入河排污口排查溯源技术及应用

胡国仲，谭印月，巢 波，李嘉义

（江苏常环环境科技有限公司，江苏 常州 213022）

近年来，我国不断加大水生态环境保护和综合治理力度，水生态环境质量得到持续改善，百姓身边清水绿岸、鱼翔浅底的现象明显增多，但流域面源污染负荷大、小微水体富营养化严重和特定水体环境污染久治不愈的问题依然突出[1]，这主要是由入河排污口底数不清、上游污染来源不明和责任主体不明确造成的。入河排污口作为人类生产活动过程中产生的污染物进入流域水生态系统的关键通道，其上游连接着人类的生产生活、衣食住行等各方面，下游连通着河流、湖泊等各种生物赖以生存的主要场所，对入河排污口的科学管治是持续改善水生态环境质量的重要途径，入河排污口排查和污染物溯源工作对开展流域水污染的精准施策、推动流域水生态环境质量持续改善具有重要意义。入河排污口管理得好坏，直接关系到水生态环境质量和水生态安全状况，与群众的生产生活关系密切，沿岸入河排污口排污问题也是群众反映强烈的环境问题之一。传统的入河排污口排查工作主要依赖于人工徒步排查，对排查人员的工作经验和责任心要求都很高，很容易出现漏排、错排情况，入河排污口溯源不精确，且工作效率不高。在入河排污口排查溯源过程中，应用成熟的技术手段，可以实现入河排污口高效精准的排查。本文根据已开展的入河排污口排查工作基础，探讨无人机航拍技术、无人船暗管探测技术、水质指纹溯源技术和管网探测技术等在入河排污口排查溯源工作中的应用。

1 排污口排查技术路径

2019—2020 年，生态环境部组织开展了长江流域入河排污口排查整治专项行动，探索出了入河排污口“三级排查”模式[2]，并在后续黄河流域入河排污口排查整治专项行动工作中进行了优化，形成了具有指导意义的入河排污口排查模式。

入河排污口第一级排查工作内容为：制定入河排污口排查工作方案，利用卫星遥感、无人机航拍等技术手段，按照“全覆盖”要求开展入河排污口排查工作，基于现场调查获取的遥感影像和基础资料，解译、标记疑似入河排污口和可疑区域，增补入河排污口、所调查河湖岸线等信息，形成入河排污口初步排查对象清单。

入河排污口第二级排查工作内容为：以第一级排查形成的入河排污口排查对象清单作为工作目标，制定入河排污口现场排查工作方案，对疑似入河排污口、可疑区域和历史入河排污口等信息进行实地确认、修改，并沿河湖岸线查找第一级排查遗漏的入河排污口，对排查认定的入河排污口和非排污口进行相关信息填报或登记，形成入河排污口现场排查成果清单。

入河排污口第三级排查工作内容为：在第一级排查和第二级排查的工作基础上，对存在疑义的点位形成“重点区域”，开展入河排污口信息复核和精细核查工作，形成客观准确的入河排污口分类、分布和出水污染程度等信息数据，形成入河排污口“一张图”“一本账”。

2 相关技术应用

2.1 无人机航拍技术

2.1.1 技术介绍

无人机具有小巧便于携带的特点，使用无人机搭载航空摄像机可以快速地对人工徒步无法进入的区域进行航空拍摄，无人机被广泛地应用于环境执法和取证中[3]，针对入河排污口排查，无人机航拍也成为了推荐的技术手段之一。使用无人机航拍技术开展入河排污口排查是指在无人机平台上搭载高分辨率航空摄像机、卫星定位传感器等设备，按设定的飞行路线沿河湖岸线低空飞行，进行连续拍摄，获取入河排污口位置信息、航拍照片等数据，经人工判断识别后，生成入河排污口初步排查对象清单，实践应用表明，采用无人机进行入河排污口解译识别，解译成功率可达80%以上。目前，常见的无人机按照类型可以分为固定翼无人机、多旋翼无人机和混合翼无人机。多旋翼无人机成本低且操作简单，起飞空间要求不高，飞行速度慢，适合入河排污口细节的拍摄，从使用成本、操作性、起飞空间和飞行速度等各方面综合考虑，一般使用多旋翼无人机开展入河排污口排查工作。

2.1.2 技术应用

1）无人机航空摄影。无人机航摄飞行平台需装配全球导航卫星系统，获得高精度的定位定姿系统（Position and Orientation System，POS）数据，无人机航线沿河流方向呈带状形式敷设，航飞高度应根据图像分辨率、镜头焦距及现场实际情况进行设置[4]。无人机航摄作业应选择在有利的气象条件下开展，尽量避免或减少地表植被和其他覆盖物（如洪水和扬沙等）对无人机航摄的不利影响，飞行作业建议在正午前后3 h 内作业，既能保证充足的光照度，又可避免过大的阴影。飞行作业建议在枯水期开展，枯水期河流水位低，草木生长不茂盛，在丰水期或平水期隐藏在水面以下或植被生长茂盛区域的入河排污口较易被发现，在枯水期，可以最大限度地发挥无人机高空摄影效果，提高入河排污口识别精准度。

