某區(qū)域內(nèi)的河道調(diào)查及排水口水質(zhì)分析

劉露露，張瑞濤，王 瑾，韓 猛，朱 程，張紅良

(1.深之藍(lán)海洋科技股份有限公司 天津300457；2.天津市和平區(qū)生態(tài)環(huán)境局 天津300041)

0 引 言

我國的河流水資源相當(dāng)豐富，河川徑流總量歷年來位居世界第三，年均達(dá)到了27000億m3[1]。但經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)對河流水資源產(chǎn)生了一定的負(fù)面影響，河流水質(zhì)污染和富營養(yǎng)化的現(xiàn)象偶有發(fā)生，在對我國七大水系 216條河流 503個(gè)主要斷面進(jìn)行監(jiān)測后，我們發(fā)現(xiàn)Ⅰ～Ⅲ類的水質(zhì)為 38%，Ⅳ、Ⅴ類的水質(zhì)為 29.5%、優(yōu)Ⅴ類水質(zhì)為 32.5%。因此，對河流水質(zhì)變化進(jìn)行分析和研究，出臺保護(hù)對策對改善水質(zhì)具有重要意義[2-3]。

在某河道地表水水質(zhì)日常監(jiān)測過程中，某區(qū)域內(nèi)地表水水質(zhì)數(shù)據(jù)出現(xiàn)了異?，F(xiàn)象，針對導(dǎo)致該河道水質(zhì)異常的污染源，本著查清楚、找明白的原則，展開了此次調(diào)查分析。由于本次調(diào)查水域范圍較大且現(xiàn)場水質(zhì)采樣對水域深度有一定的要求，分析研究主要是利用水下機(jī)器人搭載多參數(shù)水質(zhì)傳感器進(jìn)行現(xiàn)場水質(zhì)采樣分析，并通過通信接口直接將采集數(shù)據(jù)上傳至水下機(jī)器人地面控制基站，從而提高監(jiān)測結(jié)果的有效性，符合現(xiàn)場采樣工作的質(zhì)量控制要求，確保了采樣的代表性和及時(shí)性[4-5]。

結(jié)合文獻(xiàn)研究和現(xiàn)場實(shí)際情況，本文選取“常規(guī)四參數(shù)”[水溫、溶解氧(DO)、濁度、電導(dǎo)率][6]及葉綠素作為水質(zhì)分析指標(biāo)。此外，通過搭載掃描聲吶實(shí)時(shí)動態(tài)觀察排水口閘門的開合情況，以綜合分析水質(zhì)數(shù)據(jù)異常的原因。

1 問題現(xiàn)狀

某區(qū)域內(nèi)河道地表水監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示，結(jié)果顯示，該區(qū)域內(nèi)河道各采樣點(diǎn)位的水質(zhì)指標(biāo)數(shù)值在點(diǎn)位1和點(diǎn)位2之間存在一定差異。初步分析認(rèn)為，河道內(nèi)排水口可能發(fā)生滲漏或可能存在未發(fā)現(xiàn)的不明排水口，為確定此異常的來源，本文對此進(jìn)行了后續(xù)調(diào)查分析。

表1 某河道地表水監(jiān)測數(shù)據(jù)Tab.1 Surface water monitoring data of one river

2 河道調(diào)查結(jié)果

該河道內(nèi)水流速度緩慢，可使用水下機(jī)器人采用走航式監(jiān)測方式，以便兼顧效率的同時(shí)保證監(jiān)測效果。具體方法為：水下機(jī)器人按照圖1所示軌跡沿待調(diào)查水域段每隔10m采集一次數(shù)據(jù)，如圖1中圓點(diǎn)所示位置(河面寬 50m)，采樣要求是水深小于 5m時(shí)在水面下0.5m處采集表層水樣，水深超過5m時(shí)在水面下 0.5m、河底上 0.5m 分別采集表底層混合水樣，采集的數(shù)據(jù)以該位置數(shù)據(jù)穩(wěn)定后連續(xù)觀察 30s的平均值為最終取值。為保證數(shù)據(jù)采集的真實(shí)性和連貫性，調(diào)查日期選取在未降雨的日期進(jìn)行連續(xù)觀測，同時(shí)為了保證測量結(jié)果的信效度，隔日調(diào)查時(shí)覆蓋前序調(diào)查的100m的區(qū)域，以分析差異并保證調(diào)查區(qū)域內(nèi)無漏檢。

圖1 走航式測量水下機(jī)器人軌跡示意圖Fig.1 Trajectory diagram of ROV walk navigation pattern monitoring

本次走航式調(diào)查沿待調(diào)查河道起點(diǎn)開始，每間隔10m進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，共計(jì)花費(fèi) 5d時(shí)間，沿河道連續(xù)監(jiān)測水質(zhì)變化，指標(biāo)數(shù)據(jù)采集超 8000項(xiàng)，其中水體電導(dǎo)率數(shù)據(jù)變化如圖2所示，可以看出在水下機(jī)器人監(jiān)測調(diào)查期間水體電導(dǎo)率平均值維持在1000μS/cm，水質(zhì)變化波動較小，水樣電導(dǎo)率指標(biāo)基本無梯度變化，未發(fā)現(xiàn)明顯異常現(xiàn)象。

圖2 走航式監(jiān)測電導(dǎo)率水質(zhì)指標(biāo)梯度變化Fig.2 Conductance variation diagram of walknavigation pattern monitoring

