新型简易透明度检测装置设计与研究

杨瑞丰

(辽宁省大连水文局，辽宁 大连 116023)

透明度是指水体能够使光线透过的程度，是水质监测的常规项目之一，也是反映水体富营养化的重要指标。在富营养化高发期，透明度的监测能够直观快捷地反映水体的实时状况，因此高频次的水质透明度监测已成为水库日常检测工作之一。目前，检测人员通常按照《透明度的测定(透明度计法、圆盘法)》(SL 87-1994)规定，将黑白圆盘浸入水中，直到几乎看不见圆盘为止，记录浸入水中部分的长度即为透明度[1]。该方法测量时操作步骤简单，获取结果快，但会受到空间、水文、气象、光线等多因素的影响，存在一定的局限性[2]。

对水库水体透明度的监测，若选择乘船至水库中心测定，则当检测频次很高时，频繁地使用船会耗费大量人力物力，从而降低高频次检测效率；若以无人机、摄像头、信号传感器和岸边大型驱动装置为主的测量设备进行测定，则存在操作复杂、生产和维护成本较高、设备机动性差等问题[3]。若选择在水库岸边进行测定，由于一般水库坝体坡度较大，黑白圆盘难以垂直下沉，导致圆盘往往还未下沉到测试要求的深度就已经停留在坝上，使监测难以正常进行。

为此，本文通过研究改进实验设备与测量方法，在减少大量人力物力成本的前提下，能够快捷高效地在岸边对水库水体透明度进行检测。

1 实验设计与测量

1.1 装置设计

简易透明度检测装置见图1。

图1 简易透明度检测装置设计1-伸缩杆；2-绳盘；3-拉绳；4-钢环；5-防滑缠绕带；6-闭环状；7-黑白盘；8-沉锤；9-安全扣；10-手柄；11-固定槽

伸缩杆为多段结构，每段的最前端设有钢环，绳盘固定在伸缩杆上，拉绳一端缠绕在绳盘上，另一端依次穿过伸缩杆上的钢环后，端部通过安全扣与黑白盘和沉锤相连。

伸缩杆设计为3段伸缩结构，基础杆长0.8m，两个伸长杆均为0.7m。收缩后占用空间小，便于携带，全部拉伸后可达到2.2m，满足常规水库透明度测定条件。伸缩杆上的3个钢环选用机械强度高且光滑的材质，可有效减少拉绳的磨损，减轻拉拽黑白盘时的阻力。

在基础杆的正中间设有凹槽，与绳盘背面的凸起相匹配，用于固定绳盘，方便拆卸。杆的末端有用于手持的防滑缠绕带。绳盘的正面设有手柄，检测时打开手柄进行缠线。拉绳带有刻度，一端缠在绳盘上，另一端为闭环状，与安全扣相连接。拉绳刻度分度值为1cm，总长10m，满足一般水体透明度测量要求。标10m刻度一端缠在绳盘上，标0m刻度一端连接黑白盘。

安全扣和沉锤均带有螺纹，安全扣底座为螺帽状，沉锤后端为螺丝状，将黑白盘固定在中间，沉锤可根据不同水流条件选用不同重量，以减少黑白盘在水中的偏移，该结构易于更换。

1.2 实验操作流程

使用本装置对水库透明度进行现场监测时，依次组装绳盘、拉绳、黑白盘和沉锤，并将伸缩杆拉伸至最长。检测人员站在岸边靠近水体，一只手握住伸缩杆缠绕带位置，控制伸缩杆另外一端接触水面，使黑白盘自由下沉，另一只手通过手柄控制拉绳长度及黑白盘位置，直至刚好看不见黑白盘。读取绳盘位置拉绳上的刻度，减去杆长2.2m，即为水下拉绳的长度，最后通过公式校正后得到该水体透明度。

