地表水状态实时监测与重金属污染物特征分布研究

黎文辉

摘要：为了更有效地改善地表水环境，给予防治措施更可靠的实施依据，基于窄带物联网技术设计了一种地表水状态实时监测技术。以窄带物联网为技术支持，建立感知层、传输层及应用层，结合电源、微控制器构成实时监测平台，采集、传输地表水状态信息的同时完成对地表水状态的监测。在通过瞬时采样法采集监测点处的地表水样本后，利用电感耦合等离子体质谱法等方法，分析各污染物的特征分布状况。测试结果表明：随水流方向，所选研究区域内地表水中的重金属污染物呈现出显著的空间分布差异性，且平均含量超出V类水标准，属重度污染。

关键词：地表水；窄带物联网技术；物理状态实时监测；重金属污染物；污染物特征分布

中图分类号：X522 文献标志码：A

前言

水资源是生物赖以生存的重要资源，直接关系着社会生产与日常生活的正常有序进行。在先污染、后治理的处理方式与有限的治污技术下，水资源污染与紧缺的局面愈发严峻。作为生活、工业、农业的主要用水，地表水的污染现状也因盲目追求经济增长、环境保护意识薄弱、后治理模式等因素而令人感到发指，珍惜、保护和利用是全球可持续发展的当务之急。

基于此，环境领域内的诸多学者将地表水的重金属污染问题作为首要任务，任丽江等人针对黄河支流流域的关中段，利用多元统计方法，分析地表水重金属污染特征，采用健康风险评价模型评估风险；郑家传等人针对苏州市主城区，利用地理空间系统与蒙特卡洛随机模拟系统，分析地表水重金属污染特征，并做出风险评价；袁平日王等人针对粤北某离子吸附型稀土矿山，融合多元统计分析法、土壤潜在生态风险指数法、地表水健康风险评价模型，得到重金属分布特征与风险评估结果。

现有方法能够给予地表水重金属污染防治有效依据，确保用水安全。在现有研究的基础上，为了进一步提高地表水防治技术水平，信息化地提出更科学、更可靠的决策依据，设计地表水状态实时监测技术，并对重金属污染物特征分布展开研究分析。

1 目标区域监测点布置

在季节性显著且降雨、降雪量较为丰富的某省西北部，选取地势较高的M市市区作为目标研究区域。该区域占地面积约为3 500平方公里，水域面积约为1 538平方公里。以年化为标准，降雨量平均可达953毫米，温度平均可达17.1摄氏度。其中，夏季温度约为30.4摄氏度，冬季约为0.5摄氏度。所选区域中有由树枝状水系、扇形水系、羽状水系等构成的发达的水网系统，是典型的河网城市。

在M市，各片区居住密度较大且水体污染严重，既存在点源污染（如工业废水等），也存在面源污染（如地表径流、农田排水等）。同时，因往来船舶的扰动，水体浑浊度较高。为获取更具特征性的地表水状态及重金属污染物状况，在工业区、商业区、农业区、居民区聚集的不同片区内，设定15个水样监测点。

2 基于窄带物联网技术建立地表水状态实时监测平台

如图1所示地表水状态实时监测模型，监测研究区域中15处监测点的pH值、水温、浑浊度等地表水的物理状态。

该平台以窄带物联网为技术支持，由感知层、传输层及应用层，结合电源、微控制器构成。

（1）感知层：感知层的作用是通过各种传感器将实时的水质和水量数据转化为电信号。感知层采集水状态相关数据后，经数字转换发送至微控制器，再通过串口移位寄存器发送至窄带物联网模块。

（2）传输层：由窄带物联网模块与基站、物联网开放式结构构成，作为窄带物联网通信技术支持下的协议信息输送载体，作用是基于消息队列遥测传输通信协议，将感知层发送给窄带物联网的数据输送到云平台上，凭借超文本传输协议实现与应用层交互信息。

（3）应用层：该层即上位机监测平台，其利用传输层提供的数据，进行数据处理、分析和展示。应用层可以提供实时的水质监测、异常预警、水资源管理等功能，方便用户了解和管理地表水的状态和变化。

（4）电源和微控制器：电源为整个平台提供稳定的电力供应，保证各个组成部分的正常运行。STM32F205VET6微控制器则起到连接和控制各个层级的作用，用于运行、协调控制各部，负责感知层的数据采集和传输层的数据传输以及应用层的数据处理和控制。

3 地表水重金属污染物特征分布分析

基于上述构建的地表水状态实时监测平台，设定于3月的枯水期与9月的丰水期内，每月中旬的每天20点，监测一次15处的地表水状态，并以此为依据开展地表水重金属污染物的特征分布分析。

