無人船巡河在河長(zhǎng)制中的應(yīng)用分析

彭秋偉,文林森,錢鏡林

(1.共青團(tuán)浙江水利水電學(xué)院委員會(huì)，浙江 杭州 310018；2. 浙江省錢塘江管理局勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310016；3. 浙江水利水電學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

河長(zhǎng)制成功使過去的“九龍治水”、令出多門，變成現(xiàn)在的黨委政府統(tǒng)籌多部門治水，扭轉(zhuǎn)了地區(qū)分割、部門分治的狀況，統(tǒng)籌“山水林田湖草”各種要素，兼顧河湖上下游、左右岸、干支流，開創(chuàng)了協(xié)同治水新體制，形成了系統(tǒng)治水新局面。河長(zhǎng)巡河履職能夠?qū)拥绬栴}早發(fā)現(xiàn)、早處理、早解決，是全面落實(shí)河長(zhǎng)制的首要抓手。傳統(tǒng)巡河工作時(shí)間長(zhǎng)、效率低、成本高,部分地方人工巡河無法到達(dá)甚至還容易發(fā)生某些危險(xiǎn)，這些痛點(diǎn)一直縈繞著巡河工作。隨著生態(tài)環(huán)境與城市治理進(jìn)入攻堅(jiān)戰(zhàn)階段，對(duì)水域治理精準(zhǔn)化、精細(xì)化要求不斷提升，河長(zhǎng)巡河工作的重要性加強(qiáng)、工作量大幅增加，這進(jìn)一步倒逼傳統(tǒng)巡河方式變革[1-4]。

無人船是一種可以無須實(shí)時(shí)遙控，借助精確衛(wèi)星定位和自身傳感即可按照預(yù)設(shè)任務(wù)在水面航行的全自動(dòng)水面機(jī)器人。通過內(nèi)置精準(zhǔn)度厘米級(jí)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，搭載水質(zhì)檢測(cè)設(shè)備、測(cè)掃設(shè)備，多波束對(duì)指定區(qū)域進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)、水下地形測(cè)繪、水平面以下暗管測(cè)掃、經(jīng)緯度坐標(biāo)定位等[5-6]。無人船載高密度水質(zhì)分析監(jiān)測(cè)設(shè)施可以完成實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測(cè)，通過連續(xù)的水質(zhì)分析結(jié)果判斷水質(zhì)污染、污水排出等問題，已有逐漸取代單點(diǎn)取樣分析的傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)模式的趨勢(shì)。根據(jù)《浙江省深化“五水共治”碧水行動(dòng)計(jì)劃(2021—2025 年)》提出的堅(jiān)持整體智治，推進(jìn)科學(xué)治水，強(qiáng)化治水新技術(shù)應(yīng)用，進(jìn)一步推動(dòng)治水從傳統(tǒng)治理向智慧治理轉(zhuǎn)變等要求，探索無人船巡河能否作為河(湖)長(zhǎng)履職工作創(chuàng)新方式極為必要。

1 無人船技術(shù)原理

本次研究采用型號(hào)為C120X全光譜法水質(zhì)監(jiān)測(cè)無人船，利用GPS進(jìn)行定位和導(dǎo)航，通過船載多種光譜傳感器及輔助設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)的自動(dòng)采樣和多參數(shù)測(cè)量，同時(shí)利用無線通信實(shí)現(xiàn)對(duì)無人船的遠(yuǎn)程操控以及數(shù)據(jù)傳輸,無人船工作操作流程如圖1所示[7]。船體構(gòu)成包括動(dòng)力系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、地面基站系統(tǒng)、水質(zhì)分析系統(tǒng)、自動(dòng)采樣系統(tǒng)，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

圖1 無人船工作操作流程

表1 全光譜法水質(zhì)監(jiān)測(cè)無人船關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

2 無人船走航與人工采樣水質(zhì)檢測(cè)對(duì)比

2.1 研究方法

利用無人船載水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器及視頻攝像頭，在相關(guān)流域典型河道內(nèi)間隔一定距離進(jìn)行水質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)取樣，對(duì)化學(xué)需氧量(COD)、溶解氧(DO)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)等4項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，根據(jù)數(shù)據(jù)變化分析查找疑似污染源等問題。

在無人船走航發(fā)現(xiàn)的水質(zhì)異常點(diǎn)位處進(jìn)行人工水質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)取樣，選取《地表水環(huán)境治理標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)》評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表1中除水溫、總氮、糞大腸菌群以外的21項(xiàng)指標(biāo)，由相關(guān)專業(yè)監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)出具相應(yīng)的指標(biāo)監(jiān)測(cè)報(bào)告，其中對(duì)水樣數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià),按照COD、DO、NH3-N、TP等4項(xiàng)指標(biāo)中最差的指標(biāo)類別認(rèn)定水質(zhì)類別。

