王磊之，王銀堂，鄧鵬鑫，劉 勇，崔婷婷，胡慶芳

(南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210029)

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基于水下自走式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用

王磊之，王銀堂，鄧鵬鑫，劉 勇，崔婷婷，胡慶芳

(南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210029)

應(yīng)用德國(guó)弗勞恩霍夫系統(tǒng)應(yīng)用中心研制的多功能水下自走式監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)，以湖州市對(duì)河口水庫(kù)、日照市青峰嶺水庫(kù)、南京市金牛山水庫(kù)、秦淮河為試點(diǎn)，對(duì)上述水庫(kù)及河流的多參數(shù)水質(zhì)(溶解氧、電導(dǎo)率、銨鹽含量、硝酸鹽含量、溫度)進(jìn)行監(jiān)測(cè)?；谒鶞y(cè)數(shù)據(jù)，采用水下三維地形圖、水質(zhì)參數(shù)等值線圖、分層切片圖、縱向剖面圖、水質(zhì)參數(shù)散點(diǎn)圖等方法，對(duì)上述水質(zhì)參數(shù)在水體中的分布規(guī)律進(jìn)行分析，對(duì)水下三維地形進(jìn)行解釋，對(duì)不同水質(zhì)參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行一定探索。研究表明：在水庫(kù)表面，溶解氧含量分布在空間上存在一定差異；硝酸鹽含量分布在不同深度水體中差別很小，但在靠近底部時(shí)發(fā)生明顯變化，與庫(kù)底淤泥影響有關(guān)；隨著水深的增加，水溫逐漸降低；水面電導(dǎo)率值和硝酸鹽、銨鹽含量有一定的正相關(guān)關(guān)系，溶解氧和溫度存在一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系。應(yīng)用結(jié)果表明：所測(cè)數(shù)據(jù)可快速生成水下地形及水質(zhì)三維結(jié)構(gòu)圖，能較好地反應(yīng)試點(diǎn)區(qū)域水情、水質(zhì)的主體分布。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)； 水下地形； 水質(zhì)參數(shù)； 數(shù)據(jù)分析

德國(guó)弗勞恩霍夫系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用中心研制的多功能水下自走式監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)[1]，其核心內(nèi)容包括潛水器、自動(dòng)控制系統(tǒng)、集成的水質(zhì)傳感器和數(shù)據(jù)分析軟件等。其中，各水質(zhì)傳感器的數(shù)據(jù)傳輸方式采用有線傳輸，能夠即時(shí)響應(yīng)并將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)記錄在岸基計(jì)算機(jī)上。依托集成的水質(zhì)傳感器和豐富的數(shù)據(jù)分析功能，該系統(tǒng)可以對(duì)不同深度的水溫、水質(zhì)和水下地形進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析以獲得全面、立體的環(huán)境質(zhì)量信息。此外，系統(tǒng)還具備良好的可靠性、便攜性和擴(kuò)展性，能夠應(yīng)用于各類不同的環(huán)境，適應(yīng)了我國(guó)水文水資源監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

本文對(duì)多功能水下自走式監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)的應(yīng)用方案進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，在獲取試點(diǎn)區(qū)域相關(guān)水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合QGIS、Surfer等地學(xué)軟件，重點(diǎn)對(duì)所測(cè)水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和展示，對(duì)不同參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行探索。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建能適應(yīng)我國(guó)特點(diǎn)的水情、水環(huán)境、水工結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)，為流域的防災(zāi)減災(zāi)及水利工程的安全運(yùn)行、水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度提供支撐。

1 應(yīng)用方案

選取日照市青峰嶺水庫(kù)、湖州市對(duì)河口水庫(kù)、南京市金牛山水庫(kù)和秦淮河作為典型試點(diǎn)區(qū)域，應(yīng)用多功能水下自走式監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)，對(duì)上述水庫(kù)(河流)的多參數(shù)水質(zhì)(溶解氧、電導(dǎo)率、銨鹽含量、硝酸鹽含量、溫度)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

