地表水狀態實時監測與重金屬污染物特征分布研究

黎文輝

摘要：為了更有效地改善地表水環境，給予防治措施更可靠的實施依據，基于窄帶物聯網技術設計了一種地表水狀態實時監測技術。以窄帶物聯網為技術支持，建立感知層、傳輸層及應用層，結合電源、微控制器構成實時監測平臺，采集、傳輸地表水狀態信息的同時完成對地表水狀態的監測。在通過瞬時采樣法采集監測點處的地表水樣本后，利用電感耦合等離子體質譜法等方法，分析各污染物的特征分布狀況。測試結果表明：隨水流方向，所選研究區域內地表水中的重金屬污染物呈現出顯著的空間分布差異性，且平均含量超出V類水標準，屬重度污染。

關鍵詞：地表水；窄帶物聯網技術；物理狀態實時監測；重金屬污染物；污染物特征分布

中圖分類號：X522 文獻標志碼：A

前言

水資源是生物賴以生存的重要資源，直接關系著社會生產與日常生活的正常有序進行。在先污染、后治理的處理方式與有限的治污技術下，水資源污染與緊缺的局面愈發嚴峻。作為生活、工業、農業的主要用水，地表水的污染現狀也因盲目追求經濟增長、環境保護意識薄弱、后治理模式等因素而令人感到發指，珍惜、保護和利用是全球可持續發展的當務之急。

基于此，環境領域內的諸多學者將地表水的重金屬污染問題作為首要任務，任麗江等人針對黃河支流流域的關中段，利用多元統計方法，分析地表水重金屬污染特征，采用健康風險評價模型評估風險；鄭家傳等人針對蘇州市主城區，利用地理空間系統與蒙特卡洛隨機模擬系統，分析地表水重金屬污染特征，并做出風險評價；袁平日王等人針對粵北某離子吸附型稀土礦山，融合多元統計分析法、土壤潛在生態風險指數法、地表水健康風險評價模型，得到重金屬分布特征與風險評估結果。

現有方法能夠給予地表水重金屬污染防治有效依據，確保用水安全。在現有研究的基礎上，為了進一步提高地表水防治技術水平，信息化地提出更科學、更可靠的決策依據，設計地表水狀態實時監測技術，并對重金屬污染物特征分布展開研究分析。

1 目標區域監測點布置

在季節性顯著且降雨、降雪量較為豐富的某省西北部，選取地勢較高的M市市區作為目標研究區域。該區域占地面積約為3 500平方公里，水域面積約為1 538平方公里。以年化為標準，降雨量平均可達953毫米，溫度平均可達17.1攝氏度。其中，夏季溫度約為30.4攝氏度，冬季約為0.5攝氏度。所選區域中有由樹枝狀水系、扇形水系、羽狀水系等構成的發達的水網系統，是典型的河網城市。

在M市，各片區居住密度較大且水體污染嚴重，既存在點源污染（如工業廢水等），也存在面源污染（如地表徑流、農田排水等）。同時，因往來船舶的擾動，水體渾濁度較高。為獲取更具特征性的地表水狀態及重金屬污染物狀況，在工業區、商業區、農業區、居民區聚集的不同片區內，設定15個水樣監測點。

2 基于窄帶物聯網技術建立地表水狀態實時監測平臺

如圖1所示地表水狀態實時監測模型，監測研究區域中15處監測點的pH值、水溫、渾濁度等地表水的物理狀態。

該平臺以窄帶物聯網為技術支持，由感知層、傳輸層及應用層，結合電源、微控制器構成。

（1）感知層：感知層的作用是通過各種傳感器將實時的水質和水量數據轉化為電信號。感知層采集水狀態相關數據后，經數字轉換發送至微控制器，再通過串口移位寄存器發送至窄帶物聯網模塊。

（2）傳輸層：由窄帶物聯網模塊與基站、物聯網開放式結構構成，作為窄帶物聯網通信技術支持下的協議信息輸送載體，作用是基于消息隊列遙測傳輸通信協議，將感知層發送給窄帶物聯網的數據輸送到云平臺上，憑借超文本傳輸協議實現與應用層交互信息。

（3）應用層：該層即上位機監測平臺，其利用傳輸層提供的數據，進行數據處理、分析和展示。應用層可以提供實時的水質監測、異常預警、水資源管理等功能，方便用戶了解和管理地表水的狀態和變化。

（4）電源和微控制器：電源為整個平臺提供穩定的電力供應，保證各個組成部分的正常運行。STM32F205VET6微控制器則起到連接和控制各個層級的作用，用于運行、協調控制各部，負責感知層的數據采集和傳輸層的數據傳輸以及應用層的數據處理和控制。

3 地表水重金屬污染物特征分布分析

基于上述構建的地表水狀態實時監測平臺，設定于3月的枯水期與9月的豐水期內，每月中旬的每天20點，監測一次15處的地表水狀態，并以此為依據開展地表水重金屬污染物的特征分布分析。

