船載走航巡測技術在長江水環境監測中的應用

余 明 星，邱 光 勝，李 名 揚，周 正，周 偉，蘇 奇

(1.生態環境部長江流域生態環境監督管理局 生態環境監測與科學研究中心，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月生態環境部出臺《關于推進生態環境監測體系與監測能力現代化的若干意見》指出[1]：推進科技創新與應用，完善生態環境監測技術體系，促進智慧監測發展。2020年6月生態環境部發布《生態環境監測規劃綱要(2020～2035年)》指出[2]：要全面深化生態環境監測改革創新，系統提升生態環境監測現代化能力；監測手段從傳統手工監測向天地一體、自動智能、科學精細、集成聯動的方向發展；開展主要污染因子、重點污染河段走航試點監測，掌握水質變化和污染擴散規律。上述有關生態環境監測改革發展的頂層設計，均要求創新生態環境監測，加強新技術、新方法在監測監控中的應用，提高監測現代化能力和水平，其中提到的走航試點監測即是一項需要探索的創新型技術。目前基于監測船的水環境走航巡測工作基本上還處于摸索階段，有必要對該技術的現狀、特點、應用、前景等問題開展必要的探討，以促進該技術的深入發展。本文以2020年長江水環境走航巡測工作實踐為基礎，提煉和總結了走航巡測技術，以期從理論到案例層面為該技術的推廣應用提供可供借鑒的經驗。

1 船載走航巡測技術探討

1.1 技術現狀

水文和海洋領域利用監測船以巡測方式開展觀測工作較為普遍。中國水文行業制定的SL 195-2015《水文巡測規范》[3]，統一了全國水文巡測的技術要求，實際應用中還需不斷深化巡測方案優化研究[4]。國內海洋領域利用專業的海洋監測船，依托全國海洋環境監測網，長期以來開展海洋綜合環境調查[5]。20世紀90年代以來，中國開始建立海洋環境立體監測系統，其中以船基平臺為載體的走航式調查對中遠海海洋環境和資源的調查研究具有十分重要的作用和意義[6-7]。一系列先進的南極科考船是專業海洋監測船的典型代表[8]，2018年中國第35次南極科學考察開展了以“雪龍”號為依托的南極航線海洋生態環境走航調查[9]。環境監測領域，一般是基于移動車為載體，開展大氣或水環境的移動與自動監測，對突發環境污染事件開展應急監測或預警巡查[10-11]。全國多地區已陸續配備了大氣環境走航監測車，可實現對大氣環境質量的日常巡檢[12-13]。近些年水環境監測移動監測與自動監測進一步融合發展，例如小型無人船實現了遙控水質采樣和在線監測[14]，小型移動式水站實現了城市內小型河流、景觀河流等移動站房式自動監測[15]。美國、法國、新加坡等較早開展了水質移動自動監測技術研究，研發了仿生水下型和天鵝造型的水面型水質監測機器人，可以開展pH、溶解氧、濁度、葉綠素、營養鹽等參數的自主巡航監測[16-17]；美國Kaman Aerospac 公司在長約20 m(65英尺)的工作艇上設計實現了集成29項水文、氣象、理化等水質參數的船載水質監測系統，可以在河口、海灣、河流、海洋等水域開展自動巡航監測[18]。

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

1.2 技術特征

結合走航巡測技術應用現狀和進一步發展，研究探討水環境船載走航巡測技術特征。該技術一般利用專業的水質監測船為載體，根據特定的規劃線路，按照制定的水環境監測方案，依托集成化的自動在線監測儀器設備，結合傳統的人工監測，在大江大河、重要湖泊水庫等可通航的水域，可實現對水質、水生生物、沉積物等多環境要素開展綜合性的耦合式監測工作，并同步開展比對監測，以實現水環境的快速、高效、全面的監測調查和評價，提升水環境監測的現代化、自動化、信息化、智能化水平。船載走航巡測技術體系由“人員、儀器、專業船、監測、評價”五個方面組成，相互聯系構成統一的有機整體，總體技術框架見圖1。該技術具有5個方面優勢：

