多参数水质在线监测浮标在内河水质评价中的应用

王亦斌，孙 涛，王亦宁，杨 喆*，温涛源

(1.南水北调东线江苏水源有限责任公司，江苏 南京 210019；2.南瑞集团(国网电力科学院)有限公司，江苏 南京 211106)

作为工农业发展和社会民生的重要载体，水环境安全和保护是生态环境保护的焦点，也是生态文明建设的重要一环。水环境保护重在监管，水质在线监测是实时掌握水质动态、实现水环境质量即时分析及预警的主要技术手段。南水北调工程作为国家战略性工程，主要任务是优化我国水资源配置、解决北方地区水资源短缺问题，因此，其输水水质是项目运行中的核心关切[1-4]。相比于通过取水单元将水样输送至站房内供监测仪器分析的传统方法，水质监测浮标可以实现原位、实时在线监测，避免了水样采集、运输过程中的时间、空间性失真。水质监测浮标的原位性优势使其近些年备受关注，并成为一种新兴水质监测技术[5]。刘保良等[6]介绍了水质监测浮标在广西近岸海域水质评价中的应用。阮华杰等[7]通过浙江省海洋与渔业局在台州大陈海域投放的生态浮标监测数据对赤潮暴发过程中在线浮标监测的数据变化趋势进行了分析。李鹏等[8]对浮标系统在海洋预报、防灾减灾、海洋权益维护及保障工作中的作用进行了探讨。张学良[9]分析了海洋浮标系统从安装、调试、布放、运维过程以及上送数据的质量管控措施。

然而，现有的国内外监测浮标应用和相关科研报道多集中于海洋监测[10]，关于多参数水质监测浮标在内河的应用及报道则较少。南水北调东线江苏水源公司于2019年12月在徐州市南水北调东线京杭运河段蔺家坝监测断面投放1套水质监测浮标系统，并在南水北调东线江苏水源公司建立了水资源数据监测管理平台，实现对蔺家坝断面水质数据的原位实时监控。本文基于2019—2020年该套浮标提供的监测数据，对蔺家坝断面中水质要素的变化进行分析，分析探讨浮标在内河水质评价方面的应用。

1 浮标总体设计及配置

1.1 水质监测浮标概述

浮标监测系统主要通过在河流/湖库布放监测浮标(安装有水质、营养盐等在线监测传感器及辅助系统)，达到数据自动采集、数据存储、北斗数据传输、北斗/GPS定位及自动报警等功能，为政府有关部门提供直观、实时的监测断面水质环境数据与信息。浮标式水质自动在线监测系统由基本支撑系统(浮标体)、监测仪器、数据采集系统、数据传输系统、定位系统、供电系统、安全防护系统、数据服务系统等子系统组成。

1.2 浮标总体设计

根据相关标准和实际需求，自主设计浮标体并委托有资质生产单位生产加工。浮标体内部为电子舱和浮力空腔两部分，电子舱位于浮标体内部中心：主要集成总控系统、数据采集模块、通讯模块和电源管理系统，电子舱底部为蓄电池单元，蓄电池组单独密封和集成于此；电子舱两侧各设置一个监测井用于固定安装各类监测传感器，所有水下传感器位于水面以下，测量数据具有代表性。定期维护时，可打开监测井盖，将监测传感器安装支架从传感器仓中提出，即可进行试剂更换、清洗探头等维护操作。气象传感器、北斗/GPRS通讯天线、太阳能板及标灯、雷达反射器等安装在浮标体上部支架。自研监测浮标站系统照片如图1所示。

图1 监测浮标站

1.3 系统配置

浮标站依靠太阳能供电系统供电，太阳能供电系统由太阳能板、蓄电池和太阳能充放电控制器组成，太阳能板的功率总数和蓄电池的容量保证在遇到连续15d阴雨天气的情况下，仍能正常供电。通过计算，太阳能供电系统配置采取3块60 W单晶光伏面板并联、2块100 Ah铅酸蓄电池并联+太阳能充放电控制器的设计。

