智能設(shè)備在水污染排查中的應(yīng)用

時(shí)安琪 ,常璽鳳，韓璐璐，王濤，李華，霍達(dá)，陳友信，喬之怡,虞功亮＊

（1.天津農(nóng)學(xué)院水產(chǎn)學(xué)院，天津 300384；2.中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所，武漢 430072)

在水污染典型案例中，2004 年四川沱江由于工業(yè)廢水大量流入，導(dǎo)致當(dāng)?shù)卮蠖鄶?shù)市民沒有干凈的水生活，直接經(jīng)濟(jì)損失更是高達(dá)2.19 億元[1]。從了解污染源頭方面研究水污染情況，想要改善水污染的情況首先就要知道目標(biāo)水域是否為污水，需要對(duì)多個(gè)地段進(jìn)行排查。智能設(shè)備不同于傳統(tǒng)的水污染排查方式，具有智能協(xié)作和多通道交互的特點(diǎn)，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過傳感作用的設(shè)備，與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，不需要人的介入，可以在網(wǎng)絡(luò)上傳輸數(shù)據(jù)信息[2]。

1 水污染的類型

本文主要列舉工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)面源污染、城市污水、農(nóng)村污水四種水污染的類型。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局2015 年數(shù)據(jù)顯示，工業(yè)廢水排放總量為199.5 億噸。農(nóng)業(yè)面源污染所造成的水污染主要體現(xiàn)在地表水與地下水兩方面[3]。2015-2019 年，我國(guó)的污水排放總量在不斷地增長(zhǎng)，到2019年，我國(guó)城市污水排放總量為5546474萬(wàn)立方米，2015-2019 污水的年處理率分別為91.9%、93.44%、94.54%、95.49%、96.81%[4]。農(nóng)村污水主要來(lái)源于農(nóng)村生活污水，我國(guó)農(nóng)村地域分布較廣闊，地理環(huán)境差異較大[5]，不同地區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)狀況及生活質(zhì)量都不相同[6]。城市和鄉(xiāng)村的污水處理率為分別為59.47%和33.3%（圖1）。由此可見，現(xiàn)如今我國(guó)鄉(xiāng)村的環(huán)境問題比較突出，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)比較落后，對(duì)污水進(jìn)行處理的意識(shí)較薄弱。

圖1 中國(guó)城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村污水處理廠數(shù)量

2 傳統(tǒng)的水污染排查

2.1 人工排查

人工排查現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)利用手持式多參數(shù)水質(zhì)測(cè)量?jī)x（所得參數(shù)與其探頭有關(guān)）即時(shí)檢測(cè)出pH 值、溶解氧（Do）等參數(shù)；實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)是將水樣帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，如：化學(xué)耗氧（COD）、總氮（TP）總磷（TN）等。人工排查優(yōu)點(diǎn)是人員機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，可依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況靈活選取采樣點(diǎn)，缺點(diǎn)也是由于人員的主觀局限性，排查范圍較小，不確定因素多。

2.2 人工+GPS 排查

此方法在人工排查的基礎(chǔ)之上將GPS 和GIS 結(jié)合使用，應(yīng)用到水污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中[7]。檢測(cè)工作人員手持GPS 巡檢儀，實(shí)時(shí)獲取GPS 衛(wèi)星定位信息(包括時(shí)間、經(jīng)緯度)[8]。GIS 幫助進(jìn)行水污染信息查詢、水污染趨勢(shì)、模擬等應(yīng)用問題，對(duì)目標(biāo)水體進(jìn)行可視化表達(dá)[9]。GPS幫助人工進(jìn)行準(zhǔn)確的目標(biāo)水域定位，現(xiàn)場(chǎng)勘察水質(zhì)數(shù)據(jù)[10]。GIS 的缺點(diǎn)在柵格結(jié)構(gòu)方面，精度差，難以建立地物間的拓?fù)潢P(guān)系。

2.3 衛(wèi)星遙感排查

圖2 武漢某湖泊污染排查高精度衛(wèi)星遙感影像（分辨率0.35 米）

常用的衛(wèi)星遙感一般就是在衛(wèi)星上搭載成像光譜儀來(lái)獲取數(shù)據(jù)[11]。利用不同波段的光譜特性，構(gòu)建算法模型，從遙感影像上反演出水體中的物質(zhì)組成和含量，實(shí)現(xiàn)水環(huán)境的定量監(jiān)測(cè)[12]。優(yōu)點(diǎn)在于可以采用多顆衛(wèi)星共同監(jiān)測(cè)的情況下短時(shí)間內(nèi)重復(fù)獲取同一區(qū)域的水體的遙感數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[13]。但數(shù)據(jù)上傳周期大，不能及時(shí)獲取目標(biāo)水域水質(zhì)的實(shí)時(shí)信息。

