無人監測船在河流污染溯源中的應用

葛婧婧，王 輝

(江蘇省環境監測中心，江蘇 宿遷 223800)

1 引言

隨著深入打好污染防治攻堅戰的持續推進，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境質量的期許也越來越迫切。為有效解決傳統手工“效率低、強度大、危險高、投入大”等問題，無人監測船逐漸應用到水污染溯源工作中。無人監測船具有船體小巧、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、航行穩等諸多優點[1]。通過自主導航、自主航行等方式在多樣性水域環境下進行取點采樣，快速準確分析，監測數據實時上傳到電腦。通過調閱無人監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、環境污染物檢測數據，結合周邊的工業企業排放、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，提升服務環境管理效能。近幾年國內外已有多家單位設計、建造應用于環境監測等領域的無人船，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的“USBV ”[3]等。

2 無人船系統

無人船技術是一種新型的自動化監測平臺[4]，依托小型船體，利用GPS定位、自主導航和控制設備，根據監測工作的需要可搭載多種水質監測傳感器，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域，對水體進行連續性原位監測[5]。該系統可應用于城市內河、近海岸、水庫甚至海洋等各種類型水體中的多項水質參數的同步監測。同時無人船技術可在水文測繪、水下探測、水下搜索、水環境應急監測等領域扮演重要角色[6，7]。無人船在水庫、城市內河水體監測方面具有明顯的技術優勢，將是未來水質監測的一個發展趨勢(圖1)[8]。

圖1 無人船監測系統基本構成

2.1 無人船平臺

采樣監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、動力單元和監測單元，各系統主要技術參數見表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，結合控制采集集成軟件，通過無線電傳輸的方式來實現陸地基站與船體之間的命令發射和信息接收，實現了對船體的控制和監測以及對測量儀器的控制和數據接收。可選配4G模塊，無距離限制(視網絡情況)。具有水質在線監測、水質監測工作報告生成、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測活動，遙感活動范圍為360°。

2.4 水質多參數分析模塊

通過搭載在線水質監測儀，實現走航式水質在線監測功能。可測參數包括：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。

表1 iBoat BS3無人測量船基本參數

2.5 暗管探測聲吶模塊

側掃聲吶的基本工作原理與側視雷達類似，通過左右兩側的換能器基陣，向兩側發射聲脈沖，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現目標(圖2)。

圖2 側掃聲吶工作原理

3 無人船在河流溯源中的應用

與傳統人工水質采樣相比，無人船可快速到達現場，行駛至工作人員無法到達的區域，深入環境污染禁區，安全、快速地取回污染水樣進行水質監測[9]。針對河流水質污染現狀，利用無人監測船在老汴河、團結河及懷洪新河開展監測調查。

3.1 老汴河無人船走航調查

在對老汴河臨淮鄉斷面定向挖潛過程中，江蘇省宿遷環境監測中心聯合技術單位采用無人船走航的方式對老汴河開展調查，無人監測船搭載暗管探測聲吶模塊，通過左右兩側的換能器基陣，向兩側發射聲脈沖，通過接受水下物體的回波來發現目標。調查發現，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北岸，另一處位于山河路橋南側西岸。隨后，監測人員現場確認該2處暗管屬實(圖3～5)。

圖3 老汴河研究區平面圖

3.2 團結河無人船走航調查

技術單位采用無人監測船搭載暗管探測聲吶模塊走航的方式對團結河開展調查，監測結果顯示，團結河東部水質仍為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)。無人船走航調查發現，全線共發現12處明管，在半島國際小區北側發現2處疑似暗管，其中一處正在排放污水匯入團結河。監測人員現場確認該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 團結河研究區平面圖

圖7 疑似暗管1，河面分層明顯，現場異味嚴重

3.3 懷洪新河無人船走航調查

江蘇省宿遷環境監測中心采用無人船搭載在線水質監測儀，在雙溝大橋開展水質在線巡航監測。本次監測按照《地表水環境質量標準》( GB 3838—2002) ，采用綜合水質標識指數法對河流綜合水質進行定性和定量評價[10]。調查發現，雙溝鎮區段水質整體平穩，雙溝大橋至其下游700 m范圍內水質最差，高錳酸鹽指數濃度較其余巡航河段高約20.2%。聲吶探測未發現暗管，在河流兩岸發現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。現場調查發現，河水流速緩慢，基本處于滯留狀態，明管排水向上游擴散對雙溝大橋水質造成直接影響(圖10～13)。

圖8 團結河疑似暗管1聲吶圖

圖9 團結河疑似暗管2聲吶圖

圖10 無人船巡航監測高錳酸鹽指數表征

圖11 研究區段排水溝渠(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 結語

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

(1)要突破導航系統問題。結合衛星通信和導航技術，建成無人船遙感系統空天一體化，實現水域信息高清視頻實時回傳、虛擬現實后端演示、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)要突破數據傳輸處理能力。采用“互聯網+”與云計算等方法，優化數據傳輸處理能力，提升無人船智能化，確保作業質量。

(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，提升惡劣環境下設備適應性，提升設備精度、識別能力與穿透能力。