對(duì)比分析在兩種不同的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方式下，COD、DO、NH3-N、TP等各項(xiàng)指標(biāo)的差異性，以此分析判斷無人船巡河的精準(zhǔn)性及實(shí)用性。

2.2 研究區(qū)概況

楠溪江，古名甌水，浙江省東海獨(dú)流入海河流甌江的第二大支流。發(fā)源于永嘉縣、仙居縣交接的黃里坑，自北而南，流經(jīng)永嘉中心腹地，直注甌江，干流總長(zhǎng)140 km，流域面積約2 490 km2，上中游平均河寬50 m，河道平均坡降7.4%，平均年徑流量2.85×1010m3。本次無人船走航范圍為楠溪江河道金溪鎮(zhèn)至甌江匯合口處(圖2)，總長(zhǎng)度約40 km。

圖2 楠溪江河段巡河范圍

2.3 無人船沿程走航及問題點(diǎn)1自動(dòng)采樣監(jiān)測(cè)水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)

無人船沿程完成了近40 km，883個(gè)點(diǎn)位的COD、DO、NH3-N、TP采樣監(jiān)測(cè)，相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)较到y(tǒng)，系統(tǒng)自動(dòng)生成水質(zhì)參數(shù)分布圖(圖3)。其中沿程有2處點(diǎn)位水質(zhì)參數(shù)NH3-N、TP數(shù)值發(fā)生嚴(yán)重突變。筆者只選定問題點(diǎn)1開展研究分析，其他問題點(diǎn)暫不作討論。問題點(diǎn)1的各項(xiàng)指標(biāo)具體數(shù)值見表2。

圖3 無人船沿程采樣監(jiān)測(cè)COD、DO、NH3-N、TP變化情況

表2 問題點(diǎn)1附近相關(guān)數(shù)據(jù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)值

2.4 問題點(diǎn)1人工采樣水質(zhì)檢測(cè)指標(biāo)

根據(jù)無人船走航自動(dòng)采樣上傳的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化，分析查找疑似污染源等問題點(diǎn)1位置，在該點(diǎn)位現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行人工水質(zhì)取樣，并委托權(quán)威機(jī)構(gòu)對(duì)人工采樣進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)，得到問題點(diǎn)1相應(yīng)的指標(biāo)檢測(cè)數(shù)值(表3)。

由表3數(shù)據(jù)可知，在問題點(diǎn)1附近，無人船水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)最差情況為TP為0.412 9 mg/L(劣V類水)，NH3-N為2.35 mg/L(劣V類水)，COD、DO均為Ⅰ類水。而人工檢測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)最差的TP為0.774 mg/L(劣V類水)、NH3-N為3.47 mg/L(劣V類水)、COD為32 mg/L(V類水)，船載水質(zhì)數(shù)據(jù)均低于定點(diǎn)水樣抽查的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，整體上數(shù)據(jù)有偏差。

問題點(diǎn)1位于甌江匯合口處，從衛(wèi)星地圖上可知該區(qū)域周邊存在大量居民區(qū)，可能存在生活污水排放至江中的情形。現(xiàn)場(chǎng)結(jié)合無人機(jī)視頻拍攝結(jié)果，在此區(qū)域河道周邊存在大量菜地，在耕種過程中可能存在肥料入河造成指標(biāo)突變情況。無人船水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能客觀反映河道沿程水質(zhì)整體變化趨勢(shì)水平，并發(fā)現(xiàn)水體渾濁、水質(zhì)突變等疑似問題，通過將實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)與無人船走航實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)檢測(cè)水質(zhì)有異常的采樣點(diǎn)周圍，無人船走航監(jiān)測(cè)亦可反應(yīng)異常狀態(tài)，因此，船載水質(zhì)數(shù)據(jù)可作為疑似問題的技術(shù)線索，供有關(guān)部門內(nèi)部參考使用。

3 無人船巡河優(yōu)勢(shì)及存在問題

3.1 優(yōu) 勢(shì)

1) 無人船搭載全光譜水質(zhì)分析儀監(jiān)測(cè)pH、NH3-N、TP、DO等水質(zhì)指標(biāo)，采用光學(xué)原理實(shí)現(xiàn)水質(zhì)分析，沒有任何試劑的消耗，綠色環(huán)保，不會(huì)對(duì)水環(huán)境造成二次污染。

