基于无人船技术的郪江水质研究

张海柱，王 璞，蒋红斌，张 悦，冯 琳

(四川省遂宁生态环境监测中心站，四川 遂宁 629000)

前 言

无人船具有体积小、质量小、适应性强以及测量精度高等优点，是一种具备自导航操纵特性的无人驾驶水面船舶[1]，能够高效准确的完成水面巡航和现场监测工作。已经广泛的应用于大水域、沉陷水域、水库、城市内河和污染源解析等[2～6]，可以实现对全流域连续的现场采样和分析工作。

郪江是涪江一级支流，大英县饮用水源[7]，干流全长65km，有古柏溪、黄腊溪、瑰溪等9条支流。郪江流域遂宁段流经象山镇、玉峰镇、蓬莱镇和隆盛镇，于回马镇汇入涪江，生态环境部在遂宁市入境断面象山和郪江汇入涪江前郪口设立了国家考核断面，对遂宁市环境质量进行目标考核[8]。郪江流域在遂宁市人均地表水资源量仅为276.99m3，占有量低，水资源紧缺，超过水环境承载力，河流稀释和自净能力相对较差。由于遂宁市工业的快速发展，郪江沿河场镇的迅速壮大，沿岸化肥农药的大量使用，郪江水质起伏较大，不能稳定达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)[9]Ⅲ类标准要求。四川省遂宁生态环境监测中心站每月初只对国家考核断面郪口和象山进行例行监测，采用手工采样和实验室分析方法无法全面获取郪江流域遂宁段全流域水质状况信息。利用无人船在线采样及监测手段，排查了2022年7～9月郪江流域遂宁段全流域水质情况，采用单因子污染指数[10]、内梅罗综合污染指数[11]和断面类别比例法[12]对数据进行分析，等标污染负荷法和负荷比[13]对入河排污口进行评价。为郪江流域遂宁段水环境现状分析、水质变化趋势分析、污染成因解析、水质异常预警判别等提供数据支撑。

1 无人船系统

采用珠海云洲智能科技股份有限公司SE40多任务无人船(图1)，搭载采样器、GPS定位系统、小型气象站、测扫声纳和水质监测仪等多模块，对郪江流域遂宁段全流域多点位连续水样采集和在线监测。

内置流动注射分析系统，载流携带样品在封闭的反应器与试剂混合，流过光度检测器，采用光度法测定环境水体中的总磷、氨氮和总氮的含量。便携式多参数水质分析仪基于智能传感器原理，测量参数包括温度、电导率、pH值、溶解氧和浊度。便携式CODCr在线监测棒基于紫外吸收法测量原理。

图1 无人船系统Fig.1 Unmanned surface vehicle system

2 调查内容和方法

2.1 调查内容

郪江干流每300m设置1个监测断面，从上游入境断面象山到下游汇入涪江郪口断面共设置监测断面215个，支流每200m设置一个监测断面，共设置监测断面46个。对7个重点入河排口进行现场调查，以排口所在位置为中心，在排口的上游50m处、排口附近处、排口的下游50m处及靠对岸侧50m处分别布置监测点位采取河道水进行监测，7个排口共布设点位35个。采用无人船对全流域296个断面走航监测。

2.2 质量控制

水质监测的过程中，为了保证监测数据的准确性，在每日作业前对仪器设备进行校准。同时按照每20个样品/次有证标准物质验证的方式进行质量控制，若出现数据偏离超过规范标准时，则对相应批次的水样重新采样和分析。

在国家考核断面郪口和象山水质自动站取水口处测试所得数据与自动站数据相比较，验证无人船测试数据的准确性。所有监测项目所得数据中，电导率相对误差最小是0.17%，最大的溶解氧是17.37%，所有数据均能够满足质量控制要求。

2.3 评价方法

采用单因子污染指数D和内梅罗综合污染指数P对断面水质进行分析，参考《内梅罗综合污染指数等级划分标准》(表1)对各断面水质进行定性评价[11]。断面类别比例法(表2)对郪江流域遂宁段的流域状况定性评价[12]。

单因子污染指数利用监测数据和评价标准进行对比，选取水质最差的类别即为评价结果，该方法概念明确，易于计算，缺点在于以最差的水质单项指标确定综合水质类别，弱化了其他水质因子的作用。内梅罗综合污染指数既考虑了参加评价的各种污染物的污染指数，还考虑了最大污染物的污染指数，可以更合理的反应各监测断面的污染性质和程度。断面类别比例法根据各级水质类别的断面数占河流所有评价断面总数的百分比表征河流水质状况，用于对流域水质和区域地表水总体状况进行定性评价。