2）数据处理及解译。基于无人机航拍原始影像、POS及相机检校等数据，完成影像数据处理及拼接工作，分架次形成飞行范围内无人机数字正射影像。入河排污口解译工作是无人机排口排查的核心内容，采用人机交互式解译的方式，航摄影像制作完成后即开展数据解译工作，结合入河排污口的纹理、颜色、形状和周边环境等特征，识别入河排污口疑似点位，形成入河排污口初步排查清单[5]。入河排污口附近可能会有植物或其他覆盖物遮挡，或位于水面以下，传统的人工徒步排查方式难以发现，使用无人机航拍排查也有一定挑战，正在排污的入河排污口附近会形成污染带，排污口入河处河水的颜色与自然水体存在明显差异，可通过无人机影像进行识别解译，也可加载红外镜头或光谱分析等设备，通过分析水温、水质差异来识别入河排污口。

3）技术应用局限性。使用无人机航拍技术排查入河排污口在应用中也存在一定的局限性。无人机航拍技术主要是通过空中观察开展排查，难以获得观察入河排污口的最佳角度，入河排污口排查的数据质量和信息获取存在不足，由于河道存在弯曲，无人机飞行路线需要通过人工判断，排查获得的数据完整性难以得到保障，在排查较为隐蔽的入河排污口时，无人机选型不当会导致无法采集到有效数据。

2.2 无人船暗管探测技术

2.2.1 技术介绍

无人船暗管探测技术是依托小型船体作为工作平台，搭载侧扫声呐模块开展工作，对排查范围内的暗管进行排查，将侧扫的声波实时、直观地传输至电脑基站系统中，入河排污口现场排查人员通过声波呈现的影像，提取入河排污口疑似点位相关信息。侧扫声呐的工作原理与侧视雷达类似，通过左右两侧的换能器基阵，发射声脉冲，声波以球面波的形式向外传播，碰到障碍物会形成反射波，其中反射波会按原传播路线返回，通过接收水下物体的回波发现目标。

2.2.2 技术应用

在入河排污口排查工作中，部分入河排污口位于水面以下，不易被发现，在工业集聚区、生活集聚区的排查河段，雨污水管网复杂，部分雨污混流口、污水偷排口等位于水面以下，采用人工现场排查的方式很难发现。采用无人船搭载侧扫声呐模块可以对疑似存在入河排污口的河段开展重点排查，并标记水面以下入河排污口精确位置信息，为进一步开展入河排污口追踪溯源提供工作基础。无人船动力系统一般采用油电混合或纯电动模式，可在高速、中速和低速等各种航速下运行，入河排污口排查工作人员在岸上即可接收相关数据，实时掌握现场排查情况。

无人船受电池容量的限制，航程有限，在暗管排查过程中，需要慢速细致排查，耗时较长，建议在入河排污口排查过程中，主要在工业集聚区、生活集聚区等疑似排污河段使用无人船暗管探测技术，辅助开展入河排污口排查工作，发挥无人船搭载声呐模块排查暗管的优势。若排查河段周边以种植业用地、未开发用地和林地等用地为主，建议现场排查人员以乘坐汽艇或冲锋舟与人工徒步相结合的方式排查入河排污口，提高工作效率。

2.3 水质指纹溯源技术

2.3.1 技术介绍

三维荧光光谱是近年来新兴的水体有机污染检测技术，具有直观、灵敏度高和重复性好等优点，越来越多地应用在溶解性有机物的研究及水质监测上。三维荧光光谱是一种三维矩阵光谱，与水样一一对应，被称为水质指纹[6]，清华大学环境学院研究团队借鉴刑侦中通过手指指纹快速查找嫌疑犯的思路，研发出水质指纹污染溯源技术，使用该技术来识别污染物排放来源。采用三维荧光光谱技术对水样进行分析的工作原理是利用了不同污染物之间的平面和立体结构差异，它们只对特定波长的光进行吸收，也只在特定的波长发射出荧光，污水所表现出的三维荧光光谱特征差异为其表征、区分及追踪溯源提供了理论支撑，三维荧光光谱分析可以用于水环境质量评价和水环境污染来源追溯。通过对比水体和疑似污染源之间荧光相似度可以解析水体受纳的污染源类型，除用来鉴定污染源类型外，水质指纹溯源技术还可以通过揭示荧光强度的时空变化趋势来反映污染源对水体影响的时空特征，从而为环境管理部门开展水环境源头治理提供依据，这项技术在污染溯源领域被认为具有较强的实用性。

