羅錫文++楊廣文++謝金延++曾偉渺

摘要：水中懸浮物是重要的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染物之一，也是水質(zhì)評(píng)價(jià)的重要研究對(duì)象，對(duì)水中懸浮物濃度的有效檢測(cè)有助于確定相關(guān)水域的懸浮物最大日負(fù)荷（total maximum daily loads，TMDL）以及相應(yīng)的最佳管理操作（best management practice，BMP）。對(duì)水中懸浮物濃度的檢測(cè)方法，包括傳統(tǒng)稱質(zhì)量法、光學(xué)傳感器、激光衍射、遙感、聲學(xué)、圖像處理、電容等方法進(jìn)行了總結(jié)和歸納，分析各自的優(yōu)勢(shì)和存在的問題并提出了建議。結(jié)果表明，在利用遙感技術(shù)、水中傳感器研究的基礎(chǔ)上，從空間、地面進(jìn)行信息采集和融合，并開展多源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水中懸浮物濃度的研究是未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：懸浮物；非點(diǎn)源污染；最大日負(fù)荷；最佳管理操作

中圖分類號(hào)： X52文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）05-0020-04

收稿日期：2015-11-29

E-mail：xwluo@scau.edu.cn。水中懸浮物濃度是農(nóng)業(yè)水土保持研究和水質(zhì)評(píng)價(jià)的重要參數(shù)，本研究討論的懸浮物（suspended sediment，SS）是指在水中保持懸浮一段相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間而不會(huì)沉底的非常細(xì)微的土壤顆粒[1]。水中懸浮物已被美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）確定為重要的非點(diǎn)源（non-point source，NPS）污染物以及影響河流、小溪發(fā)揮有效功能的最普遍的污染物[2-3]。

與其他水環(huán)境污染物一樣，水中的懸浮物對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)有不利的影響。水生生物對(duì)懸浮物的濃度和持續(xù)時(shí)間都有不良反應(yīng)。懸浮物會(huì)引起光衰減，縮短透光區(qū)的深度，改變水體中熱量的垂直分層。大量懸浮物的存在是限制魚類棲息地的重要因素，也是減少北美水生生物數(shù)量的顯著危害者之一[4-5]。

工業(yè)廢水污水的排放，以及來自城市、農(nóng)場(chǎng)的雨水徑流都含有有毒化學(xué)物質(zhì)。當(dāng)水中的懸浮物攜帶有毒化學(xué)物質(zhì)時(shí)，由于這些物質(zhì)會(huì)長(zhǎng)時(shí)間懸浮在水中而不容易沉積在水底，在順?biāo)飨蛳掠芜\(yùn)輸過程中就可能成為水體污染的潛在來源。受到污染的懸浮物不僅威脅水體環(huán)境，也給人類健康帶來風(fēng)險(xiǎn)。美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）估計(jì)，美國10%湖泊、河流和海灣受到攜帶有毒化學(xué)物質(zhì)的懸浮物污染，并經(jīng)由魚類和底棲生物積累、傳遞到食物鏈。由于受污染的水體其娛樂和商業(yè)用途的流失以及處理污染而增加的成本，美國數(shù)十億美元的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)為此受到影響[2]。

有效監(jiān)測(cè)水中懸浮物的濃度對(duì)評(píng)價(jià)水質(zhì)和評(píng)估潛在不利影響至關(guān)重要，監(jiān)測(cè)懸浮物某時(shí)段被河流運(yùn)輸?shù)目偭靠梢詭椭_定水庫的環(huán)境影響，并估算水庫的壽命[6]。作為關(guān)鍵參數(shù)之一，水和廢水處理過程中也要求測(cè)定懸浮物濃度，以監(jiān)測(cè)各處理階段的工作狀況[7]。人類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)可能會(huì)造成大量的水土流失和水質(zhì)下降，懸浮物濃度的監(jiān)測(cè)有助于確定受損水域的懸浮物最大日負(fù)荷（total maximum daily loads，TMDL），并采取相應(yīng)最佳管理操作（best management practice，BMP）[8]。

1過濾稱質(zhì)量法

傳統(tǒng)的確定水中懸浮物濃度的方法包括使用專用采樣瓶或自動(dòng)取樣器戶外水樣采集程序，以及過濾、干燥、稱質(zhì)量等實(shí)驗(yàn)室程序，水樣應(yīng)在24h內(nèi)被帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行過濾。我國規(guī)定，實(shí)驗(yàn)室操作方法中用孔徑0.45 μm的濾膜過濾水樣，并于103～105 ℃烘干至恒質(zhì)量[9-10]。