在獲取各項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，選取有代表性的試點(diǎn)區(qū)域，繪制了水下三維地形圖[2]、水面水質(zhì)參數(shù)等值線圖和水體水質(zhì)參數(shù)分層切片圖，對(duì)上述水質(zhì)參數(shù)在水體中的分布規(guī)律進(jìn)行分析，對(duì)水下三維地形圖進(jìn)行解釋。此外，本文將采用繪制散點(diǎn)圖的方法，對(duì)不同水質(zhì)參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行探索。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 水下三維地形分析

應(yīng)用多功能水下自走式監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)，選取有代表性的金牛山水庫(kù)和秦淮河作為試點(diǎn)，結(jié)合Surfer等地學(xué)軟件，依據(jù)所測(cè)地理坐標(biāo)(經(jīng)緯度)以及對(duì)應(yīng)水深作出水下三維地形圖，如圖1。由圖1(a)可知，金牛山水庫(kù)庫(kù)底較為平整，從壩址到湖心水庫(kù)逐漸變深，壩址附近可以看到亂石堆砌狀，與實(shí)際情況較為一致；由圖1(b)可知，秦淮河河底明顯呈現(xiàn)出兩邊淺中間深的斷面形狀，最深處達(dá)5 m，岸邊深度不足1 m，淤積較為嚴(yán)重，且西南岸淤積較東北岸嚴(yán)重，這與該河流斷面的實(shí)際沖淤較為一致。

圖1 金牛山水庫(kù)庫(kù)底和秦淮河河底三維高程Fig.1 3D lake floor elevation of Jinniushan reservoir and Qinhuai River

2.2 水質(zhì)分布特征分析

監(jiān)測(cè)的水質(zhì)參數(shù)包括溶解氧、電導(dǎo)率、銨鹽、硝酸鹽和溫度。由于試點(diǎn)范圍較廣，各水質(zhì)參數(shù)均對(duì)應(yīng)多個(gè)試點(diǎn)區(qū)域，故本文針對(duì)各參數(shù)僅選擇1～2個(gè)有代表性的試點(diǎn)，分別繪制:①溶解氧的水面等值線圖；②硝酸鹽和溫度的分層切片圖；③溫度的縱向剖面圖。在此基礎(chǔ)上，對(duì)上述參數(shù)在水體表面和水體內(nèi)部分層結(jié)構(gòu)中的分布規(guī)律進(jìn)行一定的分析，形成能適應(yīng)試點(diǎn)流域水情、水環(huán)境的監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)。

2.2.1 水面等值線圖 在獲取試點(diǎn)區(qū)域水體表面各水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，繪制了對(duì)河口水庫(kù)和金牛山水庫(kù)的水面溶解氧等值線圖(如圖2)。其中，傳感器測(cè)量溶解氧含量的分辨率為0.05 mg/L。由圖可知，水體表面溶解氧含量分布在空間上存在一定差異，對(duì)河口水庫(kù)庫(kù)面所測(cè)區(qū)域溶解氧含量介于7.9～8.5 mg/L之間，在空間上表現(xiàn)為自東南向西北逐漸增加；金牛山水庫(kù)庫(kù)面溶解氧含量介于6.4～8.0 mg/L之間，略低于對(duì)河口水庫(kù)，在空間上表現(xiàn)為自南向北逐漸減少。此外，兩座水庫(kù)庫(kù)面所測(cè)區(qū)域溶解氧含量均滿足國(guó)家二類水標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 對(duì)河口水庫(kù)和金牛山水庫(kù)水面溶解氧含量分布Fig.2 Distribution of DO on the surface of Duihekou reservoir and Jinniushan reservoir

2.2.2 水體分層切片圖 應(yīng)用多功能水下自走式分析與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)金牛山水庫(kù)的硝酸鹽、水溫分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)，在獲取水體內(nèi)部水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，采用簡(jiǎn)單的線性插值，得到了不同水深處的硝酸鹽含量和水溫，并繪制了硝酸鹽分層切片圖(圖3)和水溫分層切片圖(圖4)。

