入河排污口排查溯源技術及應用

胡國仲，譚印月，巢 波，李嘉義

（江蘇常環環境科技有限公司，江蘇 常州 213022）

近年來，我國不斷加大水生態環境保護和綜合治理力度，水生態環境質量得到持續改善，百姓身邊清水綠岸、魚翔淺底的現象明顯增多，但流域面源污染負荷大、小微水體富營養化嚴重和特定水體環境污染久治不愈的問題依然突出[1]，這主要是由入河排污口底數不清、上游污染來源不明和責任主體不明確造成的。入河排污口作為人類生產活動過程中產生的污染物進入流域水生態系統的關鍵通道，其上游連接著人類的生產生活、衣食住行等各方面，下游連通著河流、湖泊等各種生物賴以生存的主要場所，對入河排污口的科學管治是持續改善水生態環境質量的重要途徑，入河排污口排查和污染物溯源工作對開展流域水污染的精準施策、推動流域水生態環境質量持續改善具有重要意義。入河排污口管理得好壞，直接關系到水生態環境質量和水生態安全狀況，與群眾的生產生活關系密切，沿岸入河排污口排污問題也是群眾反映強烈的環境問題之一。傳統的入河排污口排查工作主要依賴于人工徒步排查，對排查人員的工作經驗和責任心要求都很高，很容易出現漏排、錯排情況，入河排污口溯源不精確，且工作效率不高。在入河排污口排查溯源過程中，應用成熟的技術手段，可以實現入河排污口高效精準的排查。本文根據已開展的入河排污口排查工作基礎，探討無人機航拍技術、無人船暗管探測技術、水質指紋溯源技術和管網探測技術等在入河排污口排查溯源工作中的應用。

1 排污口排查技術路徑

2019—2020 年，生態環境部組織開展了長江流域入河排污口排查整治專項行動，探索出了入河排污口“三級排查”模式[2]，并在后續黃河流域入河排污口排查整治專項行動工作中進行了優化，形成了具有指導意義的入河排污口排查模式。

入河排污口第一級排查工作內容為：制定入河排污口排查工作方案，利用衛星遙感、無人機航拍等技術手段，按照“全覆蓋”要求開展入河排污口排查工作，基于現場調查獲取的遙感影像和基礎資料，解譯、標記疑似入河排污口和可疑區域，增補入河排污口、所調查河湖岸線等信息，形成入河排污口初步排查對象清單。

入河排污口第二級排查工作內容為：以第一級排查形成的入河排污口排查對象清單作為工作目標，制定入河排污口現場排查工作方案，對疑似入河排污口、可疑區域和歷史入河排污口等信息進行實地確認、修改，并沿河湖岸線查找第一級排查遺漏的入河排污口，對排查認定的入河排污口和非排污口進行相關信息填報或登記，形成入河排污口現場排查成果清單。

入河排污口第三級排查工作內容為：在第一級排查和第二級排查的工作基礎上，對存在疑義的點位形成“重點區域”，開展入河排污口信息復核和精細核查工作，形成客觀準確的入河排污口分類、分布和出水污染程度等信息數據，形成入河排污口“一張圖”“一本賬”。

2 相關技術應用

2.1 無人機航拍技術

2.1.1 技術介紹

無人機具有小巧便于攜帶的特點，使用無人機搭載航空攝像機可以快速地對人工徒步無法進入的區域進行航空拍攝，無人機被廣泛地應用于環境執法和取證中[3]，針對入河排污口排查，無人機航拍也成為了推薦的技術手段之一。使用無人機航拍技術開展入河排污口排查是指在無人機平臺上搭載高分辨率航空攝像機、衛星定位傳感器等設備，按設定的飛行路線沿河湖岸線低空飛行，進行連續拍攝，獲取入河排污口位置信息、航拍照片等數據，經人工判斷識別后，生成入河排污口初步排查對象清單，實踐應用表明，采用無人機進行入河排污口解譯識別，解譯成功率可達80%以上。目前，常見的無人機按照類型可以分為固定翼無人機、多旋翼無人機和混合翼無人機。多旋翼無人機成本低且操作簡單，起飛空間要求不高，飛行速度慢，適合入河排污口細節的拍攝，從使用成本、操作性、起飛空間和飛行速度等各方面綜合考慮，一般使用多旋翼無人機開展入河排污口排查工作。

2.1.2 技術應用

1）無人機航空攝影。無人機航攝飛行平臺需裝配全球導航衛星系統，獲得高精度的定位定姿系統（Position and Orientation System，POS）數據，無人機航線沿河流方向呈帶狀形式敷設，航飛高度應根據圖像分辨率、鏡頭焦距及現場實際情況進行設置[4]。無人機航攝作業應選擇在有利的氣象條件下開展，盡量避免或減少地表植被和其他覆蓋物（如洪水和揚沙等）對無人機航攝的不利影響，飛行作業建議在正午前后3 h 內作業，既能保證充足的光照度，又可避免過大的陰影。飛行作業建議在枯水期開展，枯水期河流水位低，草木生長不茂盛，在豐水期或平水期隱藏在水面以下或植被生長茂盛區域的入河排污口較易被發現，在枯水期，可以最大限度地發揮無人機高空攝影效果，提高入河排污口識別精準度。

