项目背景与行业痛点

河流、湖泊、水库、湿地、生态岸线、农业灌区和水土保持区域是水体、土壤与大气相互作用最活跃的环境界面之一。水质变化往往受到降雨、气温、风速、地表径流、土壤水分、农业活动和岸边植被等多种因素共同影响，仅监测水质或单独建设气象站，难以完整解释现场环境变化。

传统环境监测项目通常将水质、土壤和气象分别建设为三套系统，不同设备采用不同通信协议、供电方式和数据平台，不仅增加立杆、机箱、太阳能和施工成本，也使后期数据对比和设备维护更加复杂。

岸边环境还具有明显的空间交互特征。例如强降雨发生以后，土壤含水率首先增加，随后可能形成地表径流并进入水体，使浊度、电导率、氨氮或COD发生变化；持续高温、低风速则可能改变水体溶解氧状态。如果各类数据时间不统一，就难以分析这种连续环境响应。

水质传感器长期浸水还面临藻类、生物附着、泥沙、漂浮物和水位变化影响；土壤传感器则受到土质、盐分、容重和安装接触条件影响；气象传感器需要保证合理暴露条件。因此综合在线监测站既需要集成能力，也需要针对水、土、气三类介质分别进行规范安装。

立杆岸边土壤、水质、气象综合监测站以S-PCMS立杆式综合环境监测站为系统主体，将水质探头、土壤感知单元、一体式气象传感器、边缘数据采集主机、太阳能供电、4G通信和SIYB智能监测平台集成为一个综合在线监测节点，实现岸边水—土—气环境的同步连续监测。

建设目标与监测目标

项目建设岸边无人值守多要素环境监测站，对水体、岸边土壤和近地气象环境进行长期综合在线监测。

水质基础监测建议配置水温、pH、溶解氧DO、电导率EC和浊度；根据项目污染源、农业面源或生态研究需求，可进一步增加氨氮、COD、ORP、盐度及其他专项离子。

土壤监测重点配置土壤水分、土壤温度和土壤电导率，用于掌握岸带土壤水热盐环境；项目需要时可增加土壤pH或多深度土壤剖面监测。

气象监测配置空气温度、相对湿度、风速、风向和降雨，并根据项目增加大气压力、光照或太阳辐射等参数。

所有传感器由统一边缘主机授时和采集，并通过4G网络上传SIYB智能监测平台，使水质、土壤和气象数据处于统一时间轴。

需求分析

综合岸边监测站首先需要保证不同介质测点具有代表性。立杆位置应位于稳定岸坡，同时兼顾气象暴露、太阳能日照、4G信号、水质探头入水条件和土壤原状性。

水质探头应避开岸边完全静止的死水区、排水口直接冲击点和大量泥沙长期堆积位置，使测量尽量反映目标水体实际状态。

土壤测点应选择能够代表岸带环境的位置，避免异常回填土、混凝土基础附近或直接受排水沟冲刷的局部区域。

气象传感器应安装在立杆上部，并尽量避开树木、建筑、太阳能板和设备箱形成的局部遮挡与尾流。

水下传感器需要考虑最低水位、最高水位、流速、漂浮物和洪水条件，必要时采用不锈钢水下安装篮、防撞结构或可提升式维护设计。

系统采用一台边缘主机集中接入多路RS485/Modbus传感器，再通过4G统一上传，减少每个传感器单独配置公网通信产生的成本和运维复杂度。

总体解决方案

本方案以S-PCMS立杆式综合环境监测站为核心，由立杆及基础、水质感知系统、土壤环境感知系统、一体式气象系统、边缘数据采集主机、4G通信系统、太阳能供电系统、防雷接地系统和SIYB智能监测平台组成。