3.1 水樣采集與測定

通過瞬時采樣法采集15個監測點處水下25cm處的地表水樣本。在具體測定重金屬污染物前，需實施一系列預處理，以保證水樣品質。首先，過濾垃圾、雜草等較大雜質；其次，用濾膜濾除微小生物等較小雜質；然后，添加硝酸銀溶液調節pH值，令數值不足2；最后，倒入50 ml聚乙烯塑料瓶內，密封瓶口、貼上標簽后低溫儲存，留待測定、分析使用。所用聚乙烯塑料瓶經過硝酸溶液浸泡10小時、二次蒸餾水沖洗、自然風干等階段，以提高實驗過程精度與質量。測定活動所需的主要設備與試劑見表1。

在研究重金屬污染物在地表水中特征分布規律時，要以重金屬集物理、化學、生物于一體的遷移轉化屬性為依據。利用表1中的設備與試劑，結合地表水狀態實時監測技術，完成各監測點地表水中銅、鉛、鋅、鉻、砷、汞、鎘七種重金屬污染物及pH值的測定分析。

3.2 特征分布狀況分析

選取豐水期9月份中旬每天20點的地表水狀態監測數據，展開地表水重金屬污染物的特征分布分析。經多種測定方法測定后，得到研究區域內15個監測點處地表水中七種污染物的特征分布情況與對應pH值。銅重金屬污染物的特征分布形式可以看出：8號監測點處的銅含量最高，高達3.59 mg/L；根據國家最新地表水環境質量標準GB 3838 - 2022發現，15個片區中有5個監測點處的銅含量超出V類水質標準，均位于研究區域的東南部；能用于生活飲用、一般工業的較高質量地表水，僅有3個片區，均位于研究區域的西北部。這是因為在地勢的影響下，地表水白西向東、白北向南流動，將居民的生活污水和工業園區中化工廠、電石廠等排放的工業廢水遷移至目標區域的東南部，導致該方位片區受到銅污染且含量較高，需盡快采取治理措施。

結合各監測點對應的pH值可知，該理化性質與銅含量之間存在顯著的負相關性。這說明水體的酸堿性對該重金屬污染物的吸附能力、解吸速率及溶解能力具有較大影響。當pH值高于8.5或低于6.5時，水體呈過堿性或過酸性，兩種狀態均會加強銅的吸附能力，削弱其溶解能力，降低解吸速率，增加重金屬的遷移與溶解難度。

同理，隨著地表水的流動，鉛、鋅、鉻等其他六種重金屬污染物的特征分布也表現出了明顯的空間差異性。根據國家最新地表水環境質量標準GB 3838- 2022，鉛含量超出Ⅴ類水質標準的監測點數量是5個，鋅含量超出Ⅴ類水質標準的監測點數量是4個，鉻含量超出Ⅴ類水質標準的監測點數量是3個，砷含量超出Ⅴ類水質標準的監測點數量是11個，汞含量超出Ⅴ類水質標準的監測點數量是8個，鎘含量超出Ⅴ類水質標準的監測點數量是5個，除砷污染嚴重片區位于目標的南部外，其余污染物超標片區均分布在研究區域的東南部。經走訪調查發現，鉛污染物主要來源于附近畜禽養殖、肉類加工等企業所使用的添加劑；鋅污染物主要來源于工業園區的廢水和農業種植基地的農藥、化肥、排水等；鉻來自周邊電鍍、化工、印染等行業排放的廢水；砷污染主要來源于化工、化學制藥、農藥生產等行業排放的廢水；汞污染來自該區域中電鍍企業的金屬及其制品生產；鎘污染物源于城市廢水、農業排水及礦石生產。由此可見，該區域重金屬污染嚴重，長此以往，勢必會通過累積性沉積使各重金屬污染物的濃度升高，逐漸加劇該區域的水污染程度，治理方案的制定與落實迫在眉睫。

結合各監測點對應的pH值可知，水體的酸堿理化性質也對此六種重金屬污染物有著較大影響。pH值過大或過小時，各污染物的吸附能力、溶解能力和解吸速率均向劣化方向發展，使重金屬污染物更不易溶解、遷移，使得對應片區的污染物含量增高。

4 結束語

由江、河、湖、泊等構成的地表水承載著人類大部分用水壓力。隨著經濟快速發展，氣候環境變化越來越大，多數河流、湖泊生態環境遭到破壞，地表水污染問題愈演愈烈。為提前整治地表水生態環境，采取更具針對性的治理措施，提出地表水狀態實時監測技術，并結合多種測定方法分析地表水中重金屬污染物的特征分布。所選研究區域的地表水重金屬污染物在地表水流向的遷移轉化下，呈現出顯著的空間分布差異性。地表水整體狀態較差，含有大量的銅、鉛、鋅、鉻、砷、汞重金屬污染物，且各污染物的平均含量超出Ⅴ類水質標準，屬重度污染。該區域不僅未受污染的片區較少，而且含量超標嚴重，亟待采取科學、有效的地表水環境治理手段，提高地表水質量。