河流監控簡介
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| 不只是縮時，還有粉塵、噪音、位移偵測 |
為什麼監控很重要
沒有水，就不可能有生命，如果沒有健康的分水嶺，許多基本和非必要的人類活動就不可能實現。這些相同的活動可以大大小小的影響流域。分水嶺往往跨越政治和文化邊界；雖然被城市、州或國家邊界隔開的鄰居可能無法在彼此相同的法律和文化準則下生活，但兩者都可能是同一分水嶺的公民。根據這項措施，確保流域 —— 或其中的湖泊、溪流和河流 —— 對你的同胞和對地方、州或聯邦監管機構的責任一樣大。出於同樣的原因，水質法規越來越關注流域水準，而不是由政治邊界確定。
溪流和河流在地面上瞥見了流域的健康和水文，並作為人類活動的重要資源，以及許多非人類動植物的棲息地。僅在美國，就有超過 350 萬英里的溪流和河流流過許多不同的景觀。儘管對水道的依賴程度很高，但美國環境保護局發現，美國一半以上的溪流和河流的生物狀況很差。如果溪流或河流可能受到你專案的影響，非常重要的是建立一個適當的監測系統，以確保水道的水文和水質受到的影響儘可能小，如果檢測到任何影響，則可以減輕。
溪流和河流管理
就像身體中的動脈和靜脈一樣，溪流和河流將寶貴的生命線 —— 即淡水 —— 泵入整個景觀。在美國，這些船隻以及所有水體的管理重點是維持，和擴大現有的淡水供應，以跟上不斷成長的需求。這種需求是由各種用途推動的，這些用途由美國廣泛分類。商業、家庭、工業、灌溉、畜牧業、採礦、公共供應和熱電的地質調查。雖然並非所有這些用途，都可能直接來自溪流或河流，但每種用途所需的水，幾乎肯定會在某個時候透過流動的水道。
監控系統可能出於上述水用途等，不同原因在溪流和河流中建立，但你的應用可能會屬於兩大類之一：研究或實踐。研究應用包括目的，在研究溪流和河流水文，或水質的一個或多個方面的系統，無論是教育還是更好地瞭解人類影響、動物使用、棲息地品質等。實際應用包括目的在監控你自己的專案，或客戶專案的影響的系統。這可能需要監測疏浚專案中的濁度、魚類孵化場的排放和流量，或農業作業附近的養分負荷等。
無論你應用的性質如何，你都應該致力於制訂一個提供快速回饋的監控策略，必要時允許相關方在潛在問題，發展成更大的問題之前做出回應。在開始任何專案之前，請考慮地區和聯邦機構，以及你自己的客戶或利益相關者可能制訂的任何法規。美國陸軍工程兵團制訂了一套全面的準則，來協助疏浚專案，但這些準則中涉及監測的部分適用於任何專案。USACE 建議起草一份全面的監測計劃，其中包括要使用的裝置和技術、取樣協議、取樣裝置的位置，以及如何解釋監測資料的詳細資訊。此外，指導方針建議制訂管理計劃，根據監測結果描述要採取的具體行動。即時資料可以實現最快速、最高效的管理響應。
共同關心的問題
各種各樣的水文現象可以表現在溪流和河流中，每條溪流和河流都像最後一條一樣複雜，在許多情況下，它們相互交織在一起。負責水道維護的自然資源管理人員，可能需要密切關注這些現象的一部分或全部，而具體的監測專案可能只是為了觀察一種現象的特定效果。即使你的應用只要求監控一個參數或過程，瞭解該過程如何影響其他人，並適合河流的整體健康狀況，也將提高您分析資料和適當響應的能力。
營養汙染
