基于無人船技術(shù)的郪江水質(zhì)研究

張海柱，王 璞，蔣紅斌，張 悅，馮 琳

(四川省遂寧生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站，四川 遂寧 629000)

前 言

無人船具有體積小、質(zhì)量小、適應性強以及測量精度高等優(yōu)點，是一種具備自導航操縱特性的無人駕駛水面船舶[1]，能夠高效準確的完成水面巡航和現(xiàn)場監(jiān)測工作。已經(jīng)廣泛的應用于大水域、沉陷水域、水庫、城市內(nèi)河和污染源解析等[2～6]，可以實現(xiàn)對全流域連續(xù)的現(xiàn)場采樣和分析工作。

郪江是涪江一級支流，大英縣飲用水源[7]，干流全長65km，有古柏溪、黃臘溪、瑰溪等9條支流。郪江流域遂寧段流經(jīng)象山鎮(zhèn)、玉峰鎮(zhèn)、蓬萊鎮(zhèn)和隆盛鎮(zhèn)，于回馬鎮(zhèn)匯入涪江，生態(tài)環(huán)境部在遂寧市入境斷面象山和郪江匯入涪江前郪口設(shè)立了國家考核斷面，對遂寧市環(huán)境質(zhì)量進行目標考核[8]。郪江流域在遂寧市人均地表水資源量僅為276.99m3，占有量低，水資源緊缺，超過水環(huán)境承載力，河流稀釋和自凈能力相對較差。由于遂寧市工業(yè)的快速發(fā)展，郪江沿河場鎮(zhèn)的迅速壯大，沿岸化肥農(nóng)藥的大量使用，郪江水質(zhì)起伏較大，不能穩(wěn)定達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)[9]Ⅲ類標準要求。四川省遂寧生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站每月初只對國家考核斷面郪口和象山進行例行監(jiān)測，采用手工采樣和實驗室分析方法無法全面獲取郪江流域遂寧段全流域水質(zhì)狀況信息。利用無人船在線采樣及監(jiān)測手段，排查了2022年7～9月郪江流域遂寧段全流域水質(zhì)情況，采用單因子污染指數(shù)[10]、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)[11]和斷面類別比例法[12]對數(shù)據(jù)進行分析，等標污染負荷法和負荷比[13]對入河排污口進行評價。為郪江流域遂寧段水環(huán)境現(xiàn)狀分析、水質(zhì)變化趨勢分析、污染成因解析、水質(zhì)異常預警判別等提供數(shù)據(jù)支撐。

1 無人船系統(tǒng)

采用珠海云洲智能科技股份有限公司SE40多任務(wù)無人船(圖1)，搭載采樣器、GPS定位系統(tǒng)、小型氣象站、測掃聲納和水質(zhì)監(jiān)測儀等多模塊，對郪江流域遂寧段全流域多點位連續(xù)水樣采集和在線監(jiān)測。

內(nèi)置流動注射分析系統(tǒng)，載流攜帶樣品在封閉的反應器與試劑混合，流過光度檢測器，采用光度法測定環(huán)境水體中的總磷、氨氮和總氮的含量。便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀基于智能傳感器原理，測量參數(shù)包括溫度、電導率、pH值、溶解氧和濁度。便攜式CODCr在線監(jiān)測棒基于紫外吸收法測量原理。

圖1 無人船系統(tǒng)Fig.1 Unmanned surface vehicle system

2 調(diào)查內(nèi)容和方法

2.1 調(diào)查內(nèi)容

郪江干流每300m設(shè)置1個監(jiān)測斷面，從上游入境斷面象山到下游匯入涪江郪口斷面共設(shè)置監(jiān)測斷面215個，支流每200m設(shè)置一個監(jiān)測斷面，共設(shè)置監(jiān)測斷面46個。對7個重點入河排口進行現(xiàn)場調(diào)查，以排口所在位置為中心，在排口的上游50m處、排口附近處、排口的下游50m處及靠對岸側(cè)50m處分別布置監(jiān)測點位采取河道水進行監(jiān)測，7個排口共布設(shè)點位35個。采用無人船對全流域296個斷面走航監(jiān)測。

2.2 質(zhì)量控制

水質(zhì)監(jiān)測的過程中，為了保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，在每日作業(yè)前對儀器設(shè)備進行校準。同時按照每20個樣品/次有證標準物質(zhì)驗證的方式進行質(zhì)量控制，若出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏離超過規(guī)范標準時，則對相應批次的水樣重新采樣和分析。

