水中懸浮物濃度的檢測方法研究進展

羅錫文++楊廣文++謝金延++曾偉渺

摘要：水中懸浮物是重要的農業非點源污染物之一，也是水質評價的重要研究對象，對水中懸浮物濃度的有效檢測有助于確定相關水域的懸浮物最大日負荷（total maximum daily loads，TMDL）以及相應的最佳管理操作（best management practice，BMP）。對水中懸浮物濃度的檢測方法，包括傳統稱質量法、光學傳感器、激光衍射、遙感、聲學、圖像處理、電容等方法進行了總結和歸納，分析各自的優勢和存在的問題并提出了建議。結果表明，在利用遙感技術、水中傳感器研究的基礎上，從空間、地面進行信息采集和融合，并開展多源實時監測水中懸浮物濃度的研究是未來的發展方向。

關鍵詞：懸浮物；非點源污染；最大日負荷；最佳管理操作

中圖分類號： X52文獻標志碼： A文章編號：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業水土保持研究和水質評價的重要參數，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長的時間而不會沉底的非常細微的土壤顆粒[1]。水中懸浮物已被美國環境保護署（EPA）確定為重要的非點源（non-point source，NPS）污染物以及影響河流、小溪發揮有效功能的最普遍的污染物[2-3]。

與其他水環境污染物一樣，水中的懸浮物對水生態系統有不利的影響。水生生物對懸浮物的濃度和持續時間都有不良反應。懸浮物會引起光衰減，縮短透光區的深度，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量的顯著危害者之一[4-5]。

工業廢水污水的排放，以及來自城市、農場的雨水徑流都含有有毒化學物質。當水中的懸浮物攜帶有毒化學物質時，由于這些物質會長時間懸浮在水中而不容易沉積在水底，在順水流向下游運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境，也給人類健康帶來風險。美國環境保護署（EPA）估計，美國10%湖泊、河流和海灣受到攜帶有毒化學物質的懸浮物污染，并經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用途的流失以及處理污染而增加的成本，美國數十億美元的經濟活動為此受到影響[2]。

有效監測水中懸浮物的濃度對評價水質和評估潛在不利影響至關重要，監測懸浮物某時段被河流運輸的總量可以幫助確定水庫的環境影響，并估算水庫的壽命[6]。作為關鍵參數之一，水和廢水處理過程中也要求測定懸浮物濃度，以監測各處理階段的工作狀況[7]。人類工農業生產活動可能會造成大量的水土流失和水質下降，懸浮物濃度的監測有助于確定受損水域的懸浮物最大日負荷（total maximum daily loads，TMDL），并采取相應最佳管理操作（best management practice，BMP）[8]。

1過濾稱質量法

傳統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取樣器戶外水樣采集程序，以及過濾、干燥、稱質量等實驗室程序，水樣應在24h內被帶回實驗室進行過濾。我國規定，實驗室操作方法中用孔徑0.45 μm的濾膜過濾水樣，并于103～105 ℃烘干至恒質量[9-10]。

傳統方法檢測水中懸浮物濃度耗時費力、工作量大，雖然自動取樣器在一定程度上減輕了勞動消耗，但是受限于采樣器有限的存儲空間，雨天時現場人員仍然需要替換采樣器內部的采樣瓶。手動或自動采樣缺乏對暴雨時懸浮物濃度快速及瞬時信息的獲取能力，因此用傳統方法通常會錯過懸浮物濃度的高峰，而此高峰期運輸了懸浮物總量中的絕大部分[6，11]。大多數其他檢測技術都是根據傳統的稱質量法進行標定的。

2光學測量方法

光學測量相對簡單，且成本較低。光學傳感器通常測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強弱，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方面展現出可靠的能力[12-13]。

許多學者使用后向散射（optical backscatterance，OBS）光學傳感器測量水中的懸浮物濃度，并由此研究水土流失總量[14]。OBS傳感器的光信號測量元件在與光源成45°的位置上測量被水中懸浮物顆粒后向散射的光線，能夠在很大范圍內對水中懸浮物的濃度產生線性響應。盡管此類傳感器在高濃度的懸浮物濃度時測量電路往往達到飽和，但可以通過仔細調整其增益大小來克服。測量透射光的傳感器在懸浮物濃度較小時應用廣泛，但是極端的信號衰減不適用于相對較高的懸浮物濃度的測量[14-16]。Buttmann在研究中發現，90°的散射光是測量水中懸浮物濃度最合適的參數，這是因為90°位置處測量的散射信號與45°測量的反向散射和180°測量的透射相比最穩定，不受懸浮物顆粒尺寸的影響[17]。

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

濁度（turbidity）經常被用來作為水中懸浮物濃度的替代測量，這種方法首先需確定濁度和懸浮物濃度之間的相關關系[20-22]。然而，濁度描述水樣的光學性質，是光線透過水層時受到阻礙的程度，表示水層對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，而且還與水中其他雜質，如細小分散的無機和有機物質、浮游生物及其他微小生物體的成分等有關[23-24]。因此，濁度是水的光學特性，而不是水中懸浮物濃度的真實量度[25-26]。此外，建立懸浮物-濁度關系不但耗時，而且這種關系不能在不同的水體間自由轉換[27]。

光學器件長期在水中工作都會受到生物淤積的影響，光源信號和接收到的反射或透射信號逐漸衰減，因此使用浸入式光學傳感器測量水中懸浮物濃度時，必須定時對傳感器進行清洗。除了人工清洗外，許多學者也對高壓空氣、超聲波和機械式等多種方法清洗光學鏡頭的效果進行了研究[19]。

