船载走航巡测技术在长江水环境监测中的应用

2023-01-03余明星，邱光胜，李名扬，周正，周伟，苏奇

人民长江 2022年12期

余明星，邱光胜，李名扬，周正，周伟，苏奇

(1.生态环境部长江流域生态环境监督管理局生态环境监测与科学研究中心，湖北武汉 430010； 2.力合科技(湖南)股份有限公司，湖南长沙 410205)

0 引言

2020年4月生态环境部出台《关于推进生态环境监测体系与监测能力现代化的若干意见》指出[1]：推进科技创新与应用，完善生态环境监测技术体系，促进智慧监测发展。2020年6月生态环境部发布《生态环境监测规划纲要(2020～2035年)》指出[2]：要全面深化生态环境监测改革创新，系统提升生态环境监测现代化能力；监测手段从传统手工监测向天地一体、自动智能、科学精细、集成联动的方向发展；开展主要污染因子、重点污染河段走航试点监测，掌握水质变化和污染扩散规律。上述有关生态环境监测改革发展的顶层设计，均要求创新生态环境监测，加强新技术、新方法在监测监控中的应用，提高监测现代化能力和水平，其中提到的走航试点监测即是一项需要探索的创新型技术。目前基于监测船的水环境走航巡测工作基本上还处于摸索阶段，有必要对该技术的现状、特点、应用、前景等问题开展必要的探讨，以促进该技术的深入发展。本文以2020年长江水环境走航巡测工作实践为基础，提炼和总结了走航巡测技术，以期从理论到案例层面为该技术的推广应用提供可供借鉴的经验。

1 船载走航巡测技术探讨

1.1 技术现状

水文和海洋领域利用监测船以巡测方式开展观测工作较为普遍。中国水文行业制定的SL 195-2015《水文巡测规范》[3]，统一了全国水文巡测的技术要求，实际应用中还需不断深化巡测方案优化研究[4]。国内海洋领域利用专业的海洋监测船，依托全国海洋环境监测网，长期以来开展海洋综合环境调查[5]。20世纪90年代以来，中国开始建立海洋环境立体监测系统，其中以船基平台为载体的走航式调查对中远海海洋环境和资源的调查研究具有十分重要的作用和意义[6-7]。一系列先进的南极科考船是专业海洋监测船的典型代表[8]，2018年中国第35次南极科学考察开展了以“雪龙”号为依托的南极航线海洋生态环境走航调查[9]。环境监测领域，一般是基于移动车为载体，开展大气或水环境的移动与自动监测，对突发环境污染事件开展应急监测或预警巡查[10-11]。全国多地区已陆续配备了大气环境走航监测车，可实现对大气环境质量的日常巡检[12-13]。近些年水环境监测移动监测与自动监测进一步融合发展，例如小型无人船实现了遥控水质采样和在线监测[14]，小型移动式水站实现了城市内小型河流、景观河流等移动站房式自动监测[15]。美国、法国、新加坡等较早开展了水质移动自动监测技术研究，研发了仿生水下型和天鹅造型的水面型水质监测机器人，可以开展pH、溶解氧、浊度、叶绿素、营养盐等参数的自主巡航监测[16-17]；美国Kaman Aerospac 公司在长约20 m(65英尺)的工作艇上设计实现了集成29项水文、气象、理化等水质参数的船载水质监测系统，可以在河口、海湾、河流、海洋等水域开展自动巡航监测[18]。