在國家考核斷面郪口和象山水質(zhì)自動站取水口處測試所得數(shù)據(jù)與自動站數(shù)據(jù)相比較，驗證無人船測試數(shù)據(jù)的準確性。所有監(jiān)測項目所得數(shù)據(jù)中，電導率相對誤差最小是0.17%，最大的溶解氧是17.37%，所有數(shù)據(jù)均能夠滿足質(zhì)量控制要求。

2.3 評價方法

采用單因子污染指數(shù)D和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)P對斷面水質(zhì)進行分析，參考《內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)等級劃分標準》(表1)對各斷面水質(zhì)進行定性評價[11]。斷面類別比例法(表2)對郪江流域遂寧段的流域狀況定性評價[12]。

單因子污染指數(shù)利用監(jiān)測數(shù)據(jù)和評價標準進行對比，選取水質(zhì)最差的類別即為評價結(jié)果，該方法概念明確，易于計算，缺點在于以最差的水質(zhì)單項指標確定綜合水質(zhì)類別，弱化了其他水質(zhì)因子的作用。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)既考慮了參加評價的各種污染物的污染指數(shù)，還考慮了最大污染物的污染指數(shù)，可以更合理的反應各監(jiān)測斷面的污染性質(zhì)和程度。斷面類別比例法根據(jù)各級水質(zhì)類別的斷面數(shù)占河流所有評價斷面總數(shù)的百分比表征河流水質(zhì)狀況，用于對流域水質(zhì)和區(qū)域地表水總體狀況進行定性評價。

表1 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)劃分等級Tab.1 Class of Nemero comprehensive pollution index

表2 水質(zhì)類別比例劃分等級Tab.2 Classification of water quality by proportion

(1)

(2)

式中：n為水質(zhì)個數(shù)；Ci為水質(zhì)實際監(jiān)測值(mg/L)；Si為地表水環(huán)境質(zhì)量標準(GB3838-2002)Ⅲ類標準限值(mg/L)。

采用等標污染負荷(Pi)和污染負荷比Ki對支流和入河排口進行評價[13]。

(3)

(4)

式中：Pi為某污染物的等標污染負荷(t/a)；Ci為某污染物的實測濃度(mg/L)；Cs為某污染評價標準(mg/L)；Qi為含某污染物的排水量(t/a)；Ki為負荷比。

3 結(jié)果分析

3.1 流域水質(zhì)現(xiàn)狀

郪江流域遂寧段261個監(jiān)測斷面，采用單因子污染指數(shù)進行評價，pH和氨氮的單因子污染指數(shù)分別為0.13～0.92和0.01～0.90，全流域沒有出現(xiàn)超標。溶解氧部分斷面出現(xiàn)過飽和，單因子污染指數(shù)出現(xiàn)極大值。總磷只有一個斷面單因子污染指數(shù)超過1，超標率0.38%。CODCr的單因子污染指數(shù)范圍為0.32～1.36，超標率67.1%。郪江流域遂寧段261個監(jiān)測斷面中有176個斷面水質(zhì)劣于Ⅲ類。其中，175個斷面CODCr超標，古柏溪、通仙河、瑰溪、小蒜溪和黃辣溪斷面超標率均達到100%。為該流域首要污染物。評價指標CODCr斷面超標率見表3。

表3 CODCr斷面超標率Tab.3 The over-standard rate of the CODCr (%)

對干流水質(zhì)空間分布進行研究，氨氮入境象山斷面濃度較高，為Ⅲ類水質(zhì)，往中游方向濃度急劇下降，水質(zhì)轉(zhuǎn)好為Ⅱ類。進入大英縣城區(qū)段，濃度逐漸升高，受大英縣城區(qū)外排工業(yè)廢水和生活污水影響，水質(zhì)變差為Ⅲ類水質(zhì)。進入下游河段濃度逐漸下降，恢復Ⅱ類水質(zhì)?？偭鬃陨嫌沃料掠畏较?，除象山鎮(zhèn)夏團路大橋斷面受象山鎮(zhèn)污水處理廠外排廢水影響超過Ⅲ類水質(zhì)標準限值外，其余斷面濃度變化幅度不大，總磷濃度能夠穩(wěn)定達到Ⅲ類水質(zhì)標準。CODCr入境斷面象山能夠達到Ⅲ類水質(zhì)，單因子污染指數(shù)為0.94，達標形勢嚴峻。自上游至下游方向，濃度呈現(xiàn)先降低再升高的趨勢，在進入大英縣城區(qū)后至下游段CODCr濃度均高于Ⅲ類水質(zhì)標準限值，215條干流監(jiān)測斷面從上游象山鎮(zhèn)到下游匯入涪江CODCr單因子污染指數(shù)變化趨勢見圖2。

