船載走航巡測技術(shù)在長江水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

余 明 星，邱 光 勝，李 名 揚，周 正，周 偉，蘇 奇

(1.生態(tài)環(huán)境部長江流域生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理局 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與科學(xué)研究中心，湖北 武漢 430010； 2.力合科技(湖南)股份有限公司，湖南 長沙 410205)

0 引 言

2020年4月生態(tài)環(huán)境部出臺《關(guān)于推進(jìn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系與監(jiān)測能力現(xiàn)代化的若干意見》指出[1]：推進(jìn)科技創(chuàng)新與應(yīng)用，完善生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)體系，促進(jìn)智慧監(jiān)測發(fā)展。2020年6月生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測規(guī)劃綱要(2020～2035年)》指出[2]：要全面深化生態(tài)環(huán)境監(jiān)測改革創(chuàng)新，系統(tǒng)提升生態(tài)環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)代化能力；監(jiān)測手段從傳統(tǒng)手工監(jiān)測向天地一體、自動智能、科學(xué)精細(xì)、集成聯(lián)動的方向發(fā)展；開展主要污染因子、重點污染河段走航試點監(jiān)測，掌握水質(zhì)變化和污染擴散規(guī)律。上述有關(guān)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測改革發(fā)展的頂層設(shè)計，均要求創(chuàng)新生態(tài)環(huán)境監(jiān)測，加強新技術(shù)、新方法在監(jiān)測監(jiān)控中的應(yīng)用，提高監(jiān)測現(xiàn)代化能力和水平，其中提到的走航試點監(jiān)測即是一項需要探索的創(chuàng)新型技術(shù)。目前基于監(jiān)測船的水環(huán)境走航巡測工作基本上還處于摸索階段，有必要對該技術(shù)的現(xiàn)狀、特點、應(yīng)用、前景等問題開展必要的探討，以促進(jìn)該技術(shù)的深入發(fā)展。本文以2020年長江水環(huán)境走航巡測工作實踐為基礎(chǔ)，提煉和總結(jié)了走航巡測技術(shù)，以期從理論到案例層面為該技術(shù)的推廣應(yīng)用提供可供借鑒的經(jīng)驗。

1 船載走航巡測技術(shù)探討

1.1 技術(shù)現(xiàn)狀

水文和海洋領(lǐng)域利用監(jiān)測船以巡測方式開展觀測工作較為普遍。中國水文行業(yè)制定的SL 195-2015《水文巡測規(guī)范》[3]，統(tǒng)一了全國水文巡測的技術(shù)要求，實際應(yīng)用中還需不斷深化巡測方案優(yōu)化研究[4]。國內(nèi)海洋領(lǐng)域利用專業(yè)的海洋監(jiān)測船，依托全國海洋環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)，長期以來開展海洋綜合環(huán)境調(diào)查[5]。20世紀(jì)90年代以來，中國開始建立海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)，其中以船基平臺為載體的走航式調(diào)查對中遠(yuǎn)海海洋環(huán)境和資源的調(diào)查研究具有十分重要的作用和意義[6-7]。一系列先進(jìn)的南極科考船是專業(yè)海洋監(jiān)測船的典型代表[8]，2018年中國第35次南極科學(xué)考察開展了以“雪龍”號為依托的南極航線海洋生態(tài)環(huán)境走航調(diào)查[9]。環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，一般是基于移動車為載體，開展大氣或水環(huán)境的移動與自動監(jiān)測，對突發(fā)環(huán)境污染事件開展應(yīng)急監(jiān)測或預(yù)警巡查[10-11]。全國多地區(qū)已陸續(xù)配備了大氣環(huán)境走航監(jiān)測車，可實現(xiàn)對大氣環(huán)境質(zhì)量的日常巡檢[12-13]。近些年水環(huán)境監(jiān)測移動監(jiān)測與自動監(jiān)測進(jìn)一步融合發(fā)展，例如小型無人船實現(xiàn)了遙控水質(zhì)采樣和在線監(jiān)測[14]，小型移動式水站實現(xiàn)了城市內(nèi)小型河流、景觀河流等移動站房式自動監(jiān)測[15]。美國、法國、新加坡等較早開展了水質(zhì)移動自動監(jiān)測技術(shù)研究，研發(fā)了仿生水下型和天鵝造型的水面型水質(zhì)監(jiān)測機器人，可以開展pH、溶解氧、濁度、葉綠素、營養(yǎng)鹽等參數(shù)的自主巡航監(jiān)測[16-17]；美國Kaman Aerospac 公司在長約20 m(65英尺)的工作艇上設(shè)計實現(xiàn)了集成29項水文、氣象、理化等水質(zhì)參數(shù)的船載水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，可以在河口、海灣、河流、海洋等水域開展自動巡航監(jiān)測[18]。