3 智能設(shè)備技術(shù)排查

3.1 無(wú)人機(jī)

無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)利用水體參數(shù)軟件ENVI 等，完成水體柵格數(shù)據(jù)自動(dòng)提取、參數(shù)自動(dòng)反演、可視化網(wǎng)格地圖自動(dòng)生成等排查功能（圖3）。利用無(wú)人機(jī)高光譜對(duì)目標(biāo)水域進(jìn)行飛行來(lái)獲取水質(zhì)影像來(lái)監(jiān)測(cè)出該目標(biāo)水域存在的排污口（圖4）。無(wú)人機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)之處在于它們能夠迅速有效地提高自然和環(huán)境的監(jiān)測(cè)效率[18]。可以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)自動(dòng)監(jiān)控、巡視目標(biāo)地區(qū)和水域。但是因?yàn)闊o(wú)人機(jī)在航空中的飛行狀況非常不平衡，會(huì)直接影響至于無(wú)人機(jī)所需要拍攝圖片的清晰度。

圖3 無(wú)人機(jī)遙感檢測(cè)污水基本流程圖

圖4 無(wú)人機(jī)遙感排污口監(jiān)測(cè)影像

3.2 無(wú)人船

無(wú)人船最基礎(chǔ)的作用是利用船載的視覺傳感器，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)方式下人工眺望，在實(shí)時(shí)采集到的圖像中來(lái)區(qū)分航行區(qū)域，達(dá)到動(dòng)態(tài)規(guī)避航行中的障礙物[14]。無(wú)人船采集的數(shù)據(jù)通過無(wú)線通信技術(shù)傳給上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)分析，以此來(lái)分析該水域的水質(zhì)污染源[15]。利用無(wú)人船優(yōu)點(diǎn)是可檢測(cè)污染區(qū)等水域，無(wú)需擔(dān)心人員安全問題[16]。但無(wú)人船在國(guó)內(nèi)運(yùn)用較少，無(wú)法保證污水口排查工作的準(zhǔn)確性。

3.3 水下機(jī)器人

水下機(jī)器人是一種工作于水下的極限作業(yè)機(jī)器人。水下環(huán)境惡劣危險(xiǎn)，人的潛水深度有限，所以水下機(jī)器人可以重點(diǎn)檢測(cè)水下等無(wú)人機(jī)航測(cè)盲區(qū)[17]。其優(yōu)點(diǎn)在于可在高度危險(xiǎn)環(huán)境、被污染環(huán)境以及零可見度的水域代替人工在水下長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，缺點(diǎn)在于水下機(jī)器人運(yùn)行的環(huán)境復(fù)雜，水聲傳感器普遍存在精度較差、跳變頻繁等。

4 典型案例分析

聞亮[18]等人根據(jù)無(wú)人機(jī)遙感的太湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)信息集成系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于太湖水體中各種藻類覆蓋范圍等指標(biāo)進(jìn)行提取。通過無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)知道藻類覆蓋范圍后，與網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合可以獲取對(duì)應(yīng)地點(diǎn)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)站等數(shù)據(jù)，使水質(zhì)要素(TP、懸浮物濃度、濁度等)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的光譜反射率數(shù)據(jù)結(jié)合進(jìn)行反演建模分析其關(guān)系。實(shí)驗(yàn)證明，此體系對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的水質(zhì)要素濃度值、藻類的覆蓋范圍及成因分析等信息有很不錯(cuò)的提取效果，可以廣泛應(yīng)用于內(nèi)陸水體的水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與污染預(yù)警巡查。

5 結(jié)論與展望

本文結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用案例，現(xiàn)得出以下結(jié)論：

通過主要類型和排放方式總結(jié)出社會(huì)上的水資源污染嚴(yán)重，城鄉(xiāng)水污染處理能力相差較大。

水污染排查方式中主要還是以人工排查為主，開展大范圍或者采集不方便水域的水樣監(jiān)測(cè)，需要借助無(wú)人智能設(shè)備進(jìn)行排查。

無(wú)人智能設(shè)備在水污染應(yīng)用仍不夠廣泛。比如無(wú)人船的使用在國(guó)內(nèi)并不普及，因?yàn)槠錈o(wú)法保證污水口排查工作的準(zhǔn)確性。

無(wú)人智能設(shè)備雖然在時(shí)間和效率上大大超出了人工排查，但都具有排查的準(zhǔn)確性無(wú)法保證的缺點(diǎn)，其在技術(shù)優(yōu)化方面還有瓶頸無(wú)法突破。

水污染排查方式的運(yùn)用受到氣候氣象條件、水域環(huán)境特征等因素的影響，針對(duì)不同水體采用不同的無(wú)人設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，形成一套完整的內(nèi)陸水體監(jiān)測(cè)體系，為未來(lái)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。