來自任何外國來源的汙染都會給溪流和河流帶來麻煩，但使水中營養水準不平衡的來源，往往會產生特別深遠的影響。營養汙染的常見來源包括農業作業、汙水和工業廢物 2009 年美國環保局的調查發現，美國 40% 的溪流和河流的磷含量過高，而 27% 的氮含量很高。過量的營養負荷會以多種方式損害水質，其中許多是相互關聯的。高營養素含量可以促進植物和藻類的過度生長，減少水中的溶解氧含量，並給魚類和無脊椎動物帶來壓力。 在適當的條件下，營養汙染會導致富營養化。
藻類綻放
藻類和藻類開花不應被視為對水道水質固有的危害。事實上，藻類是溪流和河流生態系統的重要組成部分。藻類使水氧化，將無機物轉化為有機物，並作為水道食物鏈的基礎。與流流量較高的河流相比，緩慢流動的河流更容易受到藻類繁殖的影響。在這些河流中，通常每年夏天都會定期開花，那時溫度、陽光和低風速為生長提供了理想的條件。
營養負荷是河流藻類生長的主要決定因素，因此，在表現出藻類過多或缺乏的河流中，監測營養水準 —— 特別是磷和硝酸鹽 —— 非常重要。 水溫、渾濁度以及與其他動植物的競爭，也會影響藻類的生長。大量藻類會導致河流富營養化、渾濁和缺氧。由於許多藻類花在河流表面形成，大多數監測可以僅靠視線進行，儘管空中觀測可能對特別大的河流有用。
濁度和沉積物
渾濁度是水純度的測量。濁度可能受到水體中存在許多因素的影響，包括水中存在泥漿、淤泥、藻類或化學品。採礦、伐木和（也許最常見的）疏浚等工業活動，往往會導致溪流和河流的渾濁水準。
渾濁度與溪流密切相關，應儘可能在溪流測量場地附近測量。渾濁度通常隨季節而變化，因為冰雪會極大地影響水流和沉積物的存在，這些沉積物會使水出現。冬季被冰覆蓋的河流，通常表現出非常低的渾濁度，但在春季雪融化後，泥漿和汙垢被衝入水中時，渾濁度會發展出較高的水準。 藻類和其他生物在夏季的生長，也會導致渾濁度增加。
水道中渾濁度的重要性取決於季節、水道的形態和內部生態系統。高度混濁的水阻礙了植物生長所需的光線透過，這也會降低依賴植物作為食物的其他生物的生存能力。與藻類相關的濁度通常與富營養化和缺氧有關。非常高的渾濁度實際上會導致魚類和其他生物窒息，影響它們捕捉獵物的能力，甚至將魚卵埋在河床上。負責渾濁的顆粒可能攜帶細菌或其他汙染物，這些汙染物會損害水質。定期渾濁度監測，可以幫助檢測早期侵蝕。
富營養化
當雜草叢的藻類死亡和分解時，有機物的負荷增加 —— 以及負責分解的生物體 —— 消耗水中可用的氧氣，導致缺氧「死亡區」形成。這些死區減少了河流中的宜居空間，可以增加競爭並殺死其他生物，如魚類。在大多數水體中，這個過程是自然的，但農業施肥等人為活動，可以加快這個過程。
雖然富營養化主要是營養負荷的函式，但溫度會對這一現象產生重大影響。更高的溫度可以增加生物質產量，從而導致氧氣的總體消耗率。與湖泊和池塘等積水相比，溪流和河流更不容易受到富營養化的影響，因為湍流和溪流可以防止分層的發生，但它們絕不能免受這種現象的影響。
流媒體測量
雖然溪流和河流可能與湖泊、池塘和盆地共享的許多品質和參數可以監測，但它們具有一種品質，使其與其他淡水體不同：運動。溪流是一個關鍵參數，影響河流水文和水質的許多其他方面。儘管這些其他方面可能對河流的健康同樣重要 —— 或者同樣適用於你的特定專案 —— 但它們可能會與其他類型的水體共享，在許多情況下，其他章節將涵蓋。因此，本章將主要側重於透過階段放電測量建立流流。
在流流測量部分瞭解更多資訊。
即時解決方案
你的溪流或河流監測系統的細節，在很大程度上取決於你專案的要求，以及水道的現場條件。雖然每個河流監測系統，都不需要安裝帶有靜止井和相關儀器的完整溪流測量儀，但根據該國潛在的河流監測機構：美國地質勘探局的確定，考慮這樣一個系統應該包含什麼可能會很有幫助。