在內(nèi)陸河流、湖庫水域，利用水質(zhì)監(jiān)測船為載體開展人工采樣和檢測工作，可以追溯到20世紀(jì)70年代。1979年中國第一艘長江大型科學(xué)研究船“長清”號投入運行，即開始對長江干、支流進(jìn)行定期或不定期地水質(zhì)巡回監(jiān)測，彌補固定監(jiān)測站的不足[19]。2000年以后，筆者所在單位利用“長江水環(huán)監(jiān)2000”和“長江水環(huán)監(jiān)2016”監(jiān)測船，開展了20多年連續(xù)的水環(huán)境巡測工作，廣泛開展了長江干支流水質(zhì)、水生生物、沉積物等多要素的采樣和檢測工作。此外利用監(jiān)測船為載體，開展過船載水質(zhì)高密度在線監(jiān)測技術(shù)研發(fā)工作[20]，還開展了包括監(jiān)測船載體在內(nèi)的人工監(jiān)測、船載高密度移動巡測、車載移動監(jiān)測、水下層析監(jiān)測、遙感監(jiān)測相融合的水陸空的水環(huán)境立體化監(jiān)測研究[21]。這些工作主要以人工監(jiān)測為主，并逐步融入了自動監(jiān)測技術(shù)研究，對總結(jié)提煉船載走航巡測技術(shù)提供了先導(dǎo)基礎(chǔ)。真正意義上以自動監(jiān)測為主、人工監(jiān)測為輔的船載走航巡測，是在2020年長江水環(huán)境走航巡測試點工作中得以實現(xiàn)。2020年利用“長江水環(huán)監(jiān)2016”專業(yè)水質(zhì)監(jiān)測船，搭載成套水質(zhì)自動監(jiān)測設(shè)備，在長江干流重慶至武漢段開展的走航式水質(zhì)巡測試點工作，有機地將監(jiān)測船載體、自動監(jiān)測系統(tǒng)、人工監(jiān)測業(yè)務(wù)工作融為一體，實現(xiàn)了船載走航巡測模式對長江水環(huán)境的高效調(diào)查監(jiān)測。

1.2 技術(shù)特征

結(jié)合走航巡測技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和進(jìn)一步發(fā)展，研究探討水環(huán)境船載走航巡測技術(shù)特征。該技術(shù)一般利用專業(yè)的水質(zhì)監(jiān)測船為載體，根據(jù)特定的規(guī)劃線路，按照制定的水環(huán)境監(jiān)測方案，依托集成化的自動在線監(jiān)測儀器設(shè)備，結(jié)合傳統(tǒng)的人工監(jiān)測，在大江大河、重要湖泊水庫等可通航的水域，可實現(xiàn)對水質(zhì)、水生生物、沉積物等多環(huán)境要素開展綜合性的耦合式監(jiān)測工作，并同步開展比對監(jiān)測，以實現(xiàn)水環(huán)境的快速、高效、全面的監(jiān)測調(diào)查和評價，提升水環(huán)境監(jiān)測的現(xiàn)代化、自動化、信息化、智能化水平。船載走航巡測技術(shù)體系由“人員、儀器、專業(yè)船、監(jiān)測、評價”五個方面組成，相互聯(lián)系構(gòu)成統(tǒng)一的有機整體，總體技術(shù)框架見圖1。該技術(shù)具有5個方面優(yōu)勢：

(1)監(jiān)測耦合性。實現(xiàn)人工監(jiān)測與自動監(jiān)測、固定監(jiān)測與移動監(jiān)測，定時監(jiān)測與在線監(jiān)測的深度融合，是傳統(tǒng)監(jiān)測模式向現(xiàn)代監(jiān)測模式轉(zhuǎn)變的一種創(chuàng)新性交叉發(fā)展。

(2)監(jiān)測全面性。實現(xiàn)對水質(zhì)、水生生物、沉積物等涉水環(huán)境要素全面調(diào)查監(jiān)測，能在監(jiān)測船上開展采樣、檢測、數(shù)據(jù)分析、評價評估、預(yù)警等全面業(yè)務(wù)工作。

(3)監(jiān)測便利性?？煞奖愕诌_(dá)各類通航水體，開展岸邊、中泓及全斷面分層采樣監(jiān)測，對入河排污口、水源地等不同監(jiān)管水域開展調(diào)查監(jiān)測，突破陸路交通不便等限制。