气象传感器安装于立杆上部，持续采集空气温湿度、风速、风向和雨量等数据。

土壤水分、温度和电导率探针埋设于岸边代表性土层，通过防水线缆接入立杆设备箱。

水质传感器通过水下安装篮或固定支架布设于岸边目标水层，基础配置pH、溶解氧、电导率和浊度，并根据项目增加氨氮、COD和ORP。

全部传感器统一接入边缘数据采集主机，由主机完成传感器供电、数据解析、补偿、滤波、质量判断、阈值及变化率计算和本地存储。

数据通过4G蜂窝网络上传SIYB平台。网络暂时中断时现场仍持续采集和缓存，通信恢复后按照原始时间戳自动补传。

系统架构设计

系统采用水质感知层、土壤感知层、气象感知层、边缘数据层、4G通信层和应用平台层六级架构。

水质感知层负责水体pH、DO、EC、浊度以及项目化氨氮、COD、ORP等指标。

土壤感知层负责岸带土壤水分、温度和EC监测，并可扩展pH或多层剖面。

气象感知层负责空气温湿度、风速风向、降雨及扩展光照、气压等参数。

边缘数据层统一接入RS485、模拟量、开关量和其他项目化接口，完成多协议解析、统一授时、数据质控和本地存储。

4G通信层建立现场监测站与远程服务器之间的数据链路。

SIYB平台负责实时数据显示、历史趋势、多参数关联、质量控制、告警、报表和第三方接口。

监测内容与监测方法

水质pH用于连续观察水体酸碱状态，可辅助分析藻类活动、污染输入和水体化学环境变化。

溶解氧DO用于反映水中可利用氧气水平，其变化受到水温、水体交换、藻类光合作用和有机物分解等因素影响。

水质电导率EC用于描述水体导电能力，可辅助观察溶解离子、盐分或外来水体混入造成的变化。

浊度用于反映水体悬浮颗粒和光学浑浊程度，对强降雨、岸坡冲刷、泥沙输入和施工扰动较为敏感。

氨氮用于农业面源、水产、生活污染和部分河湖水质项目的综合在线监测。

COD传感器可用于综合在线观察水体有机污染相关变化，采用在线光学方法时属于连续监测数据，与实验室标准方法之间应按照项目验收要求开展比对。

土壤水分、温度和EC共同描述岸带土壤水热盐状态，可与降雨和水质变化进行同步分析。

气象参数连续记录降雨、气温、湿度、风速和风向，为解释岸边蒸发、地表径流、水温和溶解氧变化提供环境背景。

技术原理与算法模型

水质pH采用电化学电极原理，将水体氢离子活度相关电势变化转换为pH工程值，并通过温度补偿降低环境温度变化影响。

溶解氧可采用荧光淬灭原理，根据荧光材料受到氧分子影响后的光学响应计算水中DO浓度，适合长期综合在线监测。

浊度传感器采用散射光法，通过测量水体悬浮颗粒对入射光产生的散射强度计算NTU。

水质电导率通过电极测量水体导电特性，并根据不同量程配置对应电极常数。

氨氮可采用铵离子选择电极方式，将水中铵离子浓度变化转换为电化学信号，并进行温度补偿。

在线COD可采用双波长紫外吸收方法，通过特定波段水体吸光特性形成COD等效浓度，同时对浊度干扰进行补偿。

土壤水分采用介电测量原理；土壤EC采用四/多电极导电测量，并结合土壤温度进行补偿和综合在线解释。

系统按照统一时间戳形成水、土、气三类数据。例如一次降雨事件可连续观察雨量增加、土壤水分上升、浊度变化、电导率变化和DO响应之间的时间关系。

系统功能设计

系统具备水质、土壤和气象多参数连续自动采集功能。

边缘主机统一管理多个RS485/Modbus设备，并支持不同厂家或不同寄存器数据协议转换。

边缘质控功能对传感器数据执行越量程、突变、漂移、长期固定和离线判断。

系统支持阈值、变化率、持续时间、多参数组合和设备故障告警。

本地存储功能保证4G暂时中断时数据继续保存，恢复后按照原采集时间补传。

远程诊断功能用于查看传感器在线、4G通信、太阳能、电池和设备箱状态。

平台支持水质、土壤和气象数据综合在线显示，并可以按照项目扩展摄像头、LED屏、声光报警或继电器输出。

数据可按照项目需要通过API、MQTT、Modbus或行业平台接口对接第三方系统。

硬件组成与配置方案

系统主体采用S-PCMS模块化立杆、设备箱、传感器支臂和水下传感器安装篮。

气象端建议配置一体式空气温湿度、超声波风速风向和雨量感知单元；对科研或生态项目可增加光照、太阳辐射和气压。

土壤端建议配置S-SECT水分温度电导率一体式探针；需要观察垂向变化时，可扩展多深度土壤剖面传感器。

水质基础配置建议为S-CGPH pH传感器、荧光法DO传感器、水质EC传感器和S-CGHZ浊度传感器。

水质增强配置可增加S-CGND氨氮、S-CGCOD在线COD和S-CGCYD ORP传感器。

各水质传感器统一安装于岸边水下支架或安装篮，并根据最低水位设置有效浸没深度。

设备箱内部安装边缘数据采集主机、4G通信模块、电源控制、太阳能充电控制、浪涌防护和接线端子。

太阳能板与蓄电池按照水质传感器实际功耗、采集频率、4G上传周期、当地日照和连续阴雨天数进行独立能量预算。

核心设备参数

一、水质监测基础参数

水质pH传感器典型采用S-CGPH，测量范围0～14pH，分辨率0.01pH，精度±0.1pH，工作温度0～65℃，自动温度补偿，RS485/Modbus输出，典型IP68防护。