圖2 CODCr單因子污染指數(shù)變化趨勢Fig.2 Variation trend of single-factor index of CODCr

上游河段除了象山鎮(zhèn)外，兩岸基本為農(nóng)田，無較大污染源匯入，水質(zhì)未受較大污染。上游至中游河段由于水體自凈能力，水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)。中游進入大英城區(qū)，受人類活動影響，從河道取水、工業(yè)和生活廢水進入河道，水質(zhì)明顯惡化，下游除了隆盛鎮(zhèn)外，兩岸基本為農(nóng)田，憑借水體自凈能力，到達郪口斷面附近，相對中游水質(zhì)才有所回升。郪江流域遂寧段全流域無人船巡航從上游象山鎮(zhèn)到下游匯入涪江利用單因子污染指數(shù)進行評價的水質(zhì)類別如圖3所示。

圖3 水質(zhì)類別分布Fig.3 The distribution of water quality categories

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)對水質(zhì)情況進行綜合分析，郪江流域遂寧段內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)范圍是0.27～4.47，261個監(jiān)測斷面中，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)主要分布在0.5～1.0之間，水質(zhì)清潔占比為87.7%，是郪江流域遂寧段主要水質(zhì)類型。烽潤食品有限公司斷面到趙家壩大橋斷面溶解氧出現(xiàn)過飽和，單因子污染指數(shù)出現(xiàn)極大值，導致內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)出現(xiàn)峰型趨勢，其余斷面內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)相對平穩(wěn)，從上游象山鎮(zhèn)到下游匯入涪江內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)變化趨勢結(jié)果如圖4所示。烽潤食品有限公司斷面到趙家壩大橋斷面水流緩慢，為浮游生物尤其是藻類的生長提供了條件。沿岸種植面積廣，地表污染物尤其是總磷和總氮通過徑流進入郪江流域，導致水體富營養(yǎng)化。溶解氧過飽和，總磷和總氮濃度偏高。

“絕宸上仙，這墨顏仙子已是我的屬下，你怕是不能帶走了?！贝执髽渲ι险局炷闲茄渎暤?，“我勸你休管閑事，海金沙我已得到！那竹瀝珠熬不了幾日·，也會自動現(xiàn)身！我煉成飛龍掌血指日可待。你若識趣，不如幫我一起尋找竹瀝珠。待本座一統(tǒng)三界時，依然可以封你為戰(zhàn)神……”

圖4 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)變化趨勢Fig.4 Variation trend of nemerow comprehensive index

采用斷面類別比例法定性分析郪江流域遂寧段的水質(zhì)狀況，水質(zhì)為Ⅱ類點位有11個，占比4.2%，Ⅲ類點位有74個，占比28.4%，Ⅳ類點位有176個，占比67.4%，無Ⅴ類和劣Ⅴ類水體，郪江流域遂寧段綜合水質(zhì)以Ⅳ類為主，流域水質(zhì)為輕度污染。支流除寸塘口河水質(zhì)狀況良好外，其余支流均為輕度污染。各類別水質(zhì)所占百分比見圖5。

郪江流域遂寧段干流水質(zhì)為Ⅱ類和Ⅲ類的點位主要分布在中上游，入境水質(zhì)能夠達到Ⅲ類標準要求，中國死海旅游度假區(qū)到浪漫地中海國際文化旅游度假區(qū)河段整體綜合水質(zhì)最優(yōu)，均為Ⅱ類水質(zhì)。中下游點位的水質(zhì)普遍為Ⅳ類，大英縣工業(yè)園區(qū)到郪江入涪江處河段整體綜合水質(zhì)較差，均為Ⅳ類水。本次監(jiān)測的8條支流中，有5條支流的監(jiān)測點位水質(zhì)均為Ⅳ類，分別為古柏溪、通仙河、瑰溪、小蒜溪、黃辣溪。郪江流域遂寧段支流只有寸塘口河水質(zhì)良好，其余均為輕度污染，支流水質(zhì)對干流綜合水質(zhì)存在直接影響。各監(jiān)測河段采用斷面類別比例法水質(zhì)評價情況見表4。

