯入受納水體引起富營養(yǎng)化等水污染的現(xiàn)象。氮磷是水體富營養(yǎng)化的關鍵指標。降雨條件下，面源污染徑流水量水質(zhì)短期內(nèi)呈分鐘尺度變化，現(xiàn)有技術難以捕獲徑流氮磷的濃度峰值和變化過程。智能水站運維復雜、成本高，且TN檢測采用化學法，監(jiān)測頻次偏低；水環(huán)境遙感技術受時空及光譜分辨率、云雨天況等因素影響，監(jiān)測精度不確定性大，制約了其在降雨條件下小微水體環(huán)境監(jiān)測中的應用。

　　針對上述問題，研究團隊重點面向面源污染徑流水體，基于指標之間的生物、物理和化學關聯(lián)，通過解析傳感器可測的水量水質(zhì)常規(guī)指標（如電導率、氧化還原電位、pH、溫度、氨氮、硝氮等）與TN濃度之間的定量關系；通過判定系數(shù)（R²）、準確度（Acc）、平均相對誤差（MRE）以及對缺失數(shù)據(jù)的容忍度等多項指標進行算法優(yōu)選，確定極端決策樹（Extra Tree Regression，ETR）為TN反演最佳算法；在此基礎上開發(fā)了基于多源傳感器及智能算法的TN高頻監(jiān)測技術。結果表明：新方法可實現(xiàn)徑流TN分鐘級（<5min）監(jiān)測；在田間出口、溝渠等相似背景環(huán)境下，反演精度高（R²>0.9，Acc>85%）；結合均值填補算法，實現(xiàn)部分變量缺失條件下（缺失變量數(shù)n≤2、缺失值比例P≤75%）的TN反演，彌補了野外傳感器損壞所導致的數(shù)據(jù)異常等問題，提高技術適應性。TN實時高頻監(jiān)測技術將傳感器“快速檢測”和智能算法“數(shù)據(jù)處理”的優(yōu)勢相結合，數(shù)據(jù)獲取穩(wěn)定、監(jiān)測頻率高、精度高，不受云雨、夜間天況限制，且適用于溝塘等小微水體，可為面源污染的應急預警和精準溯源提供重要的技術支持。

　　研究成果以“Real-time measurement of total nitrogen for agricultural runoff based on multiparameter sensors and intelligent algorithms”為題發(fā)表在水資源水環(huán)境領域Top期刊Water Research上，精密測量院副研究員莊艷華為第一作者、研究員張亮為通訊作者，副研究員李思思、研究員杜耘參與了該工作；同時，授權/受理專利4項。依托上述成果自主研制了可調(diào)式、下沉式多參數(shù)地表徑流監(jiān)測裝備，并在江西、河南、湖北等地推廣應用。

　　該研究得到中國科學院青年創(chuàng)新促進會、湖北省杰出青年基金、湖北省技術創(chuàng)新專項（重大項目）、河南省中國科學院成果轉移轉化項目資助。

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.117992

     徑流總氮實時在線監(jiān)測技術原理

　　徑流總氮實時監(jiān)測技術應用場景

　　徑流總氮實時監(jiān)測技術及其裝備推廣應用