(1)監測耦合性。實現人工監測與自動監測、固定監測與移動監測，定時監測與在線監測的深度融合，是傳統監測模式向現代監測模式轉變的一種創新性交叉發展。

(2)監測全面性。實現對水質、水生生物、沉積物等涉水環境要素全面調查監測，能在監測船上開展采樣、檢測、數據分析、評價評估、預警等全面業務工作。

(3)監測便利性。可方便抵達各類通航水體，開展岸邊、中泓及全斷面分層采樣監測，對入河排污口、水源地等不同監管水域開展調查監測，突破陸路交通不便等限制。

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

(5)監測準確性。既加強自動和手工監測自身內部質量控制，也開展可比參數手工監測對自動監測的比對質量控制，質控措施融合于監測各環節，確保監測數據可靠。

2 長江水環境走航巡測的實踐應用

2.1 應用概況

(1)巡測工作概況。2020年10月11日至12月10日，利用“長江水環監2016”專業水質監測船，搭載氨氮、總磷、總氮、高錳酸鹽指數、揮發酚、氰化物、陰離子、石油類、汞、砷、鐵、六價鉻、葉綠素a、藍綠藻、重金屬、揮發性有機物、常規五參數共17臺套組合的水質自動監測設備，在長江干流重慶至武漢江段、三峽庫區部分典型支流口等水體開展了走航式水環境巡測試點工作。監測船載體、自動監測系統、人工監測業務工作示意見圖2，巡測工作內容見圖3。巡測自動監測參數38項，人工監測參數6項，比對監測參數8項，見表1。巡測自動監測方法見表2，人工監測方法按國家或行業標準分析方法開展。通過走航式巡測這種新的監測技術思路和方式，有效地開展了長江大尺度、快速、動態、連續自動監測，掌握了水質狀況和污染物沿程變化情況，初步排查了長江水環境風險。

表1 走航巡測監測參數

表2 走航自動監測分析方法

圖2 走航巡測監測船及自動監測和人工監測示意

圖3 走航巡測工作內容

(2)巡測質量保證與適用性分析。走航巡測建立自動監測為主、人工監測為輔的模式，通過自動監測系統自身質控程序控制、人工比對措施控制等方式對自動監測數據實現質量控制和可靠性評價。按質量控制計劃，自動監測每天開展空白樣、加標樣、平行樣、標準質控樣品測定，均滿足質控措施要求，其中反映自動監測準確度的質控樣測定相對誤差在10%以內，滿足數據有效性要求。此外從監測數據精度角度分析，自動監測與人工監測共開展30個點位45個測次的比對工作，對代表性的8個參數，水溫、pH、溶解氧、電導率、總磷、總氮、高錳酸鹽指數、氨氮開展比對測值分析表明，自動監測與人工監測數值趨勢基本一致，測值總體接近(見圖4和見表3)。按各參數比對測值相對偏差在10%以內的測次統計，水溫、pH、電導率、溶解氧均為100%，總磷、總氮、氨氮在77.8%～88.9%之間，高錳酸鹽指數為66.7%，自動監測測值總體在可接受的范圍。另外從水質類別評價角度分析，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測數據的水質評價結果與同期(2020年10～12月)傳統手工監測數據評價結果進行比較，12個斷面評價結果完全一致，占比86%；2個斷面出現Ⅱ類與Ⅲ類之間偏差1個類別的情況。如果按照重點關注不超標的Ⅲ類水標準劃分，則兩種方式評價水質結果一致，符合或優于Ⅲ類水的斷面比例均為100%，表明走航巡測對地表水斷面水質評價具有一定參考價值。

圖4 自動監測與人工監測比對測值比較

表3 自動監測與人工監測比對數據相對偏差統計

2.2 巡測結果分析

2.2.1水質狀況分析

對船載走航巡測自動監測獲得的數據開展統計分析，各參數特征統計值見表4。長江干流重慶至武漢段，基本理化參數pH、電導率、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。常規控制參數方面，總磷、總氮、高錳酸鹽指數全部點位均有檢出，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。揮發性有機物多數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測參數特征值統計