圖5 水質(zhì)類別比例Fig.5 Proportion of water quality categories

表4 流域水質(zhì)狀況Tab.4 The water quality status of Qijiang river

3.2 入河排口水質(zhì)調(diào)查

3.2.1 入河污染物排放量

為掌握郪江流域遂寧段水質(zhì)污染成因，分析重要排水口排水對河道污染程度，對郪江流域遂寧段入河排口進行了現(xiàn)場調(diào)查，干流共計有47處入河排口。間斷式排口40處，主要為城市和鄉(xiāng)村雨水泄洪口。連續(xù)式排口7處，4處為城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理排放口，3處為大英縣城雨污混合排放口。對連續(xù)排放的7處入河排口外排水進行了同步的水質(zhì)和水量監(jiān)測，廢水中污染物眾多，選取郪江流域遂寧段典型污染物CODCr、氨氮和總磷進行分析和統(tǒng)計，對年排放量進行了估算，結(jié)果如表5所示。7個連續(xù)排放的排污口入河方式主要為明渠，三種污染物入河總量為58.4t，大英縣工業(yè)污水處理廠排污口外排廢水中CODCr入河污染物量最多，為41.7t。其次為大英縣城市生活污水處理廠排污口，CODCr入河污染物量為7.56t，對水質(zhì)影響較大的污染因子均為CODCr。三個城市雨水排口外排水流量小，污染因子濃度低，入河污染物量小，對郪江流域遂寧段水質(zhì)影響小。

表5 入河排口信息Tab.5 The information of discharge outlets (t/a)

3.2.2 入河排污口評價

為反映各排口對郪江流域遂寧段水質(zhì)的影響，對各排口采用等標污染負荷和負荷比進行評價。主要污染物CODCr、氨氮和總磷的等標污染負荷分別為2.87 t/a、0.62 t/a、2.33 t/a，負荷比分別為49.3%、10.7%和40.0%。將各入河排污口的等標污染負荷進行對比排序可以看出，大英縣工業(yè)污水處理廠排口的等標污染負荷最高，負荷比為54.1%，主要污染物CODCr的負荷比為62.0%。象山鎮(zhèn)污水處理廠排口的等標污染負荷也相對較高，其負荷比為29.9%，主要污染物總磷的負荷比為59.8%，結(jié)果見表6。

表6 入河排口污染負荷Tab.6 The pollution load of discharge outlets

除了象山鎮(zhèn)污水處理廠和隆盛鎮(zhèn)污水處理站位于鄉(xiāng)鎮(zhèn)外，其余排口均位于大英縣城區(qū)，郪江流域遂寧段上游來水雖然能夠達到地表水環(huán)境質(zhì)量標準Ⅲ類水質(zhì)，但是CODCr單因子污染指數(shù)為0.94，在進入大英縣城區(qū)后，沿途城鎮(zhèn)工業(yè)廢水、生活污水和面源污染進入河道，各種排污口外排廢水中主要污染物CODCr加重河道負荷。從大英縣城區(qū)至下游段CODCr濃度均高于Ⅲ類水質(zhì)標準限值，水質(zhì)均為Ⅳ類，CODCr成為影響水質(zhì)的主要污染因子。

為分析各排口外排水對郪江流域遂寧段水體水質(zhì)的影響，對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)重要排水口排水質(zhì)量進行監(jiān)測分析。以河流寬度為基準，取其1/2寬為半徑(約50m)，以排入河道區(qū)域布設(shè)的監(jiān)測點為中心，對7個排水口上下游及正對岸3點布設(shè)監(jiān)測斷面同步進行無人船走航監(jiān)測。用于對比排口排水流入河道經(jīng)彌散后對河道的影響，結(jié)果見表7。

表7 入河排口水質(zhì)評價Tab.7 The water quality evaluation of discharge outlets (mg/L)

