黎文輝

摘要：為了更有效地改善地表水環(huán)境，給予防治措施更可靠的實(shí)施依據(jù)，基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種地表水狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)。以窄帶物聯(lián)網(wǎng)為技術(shù)支持，建立感知層、傳輸層及應(yīng)用層，結(jié)合電源、微控制器構(gòu)成實(shí)時(shí)監(jiān)測平臺(tái)，采集、傳輸?shù)乇硭疇顟B(tài)信息的同時(shí)完成對地表水狀態(tài)的監(jiān)測。在通過瞬時(shí)采樣法采集監(jiān)測點(diǎn)處的地表水樣本后，利用電感耦合等離子體質(zhì)譜法等方法，分析各污染物的特征分布狀況。測試結(jié)果表明：隨水流方向，所選研究區(qū)域內(nèi)地表水中的重金屬污染物呈現(xiàn)出顯著的空間分布差異性，且平均含量超出V類水標(biāo)準(zhǔn)，屬重度污染。

關(guān)鍵詞：地表水；窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；物理狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測；重金屬污染物；污染物特征分布

中圖分類號：X522 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

前言

水資源是生物賴以生存的重要資源，直接關(guān)系著社會(huì)生產(chǎn)與日常生活的正常有序進(jìn)行。在先污染、后治理的處理方式與有限的治污技術(shù)下，水資源污染與緊缺的局面愈發(fā)嚴(yán)峻。作為生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)的主要用水，地表水的污染現(xiàn)狀也因盲目追求經(jīng)濟(jì)增長、環(huán)境保護(hù)意識薄弱、后治理模式等因素而令人感到發(fā)指，珍惜、保護(hù)和利用是全球可持續(xù)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。

基于此，環(huán)境領(lǐng)域內(nèi)的諸多學(xué)者將地表水的重金屬污染問題作為首要任務(wù)，任麗江等人針對黃河支流流域的關(guān)中段，利用多元統(tǒng)計(jì)方法，分析地表水重金屬污染特征，采用健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型評估風(fēng)險(xiǎn)；鄭家傳等人針對蘇州市主城區(qū)，利用地理空間系統(tǒng)與蒙特卡洛隨機(jī)模擬系統(tǒng)，分析地表水重金屬污染特征，并做出風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)；袁平日王等人針對粵北某離子吸附型稀土礦山，融合多元統(tǒng)計(jì)分析法、土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法、地表水健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型，得到重金屬分布特征與風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果。

現(xiàn)有方法能夠給予地表水重金屬污染防治有效依據(jù)，確保用水安全。在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提高地表水防治技術(shù)水平，信息化地提出更科學(xué)、更可靠的決策依據(jù)，設(shè)計(jì)地表水狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)，并對重金屬污染物特征分布展開研究分析。

1 目標(biāo)區(qū)域監(jiān)測點(diǎn)布置

在季節(jié)性顯著且降雨、降雪量較為豐富的某省西北部，選取地勢較高的M市市區(qū)作為目標(biāo)研究區(qū)域。該區(qū)域占地面積約為3 500平方公里，水域面積約為1 538平方公里。以年化為標(biāo)準(zhǔn)，降雨量平均可達(dá)953毫米，溫度平均可達(dá)17.1攝氏度。其中，夏季溫度約為30.4攝氏度，冬季約為0.5攝氏度。所選區(qū)域中有由樹枝狀水系、扇形水系、羽狀水系等構(gòu)成的發(fā)達(dá)的水網(wǎng)系統(tǒng)，是典型的河網(wǎng)城市。

在M市，各片區(qū)居住密度較大且水體污染嚴(yán)重，既存在點(diǎn)源污染（如工業(yè)廢水等），也存在面源污染（如地表徑流、農(nóng)田排水等）。同時(shí)，因往來船舶的擾動(dòng)，水體渾濁度較高。為獲取更具特征性的地表水狀態(tài)及重金屬污染物狀況，在工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)、農(nóng)業(yè)區(qū)、居民區(qū)聚集的不同片區(qū)內(nèi)，設(shè)定15個(gè)水樣監(jiān)測點(diǎn)。

2 基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立地表水狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測平臺(tái)

如圖1所示地表水狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測模型，監(jiān)測研究區(qū)域中15處監(jiān)測點(diǎn)的pH值、水溫、渾濁度等地表水的物理狀態(tài)。