圖3 金牛山水庫(kù)硝酸鹽分層切片F(xiàn)ig.3 Nitrate slice contour plot of Jinniushan reservoir

圖4 金牛山水庫(kù)水溫分層切片F(xiàn)ig.4 Temperature slice contour plot of Jinniushan reservoir

由圖3金牛山水庫(kù)水體硝酸鹽分層切片圖可知，金牛山水庫(kù)水體硝酸鹽含量在每一層上均存在高(低)值中心，且不同層的高(低)值中心在垂向上有一定重合；隨著深度增加，硝酸鹽含量在層面上的分布并沒(méi)有發(fā)生明顯變化，但在接觸到水庫(kù)底部時(shí)(最下面的等值線圖)，硝酸鹽含量在數(shù)值和層面分布上均發(fā)生了較為明顯的變化，表現(xiàn)在：低值中心消失或偏移，高值中心范圍明顯收縮。具體原因或許與庫(kù)底淤泥影響有關(guān)。

圖5 金牛山水庫(kù)溫度縱向剖面Fig.5 Temperature vertical profile of Jinniushan reservoir

由圖4金牛山水庫(kù)水溫分層切片圖可見(jiàn)，水庫(kù)水溫在0～6 m水深范圍內(nèi)變化較小，由于所測(cè)區(qū)域水深沒(méi)有達(dá)到溫躍層，故沒(méi)有發(fā)生溫躍現(xiàn)象；在每一層上均存在高值和低值中心，且高值中心在垂向上有一定重合；從庫(kù)面到水下6 m深處，高值中心的范圍逐漸收縮，水溫有變低趨勢(shì)。這與前人關(guān)于靜水湖泊溫度分層理論的研究較為一致[3-4]。

圖5為金山水庫(kù)水溫縱剖面圖。同樣可以看出，隨著深度增加，水溫高值中心在不斷收縮，水溫有變低趨勢(shì)，這也印證了圖4中的結(jié)論。

2.3 水質(zhì)相關(guān)特征分析

在同一水體中，不同的水質(zhì)參數(shù)之間往往會(huì)相互影響，因而具有一定相關(guān)關(guān)系[5]。如溶解氧含量，作為衡量水體自凈能力的重要指標(biāo)之一，主要受溫度、pH值、鹽類等多種因素影響[6-7]；再如電導(dǎo)率值，作為水質(zhì)分析中的一個(gè)重要指標(biāo)，在一定程度上反映了水庫(kù)水體的營(yíng)養(yǎng)水平，它主要由溶解在水體的離子種類、離子濃度和水體溫度等因素決定[8-9]。為探求同一水庫(kù)水體中各水質(zhì)參數(shù)值之間的相關(guān)關(guān)系，在對(duì)河口水庫(kù)水面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中隨機(jī)選取了100個(gè)均勻分布點(diǎn)，繪制了所測(cè)5個(gè)參數(shù)值(電導(dǎo)率、溫度、銨鹽、硝酸鹽、溶解氧)兩兩之間的散點(diǎn)圖及擬合線。圖6為對(duì)河口水庫(kù)水面各點(diǎn)電導(dǎo)率值和銨鹽、溶解氧、溫度、硝酸鹽之間的散點(diǎn)圖；圖7為對(duì)河口水庫(kù)水面銨鹽、溶解氧、溫度、硝酸鹽等4個(gè)水質(zhì)參數(shù)兩兩之間的散點(diǎn)圖。表1進(jìn)一步給出了這5個(gè)水質(zhì)參數(shù)之間的Spearman相關(guān)系數(shù)。

圖6 對(duì)河口水庫(kù)庫(kù)面電導(dǎo)率值和銨鹽、溶解氧、溫度、硝酸鹽散點(diǎn)Fig.6 Scatter plots of conductivity, ammonium, DO, temperature and nitrate in Duihekou reservoir

