基于水下自走式監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用

王磊之，王銀堂，鄧鵬鑫，劉 勇，崔婷婷，胡慶芳

(南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇南京 210029)

?

基于水下自走式監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用

王磊之，王銀堂，鄧鵬鑫，劉 勇，崔婷婷，胡慶芳

(南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇南京 210029)

應(yīng)用德國弗勞恩霍夫系統(tǒng)應(yīng)用中心研制的多功能水下自走式監(jiān)測與分析系統(tǒng)，以湖州市對河口水庫、日照市青峰嶺水庫、南京市金牛山水庫、秦淮河為試點，對上述水庫及河流的多參數(shù)水質(zhì)(溶解氧、電導(dǎo)率、銨鹽含量、硝酸鹽含量、溫度)進(jìn)行監(jiān)測。基于所測數(shù)據(jù)，采用水下三維地形圖、水質(zhì)參數(shù)等值線圖、分層切片圖、縱向剖面圖、水質(zhì)參數(shù)散點圖等方法，對上述水質(zhì)參數(shù)在水體中的分布規(guī)律進(jìn)行分析，對水下三維地形進(jìn)行解釋，對不同水質(zhì)參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行一定探索。研究表明：在水庫表面，溶解氧含量分布在空間上存在一定差異；硝酸鹽含量分布在不同深度水體中差別很小，但在靠近底部時發(fā)生明顯變化，與庫底淤泥影響有關(guān)；隨著水深的增加，水溫逐漸降低；水面電導(dǎo)率值和硝酸鹽、銨鹽含量有一定的正相關(guān)關(guān)系，溶解氧和溫度存在一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系。應(yīng)用結(jié)果表明：所測數(shù)據(jù)可快速生成水下地形及水質(zhì)三維結(jié)構(gòu)圖，能較好地反應(yīng)試點區(qū)域水情、水質(zhì)的主體分布。

水質(zhì)監(jiān)測； 水下地形； 水質(zhì)參數(shù)； 數(shù)據(jù)分析

德國弗勞恩霍夫系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用中心研制的多功能水下自走式監(jiān)測與分析系統(tǒng)[1]，其核心內(nèi)容包括潛水器、自動控制系統(tǒng)、集成的水質(zhì)傳感器和數(shù)據(jù)分析軟件等。其中，各水質(zhì)傳感器的數(shù)據(jù)傳輸方式采用有線傳輸，能夠即時響應(yīng)并將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄在岸基計算機上。依托集成的水質(zhì)傳感器和豐富的數(shù)據(jù)分析功能，該系統(tǒng)可以對不同深度的水溫、水質(zhì)和水下地形進(jìn)行測量，并對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析以獲得全面、立體的環(huán)境質(zhì)量信息。此外，系統(tǒng)還具備良好的可靠性、便攜性和擴展性，能夠應(yīng)用于各類不同的環(huán)境，適應(yīng)了我國水文水資源監(jiān)測領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。

本文對多功能水下自走式監(jiān)測與分析系統(tǒng)的應(yīng)用方案進(jìn)行了簡要介紹，在獲取試點區(qū)域相關(guān)水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合QGIS、Surfer等地學(xué)軟件，重點對所測水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和展示，對不同參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行探索。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建能適應(yīng)我國特點的水情、水環(huán)境、水工結(jié)構(gòu)的監(jiān)測與分析系統(tǒng)，為流域的防災(zāi)減災(zāi)及水利工程的安全運行、水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度提供支撐。

1 應(yīng)用方案

選取日照市青峰嶺水庫、湖州市對河口水庫、南京市金牛山水庫和秦淮河作為典型試點區(qū)域，應(yīng)用多功能水下自走式監(jiān)測與分析系統(tǒng)，對上述水庫(河流)的多參數(shù)水質(zhì)(溶解氧、電導(dǎo)率、銨鹽含量、硝酸鹽含量、溫度)進(jìn)行監(jiān)測。

