新型簡(jiǎn)易透明度檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)與研究

楊瑞豐

(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116023)

透明度是指水體能夠使光線透過(guò)的程度，是水質(zhì)監(jiān)測(cè)的常規(guī)項(xiàng)目之一，也是反映水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要指標(biāo)。在富營(yíng)養(yǎng)化高發(fā)期，透明度的監(jiān)測(cè)能夠直觀快捷地反映水體的實(shí)時(shí)狀況，因此高頻次的水質(zhì)透明度監(jiān)測(cè)已成為水庫(kù)日常檢測(cè)工作之一。目前，檢測(cè)人員通常按照《透明度的測(cè)定(透明度計(jì)法、圓盤(pán)法)》(SL 87-1994)規(guī)定，將黑白圓盤(pán)浸入水中，直到幾乎看不見(jiàn)圓盤(pán)為止，記錄浸入水中部分的長(zhǎng)度即為透明度[1]。該方法測(cè)量時(shí)操作步驟簡(jiǎn)單，獲取結(jié)果快，但會(huì)受到空間、水文、氣象、光線等多因素的影響，存在一定的局限性[2]。

對(duì)水庫(kù)水體透明度的監(jiān)測(cè)，若選擇乘船至水庫(kù)中心測(cè)定，則當(dāng)檢測(cè)頻次很高時(shí)，頻繁地使用船會(huì)耗費(fèi)大量人力物力，從而降低高頻次檢測(cè)效率；若以無(wú)人機(jī)、攝像頭、信號(hào)傳感器和岸邊大型驅(qū)動(dòng)裝置為主的測(cè)量設(shè)備進(jìn)行測(cè)定，則存在操作復(fù)雜、生產(chǎn)和維護(hù)成本較高、設(shè)備機(jī)動(dòng)性差等問(wèn)題[3]。若選擇在水庫(kù)岸邊進(jìn)行測(cè)定，由于一般水庫(kù)壩體坡度較大，黑白圓盤(pán)難以垂直下沉，導(dǎo)致圓盤(pán)往往還未下沉到測(cè)試要求的深度就已經(jīng)停留在壩上，使監(jiān)測(cè)難以正常進(jìn)行。

為此，本文通過(guò)研究改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備與測(cè)量方法，在減少大量人力物力成本的前提下，能夠快捷高效地在岸邊對(duì)水庫(kù)水體透明度進(jìn)行檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)量

1.1 裝置設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)易透明度檢測(cè)裝置見(jiàn)圖1。

圖1 簡(jiǎn)易透明度檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)1-伸縮桿；2-繩盤(pán)；3-拉繩；4-鋼環(huán)；5-防滑纏繞帶；6-閉環(huán)狀；7-黑白盤(pán)；8-沉錘；9-安全扣；10-手柄；11-固定槽

伸縮桿為多段結(jié)構(gòu)，每段的最前端設(shè)有鋼環(huán)，繩盤(pán)固定在伸縮桿上，拉繩一端纏繞在繩盤(pán)上，另一端依次穿過(guò)伸縮桿上的鋼環(huán)后，端部通過(guò)安全扣與黑白盤(pán)和沉錘相連。

伸縮桿設(shè)計(jì)為3段伸縮結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)桿長(zhǎng)0.8m，兩個(gè)伸長(zhǎng)桿均為0.7m。收縮后占用空間小，便于攜帶，全部拉伸后可達(dá)到2.2m，滿足常規(guī)水庫(kù)透明度測(cè)定條件。伸縮桿上的3個(gè)鋼環(huán)選用機(jī)械強(qiáng)度高且光滑的材質(zhì)，可有效減少拉繩的磨損，減輕拉拽黑白盤(pán)時(shí)的阻力。