從表7可以看出，郪江流域遂寧段干流沿程各排口對水質(zhì)產(chǎn)生的影響。象山鎮(zhèn)污水處理廠外排廢水首要污染物是總磷，水體中總磷濃度從該斷面上游到下游增加了0.012mg/L，排口對岸經(jīng)過橫向擴散后總磷濃度增加了0.008mg/L，CODCr和氨氮外排水濃度和地表水濃度接近，對地表水體基本無影響，CODCr上游來水距離Ⅲ類限值空間較小。鹽井街道梨子壩村、新代機械和盛馬外寶石巖三個雨水排口外排水濃度低于或者接近地表水體水質(zhì)，對地表水體無影響，甚至部分斷面產(chǎn)生稀釋作用。大英縣城市生活污水廠外排廢水污染物濃度均低于地表水體，由于稀釋作用和水體自凈能力，下游水質(zhì)優(yōu)于上游水質(zhì)。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，大英縣城市生活污水廠對岸為回水區(qū)，水體流動緩慢，污染物沉積富集，水質(zhì)明顯變差。大英縣工業(yè)污水處理廠外排水污染物濃度接近地表水體水質(zhì)，排口上、中、下和對岸水質(zhì)接近，外排水對地表水體無影響。郪江流域遂寧段經(jīng)過大英縣城區(qū)進入下游隆盛鎮(zhèn)，CODCr濃度均高于Ⅲ類水質(zhì)標準限值，隆盛鎮(zhèn)污水處理站外排廢水CODCr高于Ⅲ類水質(zhì)標準限值，加重了郪江流域水體負荷，排口下游和對岸CODCr濃度值均增加了0.4mg/L。郪江流域遂寧段干流沿程各排口對周邊地表水體的敏感指標CODCr、氨氮和總磷影響較小，由于上游來水CODCr接近Ⅲ類標準限值，水體納污容量有限，各排口外排廢水均不同程度加重了流域CODCr負荷。

4 結(jié) 論

以郪江流域遂寧段為研究對象，利用無人船技術(shù)對全流域和重點排污口進行了巡航監(jiān)測，對流域水質(zhì)現(xiàn)狀進行了綜合評價，分析了沿程水質(zhì)變化趨勢并揭示出影響水質(zhì)的污染因子。對入河排污口進行了現(xiàn)場調(diào)查并探討了入河排污口對水質(zhì)的影響。

(1)郪江流域遂寧段全流域261條監(jiān)測斷面的走航監(jiān)測，主要水質(zhì)類別為Ⅳ類，斷面類別比例法分析流域水質(zhì)為輕度污染。上游水質(zhì)優(yōu)于下游，中游水質(zhì)最差。CODCr入境斷面象山單因子污染指數(shù)為0.94，達標形勢嚴峻。大英縣城區(qū)至下游段CODCr單因子污染指數(shù)均高于1.0，成為影響流域達標的污染因子和首要污染物。67.1%的監(jiān)測斷面中CODCr單因子污染指數(shù)略高于1.0，流域內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)主要在1.0以下，87.7%監(jiān)測斷面水質(zhì)類別為清潔。

(2)對郪江流域遂寧段7個主要入河排水口進行現(xiàn)場調(diào)查和走航監(jiān)測，雨水排口外排水流量小，污染因子濃度低，入河污染物總量小，等標污染負荷和負荷比均小于污水排放口，對地表水體水質(zhì)影響小甚至產(chǎn)生稀釋作用。城市工業(yè)和生活污水處理排放口CODCr入河總量、等標污染負荷和負荷比均高于其他污染因子。流域上游來水有機負荷容量有限，各排口外排廢水均不同程度加重了流域有機負荷，致使大英縣城區(qū)至下游河段全面超標。

(3)郪江流域在遂寧市內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展水平及人口分布屬較為密集地區(qū)，河流稀釋和自凈能力對相對較差，上游來水達標形勢嚴峻。針對存在問題，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)空間布局，建立起與流域生態(tài)環(huán)境保護要求相適應、與生態(tài)承載力相適應的生產(chǎn)力布局，遵循自然恢復為主的原則制定分區(qū)保護方案。完善對流域沿岸護坡、河堤的景觀建設(shè)，防止水土流失和化肥農(nóng)藥污染通過地表徑流和雨水排污口進入河道。通過實施入河排污口綜合治理，促進流域水質(zhì)持續(xù)改善，提升水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。