荧光法溶解氧传感器典型测量范围0～20mg/L，分辨率0.01mg/L，典型测量精度3%，同步温度范围0～50℃，典型温度精度±0.5℃；支持RS485/Modbus，典型IP68。

S-CGHZ在线浊度传感器可配置0～200NTU或0～1000NTU量程，分辨率0.1NTU；典型精度为读数±3%或±3NTU取较大值，采用90°散射光法，支持自动温度补偿和RS485/Modbus，典型IP68。

水质电导率根据水体类型选择不同电极常数。典型可覆盖0～20μS/cm、0～200μS/cm、0～2000μS/cm或0～20000μS/cm等范围，典型系统精度约3%F.S；支持温度补偿和RS485接口。

二、水质扩展参数

S-CGND在线氨氮传感器量程0～100mg/L，分辨率0.1mg/L，典型精度为测量值±10%或±2mg/L取较大值；适用介质pH范围4～10，自动温度补偿，RS485/Modbus输出，IP68。

S-CGCOD在线COD传感器采用双波长紫外吸收法，COD典型量程0～100mg/L，分辨率0.1mg/L，典型精度±5%F.S；同时具备0～100NTU浊度补偿通道，支持RS485/Modbus，IP68。

S-CGCYD ORP传感器量程-1500～+1500mV，分辨率1mV，精度±6mV，工作温度0～65℃，RS485/Modbus输出，典型IP68。

三、土壤环境参数

S-SECT土壤电导率测量范围0～20,000μS/cm，分辨率1μS/cm；0～10,000μS/cm范围典型精度约±3%F.S，高量程段典型约±5%F.S。

土壤水分测量范围0～100%，分辨率0.1%。

土壤温度测量范围-40～80℃，分辨率0.1℃。

土壤EC内置温度补偿，典型补偿范围0～50℃。

土壤感知设备常用RS485/Modbus接入边缘主机，探针实际埋深根据岸边植物根区、土层和监测目的确定。

四、气象环境参数

空气温度测量范围-40～+60℃，典型精度±0.2℃，分辨率0.1℃。

相对湿度测量范围0～100%RH，典型精度±3%RH，分辨率0.1%RH。

风速采用超声波测量，启动风速约0.1m/s，测量范围0～30m/s，分辨率0.01m/s，典型精度±(0.2m/s+0.02×V)，其中V为实际风速。

风向测量范围0～359°，典型精度±1°，分辨率1°。

雨量典型雨强范围0～4mm/min，分辨率0.2mm，典型精度±0.2mm。

光照可根据项目配置0～200klux量程；太阳总辐射可选0～2000W/m²，用于生态、蒸发和水热交换研究。

大气压力属于项目选配参数，最终量程和精度按照实际气象模块配置表确认。

五、站点系统参数

现场传感器以RS485/Modbus作为主要接入方式，边缘主机统一采集水质、土壤和气象数据。

远程通信统一采用4G蜂窝网络。

采集周期和4G上传周期可以分别配置，水质、气象和土壤可以根据参数变化速度采用不同采集策略。

系统支持循环存储、断网缓存和恢复补传。

供电采用太阳能加蓄电池或市电加备用电源，容量必须按照最终水质传感器数量及连续阴雨天数进行能量预算。

软件平台与数据展示

SIYB智能监测平台按照“项目—岸边监测站—水质/土壤/气象—传感器”的层级管理综合在线数据。

站点总览显示当前pH、DO、浊度、EC、土壤水分、土壤温度、空气温湿度、风速、雨量以及4G、太阳能和设备在线状态。

水质专题页面显示各水质参数实时值、历史趋势、日平均、最大值、最小值和质量状态。

土壤专题页面展示土壤水分、温度和EC变化，可与降雨事件同步比较。

气象页面显示温湿度、风速风向、降雨及项目配置的辐射和光照。

综合在线页面把水、土、气多参数放在统一时间轴，观察不同环境介质之间的先后响应关系。

质量控制模块自动标记超量程、突变、漂移、离线、维护、清洁、校准和低电量状态。

系统支持日报、月报和事件报表，同时提供CSV、Excel数据导出以及API、MQTT、Modbus等项目接口。

数据分析与智能应用

水、土、气同步监测最重要的价值在于能够分析环境过程，而不是只得到更多独立数字。

强降雨发生后，可同步观察累计雨量、土壤水分、土壤EC和水体浊度变化。如果土壤快速增湿后水体浊度明显上升，可以进一步结合岸坡径流和现场情况分析泥沙输入过程。