在獲取各項水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，選取有代表性的試點區(qū)域，繪制了水下三維地形圖[2]、水面水質(zhì)參數(shù)等值線圖和水體水質(zhì)參數(shù)分層切片圖，對上述水質(zhì)參數(shù)在水體中的分布規(guī)律進(jìn)行分析，對水下三維地形圖進(jìn)行解釋。此外，本文將采用繪制散點圖的方法，對不同水質(zhì)參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行探索。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 水下三維地形分析

應(yīng)用多功能水下自走式監(jiān)測與分析系統(tǒng)，選取有代表性的金牛山水庫和秦淮河作為試點，結(jié)合Surfer等地學(xué)軟件，依據(jù)所測地理坐標(biāo)(經(jīng)緯度)以及對應(yīng)水深作出水下三維地形圖，如圖1。由圖1(a)可知，金牛山水庫庫底較為平整，從壩址到湖心水庫逐漸變深，壩址附近可以看到亂石堆砌狀，與實際情況較為一致；由圖1(b)可知，秦淮河河底明顯呈現(xiàn)出兩邊淺中間深的斷面形狀，最深處達(dá)5 m，岸邊深度不足1 m，淤積較為嚴(yán)重，且西南岸淤積較東北岸嚴(yán)重，這與該河流斷面的實際沖淤較為一致。

圖1 金牛山水庫庫底和秦淮河河底三維高程Fig.1 3D lake floor elevation of Jinniushan reservoir and Qinhuai River

2.2 水質(zhì)分布特征分析

監(jiān)測的水質(zhì)參數(shù)包括溶解氧、電導(dǎo)率、銨鹽、硝酸鹽和溫度。由于試點范圍較廣，各水質(zhì)參數(shù)均對應(yīng)多個試點區(qū)域，故本文針對各參數(shù)僅選擇1～2個有代表性的試點，分別繪制:①溶解氧的水面等值線圖；②硝酸鹽和溫度的分層切片圖；③溫度的縱向剖面圖。在此基礎(chǔ)上，對上述參數(shù)在水體表面和水體內(nèi)部分層結(jié)構(gòu)中的分布規(guī)律進(jìn)行一定的分析，形成能適應(yīng)試點流域水情、水環(huán)境的監(jiān)測與分析系統(tǒng)。

2.2.1 水面等值線圖 在獲取試點區(qū)域水體表面各水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，繪制了對河口水庫和金牛山水庫的水面溶解氧等值線圖(如圖2)。其中，傳感器測量溶解氧含量的分辨率為0.05 mg/L。由圖可知，水體表面溶解氧含量分布在空間上存在一定差異，對河口水庫庫面所測區(qū)域溶解氧含量介于7.9～8.5 mg/L之間，在空間上表現(xiàn)為自東南向西北逐漸增加；金牛山水庫庫面溶解氧含量介于6.4～8.0 mg/L之間，略低于對河口水庫，在空間上表現(xiàn)為自南向北逐漸減少。此外，兩座水庫庫面所測區(qū)域溶解氧含量均滿足國家二類水標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 對河口水庫和金牛山水庫水面溶解氧含量分布Fig.2 Distribution of DO on the surface of Duihekou reservoir and Jinniushan reservoir

2.2.2 水體分層切片圖 應(yīng)用多功能水下自走式分析與監(jiān)測系統(tǒng)，對金牛山水庫的硝酸鹽、水溫分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測，在獲取水體內(nèi)部水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，采用簡單的線性插值，得到了不同水深處的硝酸鹽含量和水溫，并繪制了硝酸鹽分層切片圖(圖3)和水溫分層切片圖(圖4)。

圖3 金牛山水庫硝酸鹽分層切片F(xiàn)ig.3 Nitrate slice contour plot of Jinniushan reservoir

圖4 金牛山水庫水溫分層切片F(xiàn)ig.4 Temperature slice contour plot of Jinniushan reservoir

由圖3金牛山水庫水體硝酸鹽分層切片圖可知，金牛山水庫水體硝酸鹽含量在每一層上均存在高(低)值中心，且不同層的高(低)值中心在垂向上有一定重合；隨著深度增加，硝酸鹽含量在層面上的分布并沒有發(fā)生明顯變化，但在接觸到水庫底部時(最下面的等值線圖)，硝酸鹽含量在數(shù)值和層面分布上均發(fā)生了較為明顯的變化，表現(xiàn)在：低值中心消失或偏移，高值中心范圍明顯收縮。具體原因或許與庫底淤泥影響有關(guān)。