(4)監(jiān)測高效性。走航狀態(tài)，邊走邊測，隨到隨測；特定水域可開展定點全時段自動監(jiān)測；自動監(jiān)測不能完成的項目，可采用人工現(xiàn)場分析或及時進(jìn)行前處理。

(5)監(jiān)測準(zhǔn)確性。既加強自動和手工監(jiān)測自身內(nèi)部質(zhì)量控制，也開展可比參數(shù)手工監(jiān)測對自動監(jiān)測的比對質(zhì)量控制，質(zhì)控措施融合于監(jiān)測各環(huán)節(jié)，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠。

2 長江水環(huán)境走航巡測的實踐應(yīng)用

2.1 應(yīng)用概況

(1)巡測工作概況。2020年10月11日至12月10日，利用“長江水環(huán)監(jiān)2016”專業(yè)水質(zhì)監(jiān)測船，搭載氨氮、總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)、揮發(fā)酚、氰化物、陰離子、石油類、汞、砷、鐵、六價鉻、葉綠素a、藍(lán)綠藻、重金屬、揮發(fā)性有機物、常規(guī)五參數(shù)共17臺套組合的水質(zhì)自動監(jiān)測設(shè)備，在長江干流重慶至武漢江段、三峽庫區(qū)部分典型支流口等水體開展了走航式水環(huán)境巡測試點工作。監(jiān)測船載體、自動監(jiān)測系統(tǒng)、人工監(jiān)測業(yè)務(wù)工作示意見圖2，巡測工作內(nèi)容見圖3。巡測自動監(jiān)測參數(shù)38項，人工監(jiān)測參數(shù)6項，比對監(jiān)測參數(shù)8項，見表1。巡測自動監(jiān)測方法見表2，人工監(jiān)測方法按國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)分析方法開展。通過走航式巡測這種新的監(jiān)測技術(shù)思路和方式，有效地開展了長江大尺度、快速、動態(tài)、連續(xù)自動監(jiān)測，掌握了水質(zhì)狀況和污染物沿程變化情況，初步排查了長江水環(huán)境風(fēng)險。

表1 走航巡測監(jiān)測參數(shù)

表2 走航自動監(jiān)測分析方法

圖2 走航巡測監(jiān)測船及自動監(jiān)測和人工監(jiān)測示意

圖3 走航巡測工作內(nèi)容

(2)巡測質(zhì)量保證與適用性分析。走航巡測建立自動監(jiān)測為主、人工監(jiān)測為輔的模式，通過自動監(jiān)測系統(tǒng)自身質(zhì)控程序控制、人工比對措施控制等方式對自動監(jiān)測數(shù)據(jù)實現(xiàn)質(zhì)量控制和可靠性評價。按質(zhì)量控制計劃，自動監(jiān)測每天開展空白樣、加標(biāo)樣、平行樣、標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)控樣品測定，均滿足質(zhì)控措施要求，其中反映自動監(jiān)測準(zhǔn)確度的質(zhì)控樣測定相對誤差在10%以內(nèi)，滿足數(shù)據(jù)有效性要求。此外從監(jiān)測數(shù)據(jù)精度角度分析，自動監(jiān)測與人工監(jiān)測共開展30個點位45個測次的比對工作，對代表性的8個參數(shù)，水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮開展比對測值分析表明，自動監(jiān)測與人工監(jiān)測數(shù)值趨勢基本一致，測值總體接近(見圖4和見表3)。按各參數(shù)比對測值相對偏差在10%以內(nèi)的測次統(tǒng)計，水溫、pH、電導(dǎo)率、溶解氧均為100%，總磷、總氮、氨氮在77.8%～88.9%之間，高錳酸鹽指數(shù)為66.7%，自動監(jiān)測測值總體在可接受的范圍。另外從水質(zhì)類別評價角度分析，將本次巡測涉及的長江干流14個地表水國控斷面，基于走航巡測自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的水質(zhì)評價結(jié)果與同期(2020年10～12月)傳統(tǒng)手工監(jiān)測數(shù)據(jù)評價結(jié)果進(jìn)行比較，12個斷面評價結(jié)果完全一致，占比86%；2個斷面出現(xiàn)Ⅱ類與Ⅲ類之間偏差1個類別的情況。如果按照重點關(guān)注不超標(biāo)的Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)劃分，則兩種方式評價水質(zhì)結(jié)果一致，符合或優(yōu)于Ⅲ類水的斷面比例均為100%，表明走航巡測對地表水?dāng)嗝嫠|(zhì)評價具有一定參考價值。

