王亦斌，孫 濤，王亦寧，楊 喆*，溫濤源

(1.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210019；2.南瑞集團(tuán)(國網(wǎng)電力科學(xué)院)有限公司，江蘇 南京 211106)

作為工農(nóng)業(yè)發(fā)展和社會民生的重要載體，水環(huán)境安全和保護(hù)是生態(tài)環(huán)境保護(hù)的焦點(diǎn)，也是生態(tài)文明建設(shè)的重要一環(huán)。水環(huán)境保護(hù)重在監(jiān)管，水質(zhì)在線監(jiān)測是實(shí)時掌握水質(zhì)動態(tài)、實(shí)現(xiàn)水環(huán)境質(zhì)量即時分析及預(yù)警的主要技術(shù)手段。南水北調(diào)工程作為國家戰(zhàn)略性工程，主要任務(wù)是優(yōu)化我國水資源配置、解決北方地區(qū)水資源短缺問題，因此，其輸水水質(zhì)是項目運(yùn)行中的核心關(guān)切[1-4]。相比于通過取水單元將水樣輸送至站房內(nèi)供監(jiān)測儀器分析的傳統(tǒng)方法，水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)原位、實(shí)時在線監(jiān)測，避免了水樣采集、運(yùn)輸過程中的時間、空間性失真。水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)的原位性優(yōu)勢使其近些年備受關(guān)注，并成為一種新興水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)[5]。劉保良等[6]介紹了水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)在廣西近岸海域水質(zhì)評價中的應(yīng)用。阮華杰等[7]通過浙江省海洋與漁業(yè)局在臺州大陳海域投放的生態(tài)浮標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)對赤潮暴發(fā)過程中在線浮標(biāo)監(jiān)測的數(shù)據(jù)變化趨勢進(jìn)行了分析。李鵬等[8]對浮標(biāo)系統(tǒng)在海洋預(yù)報、防災(zāi)減災(zāi)、海洋權(quán)益維護(hù)及保障工作中的作用進(jìn)行了探討。張學(xué)良[9]分析了海洋浮標(biāo)系統(tǒng)從安裝、調(diào)試、布放、運(yùn)維過程以及上送數(shù)據(jù)的質(zhì)量管控措施。

然而，現(xiàn)有的國內(nèi)外監(jiān)測浮標(biāo)應(yīng)用和相關(guān)科研報道多集中于海洋監(jiān)測[10]，關(guān)于多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)在內(nèi)河的應(yīng)用及報道則較少。南水北調(diào)東線江蘇水源公司于2019年12月在徐州市南水北調(diào)東線京杭運(yùn)河段藺家壩監(jiān)測斷面投放1套水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)系統(tǒng)，并在南水北調(diào)東線江蘇水源公司建立了水資源數(shù)據(jù)監(jiān)測管理平臺，實(shí)現(xiàn)對藺家壩斷面水質(zhì)數(shù)據(jù)的原位實(shí)時監(jiān)控。本文基于2019—2020年該套浮標(biāo)提供的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對藺家壩斷面中水質(zhì)要素的變化進(jìn)行分析，分析探討浮標(biāo)在內(nèi)河水質(zhì)評價方面的應(yīng)用。

1 浮標(biāo)總體設(shè)計及配置

1.1 水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)概述

浮標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)主要通過在河流/湖庫布放監(jiān)測浮標(biāo)(安裝有水質(zhì)、營養(yǎng)鹽等在線監(jiān)測傳感器及輔助系統(tǒng))，達(dá)到數(shù)據(jù)自動采集、數(shù)據(jù)存儲、北斗數(shù)據(jù)傳輸、北斗/GPS定位及自動報警等功能，為政府有關(guān)部門提供直觀、實(shí)時的監(jiān)測斷面水質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)與信息。浮標(biāo)式水質(zhì)自動在線監(jiān)測系統(tǒng)由基本支撐系統(tǒng)(浮標(biāo)體)、監(jiān)測儀器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成。