流量標準
美國地質勘探局標準堅持認為，河流階段的測量精度應為 0.01 英寸。這種準確度可以透過之前描述的任何方法達到，使用靜止井中的浮子、壓力感測器或雷達。
美國地質勘探局根據流測量的目的，規定了不同的測量間隔。例如，用於洪水警告的 ALERT（即時自動本地評估）流量計僅在水位達到一定深度或在特定間隔內發生急劇變化時傳輸資料。部分記錄流測量儀僅在特定流量狀態下執行，例如，指示高流量、峰值流量或低流量。標準 USGS 流計必須每年至少執行 355 天，並每隔 1 至 4 小時透過遙測傳輸資料。
水質測量
溪流或河流監測專案，也可能需要觀察和測量水質。在這些情況下，建議使用多參數水質 sonde。
多參數 sondes 因品牌而異，因型號而異，但它們由一些共同特徵統一。不出所料，多參數 sondes 通常具有一系列埠，用於連線電導率、溫度、深度、pH值、溶解氧、濁度，以及液位感測器和其感測測器。理想情況下，這些感測器應該可以在現場更換，以便進行維護和系統修改。一些 sondes 將配備內建感測器，使更多感測器埠免費用於額外的測量。大多數 sondes 包含內部電池和記憶體，因此它們可以在沒有定期出勤的情況下長期佈署。資料記錄器和外部電源連線允許更長的佈署，特別是當透過無線遙測即時存取資料時。
典型的河流監測系統
有許多水文和水品質參數可以在溪流或河流中測量，但一個監測專案的需求可能與另一個專案有很大不同。監控場景的數量、其位置和每個使用的儀器將因專案而異，但一個通用解決方案，是基於至少一個流計場景和相關儀器。
為了有效，應即時提供測量資料。最簡單、最有效的方法是在河岸或站立結構上安裝溪流測量站，如碼頭或橋樑支撐。圍繞靜止井構建的流計，可以包含其他儀器，例如配備一系列感測器的多參引數感測器，以及資料記錄器和遙測系統。有多個遙測選項可供選擇，任何電腦都可以獲得連續的即時資料。這確保了專案順利執行，如果超過參數限制，可以立即實施任何控制措施。
靜止井
靜止井是一個孤立的水庫，允許河流水的流入和流出，通常配備潛水壓力感測器、氣泡器或軸編碼器來測量溪流階段。靜止井可以安裝在河岸上，也可以連線到站立式結構上，並可以與資料記錄器和遙測系統一起容納。
整合資料記錄系統
整合資料日誌記錄系統是一個即時監控站，容納資料記錄器、遙測模組和電源/充電電源。由於將交流電源執行到監控位置通常成本高昂，因此整合太陽能電池板用於為 12VDC 電池持續充電，以進行自主執行。
多參數 Sonde
多參數 sondes 提供了一個多功能平臺，用於在公共場景佈署幾個感測器。 這些聲波器還可以充當感測器和資料記錄器或電源之間的介面。
潛水壓力感測器
潛水式壓力感測器測量大氣層和上方水頭對其施加的綜合壓力。電纜中的通風管會自動糾正大氣壓力的影響。
遙測
遙測提供對資料的即時訪問。無線通訊可以是基於無線電對岸、蜂窩或衛星的。
即時資料
透過雲端的資料中心，可以全天候即時訪問專案資料。監控資料可以即時檢視，也可以作為圖表來辨識趨勢。當指定的參數超過預定義的限制時，可以透過文字或電子郵件，傳送即時自動警報。
監控位置
監測目標將確定溪流或河站的大致位置。還必須考慮特定地點的特點，以確保專案成功。在選擇場地時，必須考慮場地的實體限制、到達地點所需的時間、對場地的法律和實體訪問，以及安全問題。
網站注意事項
- ● 監測位置應相對容易進入，以便攜帶裝置進行定期校準和維護。
- ● 如果使用遙測，請確定是否有足夠的蜂窩覆蓋範圍，從場景獲取訊號。 如果沒有，可能需要衛星遙測。
