無人監(jiān)測船在城市內(nèi)河水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用

羅剛，張然

(1. 鎮(zhèn)江市環(huán)境監(jiān)測中心站，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2. 珠海云洲智能科技有限公司，廣東 珠海 519000)

無人監(jiān)測船在城市內(nèi)河水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用

羅剛1，張然2

(1. 鎮(zhèn)江市環(huán)境監(jiān)測中心站，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2. 珠海云洲智能科技有限公司，廣東 珠海 519000)

采用無人船監(jiān)測技術(shù)結(jié)合鎮(zhèn)江市內(nèi)河水質(zhì)狀況普查工作，大于120 h的航行試驗(yàn)，總航行里程約為90 km，對建成區(qū)水體中的氨氮(NH3-N)、溶解氧(DO)、氧化還原電位(ORP)和濁度進(jìn)行原位監(jiān)測，結(jié)果表明，通過合理選擇搭載相應(yīng)的測量電極，無人監(jiān)測船能夠滿足地表水測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的要求，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)研究區(qū)域的監(jiān)測全覆蓋，提升了地表水環(huán)境監(jiān)測的工作效率。

無人船；水環(huán)境；原位監(jiān)測；氨氮；溶解氧；氧化還原電位；濁度

當(dāng)前，全國水環(huán)境形勢非常嚴(yán)峻，流經(jīng)城鎮(zhèn)的一些河段污染普遍較重，部分水體甚至產(chǎn)生了黑臭現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了周邊的生態(tài)環(huán)境和人們的居住環(huán)境。《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》[1]提出“到2020年，地級及以上城市建成區(qū)黑臭水體均控制在10%以內(nèi)；到2030年，城市建成區(qū)黑臭水體總體得到消除”。

《江蘇省水污染防治工作方案》[2]提出“到2020年，地級以上城市建成區(qū)黑臭水體基本消除”。城市黑臭水體整治已經(jīng)成為地方各級人民政府改善城市人居環(huán)境工作的重要內(nèi)容。目前全國大部分城市內(nèi)河受城市發(fā)展的限制，無法充分滿足人工監(jiān)測采樣的條件，導(dǎo)致水體監(jiān)測點(diǎn)位數(shù)量不夠，覆蓋率不足，監(jiān)測數(shù)據(jù)不能很客觀地反映監(jiān)測區(qū)域的水質(zhì)污染狀況[3-4]。

無人船技術(shù)是一種新型的自動(dòng)化監(jiān)測平臺(tái)[5]，依托小型船體，利用GPS定位、自主導(dǎo)航和控制設(shè)備，根據(jù)監(jiān)測工作的需要可搭載多種水質(zhì)監(jiān)測傳感器，以人工遙控或者全自動(dòng)自主導(dǎo)航的工作方式，在航行過程中可到達(dá)水體的絕大部分區(qū)域，對水體進(jìn)行連續(xù)性原位監(jiān)測。該系統(tǒng)可應(yīng)用于城市內(nèi)河、近海岸、水庫甚至海洋等各種類型水體中的多項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)的同步監(jiān)測[6]。同時(shí)，無人船技術(shù)可在水文測繪、水下探測、水下搜索、水環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測等領(lǐng)域扮演重要角色[7-8]。

現(xiàn)利用國內(nèi)自主研制的無人船系統(tǒng)，搭載溶解氧(DO)、濁度、氨氮(NH3-N)和氧化還原電位(ORP)在線監(jiān)測儀器，對鎮(zhèn)江市建成區(qū)內(nèi)河流的水質(zhì)狀況進(jìn)行應(yīng)用監(jiān)測。

1 無人船系統(tǒng)

無人船可應(yīng)用于環(huán)保、水文等行業(yè)的湖泊、水庫、江河、近海等地表水的水質(zhì)采樣監(jiān)測，尤其在突發(fā)環(huán)境事件處置時(shí)，應(yīng)急采樣監(jiān)測無人船因其尺寸小、重量輕，可隨時(shí)裝載于車輛后備箱，隨車輛在第一時(shí)間趕往事發(fā)區(qū)域，深入污染禁區(qū)，按規(guī)定的路線和坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的在線水質(zhì)檢測和水樣采集，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、顯示、存儲(chǔ)以及繪制水質(zhì)參數(shù)圖。圖1是無人船監(jiān)測系統(tǒng)的基本構(gòu)成。

圖1 無人船監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 無人船平臺(tái)

采樣監(jiān)測無人船平臺(tái)的基本構(gòu)成包括船體、主控單元、導(dǎo)航單元、通訊單元、動(dòng)力單元和監(jiān)測單元，各系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 采樣監(jiān)測無人船平臺(tái)各單元技術(shù)參數(shù)