在内陆河流、湖库水域，利用水质监测船为载体开展人工采样和检测工作，可以追溯到20世纪70年代。1979年中国第一艘长江大型科学研究船“长清”号投入运行，即开始对长江干、支流进行定期或不定期地水质巡回监测，弥补固定监测站的不足[19]。2000年以后，笔者所在单位利用“长江水环监2000”和“长江水环监2016”监测船，开展了20多年连续的水环境巡测工作，广泛开展了长江干支流水质、水生生物、沉积物等多要素的采样和检测工作。此外利用监测船为载体，开展过船载水质高密度在线监测技术研发工作[20]，还开展了包括监测船载体在内的人工监测、船载高密度移动巡测、车载移动监测、水下层析监测、遥感监测相融合的水陆空的水环境立体化监测研究[21]。这些工作主要以人工监测为主，并逐步融入了自动监测技术研究，对总结提炼船载走航巡测技术提供了先导基础。真正意义上以自动监测为主、人工监测为辅的船载走航巡测，是在2020年长江水环境走航巡测试点工作中得以实现。2020年利用“长江水环监2016”专业水质监测船，搭载成套水质自动监测设备，在长江干流重庆至武汉段开展的走航式水质巡测试点工作，有机地将监测船载体、自动监测系统、人工监测业务工作融为一体，实现了船载走航巡测模式对长江水环境的高效调查监测。

1.2 技术特征

结合走航巡测技术应用现状和进一步发展，研究探讨水环境船载走航巡测技术特征。该技术一般利用专业的水质监测船为载体，根据特定的规划线路，按照制定的水环境监测方案，依托集成化的自动在线监测仪器设备，结合传统的人工监测，在大江大河、重要湖泊水库等可通航的水域，可实现对水质、水生生物、沉积物等多环境要素开展综合性的耦合式监测工作，并同步开展比对监测，以实现水环境的快速、高效、全面的监测调查和评价，提升水环境监测的现代化、自动化、信息化、智能化水平。船载走航巡测技术体系由“人员、仪器、专业船、监测、评价”五个方面组成，相互联系构成统一的有机整体，总体技术框架见图1。该技术具有5个方面优势：

(1)监测耦合性。实现人工监测与自动监测、固定监测与移动监测，定时监测与在线监测的深度融合，是传统监测模式向现代监测模式转变的一种创新性交叉发展。

(2)监测全面性。实现对水质、水生生物、沉积物等涉水环境要素全面调查监测，能在监测船上开展采样、检测、数据分析、评价评估、预警等全面业务工作。

(3)监测便利性。可方便抵达各类通航水体，开展岸边、中泓及全断面分层采样监测，对入河排污口、水源地等不同监管水域开展调查监测，突破陆路交通不便等限制。

(4)监测高效性。走航状态，边走边测，随到随测；特定水域可开展定点全时段自动监测；自动监测不能完成的项目，可采用人工现场分析或及时进行前处理。

(5)监测准确性。既加强自动和手工监测自身内部质量控制，也开展可比参数手工监测对自动监测的比对质量控制，质控措施融合于监测各环节，确保监测数据可靠。

2 长江水环境走航巡测的实践应用

2.1 应用概况

(1)巡测工作概况。2020年10月11日至12月10日，利用“长江水环监2016”专业水质监测船，搭载氨氮、总磷、总氮、高锰酸盐指数、挥发酚、氰化物、阴离子、石油类、汞、砷、铁、六价铬、叶绿素a、蓝绿藻、重金属、挥发性有机物、常规五参数共17台套组合的水质自动监测设备，在长江干流重庆至武汉江段、三峡库区部分典型支流口等水体开展了走航式水环境巡测试点工作。监测船载体、自动监测系统、人工监测业务工作示意见图2，巡测工作内容见图3。巡测自动监测参数38项，人工监测参数6项，比对监测参数8项，见表1。巡测自动监测方法见表2，人工监测方法按国家或行业标准分析方法开展。通过走航式巡测这种新的监测技术思路和方式，有效地开展了长江大尺度、快速、动态、连续自动监测，掌握了水质状况和污染物沿程变化情况，初步排查了长江水环境风险。