1.3 校正计算

由于岸边存在坡度，操作人员目视方向并非由上至下的直视，水下拉绳长度小于真实透明度，需对实验结果进行校正。如图2所示进行建模，BC为水平面，检测人员站在B点，将伸缩杆全部展开，顶端触碰在水面C的位置进行检测，D为人眼刚好看不见黑白盘时的位置。其中，AB为检测人员手持装置到地面的距离，预设为1.2m；AC为装置伸缩杆长度，为2.2m；通过计算BC距离为1.84m。CD为黑白盘在水下的垂直高度，即测量透明度；AD为人眼注视黑白盘的光程。水下部分ED即为实际透明度。

为得到准确的透明度结果，需要确定测量值CD与实际透明度ED的关系，从图2可以看出，通过相似三角形计算，AB/BE=CD/CE，设测量值CD为a，则

图2 校正计算示意图

(1)

《透明度的测定(透明度计法、圆盘法)》(SL 87-1994)中规定，透明度1m以内结果记录精确到1cm；1m以上深度结果记录精确到0.1m，根据水库实际透明度变化范围分析，通过计算：

(2)

当a≤0.7时，通过式(1)与式(2)得到的透明度结果误差小于4%，符合监测要求。

2 实验结果与讨论

为进一步验证检测结果的准确性，2019年6月每周一对大连英那河水库(Y)和松树水库(S)进行透明度检测，当月共监测4次。乘船至水库中心利用常规黑白盘检测透明度，同时在相同监测条件下于水库岸边采用该简易透明度检测装置测量，检测结果比对见表1。

表1 两种检测方法结果比对

由表1中数据可知，英那河水库(Y1～Y4)水质较好，该装置检测的结果与常规船采结果完全一致；松树水库(S1～S4)透明度相对较低，但两种方法检测结果误差很小(< 3%)，符合监测要求。说明该方法的检测结果准确可信，而同时相比常规船采法，又大大节省了人力物力，这为水库透明度检测提供了便利。

由于两种检测方法都是基于塞氏圆盘法，该方法检测方便快捷，但是精确度较低。从表1中可以看到，当实际透明度大于1.30时，两种方法检测结果一致，该装置可完全替代传统船采方式。透明度越小，误差越大，6月是藻类高发期，浮游生物大量繁殖，水体透明度明显降低，表中S4的透明度0.70 m基本已达到该水库的最低透明度，2.86%的误差符合监测要求。对于透明度更低的其他极端水体，可以采用拆除伸缩杆，在岸边直接用黑白盘测定的方法，低透明度使得黑白盘未沉至坝底便可准确读数。

3 透明度检测装置的优势

相比于市场上现有的透明度检测装置，该实验方法具有明显优势，主要解决了在有坡度的水库坝前难以进行透明度监测的问题。

a.相比行船至库中监测的方式，大大降低了对船只使用的依赖，为日常高频次监测提供另一种方式，尤其是在水体富营养高发期，为透明度的连续监测提供便利。

b.适用性广，适合各种水体透明度监测，在湖泊、鱼塘等有坡度的岸边都可以达到监测目的。

c.现场操作简单，只需读取绳盘位置拉绳的数据结果，相比常规方法目视的距离更近，结果更加准确。

d.伸缩杆可收缩至0.8 m, 绳盘和黑白盘拆卸方便，全部组件易于整理，占用空间小，便于野外携带。

e.装置结构简单，制作和维护成本低。

4 结 语

透明度是水质监测重要指标，尤其在藻类高发期能够直观反映水体富营养化程度，如何能又快又准确地监测已成为人们关注的重点。最常用的检测方法塞式圆盘法具有局限性，本研究对塞氏圆盘法进行改进，通过设计了一种简易透明度检测装置，有效地解决在有坡度的水库坝前难以进行透明度监测的问题，为透明度测定提供了一种新的方式。通过建模确定校正公式，使检测结果更加准确。检测结果与采用常规船采法结果进行对比，基本一致，说明了新方法具有较高的可信性。该方法具有适用性广、操作简单，占用空间小和成本低等优势，具有良好的实用价值与市场前景。