3激光衍射技術

激光衍射的概念源自光散射物理學，是一種測定粒子尺寸分布的快速、準確、精密的分析手段，并得到了廣泛的應用[28]。激光衍射法通過測量激光束穿過被測顆粒樣品時散射光角度的不同對粒度分布進行測定。當不規則形狀的懸浮物顆粒對激光進行散射時，大顆粒以小角度對激光進行散射，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。這個特性使研究人員可以把懸浮物顆粒當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狀檢測器測量，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，那么濃度由每個粒徑級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]。激光衍射技術檢測水中懸浮物濃度的傳感器也可作為測量水中懸浮物在某一時段總量的替代方法。但此類傳感器的缺點是尺寸較大，水中測量會導致水流阻塞[33-34]。

4遙感技術

衛星遙感作為一種長時間和大范圍獲取地表信息的技術手段，在一定程度上能夠解決水體監測野外觀測不便、數據獲取困難等問題。一般來說，測量水體反射的光譜儀安裝在飛機或衛星上。使用遙感技術獲取水中懸浮物濃度的方法通?？梢詸z測大片水面，但分辨率低，特別在水體泥沙濃度較高、測量深度僅限于水體頂端的幾米范圍[29]。

楊大偉利用現場采集的太湖底部表層沉積物，在實驗室配比不同濃度的懸浮物水樣，進行懸浮物光譜反射率的測量，同時采集表層水樣，進行實驗室濃度測量，以尋找試驗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水體光譜測量規范，分別測出水體、天空散射光及標準反射板的輻亮度值，計算遙感反射率[35]。金鑫等根據巢湖32個樣點實測的遙感反射率、懸浮物濃度、吸收系數及散射系數等數據，分析巢湖水體各組分的吸收、散射等固有光學特性，確定懸浮顆粒物單位散射系數、后向散射概率等固有光學參數，構建基于生物光學模型的懸浮物濃度反演模型，反演巢湖懸浮物濃度，得到實測值與反演值之間的相對誤差隨著濃度的增加而呈現下降的趨勢，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，模擬水色衛星MODIS和MERIS的波段設置提取遙感反射率，基于人工神經網絡分別建立2種懸浮物濃度的遙感反演模式[37]。孫家鋒提出了使用衛星遙感監測海域的懸浮物質定量的試驗標定方法，并使用該技術在渤海遼東灣進行海上水質現場調查試驗，實現對懸浮物質的分類、組成和測定[38]。張偉以時間序列的HJ-1A/1B衛星CCD傳感器數據為數據源，以鄱陽湖水體總懸浮物濃度變化遙感監測為目標，開展模型算法研究與時空動態變化規律分析[39]。查桂紅以太湖、巢湖、滇池和三峽水庫為研究對象，首先采用2步聚類法對研究區采樣點的遙感反射率光譜曲線進行分類，進而分析了不同類型水體的表觀光學特性和固有光學特性，在此基礎上針對不同類型水體分別構建了相應的懸浮物濃度遙感估算模型，進而將模型應用于太湖地區的GOCI影像上，實現基于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[40]。

5聲學測量方法

許多科研人員對水中懸浮物進行了聲學測量的研究[41-42]。利用聲學技術，將傳感器產生的高頻聲音信號（1～5 MHz）導入測量水體中，聲音信號反射回來的部分傳回該傳感器，其信號強度可用來確定水中懸浮物濃度[43]。這種方法需預先校準水中懸浮物濃度與聲學儀器輸出信號之間的關系。

聲學測量方法的優點是非侵入式測量，不會改變水流狀態，而且可以測量垂直范圍幾米的懸浮物；缺點是信號會在高懸浮物濃度時衰減[29]，聲音信號也容易被生物材料吸收。此外，聲學儀器通常有水深限制，通常不能用于淺水河流的測量[44]。

6數字圖像分析

計算機和圖像處理技術的快速發展，提供了使用視頻和圖像分析測量水中懸浮物濃度的方法。這種方法需要將攝像機進行隔水密封并安裝在水下特制的箱體內，箱體內配有玻璃視窗，以供攝像機記錄含有懸浮物的水流的實時狀態，由計算機控制的測量分析系統對水中的懸浮物濃度和尺寸分布進行分析[29]。系統的測量精度依賴于視頻系統的分辨率和圖像處理方法，而且該設備整體尺寸大，當浸沒在水中會引起水流較大的擾亂。此外，玻璃視窗上的污垢，也會降低該系統的測量精度。

7電容傳感器

電容式傳感器已被廣泛用于測量土壤含水量。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，可以通過測量該混合溶液的介電常數來確定。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系[45]。結果表明，懸浮物的濃度與電容傳感器的輸出信號在很大范圍內均呈線性相關，不過電容傳感器測量水中懸浮物濃度的缺點是易受溫度變化的影響。

8結論

懸浮物濃度是水環境質量的重要影響因素之一，也是環境監測的一項重要指標。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，并且當水中懸浮物多時，還可能造成河道阻塞，降低水庫等水體的使用壽命，因此檢測和監測水中的懸浮物濃度有重要意義。

傳統的過濾稱質量法測量水中懸浮物濃度是目前的標準測定方法，隨著計算機技術和電子技術的快速發展，光學、遙感、圖像處理、聲學、電容等技術分別在測量水中懸浮物濃度方面得到越來越多的應用。其中遙感技術由于可以長時間、大范圍獲取水中懸浮物信息，在保證測量精度的前提下可以解決野外水體監測數據獲取困難的問題。光學測量傳感器可以長期浸入式測量水中的懸浮物濃度，但要解決好傳感器長期測量時光學元件面臨的生物淤積問題。在兩者基礎上對水中懸浮物濃度和其他水質參數從空間和地面進行雙重信息采集和分析，開展多源實時多參數監測技術的研究，是未來的發展方向。

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