該平臺(tái)以窄帶物聯(lián)網(wǎng)為技術(shù)支持，由感知層、傳輸層及應(yīng)用層，結(jié)合電源、微控制器構(gòu)成。

（1）感知層：感知層的作用是通過各種傳感器將實(shí)時(shí)的水質(zhì)和水量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號。感知層采集水狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)后，經(jīng)數(shù)字轉(zhuǎn)換發(fā)送至微控制器，再通過串口移位寄存器發(fā)送至窄帶物聯(lián)網(wǎng)模塊。

（2）傳輸層：由窄帶物聯(lián)網(wǎng)模塊與基站、物聯(lián)網(wǎng)開放式結(jié)構(gòu)構(gòu)成，作為窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)支持下的協(xié)議信息輸送載體，作用是基于消息隊(duì)列遙測傳輸通信協(xié)議，將感知層發(fā)送給窄帶物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)輸送到云平臺(tái)上，憑借超文本傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用層交互信息。

（3）應(yīng)用層：該層即上位機(jī)監(jiān)測平臺(tái)，其利用傳輸層提供的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析和展示。應(yīng)用層可以提供實(shí)時(shí)的水質(zhì)監(jiān)測、異常預(yù)警、水資源管理等功能，方便用戶了解和管理地表水的狀態(tài)和變化。

（4）電源和微控制器：電源為整個(gè)平臺(tái)提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)，保證各個(gè)組成部分的正常運(yùn)行。STM32F205VET6微控制器則起到連接和控制各個(gè)層級的作用，用于運(yùn)行、協(xié)調(diào)控制各部，負(fù)責(zé)感知層的數(shù)據(jù)采集和傳輸層的數(shù)據(jù)傳輸以及應(yīng)用層的數(shù)據(jù)處理和控制。

3 地表水重金屬污染物特征分布分析

基于上述構(gòu)建的地表水狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測平臺(tái)，設(shè)定于3月的枯水期與9月的豐水期內(nèi)，每月中旬的每天20點(diǎn)，監(jiān)測一次15處的地表水狀態(tài)，并以此為依據(jù)開展地表水重金屬污染物的特征分布分析。

3.1 水樣采集與測定

通過瞬時(shí)采樣法采集15個(gè)監(jiān)測點(diǎn)處水下25cm處的地表水樣本。在具體測定重金屬污染物前，需實(shí)施一系列預(yù)處理，以保證水樣品質(zhì)。首先，過濾垃圾、雜草等較大雜質(zhì)；其次，用濾膜濾除微小生物等較小雜質(zhì)；然后，添加硝酸銀溶液調(diào)節(jié)pH值，令數(shù)值不足2；最后，倒入50 ml聚乙烯塑料瓶內(nèi)，密封瓶口、貼上標(biāo)簽后低溫儲(chǔ)存，留待測定、分析使用。所用聚乙烯塑料瓶經(jīng)過硝酸溶液浸泡10小時(shí)、二次蒸餾水沖洗、自然風(fēng)干等階段，以提高實(shí)驗(yàn)過程精度與質(zhì)量。測定活動(dòng)所需的主要設(shè)備與試劑見表1。

在研究重金屬污染物在地表水中特征分布規(guī)律時(shí)，要以重金屬集物理、化學(xué)、生物于一體的遷移轉(zhuǎn)化屬性為依據(jù)。利用表1中的設(shè)備與試劑，結(jié)合地表水狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)，完成各監(jiān)測點(diǎn)地表水中銅、鉛、鋅、鉻、砷、汞、鎘七種重金屬污染物及pH值的測定分析。

3.2 特征分布狀況分析

選取豐水期9月份中旬每天20點(diǎn)的地表水狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，展開地表水重金屬污染物的特征分布分析。經(jīng)多種測定方法測定后，得到研究區(qū)域內(nèi)15個(gè)監(jiān)測點(diǎn)處地表水中七種污染物的特征分布情況與對應(yīng)pH值。銅重金屬污染物的特征分布形式可以看出：8號監(jiān)測點(diǎn)處的銅含量最高，高達(dá)3.59 mg/L；根據(jù)國家最新地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB 3838 - 2022發(fā)現(xiàn)，15個(gè)片區(qū)中有5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)處的銅含量超出V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，均位于研究區(qū)域的東南部；能用于生活飲用、一般工業(yè)的較高質(zhì)量地表水，僅有3個(gè)片區(qū)，均位于研究區(qū)域的西北部。這是因?yàn)樵诘貏莸挠绊懴?，地表水白西向東、白北向南流動(dòng)，將居民的生活污水和工業(yè)園區(qū)中化工廠、電石廠等排放的工業(yè)廢水遷移至目標(biāo)區(qū)域的東南部，導(dǎo)致該方位片區(qū)受到銅污染且含量較高，需盡快采取治理措施。