1.2 浮標(biāo)總體設(shè)計

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際需求，自主設(shè)計浮標(biāo)體并委托有資質(zhì)生產(chǎn)單位生產(chǎn)加工。浮標(biāo)體內(nèi)部為電子艙和浮力空腔兩部分，電子艙位于浮標(biāo)體內(nèi)部中心：主要集成總控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集模塊、通訊模塊和電源管理系統(tǒng)，電子艙底部為蓄電池單元，蓄電池組單獨(dú)密封和集成于此；電子艙兩側(cè)各設(shè)置一個監(jiān)測井用于固定安裝各類監(jiān)測傳感器，所有水下傳感器位于水面以下，測量數(shù)據(jù)具有代表性。定期維護(hù)時，可打開監(jiān)測井蓋，將監(jiān)測傳感器安裝支架從傳感器倉中提出，即可進(jìn)行試劑更換、清洗探頭等維護(hù)操作。氣象傳感器、北斗/GPRS通訊天線、太陽能板及標(biāo)燈、雷達(dá)反射器等安裝在浮標(biāo)體上部支架。自研監(jiān)測浮標(biāo)站系統(tǒng)照片如圖1所示。

圖1 監(jiān)測浮標(biāo)站

1.3 系統(tǒng)配置

浮標(biāo)站依靠太陽能供電系統(tǒng)供電，太陽能供電系統(tǒng)由太陽能板、蓄電池和太陽能充放電控制器組成，太陽能板的功率總數(shù)和蓄電池的容量保證在遇到連續(xù)15d陰雨天氣的情況下，仍能正常供電。通過計算，太陽能供電系統(tǒng)配置采取3塊60 W單晶光伏面板并聯(lián)、2塊100 Ah鉛酸蓄電池并聯(lián)+太陽能充放電控制器的設(shè)計。

參照《地表水自動監(jiān)測技術(shù)規(guī)劃》(征求意見稿)中監(jiān)測指標(biāo)的相關(guān)建議以及本項目具體需求，本浮標(biāo)監(jiān)測站配置常規(guī)五參數(shù)傳感器、營養(yǎng)鹽(氨氮、總磷、總氮)分析儀、位置信息(經(jīng)度、緯度)模塊、實(shí)時功耗模塊共11個參數(shù)作為監(jiān)測指標(biāo)(表1)，監(jiān)測頻率為6h一次。

表1 浮標(biāo)監(jiān)測項目一覽

1.4 投放運(yùn)行

本研究以南水北調(diào)東線京杭運(yùn)河段藺家壩監(jiān)測斷面為監(jiān)測點(diǎn)投放水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)。該監(jiān)測斷面位于江蘇省徐州市銅山區(qū)京杭運(yùn)河河段，該斷面寬約100 m、平均水深大于5 m、平均流速小于0.1 m/s，現(xiàn)場條件符合浮標(biāo)投放及運(yùn)行。運(yùn)用吊機(jī)將浮標(biāo)投放至河中合適位置，利用錨鏈固定浮標(biāo)，隨后啟動浮標(biāo)系統(tǒng)。根據(jù)浮標(biāo)上傳數(shù)據(jù)質(zhì)量及試劑消耗情況，定期對浮標(biāo)進(jìn)行運(yùn)維工作。