走航式監(jiān)測調(diào)查水樣濁度變化如圖3所示，由數(shù)據(jù)分析可得監(jiān)測 5d內(nèi)濁度平均值為 9.3NTU，說明在監(jiān)測過程中水質(zhì)總體基本一致，水樣濁度指標(biāo)基本無梯度變化，符合自然河流的特征，未發(fā)現(xiàn)其他明顯異?，F(xiàn)象。

圖3 走航式監(jiān)測濁度水質(zhì)指標(biāo)梯度變化Fig.3 Turbidity variation diagram of walk navigation pattern monitoring

走航式監(jiān)測調(diào)查水樣葉綠素變化如圖4所示，可見實(shí)時(shí)監(jiān)測水樣葉綠素平均值維持在 7.77SPAD，水質(zhì)變化未見明顯異常現(xiàn)象，水樣葉綠素指標(biāo)基本未發(fā)生梯度變化，監(jiān)測過程未發(fā)現(xiàn)其他明顯異?，F(xiàn)象。

圖4 走航式監(jiān)測葉綠素水質(zhì)指標(biāo)梯度變化Fig.4 Chlorophyll variation diagram of walk navigation pattern monitoring

走航式監(jiān)測水樣溶解氧含量變化趨勢如圖5所示，由數(shù)據(jù)分析可得實(shí)時(shí)采集的水樣溶解氧濃度平均值約為 2.49mg/L，水中溶解氧在監(jiān)測期間波動未發(fā)現(xiàn)明顯異常，水樣溶解氧指標(biāo)未發(fā)生明顯梯度變化，監(jiān)測過程未發(fā)現(xiàn)其他明顯異?，F(xiàn)象。

圖5 走航式監(jiān)測溶解氧水質(zhì)指標(biāo)梯度變化Fig.5 Dissolved oxygen variation diagram of walk navigation pattern monitoring

3 入河排水口調(diào)查結(jié)果

據(jù)悉，該區(qū)域河道段中包含多個(gè)入河排水口，沿調(diào)查起始點(diǎn)開始分別對其編號為排口1、排口2至排口 N，針對該河段內(nèi)入河排水口情況，采用定點(diǎn)式監(jiān)測。針對排口外情況，將排口位置分為 5個(gè)區(qū)域，以排口位置為中心，沿水流方向，間隔5m，自上游向下游進(jìn)行編號，分別為位置 1、2、3、4、5采樣區(qū)域，如圖6所示。使用水下機(jī)器人搭載多參數(shù)水質(zhì)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測水體的電導(dǎo)率、溶解氧、濁度和葉綠素等水質(zhì)指標(biāo)，并結(jié)合掃描聲吶動態(tài)分析排口閘門的開合情況；針對排口內(nèi)情況，采取就近取水樣的方式分析水樣水質(zhì)情況。

圖6 排口位置示意圖Fig.6 Trajectory diagram of drainage outlets

若已排除閘門出現(xiàn)顯著滲漏的情況，則可通過以排口為中心建立間隔 10m 的網(wǎng)格化觀測網(wǎng)，以排口中心為水樣采集深度，通過水下機(jī)器人進(jìn)行快速的定點(diǎn)監(jiān)測，在橫縱網(wǎng)格交點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，以該位置數(shù)據(jù)穩(wěn)定后連續(xù)觀察 30s的平均值為最終取值，針對測定結(jié)果進(jìn)行分析和確認(rèn)，以判斷是否存在可能的慢速泄露。

定點(diǎn)式監(jiān)測水質(zhì)差異變化如圖7所示，可以看出水樣電導(dǎo)率、濁度、溶解氧和葉綠素指標(biāo)變化未見明顯異常，排水口內(nèi)外水質(zhì)存在一定差異變化，各排水口內(nèi)水質(zhì)通常略優(yōu)于排水口外水質(zhì)。在監(jiān)測過程中，通過掃描聲吶分析得出排口 4、排口 5(共用一個(gè)排口)和排口10閘門處于打開的狀態(tài)，如圖8、9所示，其他排口均處于關(guān)閉狀態(tài)。排口4和排口5的水體情況相比較而言，排口處電導(dǎo)率較低，同時(shí)濁度較高，根據(jù)以上情況，排出的水應(yīng)該是金屬鹽含量較低的水，同時(shí)具有較大的濁度，疑似存在一定的雨污混流情況，可能會導(dǎo)致水質(zhì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生異常；排口 10處電導(dǎo)率較低和濁度較低，溶解氧較高，此時(shí)應(yīng)該排放的是雨水，符合排口排放要求。

圖7 排口內(nèi)外水質(zhì)差異變化圖Fig.7 Water quality variation diagram of inside and outside drainage outlets

圖8 排口4和排口5聲吶圖像Fig.8 Scanning sonar image of drainage outlets 4 and 5

圖9 排口10聲吶圖像Fig.9 Scanning sonar image of drainage outlet 10

4 結(jié) 論

①采用走航式水質(zhì)監(jiān)測調(diào)查時(shí)，未發(fā)現(xiàn)水下存在不明排口或異常污染源的證據(jù)。

②采用定點(diǎn)式水質(zhì)監(jiān)測調(diào)查時(shí)，排口 4和排口5(共用一個(gè)排口)可能存在雨污混流的情況，其他位置未處于排水期，暫時(shí)無法進(jìn)行具體分析。

③為保障該河道地表水水質(zhì)和維護(hù)良好的生態(tài)環(huán)境，建議對河道實(shí)施連續(xù)記錄、動態(tài)監(jiān)測，以實(shí)現(xiàn)持續(xù)性預(yù)防水資源污染的目標(biāo)。