圖4 自動監(jiān)測與人工監(jiān)測比對測值比較

表3 自動監(jiān)測與人工監(jiān)測比對數(shù)據(jù)相對偏差統(tǒng)計

2.2 巡測結(jié)果分析

2.2.1水質(zhì)狀況分析

對船載走航巡測自動監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)開展統(tǒng)計分析，各參數(shù)特征統(tǒng)計值見表4。長江干流重慶至武漢段，基本理化參數(shù)pH、電導(dǎo)率、溶解氧均值分別為8.0、375 μS/cm和8.2 mg/L，在正常水體含量范圍。常規(guī)控制參數(shù)方面，總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)全部點位均有檢出，均值分別為0.06，1.7 mg/L和1.6 mg/L；氨氮絕大部分點位均檢出，均值為0.036 mg/L；揮發(fā)酚、氰化物、六價鉻未檢出或含量較低；陰離子表面活性劑部分有檢出，石油類普遍檢出，但兩者含量均不高；重金屬汞、砷、鎘未檢出，銅、鉛、鋅、鐵均有檢出，但含量不高。揮發(fā)性有機物多數(shù)未檢出或檢出濃度較低，其中甲苯、鄰二甲苯、二氯苯、異丙苯、苯乙烯、對，間二甲苯、四氯乙烯全部未檢出，二氯乙烷、三氯乙烯、苯、乙苯、氯苯、二氯乙烯部分點位有檢出。

表4 長江干流巡測自動監(jiān)測參數(shù)特征值統(tǒng)計

按GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，選取pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、氨氮等有評價標(biāo)準(zhǔn)的16項監(jiān)測參數(shù)指標(biāo)，采用單因子評價法，對192個走航監(jiān)測點位開展水質(zhì)類別評價。長江干流192個監(jiān)測點位全部達(dá)到或優(yōu)于Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，其中Ⅱ類水點位173個占比90.1%，Ⅲ類水點位19個占比9.9%，水質(zhì)總體良好。全部點位33項可評價或可比較指標(biāo)中僅1項微量有機物指標(biāo)(反式-1，2-二氯乙烯)在少部分點位濃度略超出控制限值。其中pH、溶解氧、揮發(fā)酚、氰化物、石油類、陰離子表面活性劑、六價鉻、鎘、砷、汞10項指標(biāo)全部滿足Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)，氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、銅、鋅4項指標(biāo)滿足Ⅰ～Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)，總磷滿足Ⅱ～Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，鉛滿足Ⅰ類或Ⅲ水標(biāo)準(zhǔn)。

走航巡測水質(zhì)評價結(jié)果能夠有效地反映長江上游重慶至中游武漢大尺度范圍內(nèi)的水環(huán)境質(zhì)量狀況，不僅可以自動化全面獲得常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測值，還可以高效獲取微量有機物指標(biāo)監(jiān)測值，突破了有機物按傳統(tǒng)人工采樣和實驗室分析模式下歷時較長的制約，為流域水環(huán)境監(jiān)測整體效率的提升提供了先進(jìn)的技術(shù)手段。

2.2.2污染特征分析

走航巡測發(fā)現(xiàn)多項監(jiān)測指標(biāo)在不同典型水域出現(xiàn)濃度峰值，峰值與所在水域的周邊屬性有較大的關(guān)聯(lián)性，反映出岸上污染源對水中的潛在影響。以長江干流總磷為例，在調(diào)查區(qū)段重慶至武漢段沿程有逐步升高的趨勢(見圖5)：整個干流區(qū)段總磷均值為0.06 mg/L，其中三峽庫區(qū)干流江段總磷濃度相對較低為0.05 mg/L，重慶主城區(qū)略有升高，江段濃度均值為0.06 mg/L，濃度范圍為0.05～0.07 mg/L；三峽大壩以下宜昌江段總磷總體濃度還不高，濃度均值為0.05 mg/L，但在主城區(qū)個別點位濃度升高到0.10～0.12 mg/L，其中宜昌磷化工新材料產(chǎn)業(yè)園區(qū)水域總磷出現(xiàn)濃度峰值；荊州大部分江段、岳陽和咸寧江段總磷逐步升高，其中荊州江段濃度均值達(dá)到0.07 mg/L，并出現(xiàn)多個0.08～0.09 mg/L較大的峰值點位；岳陽和咸寧江段總磷均值也達(dá)到0.07 mg/L，岳陽總磷濃度范圍0.05～0.08 mg/L，咸寧總磷濃度范圍0.06～0.08 mg/L；荊州至武漢區(qū)段內(nèi)，總磷整體上呈波動上升趨勢，至武漢江段總磷平均濃度最高，達(dá)到0.09 mg/L，濃度范圍為0.07～0.14 mg/L，其中楊泗港點位總磷濃度達(dá)到全部監(jiān)測點位最大峰值。總磷與城鎮(zhèn)生活聚集區(qū)和“三磷”產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)趨同關(guān)聯(lián)性。有研究表明，長江干流湖北段總磷高濃度值主要集中在以宜昌、荊州為核心的西部城市群和以武漢為核心的東部城市群，總磷濃度增高水域體現(xiàn)出與長江沿線大中城市經(jīng)濟發(fā)展同向變化的一致性[22]。此外有關(guān)統(tǒng)計資料顯示，湖北省是中國重要的磷產(chǎn)業(yè)基地，宜昌市和荊州市有81家“三磷企業(yè)”，占湖北省長江沿岸“三磷”企業(yè)總數(shù)的90%[23]。因此，針對不同污染物走航巡測出現(xiàn)峰值的水域，結(jié)合河段工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活布局，開展深入水污染溯源分析，可以進(jìn)一步查明原因，識別水污染潛在問題和風(fēng)險，為精準(zhǔn)治污提供科學(xué)依據(jù)。

