無人監(jiān)測船在河流污染溯源中的應用

葛婧婧，王 輝

(江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 宿遷 223800)

1 引言

隨著深入打好污染防治攻堅戰(zhàn)的持續(xù)推進，對“說的清污染來源”的要求越來越高，地方政府對于改善水環(huán)境質(zhì)量的期許也越來越迫切。為有效解決傳統(tǒng)手工“效率低、強度大、危險高、投入大”等問題，無人監(jiān)測船逐漸應用到水污染溯源工作中。無人監(jiān)測船具有船體小巧、攜帶方便、靈活性強和隱蔽性高、智能化、耐波性好、阻力小、速度快、航行穩(wěn)等諸多優(yōu)點[1]。通過自主導航、自主航行等方式在多樣性水域環(huán)境下進行取點采樣，快速準確分析，監(jiān)測數(shù)據(jù)實時上傳到電腦。通過調(diào)閱無人監(jiān)測船的工作歷時概況及航行軌跡，借助各類地理信息軟件，可生成河流的污染物分布圖形。通過水溫信息、氣象信息、環(huán)境污染物檢測數(shù)據(jù)，結(jié)合周邊的工業(yè)企業(yè)排放、城市生活污水的排放情況，可以建立合適的河流流域水污染綜合診斷和評估的量化模型，以便更好開展污染溯源工作，提升服務環(huán)境管理效能。近幾年國內(nèi)外已有多家單位設計、建造應用于環(huán)境監(jiān)測等領域的無人船，例如: 英國普利茅斯大學的“Springer”[2]、國家海洋局第一海洋研究所研發(fā)的“USBV ”[3]等。

2 無人船系統(tǒng)

無人船技術是一種新型的自動化監(jiān)測平臺[4]，依托小型船體，利用GPS定位、自主導航和控制設備，根據(jù)監(jiān)測工作的需要可搭載多種水質(zhì)監(jiān)測傳感器，以人工遙控或者全自動自主導航的工作方式，在航行過程中可到達水體的絕大部分區(qū)域，對水體進行連續(xù)性原位監(jiān)測[5]。該系統(tǒng)可應用于城市內(nèi)河、近海岸、水庫甚至海洋等各種類型水體中的多項水質(zhì)參數(shù)的同步監(jiān)測。同時無人船技術可在水文測繪、水下探測、水下搜索、水環(huán)境應急監(jiān)測等領域扮演重要角色[6，7]。無人船在水庫、城市內(nèi)河水體監(jiān)測方面具有明顯的技術優(yōu)勢，將是未來水質(zhì)監(jiān)測的一個發(fā)展趨勢(圖1)[8]。

圖1 無人船監(jiān)測系統(tǒng)基本構成

2.1 無人船平臺

采樣監(jiān)測無人船平臺的基本構成包括船體、主控單元、導航定位單元、通訊單元、動力單元和監(jiān)測單元，各系統(tǒng)主要技術參數(shù)見表1。

2.2 無人船基站

無人船基站搭配 iBoat BS3無人船的地面基站軟件，岸基控制單元由高性能筆記本電腦和通訊基站組成，結(jié)合控制采集集成軟件，通過無線電傳輸?shù)姆绞絹韺崿F(xiàn)陸地基站與船體之間的命令發(fā)射和信息接收，實現(xiàn)了對船體的控制和監(jiān)測以及對測量儀器的控制和數(shù)據(jù)接收。可選配4G模塊，無距離限制(視網(wǎng)絡情況)。具有水質(zhì)在線監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測工作報告生成、暗管探測、流量測量等功能。

2.3 智能遙控器

智能遙控器可人工遠距離遙控無人船進行監(jiān)測活動，遙感活動范圍為360°。

2.4 水質(zhì)多參數(shù)分析模塊

通過搭載在線水質(zhì)監(jiān)測儀，實現(xiàn)走航式水質(zhì)在線監(jiān)測功能。可測參數(shù)包括：電導率、溶解氧、pH值、氧化還原電位、葉綠素、藍綠藻、氨氮等7個參數(shù)。

表1 iBoat BS3無人測量船基本參數(shù)

2.5 暗管探測聲吶模塊

側(cè)掃聲吶的基本工作原理與側(cè)視雷達類似，通過左右兩側(cè)的換能器基陣，向兩側(cè)發(fā)射聲脈沖，聲波以球面波方式向外傳播，碰到水底或水中物體會形成反射波或者反向散射波，其中的反射波或者反向散射波(也叫回波)會按原傳播路線返回，近距離的回波先到達換能器，遠距離的回波后到到達換能器，通過接受水下物體的回波來發(fā)現(xiàn)目標(圖2)。

