新型簡易透明度檢測裝置設(shè)計(jì)與研究

楊瑞豐

(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116023)

透明度是指水體能夠使光線透過的程度，是水質(zhì)監(jiān)測的常規(guī)項(xiàng)目之一，也是反映水體富營養(yǎng)化的重要指標(biāo)。在富營養(yǎng)化高發(fā)期，透明度的監(jiān)測能夠直觀快捷地反映水體的實(shí)時(shí)狀況，因此高頻次的水質(zhì)透明度監(jiān)測已成為水庫日常檢測工作之一。目前，檢測人員通常按照《透明度的測定(透明度計(jì)法、圓盤法)》(SL 87-1994)規(guī)定，將黑白圓盤浸入水中，直到幾乎看不見圓盤為止，記錄浸入水中部分的長度即為透明度[1]。該方法測量時(shí)操作步驟簡單，獲取結(jié)果快，但會(huì)受到空間、水文、氣象、光線等多因素的影響，存在一定的局限性[2]。

對水庫水體透明度的監(jiān)測，若選擇乘船至水庫中心測定，則當(dāng)檢測頻次很高時(shí)，頻繁地使用船會(huì)耗費(fèi)大量人力物力，從而降低高頻次檢測效率；若以無人機(jī)、攝像頭、信號(hào)傳感器和岸邊大型驅(qū)動(dòng)裝置為主的測量設(shè)備進(jìn)行測定，則存在操作復(fù)雜、生產(chǎn)和維護(hù)成本較高、設(shè)備機(jī)動(dòng)性差等問題[3]。若選擇在水庫岸邊進(jìn)行測定，由于一般水庫壩體坡度較大，黑白圓盤難以垂直下沉，導(dǎo)致圓盤往往還未下沉到測試要求的深度就已經(jīng)停留在壩上，使監(jiān)測難以正常進(jìn)行。

為此，本文通過研究改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備與測量方法，在減少大量人力物力成本的前提下，能夠快捷高效地在岸邊對水庫水體透明度進(jìn)行檢測。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與測量

1.1 裝置設(shè)計(jì)

簡易透明度檢測裝置見圖1。

圖1 簡易透明度檢測裝置設(shè)計(jì)1-伸縮桿；2-繩盤；3-拉繩；4-鋼環(huán)；5-防滑纏繞帶；6-閉環(huán)狀；7-黑白盤；8-沉錘；9-安全扣；10-手柄；11-固定槽

伸縮桿為多段結(jié)構(gòu)，每段的最前端設(shè)有鋼環(huán)，繩盤固定在伸縮桿上，拉繩一端纏繞在繩盤上，另一端依次穿過伸縮桿上的鋼環(huán)后，端部通過安全扣與黑白盤和沉錘相連。

伸縮桿設(shè)計(jì)為3段伸縮結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)桿長0.8m，兩個(gè)伸長桿均為0.7m。收縮后占用空間小，便于攜帶，全部拉伸后可達(dá)到2.2m，滿足常規(guī)水庫透明度測定條件。伸縮桿上的3個(gè)鋼環(huán)選用機(jī)械強(qiáng)度高且光滑的材質(zhì)，可有效減少拉繩的磨損，減輕拉拽黑白盤時(shí)的阻力。

在基礎(chǔ)桿的正中間設(shè)有凹槽，與繩盤背面的凸起相匹配，用于固定繩盤，方便拆卸。桿的末端有用于手持的防滑纏繞帶。繩盤的正面設(shè)有手柄，檢測時(shí)打開手柄進(jìn)行纏線。拉繩帶有刻度，一端纏在繩盤上，另一端為閉環(huán)狀，與安全扣相連接。拉繩刻度分度值為1cm，總長10m，滿足一般水體透明度測量要求。標(biāo)10m刻度一端纏在繩盤上，標(biāo)0m刻度一端連接黑白盤。

安全扣和沉錘均帶有螺紋，安全扣底座為螺帽狀，沉錘后端為螺絲狀，將黑白盤固定在中間，沉錘可根據(jù)不同水流條件選用不同重量，以減少黑白盤在水中的偏移，該結(jié)構(gòu)易于更換。

1.2 實(shí)驗(yàn)操作流程

使用本裝置對水庫透明度進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測時(shí)，依次組裝繩盤、拉繩、黑白盤和沉錘，并將伸縮桿拉伸至最長。檢測人員站在岸邊靠近水體，一只手握住伸縮桿纏繞帶位置，控制伸縮桿另外一端接觸水面，使黑白盤自由下沉，另一只手通過手柄控制拉繩長度及黑白盤位置，直至剛好看不見黑白盤。讀取繩盤位置拉繩上的刻度，減去桿長2.2m，即為水下拉繩的長度，最后通過公式校正后得到該水體透明度。