在基礎(chǔ)桿的正中間設(shè)有凹槽，與繩盤(pán)背面的凸起相匹配，用于固定繩盤(pán)，方便拆卸。桿的末端有用于手持的防滑纏繞帶。繩盤(pán)的正面設(shè)有手柄，檢測(cè)時(shí)打開(kāi)手柄進(jìn)行纏線。拉繩帶有刻度，一端纏在繩盤(pán)上，另一端為閉環(huán)狀，與安全扣相連接。拉繩刻度分度值為1cm，總長(zhǎng)10m，滿足一般水體透明度測(cè)量要求。標(biāo)10m刻度一端纏在繩盤(pán)上，標(biāo)0m刻度一端連接黑白盤(pán)。

安全扣和沉錘均帶有螺紋，安全扣底座為螺帽狀，沉錘后端為螺絲狀，將黑白盤(pán)固定在中間，沉錘可根據(jù)不同水流條件選用不同重量，以減少黑白盤(pán)在水中的偏移，該結(jié)構(gòu)易于更換。

1.2 實(shí)驗(yàn)操作流程

使用本裝置對(duì)水庫(kù)透明度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)，依次組裝繩盤(pán)、拉繩、黑白盤(pán)和沉錘，并將伸縮桿拉伸至最長(zhǎng)。檢測(cè)人員站在岸邊靠近水體，一只手握住伸縮桿纏繞帶位置，控制伸縮桿另外一端接觸水面，使黑白盤(pán)自由下沉，另一只手通過(guò)手柄控制拉繩長(zhǎng)度及黑白盤(pán)位置，直至剛好看不見(jiàn)黑白盤(pán)。讀取繩盤(pán)位置拉繩上的刻度，減去桿長(zhǎng)2.2m，即為水下拉繩的長(zhǎng)度，最后通過(guò)公式校正后得到該水體透明度。

1.3 校正計(jì)算

由于岸邊存在坡度，操作人員目視方向并非由上至下的直視，水下拉繩長(zhǎng)度小于真實(shí)透明度，需對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行校正。如圖2所示進(jìn)行建模，BC為水平面，檢測(cè)人員站在B點(diǎn)，將伸縮桿全部展開(kāi)，頂端觸碰在水面C的位置進(jìn)行檢測(cè)，D為人眼剛好看不見(jiàn)黑白盤(pán)時(shí)的位置。其中，AB為檢測(cè)人員手持裝置到地面的距離，預(yù)設(shè)為1.2m；AC為裝置伸縮桿長(zhǎng)度，為2.2m；通過(guò)計(jì)算BC距離為1.84m。CD為黑白盤(pán)在水下的垂直高度，即測(cè)量透明度；AD為人眼注視黑白盤(pán)的光程。水下部分ED即為實(shí)際透明度。

為得到準(zhǔn)確的透明度結(jié)果，需要確定測(cè)量值CD與實(shí)際透明度ED的關(guān)系，從圖2可以看出，通過(guò)相似三角形計(jì)算，AB/BE=CD/CE，設(shè)測(cè)量值CD為a，則

圖2 校正計(jì)算示意圖

(1)

《透明度的測(cè)定(透明度計(jì)法、圓盤(pán)法)》(SL 87-1994)中規(guī)定，透明度1m以內(nèi)結(jié)果記錄精確到1cm；1m以上深度結(jié)果記錄精確到0.1m，根據(jù)水庫(kù)實(shí)際透明度變化范圍分析，通過(guò)計(jì)算：

(2)

當(dāng)a≤0.7時(shí)，通過(guò)式(1)與式(2)得到的透明度結(jié)果誤差小于4%，符合監(jiān)測(cè)要求。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為進(jìn)一步驗(yàn)證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，2019年6月每周一對(duì)大連英那河水庫(kù)(Y)和松樹(shù)水庫(kù)(S)進(jìn)行透明度檢測(cè)，當(dāng)月共監(jiān)測(cè)4次。乘船至水庫(kù)中心利用常規(guī)黑白盤(pán)檢測(cè)透明度，同時(shí)在相同監(jiān)測(cè)條件下于水庫(kù)岸邊采用該簡(jiǎn)易透明度檢測(cè)裝置測(cè)量，檢測(cè)結(jié)果比對(duì)見(jiàn)表1。