圖5 金牛山水庫溫度縱向剖面Fig.5 Temperature vertical profile of Jinniushan reservoir

由圖4金牛山水庫水溫分層切片圖可見，水庫水溫在0～6 m水深范圍內(nèi)變化較小，由于所測區(qū)域水深沒有達(dá)到溫躍層，故沒有發(fā)生溫躍現(xiàn)象；在每一層上均存在高值和低值中心，且高值中心在垂向上有一定重合；從庫面到水下6 m深處，高值中心的范圍逐漸收縮，水溫有變低趨勢。這與前人關(guān)于靜水湖泊溫度分層理論的研究較為一致[3-4]。

圖5為金山水庫水溫縱剖面圖。同樣可以看出，隨著深度增加，水溫高值中心在不斷收縮，水溫有變低趨勢，這也印證了圖4中的結(jié)論。

2.3 水質(zhì)相關(guān)特征分析

在同一水體中，不同的水質(zhì)參數(shù)之間往往會相互影響，因而具有一定相關(guān)關(guān)系[5]。如溶解氧含量，作為衡量水體自凈能力的重要指標(biāo)之一，主要受溫度、pH值、鹽類等多種因素影響[6-7]；再如電導(dǎo)率值，作為水質(zhì)分析中的一個重要指標(biāo)，在一定程度上反映了水庫水體的營養(yǎng)水平，它主要由溶解在水體的離子種類、離子濃度和水體溫度等因素決定[8-9]。為探求同一水庫水體中各水質(zhì)參數(shù)值之間的相關(guān)關(guān)系，在對河口水庫水面監(jiān)測數(shù)據(jù)中隨機選取了100個均勻分布點，繪制了所測5個參數(shù)值(電導(dǎo)率、溫度、銨鹽、硝酸鹽、溶解氧)兩兩之間的散點圖及擬合線。圖6為對河口水庫水面各點電導(dǎo)率值和銨鹽、溶解氧、溫度、硝酸鹽之間的散點圖；圖7為對河口水庫水面銨鹽、溶解氧、溫度、硝酸鹽等4個水質(zhì)參數(shù)兩兩之間的散點圖。表1進(jìn)一步給出了這5個水質(zhì)參數(shù)之間的Spearman相關(guān)系數(shù)。

圖6 對河口水庫庫面電導(dǎo)率值和銨鹽、溶解氧、溫度、硝酸鹽散點Fig.6 Scatter plots of conductivity, ammonium, DO, temperature and nitrate in Duihekou reservoir

由圖6可知，對河口水庫庫面各點的電導(dǎo)率值和銨鹽、硝酸鹽含量呈較為明顯的正相關(guān)關(guān)系，和溫度及溶解氧則沒有明顯相關(guān)關(guān)系。由表1可知，庫面電導(dǎo)率值和銨鹽含量、硝酸鹽含量的Spearman相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.78和0.75，與溫度和溶解氧的相關(guān)系數(shù)分別為-0.11和-0.05，其中與溫度相關(guān)關(guān)系較差主要是因為對河口水庫水面溫度差別較小，最大溫差只有0.4℃，水溫變化對電導(dǎo)率的影響可以忽略不計。

圖7 對河口水庫庫面銨鹽含量、硝酸鹽含量、溫度、溶解氧兩兩散點Fig.7 Scatter plots of ammonium, nitrate, temperature and DO in Duihekou reservoir

表1 對河口水庫庫面各水質(zhì)參數(shù)值兩兩相關(guān)系數(shù)