1.3 校正計(jì)算

由于岸邊存在坡度，操作人員目視方向并非由上至下的直視，水下拉繩長度小于真實(shí)透明度，需對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行校正。如圖2所示進(jìn)行建模，BC為水平面，檢測人員站在B點(diǎn)，將伸縮桿全部展開，頂端觸碰在水面C的位置進(jìn)行檢測，D為人眼剛好看不見黑白盤時(shí)的位置。其中，AB為檢測人員手持裝置到地面的距離，預(yù)設(shè)為1.2m；AC為裝置伸縮桿長度，為2.2m；通過計(jì)算BC距離為1.84m。CD為黑白盤在水下的垂直高度，即測量透明度；AD為人眼注視黑白盤的光程。水下部分ED即為實(shí)際透明度。

為得到準(zhǔn)確的透明度結(jié)果，需要確定測量值CD與實(shí)際透明度ED的關(guān)系，從圖2可以看出，通過相似三角形計(jì)算，AB/BE=CD/CE，設(shè)測量值CD為a，則

圖2 校正計(jì)算示意圖

(1)

《透明度的測定(透明度計(jì)法、圓盤法)》(SL 87-1994)中規(guī)定，透明度1m以內(nèi)結(jié)果記錄精確到1cm；1m以上深度結(jié)果記錄精確到0.1m，根據(jù)水庫實(shí)際透明度變化范圍分析，通過計(jì)算：

(2)

當(dāng)a≤0.7時(shí)，通過式(1)與式(2)得到的透明度結(jié)果誤差小于4%，符合監(jiān)測要求。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為進(jìn)一步驗(yàn)證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，2019年6月每周一對大連英那河水庫(Y)和松樹水庫(S)進(jìn)行透明度檢測，當(dāng)月共監(jiān)測4次。乘船至水庫中心利用常規(guī)黑白盤檢測透明度，同時(shí)在相同監(jiān)測條件下于水庫岸邊采用該簡易透明度檢測裝置測量，檢測結(jié)果比對見表1。

表1 兩種檢測方法結(jié)果比對

由表1中數(shù)據(jù)可知，英那河水庫(Y1～Y4)水質(zhì)較好，該裝置檢測的結(jié)果與常規(guī)船采結(jié)果完全一致；松樹水庫(S1～S4)透明度相對較低，但兩種方法檢測結(jié)果誤差很小(< 3%)，符合監(jiān)測要求。說明該方法的檢測結(jié)果準(zhǔn)確可信，而同時(shí)相比常規(guī)船采法，又大大節(jié)省了人力物力，這為水庫透明度檢測提供了便利。

由于兩種檢測方法都是基于塞氏圓盤法，該方法檢測方便快捷，但是精確度較低。從表1中可以看到，當(dāng)實(shí)際透明度大于1.30時(shí)，兩種方法檢測結(jié)果一致，該裝置可完全替代傳統(tǒng)船采方式。透明度越小，誤差越大，6月是藻類高發(fā)期，浮游生物大量繁殖，水體透明度明顯降低，表中S4的透明度0.70 m基本已達(dá)到該水庫的最低透明度，2.86%的誤差符合監(jiān)測要求。對于透明度更低的其他極端水體，可以采用拆除伸縮桿，在岸邊直接用黑白盤測定的方法，低透明度使得黑白盤未沉至壩底便可準(zhǔn)確讀數(shù)。

3 透明度檢測裝置的優(yōu)勢

相比于市場上現(xiàn)有的透明度檢測裝置，該實(shí)驗(yàn)方法具有明顯優(yōu)勢，主要解決了在有坡度的水庫壩前難以進(jìn)行透明度監(jiān)測的問題。

a.相比行船至庫中監(jiān)測的方式，大大降低了對船只使用的依賴，為日常高頻次監(jiān)測提供另一種方式，尤其是在水體富營養(yǎng)高發(fā)期，為透明度的連續(xù)監(jiān)測提供便利。

b.適用性廣，適合各種水體透明度監(jiān)測，在湖泊、魚塘等有坡度的岸邊都可以達(dá)到監(jiān)測目的。

c.現(xiàn)場操作簡單，只需讀取繩盤位置拉繩的數(shù)據(jù)結(jié)果，相比常規(guī)方法目視的距離更近，結(jié)果更加準(zhǔn)確。

d.伸縮桿可收縮至0.8 m, 繩盤和黑白盤拆卸方便，全部組件易于整理，占用空間小，便于野外攜帶。

e.裝置結(jié)構(gòu)簡單，制作和維護(hù)成本低。

4 結(jié) 語

透明度是水質(zhì)監(jiān)測重要指標(biāo)，尤其在藻類高發(fā)期能夠直觀反映水體富營養(yǎng)化程度，如何能又快又準(zhǔn)確地監(jiān)測已成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。最常用的檢測方法塞式圓盤法具有局限性，本研究對塞氏圓盤法進(jìn)行改進(jìn)，通過設(shè)計(jì)了一種簡易透明度檢測裝置，有效地解決在有坡度的水庫壩前難以進(jìn)行透明度監(jiān)測的問題，為透明度測定提供了一種新的方式。通過建模確定校正公式，使檢測結(jié)果更加準(zhǔn)確。檢測結(jié)果與采用常規(guī)船采法結(jié)果進(jìn)行對比，基本一致，說明了新方法具有較高的可信性。該方法具有適用性廣、操作簡單，占用空間小和成本低等優(yōu)勢，具有良好的實(shí)用價(jià)值與市場前景。