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為什么要監(jiān)測(cè) pH?

pH，溶液當(dāng)中的氫離子濃度，是一個(gè)描述水體化學(xué)性質(zhì)變化的重要的指標(biāo)參數(shù)。水體的pH值決定了化學(xué)組成成分，如營(yíng)養(yǎng)鹽和重金屬的溶解度和生物可利用性，并在細(xì)胞的層面和結(jié)構(gòu)的層面上影響生物體的組織。pH通常以對(duì)數(shù)的，以7為中性點(diǎn)在0-14的量程范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量值小于7說(shuō)明酸性，大于7說(shuō)明酸堿度為堿性。例如，溪水正常的pH值的范圍是介于6-8之間， 檸檬汁的pH值在3左右，氨水的的pH值在12左右。在限定的區(qū)域內(nèi)，在受到來(lái)自農(nóng)業(yè)、生活污水和工業(yè)領(lǐng)域排放的影響，所富含的營(yíng)養(yǎng)鹽、化學(xué)物質(zhì)、重金屬被排放到水體后，pH值會(huì)發(fā)生劇烈并迅速地變化。在開(kāi)放的海域里，由于大氣當(dāng)中比較高的CO2水平超出了海水緩沖pH值變化的能力，pH值存在下降的趨勢(shì)（海洋酸化）。

原位監(jiān)測(cè)pH的挑戰(zhàn)

在2012年由Alliance for Coastal Technology發(fā)起的調(diào)查的調(diào)查報(bào)告顯示使用者對(duì)現(xiàn)場(chǎng)pH監(jiān)測(cè)的顯著的顧慮主要有以下幾種：

• 是否堅(jiān)固耐用（49%）

• 校準(zhǔn)周期（46%）

• 測(cè)量不確定性水平（43%）

• 可靠性（41%）

在自然水體中連續(xù)運(yùn)行的情況下，pH傳感器（和其他原位測(cè)量的傳感器一樣）可能會(huì)產(chǎn)生兩種類型的漂移 ：

• 傳感器校準(zhǔn)漂移（由傳感器內(nèi)部的元器件和測(cè)量裝置的變化引起的）

• 由傳感器暴露在自然水體當(dāng)中引起的，尤其是生物玷污引起的漂移

漂移率及其對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響是決定維護(hù)周期、運(yùn)行成本和耗費(fèi)在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理以消除漂移影響的主要的因素。將pH傳感器的漂移定量化和小化是獲取pH數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量充滿信心的重要挑戰(zhàn)。

原位監(jiān)測(cè)pH的優(yōu)勢(shì)

原位pH的變化被證明對(duì)水生物是有害的甚至?xí)斐芍旅膿p害，同時(shí)也會(huì)危害人類的生命。原位的pH的變化說(shuō)明存在有害的，甚至潛在的可能對(duì)水生物存在致命的影響，甚至對(duì)人類非常危險(xiǎn)的水質(zhì)變化。

pH的變化可以對(duì)幼小的或是生病的魚(yú)類、對(duì)于貝類的整個(gè)生命周期都有著非常大的影響。魚(yú)類和貝類的攝食、生長(zhǎng)、繁育的能力均會(huì)受到pH水平極大的影響。面對(duì)不適應(yīng)（超過(guò)其自身的調(diào)節(jié)能力）的pH水平，生物的種群數(shù)量就會(huì)下降。在長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)過(guò)程中pH在某一瞬間不準(zhǔn)確的測(cè)量值是一個(gè)固有的問(wèn)題，在河口、湖泊、海濱或溪流等有著非常高的初級(jí)生產(chǎn)力或在外力作用下的快速循環(huán)的生態(tài)體系當(dāng)中pH值本身也經(jīng)常會(huì)高頻率地變化，這使pH的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)變得更加困難。在絕大多數(shù)的情況下，溶解氧飽和度與pH是高度相關(guān)的（詳見(jiàn)下頁(yè)圖表）。在河口地區(qū)與溶解氧過(guò)飽和伴隨發(fā)生的藻華可以導(dǎo)致pH值在7-10的范圍內(nèi)隨著藻類榮枯的循環(huán)變化。在這些條件下只有準(zhǔn)確的、連續(xù)的采樣可以消除巨大的變動(dòng)并獲得長(zhǎng)期的平均變化。

漂移對(duì)運(yùn)營(yíng)成本的影響

校準(zhǔn)漂移是電子元器件的老化和兩次校準(zhǔn)之間pH參比傳感器的稀釋的結(jié)果。

生物玷污的漂移是在拋放運(yùn)行期間生物的生長(zhǎng)和繁殖，覆蓋了傳感器并降低其探測(cè)真實(shí)水體特性的能力。

Alliance for Coastal Technology 估計(jì)由于生物玷污導(dǎo)致的維護(hù)成本大約占了50%的運(yùn)營(yíng)的預(yù)算。普通的用于降低pH傳感器生物玷污漂移的技術(shù)包括機(jī)械刷、金屬（銅合金）傳感器測(cè)量杯、銅合金網(wǎng)、化學(xué)噴劑、防玷污膠帶、duct 膠帶和塑料包裹另外一個(gè)小化影響傳感器的生物生長(zhǎng)的方法是在兩次測(cè)量的間隔阻止外部環(huán)境的水進(jìn)入傳感器。

上側(cè)的照片顯示的是拋放在Shilshole灣的儀器的外觀和pH傳感器從儀器的內(nèi)部流通池上拆下來(lái)的樣子。HydroCAT-Ep的內(nèi)部的泵和流通池可以保護(hù)pH傳感器免于逐步累積的生物的生長(zhǎng)，因此限制了因生物玷污引起的漂移。

漂移對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響

校準(zhǔn)漂移可以通過(guò)傳感器的設(shè)計(jì)和選擇合適的元器件來(lái)小化和線性化。生物玷污可能會(huì)以非線性或爆發(fā)的形式發(fā)生，但很多組織依然運(yùn)用基于拋放的開(kāi)始和結(jié)束的日期進(jìn)行線性修正來(lái)消除生物玷污的影響。在很多組織當(dāng)中數(shù)據(jù)必須要經(jīng)過(guò)修正、檢驗(yàn)然后才會(huì)被批準(zhǔn)公布。大量的時(shí)間會(huì)被用于收集數(shù)據(jù)、修正數(shù)據(jù)然后公布數(shù)據(jù)并帶有一個(gè)“良好”或“低質(zhì)量”的數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)級(jí)。由于沒(méi)有統(tǒng)一的生物玷污修正標(biāo)準(zhǔn)，確定生物玷污的修正的信心指數(shù)是非常困難的。這同時(shí)也產(chǎn)生了不同監(jiān)測(cè)方案之間數(shù)據(jù)比較時(shí)存在可比性的問(wèn)題。

結(jié)論

理想的pH監(jiān)測(cè)方案是小化校準(zhǔn)漂移并消除生物玷污對(duì)傳感器性能和精度的影響。它滿足了連續(xù)、準(zhǔn)確、原位的pH測(cè)量的要求 – 同時(shí)獲得相關(guān)的參數(shù)如溫度、溶解氧和葉綠素A的濃度，并且確保運(yùn)營(yíng)成本低并獲得長(zhǎng)期數(shù)據(jù)質(zhì)量。