2) 無人船具有體量小靈活，對(duì)不同流速河流適應(yīng)性良好，降低人身安全風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)，適合開展復(fù)雜水域采樣監(jiān)測(cè)，是傳統(tǒng)采樣監(jiān)測(cè)的有益補(bǔ)充。全光譜法無人船水質(zhì)監(jiān)測(cè)頻率可達(dá)30 s/組數(shù)據(jù)，反應(yīng)迅速，可有效提升監(jiān)測(cè)效率。尤其在部分河道流速較大的情況下，優(yōu)勢(shì)非常明顯，可以高效地進(jìn)行河道水質(zhì)監(jiān)測(cè)。

3) 引進(jìn)涵蓋水質(zhì)采樣、監(jiān)測(cè)、暗管排查、現(xiàn)場(chǎng)錄像等功能的多個(gè)系列無人船開展綜合調(diào)查，可以克服傳統(tǒng)人工排查工作中普遍存在的排污口數(shù)量多、工作效率低、排口精準(zhǔn)定位難、人工采樣監(jiān)測(cè)受外因影響嚴(yán)重、人工排查安全隱患明顯等方面的不足與困難，滿足了對(duì)入河、海排污口全面監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)治污的要求。

4) 為打破傳統(tǒng)人工采樣密度稀疏、定期監(jiān)測(cè)的局面，可通過將人工采樣定期監(jiān)測(cè)， 國(guó)控、省控站在線監(jiān)測(cè)和無人船巡航監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方式，構(gòu)建網(wǎng)格化水質(zhì)監(jiān)測(cè)體系，提升監(jiān)測(cè)密度。打破傳統(tǒng)預(yù)警監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)期處在事后監(jiān)測(cè)的狀態(tài)，在實(shí)際使用過程中實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)異常，及時(shí)通過手機(jī)客戶端以及電腦客戶端預(yù)警。

3.2 存在問題

1) 本次巡河工作，無人船只在河道內(nèi)的走航方式為單向一次式走航，由于船只體積小，水質(zhì)傳感器檢測(cè)覆蓋面很小，尤其是對(duì)于寬度較大的河道。覆蓋面小的話，對(duì)于問題的發(fā)現(xiàn)就比較片面，可能存在很多問題檢測(cè)不到的情況，造成巡河結(jié)果的片面性和不完整性。就巡河過程來看，若要對(duì)河道水質(zhì)問題做到全面覆蓋巡查的話，需要針對(duì)河道進(jìn)行全覆蓋式走航，但這種方式巡河的工作量會(huì)大大增加，并不適合多條、跨區(qū)域、長(zhǎng)距離的河道。

2) 無人船在巡河水質(zhì)檢測(cè)的過程中，很容易碰到安全問題。由于船只體積較小，在河道中由于風(fēng)浪的原因容易被水波打翻，或在河道中遇到水草、鐵絲網(wǎng)等不確定因素可能造成船只受損無法進(jìn)行水質(zhì)測(cè)量的情況，嚴(yán)重的情況下可能會(huì)造成船只損毀甚至沉沒的后果。

3) 當(dāng)前無人船自動(dòng)監(jiān)測(cè)的水質(zhì)數(shù)據(jù)指標(biāo)種類以及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與傳統(tǒng)的人工采樣實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)還有一定的距離。因此，無人船巡河并不適合需要精確水質(zhì)數(shù)據(jù)的作業(yè)。但是無人船巡河能夠監(jiān)測(cè)常規(guī)的幾項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)，并且其變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)的相吻合，較傳統(tǒng)的人工巡河方式已經(jīng)有較大的改善。

4 結(jié) 論

通過無人船巡河可以實(shí)時(shí)掌握水質(zhì)情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)污染源位置，配合無人機(jī)視頻影像能夠直觀、有效地發(fā)現(xiàn)問題。一方面可以提高巡河的精準(zhǔn)性，真正發(fā)現(xiàn)河湖中存在的水質(zhì)問題；另一方面，可以以智能代替人工，減輕基層河(湖)長(zhǎng)的負(fù)擔(dān)。使用無人船巡河是河(湖)長(zhǎng)履職工作方式和方法的一種創(chuàng)新，符合新時(shí)期以問題為導(dǎo)向的河長(zhǎng)制工作模式，也是推進(jìn)科學(xué)治水，強(qiáng)化治水新技術(shù)應(yīng)用，促使河長(zhǎng)制從“有名”向“有實(shí)”轉(zhuǎn)變的繼續(xù)深化，促進(jìn)河湖治理體系和治理能力現(xiàn)代化建設(shè)的關(guān)鍵步伐。