الماء مصدر الحياة وأساس البيئة. من الأنهار والبحيرات والبحار إلى صنابير آلاف المنازل، ترتبط سلامة جودة المياه ارتباطًا مباشرًا بالأمن البيئي وصحة الناس والتنمية الاقتصادية والاجتماعية المستدامة. في الماضي، كانت مراقبة جودة المياه مهمة شاقة وتستغرق وقتًا طويلًا، وتتطلب أخذ عينات يدويًا وتحليلًا مختبريًا. لم تكن هذه العملية غير فعالة فحسب، بل كانت تنطوي أيضًا على بعض العيوب، مثل تأخر البيانات وضعف التمثيل. أما اليوم، ومع التطور السريع للتكنولوجيا، فإن "العين الذكية" التي تجمع بين وظائف متعددة - مستشعر جودة المياه متعدد المعايير - تُحدث تغييرًا جذريًا في طريقة إدراكنا وفهمنا لعالم المياه.

1. ما هو مستشعر جودة المياه متعدد المعلمات؟

يعد مستشعر جودة المياه متعدد المعلمات جهاز مراقبة ذكي متكامل للغاية يمكنه قياس العديد من المؤشرات الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية الرئيسية في الماء في وقت واحد وبشكل مستمر وفي الموقع باستخدام تقنية الاستشعار المتقدمة.

تكمن روعة هذه المستشعرات في دمج "معلمات متعددة". في الطرق التقليدية، يتطلب قياس قيمة الرقم الهيدروجيني (pH)، والأكسجين المذاب (DO)، والموصلية (TDS)، والعكارة، وغيرها، أجهزة وكواشف مختلفة. تدمج المستشعرات متعددة المعلمات ببراعة وحدات استشعار مستقلة متعددة في مسبار أو نظام مدمج، مما يسمح بالحصول على مجموعة كاملة من بيانات جودة المياه بمجرد تشغيل واحد، مما يُحسّن بشكل كبير من كفاءة المراقبة وسهولة استخدامها.

تتضمن معلمات المراقبة الأساسية المشتركة ما يلي:

• المؤشرات المادية: درجة الحرارة، العكارة، الموصلية (يمكن حساب إجمالي المواد الصلبة الذائبة TDS).

• المؤشرات الكيميائية: قيمة الرقم الهيدروجيني، وإمكانية الأكسدة والاختزال (ORP)، والأكسجين المذاب (DO).

• المؤشرات الشاملة: الطلب الكيميائي للأكسجين (COD)، ونيتروجين الأمونيا (NH3-N)، والنترات (NO3-)، والكلوروفيل-أ، والطحالب الخضراء المزرقة، وما إلى ذلك (تتطلب وحدات استشعار محددة).

2. مبادئ ومزايا التكنولوجيا الأساسية

إن حجر الأساس التكنولوجي لأجهزة الاستشعار متعددة المعلمات هو تقنيات الاستشعار المتقدمة المختلفة، مثل الاستشعار الضوئي، والاستشعار الكهروكيميائي، والاستشعار بالموجات فوق الصوتية، وما إلى ذلك.

مستشعر الرقم الهيدروجيني: عادة، يتم استخدام طريقة القطب الزجاجي لقياس تركيز أيونات الهيدروجين عن طريق قياس فرق الجهد على جانبي الفيلم الزجاجي.

مستشعر الأكسجين المذاب: الطريقة السائدة هي إخماد الفلورسنت (الطريقة البصرية). تُثار المادة الفلورية على سطح المستشعر بضوء ذي طول موجي محدد، ويؤثر تركيز الأكسجين في الماء على شدة الفلورسنت وعمره الافتراضي. بقياس هذه التغيرات في الخصائص البصرية، يمكن حساب محتوى الأكسجين المذاب بدقة. لا تتطلب هذه الطريقة إلكتروليتًا، وتتطلب صيانة بسيطة، وتتميز بثبات عالٍ.

مستشعر العكارة: يستخدم غالبًا مبدأ الضوء المنتشر بزاوية 90 درجة أو 180 درجة لإصدار شعاع من الضوء وقياس شدة الضوء المنتشر بواسطة الجسيمات العالقة في الماء، وبالتالي تحديد درجة عكارة الماء.

مستشعر التوصيل: بناءً على قانون أوم، يتم حساب موصليته عن طريق قياس مقاومة الماء بين قطبين.

وتكمن مزاياها الهامة في:

• الوقت الحقيقي والاستمرارية: يوفر تدفق بيانات متواصل لمدة 7 × 24 ساعة يمكنه التقاط التغييرات غير الطبيعية العابرة والمفاجئة في جودة المياه، والتي لا يمكن مقارنتها بأخذ العينات اليدوية.

• المراقبة في الموقع: يتم وضع أجهزة الاستشعار مباشرة في المسطح المائي الذي تم اختباره، مما يتجنب التغييرات النوعية المحتملة التي قد تحدث أثناء نقل العينة وتخزينها، مما يؤدي إلى الحصول على بيانات أكثر أصالة وتمثيلاً.

• كفاءة عالية وتكلفة منخفضة: يمكن استخدام جهاز واحد لأغراض متعددة، مما يوفر تكلفة ووقت أخذ العينات المتكرر والتحاليل المخبرية المكثفة. على المدى الطويل، الفوائد الشاملة عالية جدًا.

• التكامل والذكاء: من خلال التكامل العميق مع تكنولوجيا إنترنت الأشياء (IoT) الحديثة، يمكن نقل البيانات في الوقت الفعلي إلى منصات السحابة من خلال التقنيات اللاسلكية مثل 4G/5G وLoRa وNB IoT وما إلى ذلك، مما يتيح المراقبة عن بعد وتحليل البيانات الضخمة والتحذير الذكي.