3.1 水样采集与测定

通过瞬时采样法采集15个监测点处水下25cm处的地表水样本。在具体测定重金属污染物前，需实施一系列预处理，以保证水样品质。首先，过滤垃圾、杂草等较大杂质；其次，用滤膜滤除微小生物等较小杂质；然后，添加硝酸银溶液调节pH值，令数值不足2；最后，倒入50 ml聚乙烯塑料瓶内，密封瓶口、贴上标签后低温储存，留待测定、分析使用。所用聚乙烯塑料瓶经过硝酸溶液浸泡10小时、二次蒸馏水冲洗、自然风干等阶段，以提高实验过程精度与质量。测定活动所需的主要设备与试剂见表1。

在研究重金属污染物在地表水中特征分布规律时，要以重金属集物理、化学、生物于一体的迁移转化属性为依据。利用表1中的设备与试剂，结合地表水状态实时监测技术，完成各监测点地表水中铜、铅、锌、铬、砷、汞、镉七种重金属污染物及pH值的测定分析。

3.2 特征分布状况分析

选取丰水期9月份中旬每天20点的地表水状态监测数据，展开地表水重金属污染物的特征分布分析。经多种测定方法测定后，得到研究区域内15个监测点处地表水中七种污染物的特征分布情况与对应pH值。铜重金属污染物的特征分布形式可以看出：8号监测点处的铜含量最高，高达3.59 mg/L；根据国家最新地表水环境质量标准GB 3838 - 2022发现，15个片区中有5个监测点处的铜含量超出V类水质标准，均位于研究区域的东南部；能用于生活饮用、一般工业的较高质量地表水，仅有3个片区，均位于研究区域的西北部。这是因为在地势的影响下，地表水白西向东、白北向南流动，将居民的生活污水和工业园区中化工厂、电石厂等排放的工业废水迁移至目标区域的东南部，导致该方位片区受到铜污染且含量较高，需尽快采取治理措施。

结合各监测点对应的pH值可知，该理化性质与铜含量之间存在显著的负相关性。这说明水体的酸碱性对该重金属污染物的吸附能力、解吸速率及溶解能力具有较大影响。当pH值高于8.5或低于6.5时，水体呈过碱性或过酸性，两种状态均会加强铜的吸附能力，削弱其溶解能力，降低解吸速率，增加重金属的迁移与溶解难度。

同理，随着地表水的流动，铅、锌、铬等其他六种重金属污染物的特征分布也表现出了明显的空间差异性。根据国家最新地表水环境质量标准GB 3838- 2022，铅含量超出Ⅴ类水质标准的监测点数量是5个，锌含量超出Ⅴ类水质标准的监测点数量是4个，铬含量超出Ⅴ类水质标准的监测点数量是3个，砷含量超出Ⅴ类水质标准的监测点数量是11个，汞含量超出Ⅴ类水质标准的监测点数量是8个，镉含量超出Ⅴ类水质标准的监测点数量是5个，除砷污染严重片区位于目标的南部外，其余污染物超标片区均分布在研究区域的东南部。经走访调查发现，铅污染物主要来源于附近畜禽养殖、肉类加工等企业所使用的添加剂；锌污染物主要来源于工业园区的废水和农业种植基地的农药、化肥、排水等；铬来自周边电镀、化工、印染等行业排放的废水；砷污染主要来源于化工、化学制药、农药生产等行业排放的废水；汞污染来自该区域中电镀企业的金属及其制品生产；镉污染物源于城市废水、农业排水及矿石生产。由此可见，该区域重金属污染严重，长此以往，势必会通过累积性沉积使各重金属污染物的浓度升高，逐渐加剧该区域的水污染程度，治理方案的制定与落实迫在眉睫。

结合各监测点对应的pH值可知，水体的酸碱理化性质也对此六种重金属污染物有着较大影响。pH值过大或过小时，各污染物的吸附能力、溶解能力和解吸速率均向劣化方向发展，使重金属污染物更不易溶解、迁移，使得对应片区的污染物含量增高。

4 结束语

由江、河、湖、泊等构成的地表水承载着人类大部分用水压力。随着经济快速发展，气候环境变化越来越大，多数河流、湖泊生态环境遭到破坏，地表水污染问题愈演愈烈。为提前整治地表水生态环境，采取更具针对性的治理措施，提出地表水状态实时监测技术，并结合多种测定方法分析地表水中重金属污染物的特征分布。所选研究区域的地表水重金属污染物在地表水流向的迁移转化下，呈现出显著的空间分布差异性。地表水整体状态较差，含有大量的铜、铅、锌、铬、砷、汞重金属污染物，且各污染物的平均含量超出Ⅴ类水质标准，属重度污染。该区域不仅未受污染的片区较少，而且含量超标严重，亟待采取科学、有效的地表水环境治理手段，提高地表水质量。