傳統(tǒng)方法檢測(cè)水中懸浮物濃度耗時(shí)費(fèi)力、工作量大，雖然自動(dòng)取樣器在一定程度上減輕了勞動(dòng)消耗，但是受限于采樣器有限的存儲(chǔ)空間，雨天時(shí)現(xiàn)場(chǎng)人員仍然需要替換采樣器內(nèi)部的采樣瓶。手動(dòng)或自動(dòng)采樣缺乏對(duì)暴雨時(shí)懸浮物濃度快速及瞬時(shí)信息的獲取能力，因此用傳統(tǒng)方法通常會(huì)錯(cuò)過懸浮物濃度的高峰，而此高峰期運(yùn)輸了懸浮物總量中的絕大部分[6，11]。大多數(shù)其他檢測(cè)技術(shù)都是根據(jù)傳統(tǒng)的稱質(zhì)量法進(jìn)行標(biāo)定的。

2光學(xué)測(cè)量方法

光學(xué)測(cè)量相對(duì)簡(jiǎn)單，且成本較低。光學(xué)傳感器通常測(cè)量懸浮物受到可見光或近紅外光源照射后的散射或透射的光線信號(hào)強(qiáng)弱，以確定水中懸浮物的濃度，并在記錄水中懸浮物濃度的快速波動(dòng)方面展現(xiàn)出可靠的能力[12-13]。

許多學(xué)者使用后向散射（optical backscatterance，OBS）光學(xué)傳感器測(cè)量水中的懸浮物濃度，并由此研究水土流失總量[14]。OBS傳感器的光信號(hào)測(cè)量元件在與光源成45°的位置上測(cè)量被水中懸浮物顆粒后向散射的光線，能夠在很大范圍內(nèi)對(duì)水中懸浮物的濃度產(chǎn)生線性響應(yīng)。盡管此類傳感器在高濃度的懸浮物濃度時(shí)測(cè)量電路往往達(dá)到飽和，但可以通過仔細(xì)調(diào)整其增益大小來克服。測(cè)量透射光的傳感器在懸浮物濃度較小時(shí)應(yīng)用廣泛，但是極端的信號(hào)衰減不適用于相對(duì)較高的懸浮物濃度的測(cè)量[14-16]。Buttmann在研究中發(fā)現(xiàn)，90°的散射光是測(cè)量水中懸浮物濃度最合適的參數(shù)，這是因?yàn)?0°位置處測(cè)量的散射信號(hào)與45°測(cè)量的反向散射和180°測(cè)量的透射相比最穩(wěn)定，不受懸浮物顆粒尺寸的影響[17]。

美國堪薩斯州立大學(xué)實(shí)驗(yàn)室研制的光學(xué)懸浮物濃度傳感器集成使用了后向散射、散射和透射3種測(cè)量方法，并通過試驗(yàn)確定了可見光和紅外線波段不同的波長(zhǎng)來檢測(cè)水中的懸浮物含量[18-19]。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)證明：利用可見光、紅外波段的不同波長(zhǎng)光源，可以幫助減少水的顏色對(duì)水中懸浮物測(cè)量的影響；同時(shí)該懸浮物傳感器對(duì)水中懸浮的藻類等雜質(zhì)不敏感，從而使測(cè)量只反映水中懸浮物濃度[18]。

濁度（turbidity）經(jīng)常被用來作為水中懸浮物濃度的替代測(cè)量，這種方法首先需確定濁度和懸浮物濃度之間的相關(guān)關(guān)系[20-22]。然而，濁度描述水樣的光學(xué)性質(zhì)，是光線透過水層時(shí)受到阻礙的程度，表示水層對(duì)于光線散射和吸收的能力，單位是NTU。它不僅與懸浮土壤微粒有關(guān)，而且還與水中其他雜質(zhì)，如細(xì)小分散的無機(jī)和有機(jī)物質(zhì)、浮游生物及其他微小生物體的成分等有關(guān)[23-24]。因此，濁度是水的光學(xué)特性，而不是水中懸浮物濃度的真實(shí)量度[25-26]。此外，建立懸浮物-濁度關(guān)系不但耗時(shí)，而且這種關(guān)系不能在不同的水體間自由轉(zhuǎn)換[27]。

光學(xué)器件長(zhǎng)期在水中工作都會(huì)受到生物淤積的影響，光源信號(hào)和接收到的反射或透射信號(hào)逐漸衰減，因此使用浸入式光學(xué)傳感器測(cè)量水中懸浮物濃度時(shí)，必須定時(shí)對(duì)傳感器進(jìn)行清洗。除了人工清洗外，許多學(xué)者也對(duì)高壓空氣、超聲波和機(jī)械式等多種方法清洗光學(xué)鏡頭的效果進(jìn)行了研究[19]。

3激光衍射技術(shù)