表1 内梅罗综合污染指数划分等级Tab.1 Class of Nemero comprehensive pollution index

表2 水质类别比例划分等级Tab.2 Classification of water quality by proportion

(1)

(2)

式中：n为水质个数；Ci为水质实际监测值(mg/L)；Si为地表水环境质量标准(GB3838-2002)Ⅲ类标准限值(mg/L)。

采用等标污染负荷(Pi)和污染负荷比Ki对支流和入河排口进行评价[13]。

(3)

(4)

式中：Pi为某污染物的等标污染负荷(t/a)；Ci为某污染物的实测浓度(mg/L)；Cs为某污染评价标准(mg/L)；Qi为含某污染物的排水量(t/a)；Ki为负荷比。

3 结果分析

3.1 流域水质现状

郪江流域遂宁段261个监测断面，采用单因子污染指数进行评价，pH和氨氮的单因子污染指数分别为0.13～0.92和0.01～0.90，全流域没有出现超标。溶解氧部分断面出现过饱和，单因子污染指数出现极大值。总磷只有一个断面单因子污染指数超过1，超标率0.38%。CODCr的单因子污染指数范围为0.32～1.36，超标率67.1%。郪江流域遂宁段261个监测断面中有176个断面水质劣于Ⅲ类。其中，175个断面CODCr超标，古柏溪、通仙河、瑰溪、小蒜溪和黄辣溪断面超标率均达到100%。为该流域首要污染物。评价指标CODCr断面超标率见表3。

表3 CODCr断面超标率Tab.3 The over-standard rate of the CODCr (%)

对干流水质空间分布进行研究，氨氮入境象山断面浓度较高，为Ⅲ类水质，往中游方向浓度急剧下降，水质转好为Ⅱ类。进入大英县城区段，浓度逐渐升高，受大英县城区外排工业废水和生活污水影响，水质变差为Ⅲ类水质。进入下游河段浓度逐渐下降，恢复Ⅱ类水质。总磷自上游至下游方向，除象山镇夏团路大桥断面受象山镇污水处理厂外排废水影响超过Ⅲ类水质标准限值外，其余断面浓度变化幅度不大，总磷浓度能够稳定达到Ⅲ类水质标准。CODCr入境断面象山能够达到Ⅲ类水质，单因子污染指数为0.94，达标形势严峻。自上游至下游方向，浓度呈现先降低再升高的趋势，在进入大英县城区后至下游段CODCr浓度均高于Ⅲ类水质标准限值，215条干流监测断面从上游象山镇到下游汇入涪江CODCr单因子污染指数变化趋势见图2。

图2 CODCr单因子污染指数变化趋势Fig.2 Variation trend of single-factor index of CODCr

上游河段除了象山镇外，两岸基本为农田，无较大污染源汇入，水质未受较大污染。上游至中游河段由于水体自净能力，水质有所好转。中游进入大英城区，受人类活动影响，从河道取水、工业和生活废水进入河道，水质明显恶化，下游除了隆盛镇外，两岸基本为农田，凭借水体自净能力，到达郪口断面附近，相对中游水质才有所回升。郪江流域遂宁段全流域无人船巡航从上游象山镇到下游汇入涪江利用单因子污染指数进行评价的水质类别如图3所示。

图3 水质类别分布Fig.3 The distribution of water quality categories

内梅罗综合污染指数对水质情况进行综合分析，郪江流域遂宁段内梅罗综合污染指数范围是0.27～4.47，261个监测断面中，内梅罗综合污染指数主要分布在0.5～1.0之间，水质清洁占比为87.7%，是郪江流域遂宁段主要水质类型。烽润食品有限公司断面到赵家坝大桥断面溶解氧出现过饱和，单因子污染指数出现极大值，导致内梅罗综合污染指数出现峰型趋势，其余断面内梅罗综合污染指数相对平稳，从上游象山镇到下游汇入涪江内梅罗综合污染指数变化趋势结果如图4所示。烽润食品有限公司断面到赵家坝大桥断面水流缓慢，为浮游生物尤其是藻类的生长提供了条件。沿岸种植面积广，地表污染物尤其是总磷和总氮通过径流进入郪江流域，导致水体富营养化。溶解氧过饱和，总磷和总氮浓度偏高。