2）數據處理及解譯?；跓o人機航拍原始影像、POS及相機檢校等數據，完成影像數據處理及拼接工作，分架次形成飛行范圍內無人機數字正射影像。入河排污口解譯工作是無人機排口排查的核心內容，采用人機交互式解譯的方式，航攝影像制作完成后即開展數據解譯工作，結合入河排污口的紋理、顏色、形狀和周邊環境等特征，識別入河排污口疑似點位，形成入河排污口初步排查清單[5]。入河排污口附近可能會有植物或其他覆蓋物遮擋，或位于水面以下，傳統的人工徒步排查方式難以發現，使用無人機航拍排查也有一定挑戰，正在排污的入河排污口附近會形成污染帶，排污口入河處河水的顏色與自然水體存在明顯差異，可通過無人機影像進行識別解譯，也可加載紅外鏡頭或光譜分析等設備，通過分析水溫、水質差異來識別入河排污口。

3）技術應用局限性。使用無人機航拍技術排查入河排污口在應用中也存在一定的局限性。無人機航拍技術主要是通過空中觀察開展排查，難以獲得觀察入河排污口的最佳角度，入河排污口排查的數據質量和信息獲取存在不足，由于河道存在彎曲，無人機飛行路線需要通過人工判斷，排查獲得的數據完整性難以得到保障，在排查較為隱蔽的入河排污口時，無人機選型不當會導致無法采集到有效數據。

2.2 無人船暗管探測技術

2.2.1 技術介紹

無人船暗管探測技術是依托小型船體作為工作平臺，搭載側掃聲吶模塊開展工作，對排查范圍內的暗管進行排查，將側掃的聲波實時、直觀地傳輸至電腦基站系統中，入河排污口現場排查人員通過聲波呈現的影像，提取入河排污口疑似點位相關信息。側掃聲吶的工作原理與側視雷達類似，通過左右兩側的換能器基陣，發射聲脈沖，聲波以球面波的形式向外傳播，碰到障礙物會形成反射波，其中反射波會按原傳播路線返回，通過接收水下物體的回波發現目標。

2.2.2 技術應用

在入河排污口排查工作中，部分入河排污口位于水面以下，不易被發現，在工業集聚區、生活集聚區的排查河段，雨污水管網復雜，部分雨污混流口、污水偷排口等位于水面以下，采用人工現場排查的方式很難發現。采用無人船搭載側掃聲吶模塊可以對疑似存在入河排污口的河段開展重點排查，并標記水面以下入河排污口精確位置信息，為進一步開展入河排污口追蹤溯源提供工作基礎。無人船動力系統一般采用油電混合或純電動模式，可在高速、中速和低速等各種航速下運行，入河排污口排查工作人員在岸上即可接收相關數據，實時掌握現場排查情況。

無人船受電池容量的限制，航程有限，在暗管排查過程中，需要慢速細致排查，耗時較長，建議在入河排污口排查過程中，主要在工業集聚區、生活集聚區等疑似排污河段使用無人船暗管探測技術，輔助開展入河排污口排查工作，發揮無人船搭載聲吶模塊排查暗管的優勢。若排查河段周邊以種植業用地、未開發用地和林地等用地為主，建議現場排查人員以乘坐汽艇或沖鋒舟與人工徒步相結合的方式排查入河排污口，提高工作效率。

2.3 水質指紋溯源技術

2.3.1 技術介紹

三維熒光光譜是近年來新興的水體有機污染檢測技術，具有直觀、靈敏度高和重復性好等優點，越來越多地應用在溶解性有機物的研究及水質監測上。三維熒光光譜是一種三維矩陣光譜，與水樣一一對應，被稱為水質指紋[6]，清華大學環境學院研究團隊借鑒刑偵中通過手指指紋快速查找嫌疑犯的思路，研發出水質指紋污染溯源技術，使用該技術來識別污染物排放來源。采用三維熒光光譜技術對水樣進行分析的工作原理是利用了不同污染物之間的平面和立體結構差異，它們只對特定波長的光進行吸收，也只在特定的波長發射出熒光，污水所表現出的三維熒光光譜特征差異為其表征、區分及追蹤溯源提供了理論支撐，三維熒光光譜分析可以用于水環境質量評價和水環境污染來源追溯。通過對比水體和疑似污染源之間熒光相似度可以解析水體受納的污染源類型，除用來鑒定污染源類型外，水質指紋溯源技術還可以通過揭示熒光強度的時空變化趨勢來反映污染源對水體影響的時空特征，從而為環境管理部門開展水環境源頭治理提供依據，這項技術在污染溯源領域被認為具有較強的實用性。