参照《地表水自动监测技术规划》(征求意见稿)中监测指标的相关建议以及本项目具体需求，本浮标监测站配置常规五参数传感器、营养盐(氨氮、总磷、总氮)分析仪、位置信息(经度、纬度)模块、实时功耗模块共11个参数作为监测指标(表1)，监测频率为6h一次。

表1 浮标监测项目一览

1.4 投放运行

本研究以南水北调东线京杭运河段蔺家坝监测断面为监测点投放水质监测浮标。该监测断面位于江苏省徐州市铜山区京杭运河河段，该断面宽约100 m、平均水深大于5 m、平均流速小于0.1 m/s，现场条件符合浮标投放及运行。运用吊机将浮标投放至河中合适位置，利用锚链固定浮标，随后启动浮标系统。根据浮标上传数据质量及试剂消耗情况，定期对浮标进行运维工作。

2 结果与讨论

2.1 水质参数监测结果

水质监测浮标入水启动监测后对该断面的流水进行连续在线监测，采样、分析及上送数据频率为每6 h监测1次。本项目中所安装的数据采集控制模块、数据传输通信模块、定位导航模块、五参数传感器、营养盐分析仪分别采用南瑞集团自主研发制造的ACS-500数据采集器、DT4100 GPRS DTU全网通无线传输装置、ACS-GPS外置GPS卫星定位授时终端、N-3000系列多参数水质传感器、N-1000系列高集成一体式原位营养盐分析仪(氨氮、总磷、总氮)。监测指标包括pH、水温、溶解氧、电导率、浊度、氨氮、总磷、总氮、纬度、经度、实时电流信号，以上设备通过国家相关认证。2019年12月至2020年11月期间浮标获取上传的数据分析结果如表2。结果表明，水温极低值、极高值分别出现在1月、8月；水体pH年值较为稳定；溶解氧在7.4～10.9 mg/L之间，主要受水温及微生物代谢活动的影响；浊度、氨氮、总磷、总氮的较高值出现在降雨初期的一段时间，主要原因是降雨和地表径流输入引起的悬浊物、污染物含量较高[6,11]；经度、纬度数值基本恒定，表明浮标未发生显著漂移，确保了监测点始终为该断面；系统的实时电流受水温影响较大，这与营养盐分析仪表在测定总磷、总氮时消解程序升温能耗有关，当水温较低时，消解升温能耗变大，故而实时电流最大值出现在水温最低的1月。

表2 水质监测浮标的水质指标年均值统计

2.2 监测断面水质评价

水质监测浮标获取的数据上传至数据管理平台，由平台系统根据水质指标数值对日水质类别进行评价，评价依据国家地表水环境质量标准(GB 3838—2002)对于水质划分标准进行。蔺家坝断面的水质评价统计分析结果如图2所示。结果表明，蔺家坝断面日均水质在III类及III类以上水平占到了全年的95%以上，基本符合南水北调东线供水水质目标要求。水质好坏主要的影响因素是高锰酸盐指数，高锰酸盐指数的变动主要受氮、磷元素含量及地表径流输入的污染物影响[6,11]。

图2 蔺家坝断面水质类别统计结果

3 结 论

蔺家坝断面的水质监测结果表明，水温极低值、极高值分别出现在1月、8月；水体pH年值较为稳定；溶解氧在7.4～10.9 mg/L之间，主要受水温及微生物代谢活动的影响；浊度、氨氮、总磷、总氮的较高值出现在降雨初期的一段时间，主要原因是降雨和地表径流输入引起的悬浊物、污染物含量较高。

蔺家坝断面的水质评价统计分析结果表明，蔺家坝断面日均水质在III类及III类以上水平占到了全年的95%以上，基本符合南水北调东线供水水质目标要求。水质好坏主要的影响因素是高锰酸盐指数。

本研究针对内河特征设计开发出高集成多参数水质监测浮标，并用于南水北调东线京杭运河断面的水质监测。运行结果表明，多参数水质监测浮标能够实现原位、连续、实时地监测水体质量的变化，通过浮标的布设，能够实时掌握该断面的水质动态情况，做到对水质指标异常的预警预报，更有效地保护水体环境，为内陆水资源开发利用、决策与规划、运河环境和生态管理，为科学研究和环境评价提供科学的依据。