表1 走航巡测监测参数

表2 走航自动监测分析方法

图2 走航巡测监测船及自动监测和人工监测示意

图3 走航巡测工作内容

(2)巡测质量保证与适用性分析。走航巡测建立自动监测为主、人工监测为辅的模式，通过自动监测系统自身质控程序控制、人工比对措施控制等方式对自动监测数据实现质量控制和可靠性评价。按质量控制计划，自动监测每天开展空白样、加标样、平行样、标准质控样品测定，均满足质控措施要求，其中反映自动监测准确度的质控样测定相对误差在10%以内，满足数据有效性要求。此外从监测数据精度角度分析，自动监测与人工监测共开展30个点位45个测次的比对工作，对代表性的8个参数，水温、pH、溶解氧、电导率、总磷、总氮、高锰酸盐指数、氨氮开展比对测值分析表明，自动监测与人工监测数值趋势基本一致，测值总体接近(见图4和见表3)。按各参数比对测值相对偏差在10%以内的测次统计，水温、pH、电导率、溶解氧均为100%，总磷、总氮、氨氮在77.8%～88.9%之间，高锰酸盐指数为66.7%，自动监测测值总体在可接受的范围。另外从水质类别评价角度分析，将本次巡测涉及的长江干流14个地表水国控断面，基于走航巡测自动监测数据的水质评价结果与同期(2020年10～12月)传统手工监测数据评价结果进行比较，12个断面评价结果完全一致，占比86%；2个断面出现Ⅱ类与Ⅲ类之间偏差1个类别的情况。如果按照重点关注不超标的Ⅲ类水标准划分，则两种方式评价水质结果一致，符合或优于Ⅲ类水的断面比例均为100%，表明走航巡测对地表水断面水质评价具有一定参考价值。

图4 自动监测与人工监测比对测值比较

表3 自动监测与人工监测比对数据相对偏差统计

2.2 巡测结果分析

2.2.1水质状况分析

对船载走航巡测自动监测获得的数据开展统计分析，各参数特征统计值见表4。长江干流重庆至武汉段，基本理化参数pH、电导率、溶解氧均值分别为8.0、375 μS/cm和8.2 mg/L，在正常水体含量范围。常规控制参数方面，总磷、总氮、高锰酸盐指数全部点位均有检出，均值分别为0.06，1.7 mg/L和1.6 mg/L；氨氮绝大部分点位均检出，均值为0.036 mg/L；挥发酚、氰化物、六价铬未检出或含量较低；阴离子表面活性剂部分有检出，石油类普遍检出，但两者含量均不高；重金属汞、砷、镉未检出，铜、铅、锌、铁均有检出，但含量不高。挥发性有机物多数未检出或检出浓度较低，其中甲苯、邻二甲苯、二氯苯、异丙苯、苯乙烯、对，间二甲苯、四氯乙烯全部未检出，二氯乙烷、三氯乙烯、苯、乙苯、氯苯、二氯乙烯部分点位有检出。

表4 长江干流巡测自动监测参数特征值统计

按GB 3838-2002《地表水环境质量标准》，选取pH、溶解氧、高锰酸盐指数、总磷、氨氮等有评价标准的16项监测参数指标，采用单因子评价法，对192个走航监测点位开展水质类别评价。长江干流192个监测点位全部达到或优于Ⅲ类水标准，其中Ⅱ类水点位173个占比90.1%，Ⅲ类水点位19个占比9.9%，水质总体良好。全部点位33项可评价或可比较指标中仅1项微量有机物指标(反式-1，2-二氯乙烯)在少部分点位浓度略超出控制限值。其中pH、溶解氧、挥发酚、氰化物、石油类、阴离子表面活性剂、六价铬、镉、砷、汞10项指标全部满足Ⅰ类水标准，氨氮、高锰酸盐指数、铜、锌4项指标满足Ⅰ～Ⅱ类水标准，总磷满足Ⅱ～Ⅲ类水标准，铅满足Ⅰ类或Ⅲ水标准。

走航巡测水质评价结果能够有效地反映长江上游重庆至中游武汉大尺度范围内的水环境质量状况，不仅可以自动化全面获得常规水质指标监测值，还可以高效获取微量有机物指标监测值，突破了有机物按传统人工采样和实验室分析模式下历时较长的制约，为流域水环境监测整体效率的提升提供了先进的技术手段。