圖2 側(cè)掃聲吶工作原理

3 無人船在河流溯源中的應用

與傳統(tǒng)人工水質(zhì)采樣相比，無人船可快速到達現(xiàn)場，行駛至工作人員無法到達的區(qū)域，深入環(huán)境污染禁區(qū)，安全、快速地取回污染水樣進行水質(zhì)監(jiān)測[9]。針對河流水質(zhì)污染現(xiàn)狀，利用無人監(jiān)測船在老汴河、團結(jié)河及懷洪新河開展監(jiān)測調(diào)查。

3.1 老汴河無人船走航調(diào)查

在對老汴河臨淮鄉(xiāng)斷面定向挖潛過程中，江蘇省宿遷環(huán)境監(jiān)測中心聯(lián)合技術單位采用無人船走航的方式對老汴河開展調(diào)查，無人監(jiān)測船搭載暗管探測聲吶模塊，通過左右兩側(cè)的換能器基陣，向兩側(cè)發(fā)射聲脈沖，通過接受水下物體的回波來發(fā)現(xiàn)目標。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，老汴河全線有21處明管，2處疑似暗管，一處位于衡山大橋東側(cè)北岸，另一處位于山河路橋南側(cè)西岸。隨后，監(jiān)測人員現(xiàn)場確認該2處暗管屬實(圖3～5)。

圖3 老汴河研究區(qū)平面圖

3.2 團結(jié)河無人船走航調(diào)查

技術單位采用無人監(jiān)測船搭載暗管探測聲吶模塊走航的方式對團結(jié)河開展調(diào)查，監(jiān)測結(jié)果顯示，團結(jié)河東部水質(zhì)仍為Ⅴ類，定類指標為氨氮，濃度為1.75 mg/L(超地表水Ⅲ類標準0.75倍)。無人船走航調(diào)查發(fā)現(xiàn)，全線共發(fā)現(xiàn)12處明管，在半島國際小區(qū)北側(cè)發(fā)現(xiàn)2處疑似暗管，其中一處正在排放污水匯入團結(jié)河。監(jiān)測人員現(xiàn)場確認該2處暗管屬實，其中一處暗管在直排生活污水(圖6～9)。

圖4 老汴河疑似暗管1聲吶圖

圖5 老汴河疑似暗管2聲吶圖

圖6 團結(jié)河研究區(qū)平面圖

圖7 疑似暗管1，河面分層明顯，現(xiàn)場異味嚴重

3.3 懷洪新河無人船走航調(diào)查

江蘇省宿遷環(huán)境監(jiān)測中心采用無人船搭載在線水質(zhì)監(jiān)測儀，在雙溝大橋開展水質(zhì)在線巡航監(jiān)測。本次監(jiān)測按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》( GB 3838—2002) ，采用綜合水質(zhì)標識指數(shù)法對河流綜合水質(zhì)進行定性和定量評價[10]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，雙溝鎮(zhèn)區(qū)段水質(zhì)整體平穩(wěn)，雙溝大橋至其下游700 m范圍內(nèi)水質(zhì)最差，高錳酸鹽指數(shù)濃度較其余巡航河段高約20.2%。聲吶探測未發(fā)現(xiàn)暗管，在河流兩岸發(fā)現(xiàn)7個排水溝渠，6個明管(疑似污水管道)，位于雙溝大橋下游100 m、600 m處的2個明管正向外排水。現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，河水流速緩慢，基本處于滯留狀態(tài)，明管排水向上游擴散對雙溝大橋水質(zhì)造成直接影響(圖10～13)。

圖8 團結(jié)河疑似暗管1聲吶圖

圖9 團結(jié)河疑似暗管2聲吶圖

圖10 無人船巡航監(jiān)測高錳酸鹽指數(shù)表征

圖11 研究區(qū)段排水溝渠(淺色)、明管(深色)位置

圖12 雙溝大橋下游100 m明管排口

圖13 雙溝大橋下游600 m明管排口

4 結(jié)語

無人船通過搭載水質(zhì)多參數(shù)分析模塊及暗管探測聲吶模塊，實現(xiàn)了對污染源頭的快速追溯。在水污染溯源中發(fā)揮了一定作用，但其還存在遙感系統(tǒng)傳輸速度緩慢、導航精度不夠、測量設備不全等問題，無人監(jiān)測船仍有較大提升空間。

(1)要突破導航系統(tǒng)問題。結(jié)合衛(wèi)星通信和導航技術，建成無人船遙感系統(tǒng)空天一體化，實現(xiàn)水域信息高清視頻實時回傳、虛擬現(xiàn)實后端演示、遠程控制應用及自動駕駛控制，提升航行精準度，增強避讓能力。

(2)要突破數(shù)據(jù)傳輸處理能力。采用“互聯(lián)網(wǎng)+”與云計算等方法，優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸處理能力，提升無人船智能化，確保作業(yè)質(zhì)量。

(3)要突破船載設備種類。提升無人船與儀器一體化水平，更新船體材料、外形，提升惡劣環(huán)境下設備適應性，提升設備精度、識別能力與穿透能力。