激光衍射的概念源自光散射物理學(xué)，是一種測(cè)定粒子尺寸分布的快速、準(zhǔn)確、精密的分析手段，并得到了廣泛的應(yīng)用[28]。激光衍射法通過測(cè)量激光束穿過被測(cè)顆粒樣品時(shí)散射光角度的不同對(duì)粒度分布進(jìn)行測(cè)定。當(dāng)不規(guī)則形狀的懸浮物顆粒對(duì)激光進(jìn)行散射時(shí)，大顆粒以小角度對(duì)激光進(jìn)行散射，而小顆粒則以大角度散射光線，與相同直徑小孔的衍射模式相同。這個(gè)特性使研究人員可以把懸浮物顆粒當(dāng)作相同尺寸的孔來考慮，因此這種方法被稱為激光衍射。

激光衍射傳感器使用1束激光作為光源，不同尺寸的懸浮物顆粒衍射的光線通過一系列直徑逐漸增大的環(huán)狀檢測(cè)器測(cè)量，以確定不同粒徑的激光衍射角度[29]。如果懸浮物顆粒密度已知，那么濃度由每個(gè)粒徑級(jí)別上的懸浮物顆粒的體積決定[30]。Agrawal等使用激光衍射傳感器，測(cè)量水中懸浮物引起的激光衍射，并由此推斷懸浮物顆粒尺寸分布和濃度[31-32]。激光衍射技術(shù)檢測(cè)水中懸浮物濃度的傳感器也可作為測(cè)量水中懸浮物在某一時(shí)段總量的替代方法。但此類傳感器的缺點(diǎn)是尺寸較大，水中測(cè)量會(huì)導(dǎo)致水流阻塞[33-34]。

4遙感技術(shù)

衛(wèi)星遙感作為一種長(zhǎng)時(shí)間和大范圍獲取地表信息的技術(shù)手段，在一定程度上能夠解決水體監(jiān)測(cè)野外觀測(cè)不便、數(shù)據(jù)獲取困難等問題。一般來說，測(cè)量水體反射的光譜儀安裝在飛機(jī)或衛(wèi)星上。使用遙感技術(shù)獲取水中懸浮物濃度的方法通?？梢詸z測(cè)大片水面，但分辨率低，特別在水體泥沙濃度較高、測(cè)量深度僅限于水體頂端的幾米范圍[29]。

楊大偉利用現(xiàn)場(chǎng)采集的太湖底部表層沉積物，在實(shí)驗(yàn)室配比不同濃度的懸浮物水樣，進(jìn)行懸浮物光譜反射率的測(cè)量，同時(shí)采集表層水樣，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室濃度測(cè)量，以尋找試驗(yàn)控制條件下懸浮物的高光譜遙感敏感波段并建立其定量估算模型，并采用NASA水體光譜測(cè)量規(guī)范，分別測(cè)出水體、天空散射光及標(biāo)準(zhǔn)反射板的輻亮度值，計(jì)算遙感反射率[35]。金鑫等根據(jù)巢湖32個(gè)樣點(diǎn)實(shí)測(cè)的遙感反射率、懸浮物濃度、吸收系數(shù)及散射系數(shù)等數(shù)據(jù)，分析巢湖水體各組分的吸收、散射等固有光學(xué)特性，確定懸浮顆粒物單位散射系數(shù)、后向散射概率等固有光學(xué)參數(shù)，構(gòu)建基于生物光學(xué)模型的懸浮物濃度反演模型，反演巢湖懸浮物濃度，得到實(shí)測(cè)值與反演值之間的相對(duì)誤差隨著濃度的增加而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，表明該方法適用于反演懸浮物濃度較高的湖泊水體[36]。王繁等利用ASD地物光譜儀測(cè)量杭州灣水體的反射光譜，同步采集表層水樣獲取懸浮物濃度，模擬水色衛(wèi)星MODIS和MERIS的波段設(shè)置提取遙感反射率，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別建立2種懸浮物濃度的遙感反演模式[37]。孫家鋒提出了使用衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)海域的懸浮物質(zhì)定量的試驗(yàn)標(biāo)定方法，并使用該技術(shù)在渤海遼東灣進(jìn)行海上水質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)懸浮物質(zhì)的分類、組成和測(cè)定[38]。張偉以時(shí)間序列的HJ-1A/1B衛(wèi)星CCD傳感器數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，以鄱陽湖水體總懸浮物濃度變化遙感監(jiān)測(cè)為目標(biāo)，開展模型算法研究與時(shí)空動(dòng)態(tài)變化規(guī)律分析[39]。查桂紅以太湖、巢湖、滇池和三峽水庫為研究對(duì)象，首先采用2步聚類法對(duì)研究區(qū)采樣點(diǎn)的遙感反射率光譜曲線進(jìn)行分類，進(jìn)而分析了不同類型水體的表觀光學(xué)特性和固有光學(xué)特性，在此基礎(chǔ)上針對(duì)不同類型水體分別構(gòu)建了相應(yīng)的懸浮物濃度遙感估算模型，進(jìn)而將模型應(yīng)用于太湖地區(qū)的GOCI影像上，實(shí)現(xiàn)基于GOCI影像的太湖懸浮物濃度遙感估算，并分析了太湖懸浮物濃度的空間分布特征及其變化趨勢(shì)[40]。