2.2.2污染特征分析

走航巡测发现多项监测指标在不同典型水域出现浓度峰值，峰值与所在水域的周边属性有较大的关联性，反映出岸上污染源对水中的潜在影响。以长江干流总磷为例，在调查区段重庆至武汉段沿程有逐步升高的趋势(见图5)：整个干流区段总磷均值为0.06 mg/L，其中三峡库区干流江段总磷浓度相对较低为0.05 mg/L，重庆主城区略有升高，江段浓度均值为0.06 mg/L，浓度范围为0.05～0.07 mg/L；三峡大坝以下宜昌江段总磷总体浓度还不高，浓度均值为0.05 mg/L，但在主城区个别点位浓度升高到0.10～0.12 mg/L，其中宜昌磷化工新材料产业园区水域总磷出现浓度峰值；荆州大部分江段、岳阳和咸宁江段总磷逐步升高，其中荆州江段浓度均值达到0.07 mg/L，并出现多个0.08～0.09 mg/L较大的峰值点位；岳阳和咸宁江段总磷均值也达到0.07 mg/L，岳阳总磷浓度范围0.05～0.08 mg/L，咸宁总磷浓度范围0.06～0.08 mg/L；荆州至武汉区段内，总磷整体上呈波动上升趋势，至武汉江段总磷平均浓度最高，达到0.09 mg/L，浓度范围为0.07～0.14 mg/L，其中杨泗港点位总磷浓度达到全部监测点位最大峰值。总磷与城镇生活聚集区和“三磷”产业呈现趋同关联性。有研究表明，长江干流湖北段总磷高浓度值主要集中在以宜昌、荆州为核心的西部城市群和以武汉为核心的东部城市群，总磷浓度增高水域体现出与长江沿线大中城市经济发展同向变化的一致性[22]。此外有关统计资料显示，湖北省是中国重要的磷产业基地，宜昌市和荆州市有81家“三磷企业”，占湖北省长江沿岸“三磷”企业总数的90%[23]。因此，针对不同污染物走航巡测出现峰值的水域，结合河段工农业生产和生活布局，开展深入水污染溯源分析，可以进一步查明原因，识别水污染潜在问题和风险，为精准治污提供科学依据。

图5 总磷长江干流沿程空间分布

2.2.3水华预警分析

巡测中发现三峡库区支流与干流交汇口水域叶绿素a浓度普遍高于其他干流点位，御临河、汝溪河、小江、汤溪河、大宁河、香溪河以及磨刀溪、梅溪河等8条支流在干支流交汇的河口水域叶绿素a浓度明显升高，出现不同程度的峰值。总体上看，支流口叶绿素a浓度均值达到2.4 μg/L，浓度范围为0.9～9.0 μg/L；干流其他监测点位叶绿素a浓度均值为1.3 μg/L，浓度范围为0.9～3.1 μg/L。支流口叶绿素a均值和浓度范围均高于干流，表明三峡库区支流富营养化和“水华”风险会普遍高于干流。在巡测过程中2020年10月24日，发现小江河口叶绿素a出现最大峰值，达到9.0 μg/L(见图6)，显著高于周边干流水域，也较其他支流口高，于是对小江进行了预警和追溯，及时开展了小江“水华”专项调查。通过向小江上游沿程溯源监测，发现小江约54 km的水体呈现褐色或褐绿色，最严重水域叶绿素a最大达52.4 μg/L，藻密度最大达6.80×107cell/L，优势种为颤藻和束丝藻。本次走航巡测发现叶绿素a异常高值，及时开展了支流水环境预警监测，并调查评估了“水华”严重程度，体现出走航巡测技术在水环境应急预警监测领域的快速响应优势，进一步表明该技术在水环境风险排查、预警预报、应急调查等方面可以发挥较大作用。