按GB 3838-2002《地表水環境質量標準》，選取pH、溶解氧、高錳酸鹽指數、總磷、氨氮等有評價標準的16項監測參數指標，采用單因子評價法，對192個走航監測點位開展水質類別評價。長江干流192個監測點位全部達到或優于Ⅲ類水標準，其中Ⅱ類水點位173個占比90.1%，Ⅲ類水點位19個占比9.9%，水質總體良好。全部點位33項可評價或可比較指標中僅1項微量有機物指標(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項指標全部滿足Ⅰ類水標準，氨氮、高錳酸鹽指數、銅、鋅4項指標滿足Ⅰ～Ⅱ類水標準，總磷滿足Ⅱ～Ⅲ類水標準，鉛滿足Ⅰ類或Ⅲ水標準。

走航巡測水質評價結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的水環境質量狀況，不僅可以自動化全面獲得常規水質指標監測值，還可以高效獲取微量有機物指標監測值，突破了有機物按傳統人工采樣和實驗室分析模式下歷時較長的制約，為流域水環境監測整體效率的提升提供了先進的技術手段。

2.2.2污染特征分析

走航巡測發現多項監測指標在不同典型水域出現濃度峰值，峰值與所在水域的周邊屬性有較大的關聯性，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，在調查區段重慶至武漢段沿程有逐步升高的趨勢(見圖5)：整個干流區段總磷均值為0.06 mg/L，其中三峽庫區干流江段總磷濃度相對較低為0.05 mg/L，重慶主城區略有升高，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業園區水域總磷出現濃度峰值；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到0.07 mg/L，并出現多個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；荊州至武漢區段內，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到全部監測點位最大峰值。總磷與城鎮生活聚集區和“三磷”產業呈現趨同關聯性。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出與長江沿線大中城市經濟發展同向變化的一致性[22]。此外有關統計資料顯示，湖北省是中國重要的磷產業基地，宜昌市和荊州市有81家“三磷企業”，占湖北省長江沿岸“三磷”企業總數的90%[23]。因此，針對不同污染物走航巡測出現峰值的水域，結合河段工農業生產和生活布局，開展深入水污染溯源分析，可以進一步查明原因，識別水污染潛在問題和風險，為精準治污提供科學依據。

圖5 總磷長江干流沿程空間分布

2.2.3水華預警分析

巡測中發現三峽庫區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，出現不同程度的峰值。總體上看，支流口葉綠素a濃度均值達到2.4 μg/L，濃度范圍為0.9～9.0 μg/L；干流其他監測點位葉綠素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，表明三峽庫區支流富營養化和“水華”風險會普遍高于干流。在巡測過程中2020年10月24日，發現小江河口葉綠素a出現最大峰值，達到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，于是對小江進行了預警和追溯，及時開展了小江“水華”專項調查。通過向小江上游沿程溯源監測，發現小江約54 km的水體呈現褐色或褐綠色，最嚴重水域葉綠素a最大達52.4 μg/L，藻密度最大達6.80×107cell/L，優勢種為顫藻和束絲藻。本次走航巡測發現葉綠素a異常高值，及時開展了支流水環境預警監測，并調查評估了“水華”嚴重程度，體現出走航巡測技術在水環境應急預警監測領域的快速響應優勢，進一步表明該技術在水環境風險排查、預警預報、應急調查等方面可以發揮較大作用。

圖6 葉綠素a長江干流和支流口空間分布

3 展 望

船載走航巡測技術介于水質自動監測、移動監測、傳統人工監測三大類型監測方式之間，融合了三大類監測的優勢，能夠高效獲取多種類、大體量、準確的水環境監測數據，具有廣闊的應用前景。

(1)用于水污染溯源和治理管控及水環境預警預報等管理工作；

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

(3)用于優化調整流域水環境監測斷面，篩選特定水域水環境優先監測因子以及天地空立體化水環境監測技術集成等監測工作。

今后需要繼續深化對船載走航巡測技術的理論認識，并通過技術標準建立，進一步規范巡測技術內容，加大實踐應用力度，逐步推廣這種新的監測模式，在新的歷史時期，穩步推動水環境監測工作從傳統監測向現代監測轉變。