表1 兩種檢測(cè)方法結(jié)果比對(duì)

由表1中數(shù)據(jù)可知，英那河水庫(kù)(Y1～Y4)水質(zhì)較好，該裝置檢測(cè)的結(jié)果與常規(guī)船采結(jié)果完全一致；松樹(shù)水庫(kù)(S1～S4)透明度相對(duì)較低，但兩種方法檢測(cè)結(jié)果誤差很小(< 3%)，符合監(jiān)測(cè)要求。說(shuō)明該方法的檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可信，而同時(shí)相比常規(guī)船采法，又大大節(jié)省了人力物力，這為水庫(kù)透明度檢測(cè)提供了便利。

由于兩種檢測(cè)方法都是基于塞氏圓盤(pán)法，該方法檢測(cè)方便快捷，但是精確度較低。從表1中可以看到，當(dāng)實(shí)際透明度大于1.30時(shí)，兩種方法檢測(cè)結(jié)果一致，該裝置可完全替代傳統(tǒng)船采方式。透明度越小，誤差越大，6月是藻類(lèi)高發(fā)期，浮游生物大量繁殖，水體透明度明顯降低，表中S4的透明度0.70 m基本已達(dá)到該水庫(kù)的最低透明度，2.86%的誤差符合監(jiān)測(cè)要求。對(duì)于透明度更低的其他極端水體，可以采用拆除伸縮桿，在岸邊直接用黑白盤(pán)測(cè)定的方法，低透明度使得黑白盤(pán)未沉至壩底便可準(zhǔn)確讀數(shù)。

3 透明度檢測(cè)裝置的優(yōu)勢(shì)

相比于市場(chǎng)上現(xiàn)有的透明度檢測(cè)裝置，該實(shí)驗(yàn)方法具有明顯優(yōu)勢(shì)，主要解決了在有坡度的水庫(kù)壩前難以進(jìn)行透明度監(jiān)測(cè)的問(wèn)題。

a.相比行船至庫(kù)中監(jiān)測(cè)的方式，大大降低了對(duì)船只使用的依賴，為日常高頻次監(jiān)測(cè)提供另一種方式，尤其是在水體富營(yíng)養(yǎng)高發(fā)期，為透明度的連續(xù)監(jiān)測(cè)提供便利。

b.適用性廣，適合各種水體透明度監(jiān)測(cè)，在湖泊、魚(yú)塘等有坡度的岸邊都可以達(dá)到監(jiān)測(cè)目的。

c.現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)單，只需讀取繩盤(pán)位置拉繩的數(shù)據(jù)結(jié)果，相比常規(guī)方法目視的距離更近，結(jié)果更加準(zhǔn)確。

d.伸縮桿可收縮至0.8 m, 繩盤(pán)和黑白盤(pán)拆卸方便，全部組件易于整理，占用空間小，便于野外攜帶。

e.裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作和維護(hù)成本低。

4 結(jié) 語(yǔ)

透明度是水質(zhì)監(jiān)測(cè)重要指標(biāo)，尤其在藻類(lèi)高發(fā)期能夠直觀反映水體富營(yíng)養(yǎng)化程度，如何能又快又準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)已成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。最常用的檢測(cè)方法塞式圓盤(pán)法具有局限性，本研究對(duì)塞氏圓盤(pán)法進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易透明度檢測(cè)裝置，有效地解決在有坡度的水庫(kù)壩前難以進(jìn)行透明度監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，為透明度測(cè)定提供了一種新的方式。通過(guò)建模確定校正公式，使檢測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確。檢測(cè)結(jié)果與采用常規(guī)船采法結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，基本一致，說(shuō)明了新方法具有較高的可信性。該方法具有適用性廣、操作簡(jiǎn)單，占用空間小和成本低等優(yōu)勢(shì)，具有良好的實(shí)用價(jià)值與市場(chǎng)前景。