- ● 應選擇安裝地點，以便在梁佔用的實體區域上合理恆定流動條件。
- ● 感測器應位於通道的直線部分，遠離可能導致流量分佈變化的曲線。
- ● 避免在場景上游或下游的人工控制/流量結構，這些結構可能會不穩定地改變流量剖面，因為這將使評級開發變得困難。
安裝注意事項
- ● 確保資料記錄和遙測裝置，將安裝在高水位標記的上方，以防止它被高水位淹沒，或以其他方式損壞。
- ● 根據最低預期階段安裝感測器。還要考慮冰是否會在冬季形成。如果如此，請嘗試將感測器安裝在凍結線以下。
- ● 考慮沉積物問題，並儘可能嘗試垂直靜止井。
- ● 感測器安裝管道應用底部銷牢固地連線到溪流或河岸上，以便感測器始終重新佈署在同一位置。
- ● 地面附近任何可能暴露的感測器電纜，都應透過管道連線到資料記錄箱，以保護動物免受動物的侵害。
資料管理
任何監控專案的主要部分是收集和訪問資料。雖然可以簡單地在現場記錄測量結果，但即時記錄、傳送和檢視監控資料的能力要高效得多。
在監控裝置部分瞭解更多資訊。
品質保證
為了保持準確性並保持裝置在規格範圍內執行，最佳實踐建議定期清潔和校準儀器。還建議與單獨的儀器交叉檢查感測器的準確性。專案甚至可能需要使用品質保證計劃（QAP），該計劃提供維護、校準和 QA/QC 要求的詳細概述。
系統維護
無論佈署了多少水質儀器，定期維護和校準都是必不可少的。儀器維護包括清潔儀器（特別是在感測器沒有自動擦拭的情況下），以及更換任何變質的 O 形圈以防止進水。維護間隔在很大程度上取決於場地條件和其他變數，如生物汙染的可能性。常見的校準和維護間隔，是每兩週或每月一次。
在校準之前，重要的是用水徹底沖洗校準杯，然後用少量校準標準的校準標準沖洗。建議用兩到三次沖洗。丟棄沖洗標準，然後用新的校準標準重新填充校準杯。用適當的校準標準填充杯子，以完全浸沒感測器。音量會有所不同，只需確保感測器被淹沒。小心避免與其他標準交叉汙染。有關感測器校準的更多詳細資訊，應參考製造商的使用者手冊。
如果感測器出現故障或損壞，手頭有備用感測器或感測器是有用的。這些可以在校準或例行維護檢查期間，進行現場交換。擁有備用裝置將減少因不可預見的感測器故障，而導致的停機時間，這可能會導致長期資料集的關鍵和昂貴的中斷。
效能驗證
除了保持裝置校準外，定期驗證感測器是否提供準確資料也很重要。實現這一目標的最佳方法，是使用單獨的行動式監測系統，檢查同一區域的水質值。這也被稱為點取樣。
在許多情況下，部署在溪流或河流中的相同水質儀器，可以配備電纜和手持顯示器進行現場取樣。例如，如果佈署了 YSI EXO2 水質 sonde，那麼可以使用帶有電纜和手持顯示器的單獨 EXO2 sonde 進行效能驗證。在驗證資料時，使用相似且一致的感測器很重要，因為值往往在不同感測儀器之間具有可變性。聲波或感測器可以降低，到與就地感測器相吻合的深度。雖然在那個深度，但可以進行水質測量。然後，該行動式系統的資料可以與就地監控系統進行比較，並檢查是否有差異。
驗證感測器效能的另一種方法是拉動水質儀器，並在重新校準之前檢查已知標準的感測器值。這有時被稱為校準後檢查。透過對照已知標準檢查測量值，可以觀察和記錄自上次校準以來，發生的感測器漂移量。值的差異可以與預先確定的標準進行比較。如果差異在標準之外，那麼測量資料可能需要合格。
推薦裝置
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