2.3.2 技术应用

在入河排污口排查工作过程中，会发现一些难以确定污染来源的入河排污口，常规的水质监测指标可以表征排污口出水的污染程度，但难以根据监测数据判定污染来源。对于问题排口，如果上游涉水企业、居住小区较多，怀疑面大，入河排污口溯源工作量将会大幅增加，耗费时间和精力多，不能及时开展污染源排查、污染物溯源工作，精准确定排污口污染来源。采用水质指纹溯源技术，可以对入河排污口出水进行三维荧光光谱分析，与荧光指纹图谱库进行比对，判定污染源类型，还可以通过对比入河排污口出水及上游排污企业废水三维荧光特征相似度，高效判断污染来源。三维荧光指纹谱具有测试简单、反应灵敏、信息丰富和不破坏样品等特点，越来越受到环保工作者的关注，三维荧光光谱可以快速地反映水质变化，是一种有效的水体污染来源追溯工具[7]，但是，由于三维荧光指纹谱只能表示水样中荧光类溶解性有机物种类、含量的变化，还受pH、金属离子和温度等外界因素的影响，基于单一的三维荧光指纹谱进行污染来源溯源解析具有不确定性，需要完善地区三维荧光指纹图谱库，提高溯源分析的准确率。建议在入河排污口溯源过程中，采用水质指纹溯源技术与其他溯源技术相结合的方式进行深度溯源，实现更加准确的溯源解析，提高溯源结果的可信度。

2.4 管网探测技术

2.4.1 技术介绍

潜望镜检测系统是一种使用管道潜望镜在检查井内对管道内部进行检测的技术方法，是管道内窥技术的一种，潜望镜检测系统主要由主控器、配备摄像头的手提竿及连接主控器和手提竿的线缆3 部分构成，是采用管道潜望镜在检查井内对管道进行检测的方法。适用于d150～d2000 管径管道的探测，采用管道潜望镜对管道内部检测时，应保持管道内水位处于较低水平。潜望镜检测系统的优点是可以解决摄像距离满足不了管道长度及上传速率缓慢不能同步的问题，使用快捷，能够准确判断管道材质缺陷、腐蚀程度及具体位置[8]。

闭路电视检测系统的主要设备包括CCD 摄像机、光源、电缆卷盘及爬行器等。CCD 摄像机和光源安装在爬行器上，使用控制器可操作爬行器在管道中行走，CCD 摄像机采集的管道内部24 位真彩图像数据可通过电缆传送至操作器上。闭路电视检测系统适用于d400～d2000 管径管道的内部探测，工作环境需满足可封堵调排、满足相关设备的安置和爬行条件。闭路电视检测系统的优点是较潜望镜检测（QV）检测精度更高，但工作时管道内水位要小于管道内径的30%，管道淤泥厚度要小于管道内径的20%。

声呐探测技术是利用探头向水中发射声波并接收水下物体的反射回波，通过分析回波数据识别目标，目标的距离依据发射的声波和回波的到达时间差计算得到。声呐探测系统在计算机和相关软件的支持下对接收到的回波信号数据进行自动处理，计算排查目标的各种参数，可以检测排水设施的运行状况。声呐探测技术适用于管道内为满水状态情形，优点是无须调排水，使用便捷，缺点是仅能判断管道断面的管径、沉积物形状及管道变形范围。

2.4.2 技术应用

在入河排污口排查深度溯源阶段，对不能确定污染来源的排污口，为精准查找污水来源，可以采用潜望镜检测（QV）、闭路电视（CCTV）和声呐（Sonar）等进行雨污水管网探测，精准判断管网污水来源，可追溯至上游错接、混接点位置，也可查清管道及检查井结构性缺陷和功能性缺陷。潜望镜检测系统、闭路电视检测系统和声呐探测技术相较于反光镜、目测等传统的检测技术具有直观、实时和精准等优势，被广泛用于评估管道结构性与功能性状况，能够有效排查管网不完善、管网混接和管网破损等问题，在入河排污口排查工作中，可以查清排污口污染来源，为源头治理污水直排提供技术支撑。

3 结束语

入河排污口排查和污染源精准溯源工作对于实现流域水污染治理的精准施策具有重要的意义，做好入河排污口排查溯源工作是开展排污口整治工作的基础。在入河排污口排查、溯源过程中，根据不同情景选用合理的技术、设备能够大幅度提高入河排污口排查工作效率，提高入河排污口排查和溯源准确性。无人机航拍技术可以在空中直接观察入河排污口，通过摄像头拍摄、红外镜头或光谱分析设备收集数据，辅助排查入河排污口；无人船搭载侧扫声呐模块，可以发现暗管；水质指纹溯源技术可以通过出水三维荧光特性，判断污染源类型，为排污口溯源提供技术支撑，在深度溯源阶段可以根据不同管网口径及排查条件选用潜望镜检测技术、闭路电视检测技术和声呐探测技术等手段，探测疑似排污管网情况，准确判断管道缺陷、错混接具体位置。合理使用新技术、新装备可以更好地开展入河排污口排查工作，为流域水污染治理打下坚实基础。