3. سيناريوهات قابلة للتطبيق على نطاق واسع

تلعب "عين الحكمة" هذه دورًا حاسمًا في العديد من الصناعات:

• المراقبة البيئية والحماية البيئية: تستخدم للمراقبة البيئية طويلة الأمد للأنهار والبحيرات والخزانات والمحيطات وغيرها من المسطحات المائية، وتقييم المخاطر البيئية مثل التغذية الزائدة وازدهار الطحالب، وتوفير الدعم بالبيانات لقرارات الحوكمة.

• المدينة الذكية وإدارة المياه: يتم تركيبها عند مدخل ووحدة معالجة العمليات ومخرج محطات المياه لتحقيق مراقبة مغلقة لجودة المياه طوال العملية بأكملها، مما يضمن سلامة مياه الشرب؛ تستخدم لمراقبة تدفق شبكات الصرف الصحي الحضرية ومحطات معالجة مياه الصرف الصحي إلى الداخل والخارج لتحسين الكفاءة التشغيلية.

• تربية الأحياء المائية: في أحواض تربية الأحياء المائية عالية الكثافة، تُرصد المعايير الرئيسية المتعلقة ببقاء الأسماك، مثل الرقم الهيدروجيني (pH) والأكسجين المذاب، آنيًا. في حال وجود أي خلل، يُطلق إنذار على الفور، ويمكن ربط معدات مثل أجهزة التهوية لتجنب المخاطر وتقليل الخسائر الاقتصادية بفعالية.

• مراقبة العمليات الصناعية والانبعاثات: في الصناعات مثل الأغذية والأدوية والمواد الكيميائية، يجب مراقبة جودة المياه المستخدمة في عمليات الإنتاج؛ وفي الوقت نفسه، فإن المراقبة الصارمة لتصريف مياه الصرف الصحي من منافذ الصرف الصحي في المؤسسة لضمان الامتثال للمعايير هي "الحارس الأمامي" للإشراف على حماية البيئة.

• البحث العلمي والهندسة الهيدروليكية: توفير البيانات الخام عالية التردد وعالية الدقة للبحث العلمي في مجالات مثل علم المياه والجيولوجيا والبيئة؛ تستخدم لضمان جودة المياه وسلامتها في مشاريع نقل المياه واسعة النطاق مثل مشروع تحويل المياه من الجنوب إلى الشمال.

4. التحديات والآفاق المستقبلية

• على الرغم من مزاياها البارزة، تواجه أجهزة الاستشعار متعددة المعلمات أيضًا بعض التحديات: يمكن أن يؤثر التلوث البيولوجي على دقة المستشعر، مما يتطلب مواد متقدمة مضادة للتلوث أو أجهزة تنظيف أوتوماتيكية؛ تفرض بيئة المياه المعقدة متطلبات أعلى على الاستقرار الطويل الأمد والقدرة المضادة للتداخل لأجهزة الاستشعار؛ وفي الوقت نفسه، فإن الاستثمار الأولي المرتفع ومتطلبات الصيانة المهنية حدت أيضًا إلى حد ما من شعبيتها.

• بالنظر إلى المستقبل، فإن تطوير أجهزة استشعار جودة المياه متعددة المعلمات سوف يقدم الاتجاهات التالية:

• التصغير وانخفاض استهلاك الطاقة: ستكون أجهزة الاستشعار المعتمدة على تقنية MEMS (الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة) أصغر حجمًا وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة، ومناسبة لمنصات المراقبة المتنقلة مثل الطائرات بدون طيار والروبوتات تحت الماء، بالإضافة إلى السيناريوهات غير المأهولة طويلة الأمد.

• تكامل أعلى ومزيد من المعلمات: في المستقبل، قد يكون المستشعر قادرًا على دمج العشرات من وظائف المراقبة، بما في ذلك حتى المؤشرات التي يصعب قياسها مثل المعادن الثقيلة والملوثات العضوية.

• التنظيف الذاتي والمعايرة الذاتية: إن تطبيق المواد الذكية والتقنيات الجديدة سوف يحل مشكلة التلوث البيولوجي بشكل فعال ويحقق التشخيص الذاتي والمعايرة التلقائية للمستشعرات، مما يقلل بشكل كبير من تكاليف الصيانة.

• التكامل العميق للذكاء الاصطناعي: من خلال الجمع بين خوارزميات الذكاء الاصطناعي، لا تستطيع أجهزة الاستشعار توفير البيانات فحسب، بل يمكنها أيضًا إجراء التنبؤ بالاتجاهات، وتتبع التلوث، والتشخيص الذكي، والانتقال من "الإدراك" إلى "الإدراك" و"اتخاذ القرار".

خاتمة

لقد أصبح مستشعر جودة المياه متعدد المعايير، "العين الذكية" التي تُبصر عالم المياه، بنيةً أساسيةً لا غنى عنها لبناء إدارة رقمية للمياه وحماية بيئية ذكية. فهو يجعل التغيرات التي كانت غير مرئية سابقًا في جودة المياه واضحةً وجليةً وقابلةً للإدارة والتحكم. ومع التطور المستمر للتكنولوجيا والانخفاض المستمر في التكاليف، سيتعمق هذا المستشعر ويتسع نطاقه في حياتنا، موفرًا زخمًا قويًا غير مسبوق لحماية تلك المياه النقية وضمان الأمن المائي العالمي.