农业或林草岸带项目可以观察施肥、灌溉和降雨以后土壤EC变化是否伴随水体电导率、氨氮或COD变化，为面源污染研究提供时间序列数据。

高温天气可同步比较空气温度、水体DO和土壤水分，观察高温、蒸发以及水体氧环境变化。

风速和风向可与DO变化对比，用于分析水面扰动和空气—水体交换条件。

长期数据可以统计不同季节水质、土壤和气象参数的正常背景范围，并识别某一站点逐渐偏离历史规律的过程。

系统可按降雨事件自动形成事件窗口，对雨前、降雨过程中和雨后一定时间的水质和土壤变化进行比较。

预警机制与决策支撑

系统可以对pH、DO、浊度、电导率、氨氮、COD、土壤水分、土壤EC、气温和雨量等参数分别设置项目化关注范围。

水质预警不建议只采用单点瞬时超限，应结合持续时间和变化率降低漂浮物、探头短时扰动及局部水体波动造成的误报。

例如浊度短时间快速升高且同期发生强降雨，可以形成“降雨+浊度突增”组合事件。

溶解氧持续下降且水温较高时，可按照项目用途提高关注等级。

土壤水分快速升高并伴随土壤EC明显变化，可以形成水盐环境事件记录。

4G离线、传感器离线、电池低电、数据长期固定或校准到期属于设备质量告警，与真实环境异常分开显示。

具体水质评价和预警控制值应根据监测水体功能、项目标准和管理目标确定，不能直接使用传感器量程作为环境质量控制值。

项目实施方案

项目实施前调查监测水体类型、岸坡稳定性、历史最高和最低水位、水流速度、淤泥、漂浮物、植被、日照、雷电和4G信号条件。

根据监测目的确定基础水质参数和扩展参数，并核算全部传感器功耗。

立杆安装在稳定岸基，并根据风载、太阳能板面积、设备箱和传感器支臂进行基础设计。

水质传感器安装位置应保证最低水位情况下仍处于有效水层，并预留清洁、校准和提取维护空间。

土壤探针安装前记录土壤质地、容重、石砾、盐分和初始水分，保证探针与原状土充分接触。

气象传感器安装于立杆上部并尽量保持开阔，避免太阳能板、树木和设备箱影响风场及温湿度测量。

全部设备完成RS485地址、数据字典、采集周期和统一授时配置后接入边缘主机，并完成4G和SIYB平台映射。

试运行期间应逐项与参考仪器或人工方法进行现场比对，同时测试断网缓存、恢复补传、质量判断和报警功能。

运维服务保障

水质传感器属于本系统维护频率最高的部分，应根据水体藻类、泥沙、生物附着和污染程度制定动态清洁周期。

pH和ORP电极应按照实际使用状态进行清洗和校准，长期不用时按照电极维护要求保存。

浊度和COD光学窗口应保持清洁，避免藻类、泥沙和生物膜造成光学信号漂移。

水质探头在洪水、漂浮物冲击或水位大幅变化后，应检查安装篮、支架和线缆固定状态。

土壤探针应避免后续施工、翻土和人为挖掘改变周围土体。

气象传感器应定期检查安装水平、清洁、鸟害、遮挡以及植被生长造成的环境变化。

太阳能板、蓄电池、防雷、接地、4G天线和设备箱应按照现场环境进行定期检查。

所有清洁、校准、传感器更换和参数调整均在平台保留记录，以保证长期数据解释可追溯。

项目优势与方案价值

一根模块化立杆即可集成岸边水质、土壤和气象设备，减少三套独立监测站重复建设的立杆、机箱、供电和通信成本。

水质基础参数和氨氮、COD、ORP等扩展参数可以根据不同项目逐步增加，而无需重新建设完整通信平台。

土壤水分、温度和EC与降雨同步监测，可以观察岸带入渗、水盐变化及径流形成背景。

气象和水质采用统一时间基准，使降雨、温度和风场能够与水质变化直接进行时间关联。

4G通信适合河湖、水库、湿地、农业园区和生态修复区等缺少固定网络的分散岸边点位。

太阳能供电降低偏远岸边敷设市电的工程量。

边缘主机统一完成协议解析、质量控制、本地存储和断网补传，避免移动网络成为数据连续性的唯一依赖。

SIYB平台把水质、土壤、气象、供电、通信质量和质量码统一管理，使站点真正形成多介质综合在线监测，而不是传感器简单堆叠。

应用场景

本方案适用于河流、湖泊和水库岸边，对水质、岸带土壤和气象环境进行综合在线监测。

适用于湿地和生态修复区，研究水体、土壤与植被环境长期变化。

适用于农业灌区和农业园区，监测灌溉水质、岸边土壤水盐和气象条件。