2.3.2 技術應用

在入河排污口排查工作過程中，會發現一些難以確定污染來源的入河排污口，常規的水質監測指標可以表征排污口出水的污染程度，但難以根據監測數據判定污染來源。對于問題排口，如果上游涉水企業、居住小區較多，懷疑面大，入河排污口溯源工作量將會大幅增加，耗費時間和精力多，不能及時開展污染源排查、污染物溯源工作，精準確定排污口污染來源。采用水質指紋溯源技術，可以對入河排污口出水進行三維熒光光譜分析，與熒光指紋圖譜庫進行比對，判定污染源類型，還可以通過對比入河排污口出水及上游排污企業廢水三維熒光特征相似度，高效判斷污染來源。三維熒光指紋譜具有測試簡單、反應靈敏、信息豐富和不破壞樣品等特點，越來越受到環保工作者的關注，三維熒光光譜可以快速地反映水質變化，是一種有效的水體污染來源追溯工具[7]，但是，由于三維熒光指紋譜只能表示水樣中熒光類溶解性有機物種類、含量的變化，還受pH、金屬離子和溫度等外界因素的影響，基于單一的三維熒光指紋譜進行污染來源溯源解析具有不確定性，需要完善地區三維熒光指紋圖譜庫，提高溯源分析的準確率。建議在入河排污口溯源過程中，采用水質指紋溯源技術與其他溯源技術相結合的方式進行深度溯源，實現更加準確的溯源解析，提高溯源結果的可信度。

2.4 管網探測技術

2.4.1 技術介紹

潛望鏡檢測系統是一種使用管道潛望鏡在檢查井內對管道內部進行檢測的技術方法，是管道內窺技術的一種，潛望鏡檢測系統主要由主控器、配備攝像頭的手提竿及連接主控器和手提竿的線纜3 部分構成，是采用管道潛望鏡在檢查井內對管道進行檢測的方法。適用于d150～d2000 管徑管道的探測，采用管道潛望鏡對管道內部檢測時，應保持管道內水位處于較低水平。潛望鏡檢測系統的優點是可以解決攝像距離滿足不了管道長度及上傳速率緩慢不能同步的問題，使用快捷，能夠準確判斷管道材質缺陷、腐蝕程度及具體位置[8]。

閉路電視檢測系統的主要設備包括CCD 攝像機、光源、電纜卷盤及爬行器等。CCD 攝像機和光源安裝在爬行器上，使用控制器可操作爬行器在管道中行走，CCD 攝像機采集的管道內部24 位真彩圖像數據可通過電纜傳送至操作器上。閉路電視檢測系統適用于d400～d2000 管徑管道的內部探測，工作環境需滿足可封堵調排、滿足相關設備的安置和爬行條件。閉路電視檢測系統的優點是較潛望鏡檢測（QV）檢測精度更高，但工作時管道內水位要小于管道內徑的30%，管道淤泥厚度要小于管道內徑的20%。

聲吶探測技術是利用探頭向水中發射聲波并接收水下物體的反射回波，通過分析回波數據識別目標，目標的距離依據發射的聲波和回波的到達時間差計算得到。聲吶探測系統在計算機和相關軟件的支持下對接收到的回波信號數據進行自動處理，計算排查目標的各種參數，可以檢測排水設施的運行狀況。聲吶探測技術適用于管道內為滿水狀態情形，優點是無須調排水，使用便捷，缺點是僅能判斷管道斷面的管徑、沉積物形狀及管道變形范圍。

2.4.2 技術應用

在入河排污口排查深度溯源階段，對不能確定污染來源的排污口，為精準查找污水來源，可以采用潛望鏡檢測（QV）、閉路電視（CCTV）和聲吶（Sonar）等進行雨污水管網探測，精準判斷管網污水來源，可追溯至上游錯接、混接點位置，也可查清管道及檢查井結構性缺陷和功能性缺陷。潛望鏡檢測系統、閉路電視檢測系統和聲吶探測技術相較于反光鏡、目測等傳統的檢測技術具有直觀、實時和精準等優勢，被廣泛用于評估管道結構性與功能性狀況，能夠有效排查管網不完善、管網混接和管網破損等問題，在入河排污口排查工作中，可以查清排污口污染來源，為源頭治理污水直排提供技術支撐。

3 結束語

入河排污口排查和污染源精準溯源工作對于實現流域水污染治理的精準施策具有重要的意義，做好入河排污口排查溯源工作是開展排污口整治工作的基礎。在入河排污口排查、溯源過程中，根據不同情景選用合理的技術、設備能夠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準確性。無人機航拍技術可以在空中直接觀察入河排污口，通過攝像頭拍攝、紅外鏡頭或光譜分析設備收集數據，輔助排查入河排污口；無人船搭載側掃聲吶模塊，可以發現暗管；水質指紋溯源技術可以通過出水三維熒光特性，判斷污染源類型，為排污口溯源提供技術支撐，在深度溯源階段可以根據不同管網口徑及排查條件選用潛望鏡檢測技術、閉路電視檢測技術和聲吶探測技術等手段，探測疑似排污管網情況，準確判斷管道缺陷、錯混接具體位置。合理使用新技術、新裝備可以更好地開展入河排污口排查工作，為流域水污染治理打下堅實基礎。