“绝宸上仙，这墨颜仙子已是我的属下，你怕是不能带走了。”粗大树枝上站着天南星妖，他冷声道，“我劝你休管闲事，海金沙我已得到！那竹沥珠熬不了几日·，也会自动现身！我炼成飞龙掌血指日可待。你若识趣，不如帮我一起寻找竹沥珠。待本座一统三界时，依然可以封你为战神……”

图4 内梅罗综合污染指数变化趋势Fig.4 Variation trend of nemerow comprehensive index

采用断面类别比例法定性分析郪江流域遂宁段的水质状况，水质为Ⅱ类点位有11个，占比4.2%，Ⅲ类点位有74个，占比28.4%，Ⅳ类点位有176个，占比67.4%，无Ⅴ类和劣Ⅴ类水体，郪江流域遂宁段综合水质以Ⅳ类为主，流域水质为轻度污染。支流除寸塘口河水质状况良好外，其余支流均为轻度污染。各类别水质所占百分比见图5。

郪江流域遂宁段干流水质为Ⅱ类和Ⅲ类的点位主要分布在中上游，入境水质能够达到Ⅲ类标准要求，中国死海旅游度假区到浪漫地中海国际文化旅游度假区河段整体综合水质最优，均为Ⅱ类水质。中下游点位的水质普遍为Ⅳ类，大英县工业园区到郪江入涪江处河段整体综合水质较差，均为Ⅳ类水。本次监测的8条支流中，有5条支流的监测点位水质均为Ⅳ类，分别为古柏溪、通仙河、瑰溪、小蒜溪、黄辣溪。郪江流域遂宁段支流只有寸塘口河水质良好，其余均为轻度污染，支流水质对干流综合水质存在直接影响。各监测河段采用断面类别比例法水质评价情况见表4。

图5 水质类别比例Fig.5 Proportion of water quality categories

表4 流域水质状况Tab.4 The water quality status of Qijiang river

3.2 入河排口水质调查

3.2.1 入河污染物排放量

为掌握郪江流域遂宁段水质污染成因，分析重要排水口排水对河道污染程度，对郪江流域遂宁段入河排口进行了现场调查，干流共计有47处入河排口。间断式排口40处，主要为城市和乡村雨水泄洪口。连续式排口7处，4处为城市和乡镇污水处理排放口，3处为大英县城雨污混合排放口。对连续排放的7处入河排口外排水进行了同步的水质和水量监测，废水中污染物众多，选取郪江流域遂宁段典型污染物CODCr、氨氮和总磷进行分析和统计，对年排放量进行了估算，结果如表5所示。7个连续排放的排污口入河方式主要为明渠，三种污染物入河总量为58.4t，大英县工业污水处理厂排污口外排废水中CODCr入河污染物量最多，为41.7t。其次为大英县城市生活污水处理厂排污口，CODCr入河污染物量为7.56t，对水质影响较大的污染因子均为CODCr。三个城市雨水排口外排水流量小，污染因子浓度低，入河污染物量小，对郪江流域遂宁段水质影响小。

表5 入河排口信息Tab.5 The information of discharge outlets (t/a)

3.2.2 入河排污口评价

为反映各排口对郪江流域遂宁段水质的影响，对各排口采用等标污染负荷和负荷比进行评价。主要污染物CODCr、氨氮和总磷的等标污染负荷分别为2.87 t/a、0.62 t/a、2.33 t/a，负荷比分别为49.3%、10.7%和40.0%。将各入河排污口的等标污染负荷进行对比排序可以看出，大英县工业污水处理厂排口的等标污染负荷最高，负荷比为54.1%，主要污染物CODCr的负荷比为62.0%。象山镇污水处理厂排口的等标污染负荷也相对较高，其负荷比为29.9%，主要污染物总磷的负荷比为59.8%，结果见表6。

表6 入河排口污染负荷Tab.6 The pollution load of discharge outlets

除了象山镇污水处理厂和隆盛镇污水处理站位于乡镇外，其余排口均位于大英县城区，郪江流域遂宁段上游来水虽然能够达到地表水环境质量标准Ⅲ类水质，但是CODCr单因子污染指数为0.94，在进入大英县城区后，沿途城镇工业废水、生活污水和面源污染进入河道，各种排污口外排废水中主要污染物CODCr加重河道负荷。从大英县城区至下游段CODCr浓度均高于Ⅲ类水质标准限值，水质均为Ⅳ类，CODCr成为影响水质的主要污染因子。