Tab.1 Correlation coefficients between different water quality parameters

溶解氧電導(dǎo)率銨鹽含量硝酸鹽溫度溶解氧--0 05-0 090 09-0 61電導(dǎo)率-0 05-0 780 75-0 11銨鹽含量-0 090 78-0 130 10硝酸鹽含量0 090 750 13--0 19溫度-0 61-0 110 10-0 19-

由圖7和表1可知，對河口水庫水面溶解氧含量和水溫存在一定負(fù)相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.61，與銨鹽、硝酸鹽含量沒有明顯相關(guān)關(guān)系。此外，銨鹽含量、硝酸鹽含量和溫度兩兩之間均沒有明顯相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié) 語

應(yīng)用多功能水下自走式監(jiān)測與分析系統(tǒng)，以日照市青峰嶺水庫、湖州市對河口水庫、南京市金牛山水庫、秦淮河為試點，采用水下三維地形圖、水面等值線圖、水體分層切片圖、縱剖面圖和散點圖等方法，監(jiān)測了水下三維地形，分析了5項水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)(溶解氧、電導(dǎo)率、銨鹽含量、硝酸鹽含量、溫度)在水面和水體中的分布規(guī)律，同時探索了這5個水質(zhì)參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系。分析得出以下結(jié)論：

水面溶解氧含量分布在空間上存在一定差異；所測范圍內(nèi)不同水深的硝酸鹽含量差異不大，但在接近底部時其含量和分布均發(fā)生明顯變化，原因或許與底部淤泥影響有關(guān)；不同深度的硝酸鹽含量和溫度均存在一個高值中心，且高值中心在垂向上較為重合；隨著水深增加，水溫有變低趨勢；在5個水質(zhì)參數(shù)中，溫度和溶解氧存在一定負(fù)相關(guān)關(guān)系，電導(dǎo)率和銨鹽、電導(dǎo)率和硝酸鹽存在較好的正相關(guān)關(guān)系。

綜上所述，本次應(yīng)用分析研究能較好地反映出試點區(qū)域水質(zhì)、水情主體分布，能適應(yīng)我國水文水資源監(jiān)測領(lǐng)域的發(fā)展要求，并為流域的防災(zāi)減災(zāi)及水利工程的安全運行、水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度提供技術(shù)支撐。

[1]PFUETZENREUTER T, RENKEWITZ H. Consys-a new software framework for underwater vehicles [C]∥Oceans 2010 IEEE-Sydney. IEEE, 2010: 1- 6.

[2]白世彪, 王軍見, 閭國年. Surfer軟件在水下地形三維可視化與分析中的應(yīng)用[J]. 海洋測繪, 2004, 24(5): 51- 53. (BAI Shi-biao, WANG Jun-jian, LV Guo-nian. Application of surfer in the 3D-visualization and analysis of underwater topography[J]. Hydrographic Surveying and Charting, 2004, 24(5): 51- 53. (in Chinese))

[3]危起偉, 柯福恩, 莊平, 等. 富水水庫溫度分層的調(diào)查研究[J]. 海洋湖沼通報， 1991(3): 12- 18. (WEI Qi-wei, KE Fu-en, ZHUANG Ping, et al. Investigations on thermostratification in Fushui reservoir[J]. Transaction of Oceanology and Limnology, 1991(3): 12- 18. (in Chinese))

[4]張玉超, 錢新, 錢瑜, 等. 太湖水溫分層現(xiàn)象的監(jiān)測與分析[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理, 2008, 33(6): 117- 121. (ZHANG Yu-chao, QIAN Xin, QIAN Yu, et al. Field measurement and analysis on diurnal stratification in Taihu Lake[J]. Environmental Science and Management, 2008, 33(6): 117- 121. (in Chinese))

[5]王銳剛. 環(huán)境監(jiān)測中水質(zhì)指標(biāo)間關(guān)系分析[J]. 能源環(huán)境保護(hù), 2012, 25(6): 58- 60. (WANG Rui-gang. Analysis of water quality indexs in the environmental monitoring[J]. Energy Environmental Protection, 2012, 25(6): 58- 60. (in Chinese))