适用于河湖生态缓冲带和面源污染监测，观察降雨以后土壤及水质响应。

适用于水土保持项目，对降雨、岸坡土壤含水变化及受纳水体浊度等参数进行同步观测。

适用于养殖水体岸边环境监测，可增加DO、pH、氨氮、水温及气象参数。

适用于高校、科研院所和生态实验站，建立具有统一时间轴的水—土—气多介质科研数据。

适用于景区公园、城市河道和园区水体综合在线环境监测。

效益分析

系统集成方面，将原本分散的水质站、气象站和土壤站整合为一个岸边综合在线节点，减少重复硬件和施工。

数据解释方面，水质变化能够同时获得降雨、气温、风速和土壤环境背景，提高数据分析完整性。

连续监测方面，将人工取水、人工测土和气象观察扩展为长期自动时间序列。

远程运维方面，工作人员可先通过平台查看传感器质量和站点状态，再有针对性安排现场维护。

科研方面，可获得水体、土壤和大气同步数据，为生态过程、面源污染、水土保持和岸带环境研究提供基础数据。

长期运行以后，可以形成每个岸边站点自身的水—土—气环境数据库，为治理工程评价和环境管理提供长期依据。

标准规范与政策依据

地表水监测项目可根据实际适用范围参考HJ 91.2-2022《地表水环境质量监测技术规范》。

地表水自动监测项目可根据实际配置参考HJ 915.1-2024、HJ 915.2-2024和HJ 915.3-2024地表水水质自动监测站相关技术规范。

地表水自动监测数据通信涉及行业平台对接时，可根据项目适用范围参考HJ 1404-2024《地表水自动监测系统通信协议技术要求》。

具有外壳防护等级声明的现场设备可参考GB/T 4208-2017《外壳防护等级（IP代码）》。

采用RS485/Modbus进行传感器与边缘主机通信时，可参考Modbus Application Protocol Specification V1.1b3。

综合在线平台涉及网络安全建设时，可根据项目要求参考GB/T 22239-2019《信息安全技术 网络安全等级保护基本要求》。

实际水质评价标准、报警限值、采样频率、传感器校准和验收方法，应根据项目水体类型、管理用途和责任单位批准文件确定。

成功案例

成功案例应以真实实施并获得公开授权的项目资料为准。典型河湖生态岸边综合在线监测项目，可在稳定岸坡安装一套S-PCMS立杆式综合环境监测站，在立杆顶部配置气象传感器，在岸边土层安装水分温度电导率探针，并在水下安装篮内部配置pH、DO、电导率和浊度等水质传感器。

系统投入运行后，边缘主机按照统一时间基准持续采集水、土、气三类数据，并通过4G网络上传SIYB智能监测平台。

正常天气期间，平台建立各参数长期背景范围。当一次强降雨发生后，可以首先观察雨量增加和土壤水分响应，随后查看水体浊度、电导率、pH和DO是否发生同步变化。

如果项目增加氨氮和COD，可进一步观察降雨径流输入以后有机物和营养盐相关指标的变化过程。

网络短时中断时，边缘主机继续保存全部传感器数据；4G恢复以后历史记录按照原时间戳补传，使完整降雨事件仍能够回放。

长期运行以后，可形成水质、土壤、气象、质量码、校准维护和设备状态组成的综合在线数据库，为岸带生态、污染来源和环境治理研究提供连续基础数据。

以上内容属于基于S-PCMS及SIYB相关传感器能力编制的典型应用流程，不作为欣仰邦既有客户名称、实际项目业绩或固定环境改善效果声明。

参考文献

[1] HJ 91.2-2022，《地表水环境质量监测技术规范》。

[2] HJ 915.1-2024、HJ 915.2-2024、HJ 915.3-2024，地表水水质自动监测站相关技术规范。

[3] HJ 1404-2024，《地表水自动监测系统通信协议技术要求》。

[4] GB/T 4208-2017，《外壳防护等级（IP代码）》及相关修改文件。

[5] GB/T 22239-2019，《信息安全技术 网络安全等级保护基本要求》。

[6] Modbus Application Protocol Specification V1.1b3。

[7] 河湖岸带水质、土壤水盐、气象及生态环境多介质综合在线监测相关技术资料。

[8] 降雨径流、水体浊度、溶解氧、水盐迁移及农业面源污染相关研究资料。