为分析各排口外排水对郪江流域遂宁段水体水质的影响，对监测区域内重要排水口排水质量进行监测分析。以河流宽度为基准，取其1/2宽为半径(约50m)，以排入河道区域布设的监测点为中心，对7个排水口上下游及正对岸3点布设监测断面同步进行无人船走航监测。用于对比排口排水流入河道经弥散后对河道的影响，结果见表7。

表7 入河排口水质评价Tab.7 The water quality evaluation of discharge outlets (mg/L)

从表7可以看出，郪江流域遂宁段干流沿程各排口对水质产生的影响。象山镇污水处理厂外排废水首要污染物是总磷，水体中总磷浓度从该断面上游到下游增加了0.012mg/L，排口对岸经过横向扩散后总磷浓度增加了0.008mg/L，CODCr和氨氮外排水浓度和地表水浓度接近，对地表水体基本无影响，CODCr上游来水距离Ⅲ类限值空间较小。盐井街道梨子坝村、新代机械和盛马外宝石岩三个雨水排口外排水浓度低于或者接近地表水体水质，对地表水体无影响，甚至部分断面产生稀释作用。大英县城市生活污水厂外排废水污染物浓度均低于地表水体，由于稀释作用和水体自净能力，下游水质优于上游水质。经现场调查，大英县城市生活污水厂对岸为回水区，水体流动缓慢，污染物沉积富集，水质明显变差。大英县工业污水处理厂外排水污染物浓度接近地表水体水质，排口上、中、下和对岸水质接近，外排水对地表水体无影响。郪江流域遂宁段经过大英县城区进入下游隆盛镇，CODCr浓度均高于Ⅲ类水质标准限值，隆盛镇污水处理站外排废水CODCr高于Ⅲ类水质标准限值，加重了郪江流域水体负荷，排口下游和对岸CODCr浓度值均增加了0.4mg/L。郪江流域遂宁段干流沿程各排口对周边地表水体的敏感指标CODCr、氨氮和总磷影响较小，由于上游来水CODCr接近Ⅲ类标准限值，水体纳污容量有限，各排口外排废水均不同程度加重了流域CODCr负荷。

4 结 论

以郪江流域遂宁段为研究对象，利用无人船技术对全流域和重点排污口进行了巡航监测，对流域水质现状进行了综合评价，分析了沿程水质变化趋势并揭示出影响水质的污染因子。对入河排污口进行了现场调查并探讨了入河排污口对水质的影响。

(1)郪江流域遂宁段全流域261条监测断面的走航监测，主要水质类别为Ⅳ类，断面类别比例法分析流域水质为轻度污染。上游水质优于下游，中游水质最差。CODCr入境断面象山单因子污染指数为0.94，达标形势严峻。大英县城区至下游段CODCr单因子污染指数均高于1.0，成为影响流域达标的污染因子和首要污染物。67.1%的监测断面中CODCr单因子污染指数略高于1.0，流域内梅罗综合污染指数主要在1.0以下，87.7%监测断面水质类别为清洁。

(2)对郪江流域遂宁段7个主要入河排水口进行现场调查和走航监测，雨水排口外排水流量小，污染因子浓度低，入河污染物总量小，等标污染负荷和负荷比均小于污水排放口，对地表水体水质影响小甚至产生稀释作用。城市工业和生活污水处理排放口CODCr入河总量、等标污染负荷和负荷比均高于其他污染因子。流域上游来水有机负荷容量有限，各排口外排废水均不同程度加重了流域有机负荷，致使大英县城区至下游河段全面超标。

(3)郪江流域在遂宁市内经济发展水平及人口分布属较为密集地区，河流稀释和自净能力对相对较差，上游来水达标形势严峻。针对存在问题，优化产业空间布局，建立起与流域生态环境保护要求相适应、与生态承载力相适应的生产力布局，遵循自然恢复为主的原则制定分区保护方案。完善对流域沿岸护坡、河堤的景观建设，防止水土流失和化肥农药污染通过地表径流和雨水排污口进入河道。通过实施入河排污口综合治理，促进流域水质持续改善，提升水生态环境质量。