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測結(jié)果

水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)入水啟動監(jiān)測后對該斷面的流水進(jìn)行連續(xù)在線監(jiān)測，采樣、分析及上送數(shù)據(jù)頻率為每6 h監(jiān)測1次。本項目中所安裝的數(shù)據(jù)采集控制模塊、數(shù)據(jù)傳輸通信模塊、定位導(dǎo)航模塊、五參數(shù)傳感器、營養(yǎng)鹽分析儀分別采用南瑞集團(tuán)自主研發(fā)制造的ACS-500數(shù)據(jù)采集器、DT4100 GPRS DTU全網(wǎng)通無線傳輸裝置、ACS-GPS外置GPS衛(wèi)星定位授時終端、N-3000系列多參數(shù)水質(zhì)傳感器、N-1000系列高集成一體式原位營養(yǎng)鹽分析儀(氨氮、總磷、總氮)。監(jiān)測指標(biāo)包括pH、水溫、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、氨氮、總磷、總氮、緯度、經(jīng)度、實(shí)時電流信號，以上設(shè)備通過國家相關(guān)認(rèn)證。2019年12月至2020年11月期間浮標(biāo)獲取上傳的數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表2。結(jié)果表明，水溫極低值、極高值分別出現(xiàn)在1月、8月；水體pH年值較為穩(wěn)定；溶解氧在7.4～10.9 mg/L之間，主要受水溫及微生物代謝活動的影響；濁度、氨氮、總磷、總氮的較高值出現(xiàn)在降雨初期的一段時間，主要原因是降雨和地表徑流輸入引起的懸濁物、污染物含量較高[6,11]；經(jīng)度、緯度數(shù)值基本恒定，表明浮標(biāo)未發(fā)生顯著漂移，確保了監(jiān)測點(diǎn)始終為該斷面；系統(tǒng)的實(shí)時電流受水溫影響較大，這與營養(yǎng)鹽分析儀表在測定總磷、總氮時消解程序升溫能耗有關(guān)，當(dāng)水溫較低時，消解升溫能耗變大，故而實(shí)時電流最大值出現(xiàn)在水溫最低的1月。

表2 水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)的水質(zhì)指標(biāo)年均值統(tǒng)計

2.2 監(jiān)測斷面水質(zhì)評價

水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)獲取的數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)管理平臺，由平臺系統(tǒng)根據(jù)水質(zhì)指標(biāo)數(shù)值對日水質(zhì)類別進(jìn)行評價，評價依據(jù)國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)對于水質(zhì)劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。藺家壩斷面的水質(zhì)評價統(tǒng)計分析結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明，藺家壩斷面日均水質(zhì)在III類及III類以上水平占到了全年的95%以上，基本符合南水北調(diào)東線供水水質(zhì)目標(biāo)要求。水質(zhì)好壞主要的影響因素是高錳酸鹽指數(shù)，高錳酸鹽指數(shù)的變動主要受氮、磷元素含量及地表徑流輸入的污染物影響[6,11]。

圖2 藺家壩斷面水質(zhì)類別統(tǒng)計結(jié)果

3 結(jié) 論

藺家壩斷面的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果表明，水溫極低值、極高值分別出現(xiàn)在1月、8月；水體pH年值較為穩(wěn)定；溶解氧在7.4～10.9 mg/L之間，主要受水溫及微生物代謝活動的影響；濁度、氨氮、總磷、總氮的較高值出現(xiàn)在降雨初期的一段時間，主要原因是降雨和地表徑流輸入引起的懸濁物、污染物含量較高。

藺家壩斷面的水質(zhì)評價統(tǒng)計分析結(jié)果表明，藺家壩斷面日均水質(zhì)在III類及III類以上水平占到了全年的95%以上，基本符合南水北調(diào)東線供水水質(zhì)目標(biāo)要求。水質(zhì)好壞主要的影響因素是高錳酸鹽指數(shù)。

本研究針對內(nèi)河特征設(shè)計開發(fā)出高集成多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)，并用于南水北調(diào)東線京杭運(yùn)河斷面的水質(zhì)監(jiān)測。運(yùn)行結(jié)果表明，多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)原位、連續(xù)、實(shí)時地監(jiān)測水體質(zhì)量的變化，通過浮標(biāo)的布設(shè)，能夠?qū)崟r掌握該斷面的水質(zhì)動態(tài)情況，做到對水質(zhì)指標(biāo)異常的預(yù)警預(yù)報，更有效地保護(hù)水體環(huán)境，為內(nèi)陸水資源開發(fā)利用、決策與規(guī)劃、運(yùn)河環(huán)境和生態(tài)管理，為科學(xué)研究和環(huán)境評價提供科學(xué)的依據(jù)。