圖5 總磷長江干流沿程空間分布

2.2.3水華預(yù)警分析

巡測中發(fā)現(xiàn)三峽庫區(qū)支流與干流交匯口水域葉綠素a濃度普遍高于其他干流點位，御臨河、汝溪河、小江、湯溪河、大寧河、香溪河以及磨刀溪、梅溪河等8條支流在干支流交匯的河口水域葉綠素a濃度明顯升高，出現(xiàn)不同程度的峰值?？傮w上看，支流口葉綠素a濃度均值達(dá)到2.4 μg/L，濃度范圍為0.9～9.0 μg/L；干流其他監(jiān)測點位葉綠素a濃度均值為1.3 μg/L，濃度范圍為0.9～3.1 μg/L。支流口葉綠素a均值和濃度范圍均高于干流，表明三峽庫區(qū)支流富營養(yǎng)化和“水華”風(fēng)險會普遍高于干流。在巡測過程中2020年10月24日，發(fā)現(xiàn)小江河口葉綠素a出現(xiàn)最大峰值，達(dá)到9.0 μg/L(見圖6)，顯著高于周邊干流水域，也較其他支流口高，于是對小江進(jìn)行了預(yù)警和追溯，及時開展了小江“水華”專項調(diào)查。通過向小江上游沿程溯源監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)小江約54 km的水體呈現(xiàn)褐色或褐綠色，最嚴(yán)重水域葉綠素a最大達(dá)52.4 μg/L，藻密度最大達(dá)6.80×107cell/L，優(yōu)勢種為顫藻和束絲藻。本次走航巡測發(fā)現(xiàn)葉綠素a異常高值，及時開展了支流水環(huán)境預(yù)警監(jiān)測，并調(diào)查評估了“水華”嚴(yán)重程度，體現(xiàn)出走航巡測技術(shù)在水環(huán)境應(yīng)急預(yù)警監(jiān)測領(lǐng)域的快速響應(yīng)優(yōu)勢，進(jìn)一步表明該技術(shù)在水環(huán)境風(fēng)險排查、預(yù)警預(yù)報、應(yīng)急調(diào)查等方面可以發(fā)揮較大作用。

圖6 葉綠素a長江干流和支流口空間分布

3 展 望

船載走航巡測技術(shù)介于水質(zhì)自動監(jiān)測、移動監(jiān)測、傳統(tǒng)人工監(jiān)測三大類型監(jiān)測方式之間，融合了三大類監(jiān)測的優(yōu)勢，能夠高效獲取多種類、大體量、準(zhǔn)確的水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

(1)用于水污染溯源和治理管控及水環(huán)境預(yù)警預(yù)報等管理工作；

(2)用于流域水環(huán)境評估、不同尺度水環(huán)境快速綜合調(diào)查以及經(jīng)濟社會活動對水環(huán)境的影響等科研工作；

(3)用于優(yōu)化調(diào)整流域水環(huán)境監(jiān)測斷面，篩選特定水域水環(huán)境優(yōu)先監(jiān)測因子以及天地空立體化水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)集成等監(jiān)測工作。

今后需要繼續(xù)深化對船載走航巡測技術(shù)的理論認(rèn)識，并通過技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建立，進(jìn)一步規(guī)范巡測技術(shù)內(nèi)容，加大實踐應(yīng)用力度，逐步推廣這種新的監(jiān)測模式，在新的歷史時期，穩(wěn)步推動水環(huán)境監(jiān)測工作從傳統(tǒng)監(jiān)測向現(xiàn)代監(jiān)測轉(zhuǎn)變。