1.2 無人船基站

無人船基站搭配MM70無人船的地面基站軟件，具有水質(zhì)采樣設(shè)置、采樣監(jiān)控、采樣工作報(bào)告生成等功能。

1.3 智能遙控器

智能遙控器可人工遠(yuǎn)距離遙控?zé)o人船進(jìn)行監(jiān)測活動(dòng)，遙感活動(dòng)范圍為360°。

2 無人船在城市內(nèi)河應(yīng)用

2.1 自動(dòng)監(jiān)測

2016年5—6月，利用無人船對鎮(zhèn)江市建成區(qū)內(nèi)8條河流水質(zhì)狀況進(jìn)行普查監(jiān)測，范圍共包括了7條城市內(nèi)河和1個(gè)湖泊，7條內(nèi)河總長度約為72 km，湖泊總面積約為8.8 km2，監(jiān)測因子為DO、NH3-N、ORP和濁度。

圖2是無人船對其中一條河流——古運(yùn)河自動(dòng)監(jiān)測的GPS航跡測點(diǎn)圖。實(shí)際操作方法為現(xiàn)場監(jiān)測前，下載該區(qū)域的北斗衛(wèi)星地圖，在地圖上將古運(yùn)河上需測量的點(diǎn)位編輯進(jìn)入規(guī)劃好的行駛航線，同時(shí)將該點(diǎn)位設(shè)置成監(jiān)測點(diǎn)，無人船執(zhí)行任務(wù)時(shí)則會(huì)在此任務(wù)點(diǎn)上進(jìn)行原位監(jiān)測，監(jiān)測過程中無人船始終處于航行狀態(tài)。

圖2 古運(yùn)河GPS航跡測點(diǎn)

2.2 比對實(shí)驗(yàn)

無人船監(jiān)測時(shí)，取樣深度為水面下0.5 m，用于原位監(jiān)測的電極頭也置于水面以下0.5 m處，測量頻率設(shè)置為每5 min測量一次。為掌握無人船監(jiān)測數(shù)據(jù)的一致性，選取沿河途中便于人工采樣監(jiān)測的10個(gè)點(diǎn)位同時(shí)進(jìn)行實(shí)際水樣比對實(shí)驗(yàn)。比對方法為在無人船經(jīng)過設(shè)定點(diǎn)時(shí)通過智能遙控器命令無人船測量該點(diǎn)的水質(zhì)，同步進(jìn)行人工監(jiān)測，深度為水面以下0.5 m處。對DO、濁度和ORP進(jìn)行原位監(jiān)測，NH3-N項(xiàng)目采樣后送實(shí)驗(yàn)室分析。表2為實(shí)際水樣比對標(biāo)準(zhǔn)，表3為比對實(shí)驗(yàn)分析方法。

表2 實(shí)際水樣比對標(biāo)準(zhǔn)

表3 實(shí)際水樣比對實(shí)驗(yàn)分析方法

2.3 數(shù)據(jù)分析

古運(yùn)河無人船監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖3，古運(yùn)河實(shí)際水樣比對結(jié)果見表4。

圖3 古運(yùn)河無人船監(jiān)測數(shù)據(jù)

表4 古運(yùn)河實(shí)際水樣比對結(jié)果①

①實(shí)際水樣總體比對合格率≥85%為合格。

由圖3和表4可見，無人船搭載在線監(jiān)測儀器航行時(shí)所測量的項(xiàng)目中，DO項(xiàng)目的質(zhì)控比對結(jié)果一致性較好，ORP和NH3-N項(xiàng)目次之，濁度項(xiàng)目最差。分析原因主要與各項(xiàng)目的測量原理以及實(shí)際水樣中含有大量雜質(zhì)干擾有關(guān)。

(1)DO測量時(shí)需保持一定的流速，防止水樣與膜電極接觸瞬間該部位樣品中DO耗盡而出現(xiàn)虛假讀數(shù)，無人船的航行測量很好地滿足了這個(gè)條件；

(2)ORP測量時(shí)鉑片電極響應(yīng)速度快，但是須保持電極表面清潔光亮，而實(shí)際水樣中含較多雜質(zhì)，對ORP電極會(huì)產(chǎn)生一定的干擾；

(3)濁度測量是利用紅外光穿過樣品池來測定水樣中懸浮物顆粒散射的光量，轉(zhuǎn)化為濁度值。該方法需保證樣品池保持穩(wěn)定，無人船航行時(shí)無法保證很好的穩(wěn)定性，導(dǎo)致濁度測量時(shí)多為無效值，不建議無人船搭載濁度電極進(jìn)行水體濁度監(jiān)測；