5聲學(xué)測(cè)量方法

許多科研人員對(duì)水中懸浮物進(jìn)行了聲學(xué)測(cè)量的研究[41-42]。利用聲學(xué)技術(shù)，將傳感器產(chǎn)生的高頻聲音信號(hào)（1～5 MHz）導(dǎo)入測(cè)量水體中，聲音信號(hào)反射回來的部分傳回該傳感器，其信號(hào)強(qiáng)度可用來確定水中懸浮物濃度[43]。這種方法需預(yù)先校準(zhǔn)水中懸浮物濃度與聲學(xué)儀器輸出信號(hào)之間的關(guān)系。

聲學(xué)測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是非侵入式測(cè)量，不會(huì)改變水流狀態(tài)，而且可以測(cè)量垂直范圍幾米的懸浮物；缺點(diǎn)是信號(hào)會(huì)在高懸浮物濃度時(shí)衰減[29]，聲音信號(hào)也容易被生物材料吸收。此外，聲學(xué)儀器通常有水深限制，通常不能用于淺水河流的測(cè)量[44]。

6數(shù)字圖像分析

計(jì)算機(jī)和圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，提供了使用視頻和圖像分析測(cè)量水中懸浮物濃度的方法。這種方法需要將攝像機(jī)進(jìn)行隔水密封并安裝在水下特制的箱體內(nèi)，箱體內(nèi)配有玻璃視窗，以供攝像機(jī)記錄含有懸浮物的水流的實(shí)時(shí)狀態(tài)，由計(jì)算機(jī)控制的測(cè)量分析系統(tǒng)對(duì)水中的懸浮物濃度和尺寸分布進(jìn)行分析[29]。系統(tǒng)的測(cè)量精度依賴于視頻系統(tǒng)的分辨率和圖像處理方法，而且該設(shè)備整體尺寸大，當(dāng)浸沒在水中會(huì)引起水流較大的擾亂。此外，玻璃視窗上的污垢，也會(huì)降低該系統(tǒng)的測(cè)量精度。

7電容傳感器

電容式傳感器已被廣泛用于測(cè)量土壤含水量。由于懸浮物-水的混合溶液也同樣具有固相和液相，則懸浮物和水分別在混合溶液中的組分，可以通過測(cè)量該混合溶液的介電常數(shù)來確定。Li等研究了2種類型的電容傳感器——平行平板型和圓筒型傳感器，用來測(cè)量水中懸浮物濃度，并且分別建立了水中懸浮物濃度和2種類型電容傳感器的輸出電容之間的關(guān)系[45]。結(jié)果表明，懸浮物的濃度與電容傳感器的輸出信號(hào)在很大范圍內(nèi)均呈線性相關(guān)，不過電容傳感器測(cè)量水中懸浮物濃度的缺點(diǎn)是易受溫度變化的影響。

8結(jié)論

懸浮物濃度是水環(huán)境質(zhì)量的重要影響因素之一，也是環(huán)境監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。大量的水土流失造成江河水中懸浮物大量增加，而地表水中存在過多的懸浮物，會(huì)引起水體渾濁，透明度降低，影響水生生物的呼吸和代謝，并且當(dāng)水中懸浮物多時(shí)，還可能造成河道阻塞，降低水庫等水體的使用壽命，因此檢測(cè)和監(jiān)測(cè)水中的懸浮物濃度有重要意義。

傳統(tǒng)的過濾稱質(zhì)量法測(cè)量水中懸浮物濃度是目前的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的快速發(fā)展，光學(xué)、遙感、圖像處理、聲學(xué)、電容等技術(shù)分別在測(cè)量水中懸浮物濃度方面得到越來越多的應(yīng)用。其中遙感技術(shù)由于可以長(zhǎng)時(shí)間、大范圍獲取水中懸浮物信息，在保證測(cè)量精度的前提下可以解決野外水體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取困難的問題。光學(xué)測(cè)量傳感器可以長(zhǎng)期浸入式測(cè)量水中的懸浮物濃度，但要解決好傳感器長(zhǎng)期測(cè)量時(shí)光學(xué)元件面臨的生物淤積問題。在兩者基礎(chǔ)上對(duì)水中懸浮物濃度和其他水質(zhì)參數(shù)從空間和地面進(jìn)行雙重信息采集和分析，開展多源實(shí)時(shí)多參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究，是未來的發(fā)展方向。

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