結(jié)合各監(jiān)測點(diǎn)對應(yīng)的pH值可知，該理化性質(zhì)與銅含量之間存在顯著的負(fù)相關(guān)性。這說明水體的酸堿性對該重金屬污染物的吸附能力、解吸速率及溶解能力具有較大影響。當(dāng)pH值高于8.5或低于6.5時(shí)，水體呈過堿性或過酸性，兩種狀態(tài)均會(huì)加強(qiáng)銅的吸附能力，削弱其溶解能力，降低解吸速率，增加重金屬的遷移與溶解難度。

同理，隨著地表水的流動(dòng)，鉛、鋅、鉻等其他六種重金屬污染物的特征分布也表現(xiàn)出了明顯的空間差異性。根據(jù)國家最新地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB 3838- 2022，鉛含量超出Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量是5個(gè)，鋅含量超出Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量是4個(gè)，鉻含量超出Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量是3個(gè)，砷含量超出Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量是11個(gè)，汞含量超出Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量是8個(gè)，鎘含量超出Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量是5個(gè)，除砷污染嚴(yán)重片區(qū)位于目標(biāo)的南部外，其余污染物超標(biāo)片區(qū)均分布在研究區(qū)域的東南部。經(jīng)走訪調(diào)查發(fā)現(xiàn)，鉛污染物主要來源于附近畜禽養(yǎng)殖、肉類加工等企業(yè)所使用的添加劑；鋅污染物主要來源于工業(yè)園區(qū)的廢水和農(nóng)業(yè)種植基地的農(nóng)藥、化肥、排水等；鉻來自周邊電鍍、化工、印染等行業(yè)排放的廢水；砷污染主要來源于化工、化學(xué)制藥、農(nóng)藥生產(chǎn)等行業(yè)排放的廢水；汞污染來自該區(qū)域中電鍍企業(yè)的金屬及其制品生產(chǎn)；鎘污染物源于城市廢水、農(nóng)業(yè)排水及礦石生產(chǎn)。由此可見，該區(qū)域重金屬污染嚴(yán)重，長此以往，勢必會(huì)通過累積性沉積使各重金屬污染物的濃度升高，逐漸加劇該區(qū)域的水污染程度，治理方案的制定與落實(shí)迫在眉睫。

結(jié)合各監(jiān)測點(diǎn)對應(yīng)的pH值可知，水體的酸堿理化性質(zhì)也對此六種重金屬污染物有著較大影響。pH值過大或過小時(shí)，各污染物的吸附能力、溶解能力和解吸速率均向劣化方向發(fā)展，使重金屬污染物更不易溶解、遷移，使得對應(yīng)片區(qū)的污染物含量增高。

4 結(jié)束語

由江、河、湖、泊等構(gòu)成的地表水承載著人類大部分用水壓力。隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，氣候環(huán)境變化越來越大，多數(shù)河流、湖泊生態(tài)環(huán)境遭到破壞，地表水污染問題愈演愈烈。為提前整治地表水生態(tài)環(huán)境，采取更具針對性的治理措施，提出地表水狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)，并結(jié)合多種測定方法分析地表水中重金屬污染物的特征分布。所選研究區(qū)域的地表水重金屬污染物在地表水流向的遷移轉(zhuǎn)化下，呈現(xiàn)出顯著的空間分布差異性。地表水整體狀態(tài)較差，含有大量的銅、鉛、鋅、鉻、砷、汞重金屬污染物，且各污染物的平均含量超出Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，屬重度污染。該區(qū)域不僅未受污染的片區(qū)較少，而且含量超標(biāo)嚴(yán)重，亟待采取科學(xué)、有效的地表水環(huán)境治理手段，提高地表水質(zhì)量。