(4)采用離子選擇電極法測量地表水體中NH3-N時(shí)，水中的金屬離子和高濃度溶解離子會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，且在進(jìn)行低濃度測量時(shí)儀器響應(yīng)速度較慢，數(shù)據(jù)線性關(guān)系不佳。因此在測量目標(biāo)ρ(NH3-N)<0.5 mg/L時(shí)，不建議無人船搭載離子選擇電極測量水中的NH3-N。

(5)圖3中25號點(diǎn)位的濁度和ORP的測量值出現(xiàn)了極值，是因?yàn)闊o人船行駛至該區(qū)域時(shí)，被河道中布置的漁網(wǎng)纏繞住，無人船因?yàn)樾璋凑占榷℅PS軌線行駛而不斷掙扎，船體發(fā)生了嚴(yán)重晃動(dòng)，干擾了濁度和ORP項(xiàng)目的原位測量結(jié)果，從另一方面也說明了無人船航行時(shí)船體的穩(wěn)定性對于測量結(jié)果的重要性。

3 結(jié)語

在鎮(zhèn)江市建成區(qū)內(nèi)河流的水質(zhì)狀況普查工作中，無人船進(jìn)行了超過120 h的航行試驗(yàn)，總航行里程約為90 km，驗(yàn)證了無人船在城市內(nèi)河自動(dòng)航行監(jiān)測的可靠性和可行性。無人船選擇搭載用于原位監(jiān)測的傳感器時(shí)應(yīng)充分考慮其測量原理的適合性，類似于濁度傳感器等不適于在航行時(shí)測量的傳感器不能應(yīng)用于無人船監(jiān)測平臺(tái)上。通過合理搭載相應(yīng)的傳感器原位監(jiān)測地表水的水質(zhì)狀況，無人監(jiān)測船能夠滿足地表水測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的要求，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)研究區(qū)域的監(jiān)測全覆蓋，提升了地表水環(huán)境監(jiān)測的工作效率。

[1] 中華人名共和國中央人民政府.國務(wù)院關(guān)于印發(fā)水污染防治行動(dòng)計(jì)劃的通知(國發(fā)[2015]17號)[EB/OL].(2015-04-02)[2016-09-14].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2015-04/16/content_9613.htm.

[2] 江蘇省人民政府. 省政府關(guān)于印發(fā)江蘇省水污染防治工作方案的通知(蘇政發(fā)[2015]175號)[EB/OL].(2015-12-28)[2016-09-14]. http：//www.jiangsu.gov.cn/jsgov/tj/bgt/201601/t20160111490432.html.

[3] 王衛(wèi)星，高奕龍，陳彬彬，等.無人駕駛自動(dòng)導(dǎo)航水質(zhì)監(jiān)測船[J].信息技術(shù)與信息化，2015(5)：36-38.

[4] 戴玄吏，湯佳峰，章霖之. “湖泛”惡臭物質(zhì)分析及來源淺析[J].環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2010，2(3)：39-41.

[5] 黃國良，徐恒，熊波，等.內(nèi)河無人航道測量船系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].水運(yùn)工程，2016，41(1)：162-168.

[6] MANLEY J E.Unmanned surface vehicles，15 years of delvlopment[C]//Proceedings of MTS/IEEE Quebec Conference and Exhibition，2008：1-4.

[7] 金久才，張杰，邵峰，等.一種海洋環(huán)境監(jiān)測無人船系統(tǒng)及其海洋應(yīng)用[J].海岸工程，2015，34(3)：87-92.

[8] 張萬松，繆旭波，朱風(fēng)松，等. 水污染源在線監(jiān)測系統(tǒng)常見問題及核查方法研究[J].環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2012，4(2)：22-26.

欄目編輯 周立平

Application of Unmanned Surveillance Ship in Inland River Water Quality Monitoring

LUO Gang1，ZHANG Ran2

(1.ZhenjiangEnvironmentalMonitoringCentralStation，Zhenjiang，Jiangsu212000，China； 2.ZhuhaiYunzhouIntelligenceTechnologyCo.Ltd，Zhuhai，Guangdong519000，China)

Unmanned ship is a new type of unmanned automatic monitoring platform， which can be equipped with the corresponding measurement electrode to automatically monitor the status of water quality. This paper used unmanned ship to carry out in situ monitoring of ammonia nitrogen， dissolved oxygen， oxidation reduction potential and turbidity in the waters of built-up area of Zhenjiang city. The results showed that the unmanned ship meets the need of surface water monitoring if it be equipped with the corresponding measuring electrode. The unmanned monitoring vessels can be applied to water environmental monitoring work in the inland city.

Unmanned vessel； Water environment； In situ monitoring； Ammonia nitrogen； Dissolved oxygen； Oxidation reduction potential； Turbidity

2016-09-14；

2016-10-21

羅剛(1981—)，男，高級工程師，碩士，從事環(huán)境監(jiān)測工作。

X832

B

1674-6732(2017)01-0018-03