[6]曾春芬, 黃文鈺, 王偉霞, 等. 天目湖溶解氧分布特征及環(huán)境影響因子[J]. 長江流域資源與環(huán)境, 2010, 19(4): 445- 451. (ZENG Chun-feng, HUANG Wen-yu, WANG Wei-xia, et al. Distribution and its influence factors of dissolved oxygen in Tianmu Lake[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2010, 19(4): 445- 451. (in Chinese))

[7]羅琳, 李適宇, 厲紅梅. 夏季珠江口水域溶解氧的特征及影響因素[J]. 中山大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版, 2005, 44(6): 118- 122. (LUO Lin, LI Shi-yu, LI Hong-mei. Chracteristics of dissolved oxygen and its affectiong factors in the Pearl River estuary in summer[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni, 2005, 44(6): 118- 122. (in Chinese))

[8]李秋華, 林秋奇, 韓博平. 廣東大中型水庫電導(dǎo)率分布特征及其受N、P營養(yǎng)鹽的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境, 2005, 14(1): 16- 20. (LI Qiu-hua, LIN Qiu-qi, HAN Bo-ping. Conductivity distribution of water supply reservoirs in Guangdong Province[J]. Ecological Environment, 2005, 14(1): 16- 20. (in Chinese))

[9]劉成倫, 徐龍君. 水溶液中鹽的濃度與其電導(dǎo)率的關(guān)系研究[J]. 中國環(huán)境監(jiān)測, 1999, 15(4): 21- 24. (LIU Cheng-lun, XU Long-jun. Study on the relationship between concentration of salt solution and its conductivity[J]. Environmental Monitoring in China, 1999, 15(4): 21- 24. (in Chinese))

Data analysis and application on the basis of self-propelled underwater monitoring system

WANG Lei-zhi， WANG Yin-tang， DENG Peng-xin， LIU Yong， CUI Ting-ting， HU Qing-fang

(StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China)

By using the self-propelled underwater monitoring system developed by the German Fraunhofer Institute, five water quality parameters, namely dissolved oxygen, conductivity, ammonium, nitrate and temperature were measured in different reservoirs, including Qingfengling reservoir in Rizhao, Duihekou reservoir in Huzhou, Jinniushan reservoir and Qinhuai River in Nanjing. Based on the measured data, the regularities of parameter distribution, the underwater topography and the relationships between different parameters are analyzed, explained and explored with different methods including the underwater topograph graph, the water quality parameters contour map, the water quality slicing graph, the vertical profile and the water quality scatter plots. Several conclusions are drawn as follows: some differences exist in DO on the surface of the reservoir; there is a little difference between the distributions of nitrate at different depths except when it comes to the bottom of the lake, which may be caused by the silt on the riverbed; a dicreasing trend in the temperature from the surface to the bottom is observed; a positive correlation between the conductivity and nitrate/ammonium and a negative correlation between DO and temperature are both observed. The application results indicate that the measured data can rapidly generate 3D structural drawings of underwater topography and water quality which can reflect the main distribution of water quality and water regime.

water quality surveillance; underwater topography; water quality parameters; data analysis

10.16198/j.cnki.1009-640X.2015.06.004

王磊之， 王銀堂， 鄧鵬鑫， 等. 基于水下自走式監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用[J]. 水利水運工程學(xué)報, 2015(6): 25-30. (WANG Lei-zhi, WANG Yin-tang, DENG Peng-xin, et al. Data analysis and application on the basis of self-propelled underwater monitoring system[J]. Hydro-Science and Engineering, 2015(6): 25-30.)

2015-02-09

水利部“948”計劃資助項目(201302)；水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費資助項目(201301075，201501014)；水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室基本科研業(yè)務(wù)費資助項目(Y512010)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(Y513002,Y515010)

王磊之(1991—)，男，江蘇句容人，碩士研究生，主要從事水文水資源方面的研究。E-mail: wanglz@nhri.cn

X832

A

1009-640X(2015)06-0025-06