由圖6可知，對(duì)河口水庫(kù)庫(kù)面各點(diǎn)的電導(dǎo)率值和銨鹽、硝酸鹽含量呈較為明顯的正相關(guān)關(guān)系，和溫度及溶解氧則沒(méi)有明顯相關(guān)關(guān)系。由表1可知，庫(kù)面電導(dǎo)率值和銨鹽含量、硝酸鹽含量的Spearman相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.78和0.75，與溫度和溶解氧的相關(guān)系數(shù)分別為-0.11和-0.05，其中與溫度相關(guān)關(guān)系較差主要是因?yàn)閷?duì)河口水庫(kù)水面溫度差別較小，最大溫差只有0.4℃，水溫變化對(duì)電導(dǎo)率的影響可以忽略不計(jì)。

圖7 對(duì)河口水庫(kù)庫(kù)面銨鹽含量、硝酸鹽含量、溫度、溶解氧兩兩散點(diǎn)Fig.7 Scatter plots of ammonium, nitrate, temperature and DO in Duihekou reservoir

表1 對(duì)河口水庫(kù)庫(kù)面各水質(zhì)參數(shù)值兩兩相關(guān)系數(shù)

Tab.1 Correlation coefficients between different water quality parameters

溶解氧電導(dǎo)率銨鹽含量硝酸鹽溫度溶解氧--0 05-0 090 09-0 61電導(dǎo)率-0 05-0 780 75-0 11銨鹽含量-0 090 78-0 130 10硝酸鹽含量0 090 750 13--0 19溫度-0 61-0 110 10-0 19-

由圖7和表1可知，對(duì)河口水庫(kù)水面溶解氧含量和水溫存在一定負(fù)相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.61，與銨鹽、硝酸鹽含量沒(méi)有明顯相關(guān)關(guān)系。此外，銨鹽含量、硝酸鹽含量和溫度兩兩之間均沒(méi)有明顯相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié) 語(yǔ)

應(yīng)用多功能水下自走式監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)，以日照市青峰嶺水庫(kù)、湖州市對(duì)河口水庫(kù)、南京市金牛山水庫(kù)、秦淮河為試點(diǎn)，采用水下三維地形圖、水面等值線圖、水體分層切片圖、縱剖面圖和散點(diǎn)圖等方法，監(jiān)測(cè)了水下三維地形，分析了5項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)(溶解氧、電導(dǎo)率、銨鹽含量、硝酸鹽含量、溫度)在水面和水體中的分布規(guī)律，同時(shí)探索了這5個(gè)水質(zhì)參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系。分析得出以下結(jié)論：

水面溶解氧含量分布在空間上存在一定差異；所測(cè)范圍內(nèi)不同水深的硝酸鹽含量差異不大，但在接近底部時(shí)其含量和分布均發(fā)生明顯變化，原因或許與底部淤泥影響有關(guān)；不同深度的硝酸鹽含量和溫度均存在一個(gè)高值中心，且高值中心在垂向上較為重合；隨著水深增加，水溫有變低趨勢(shì)；在5個(gè)水質(zhì)參數(shù)中，溫度和溶解氧存在一定負(fù)相關(guān)關(guān)系，電導(dǎo)率和銨鹽、電導(dǎo)率和硝酸鹽存在較好的正相關(guān)關(guān)系。

綜上所述，本次應(yīng)用分析研究能較好地反映出試點(diǎn)區(qū)域水質(zhì)、水情主體分布，能適應(yīng)我國(guó)水文水資源監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展要求，并為流域的防災(zāi)減災(zāi)及水利工程的安全運(yùn)行、水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度提供技術(shù)支撐。

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Data analysis and application on the basis of self-propelled underwater monitoring system

WANG Lei-zhi， WANG Yin-tang， DENG Peng-xin， LIU Yong， CUI Ting-ting， HU Qing-fang

(StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China)

By using the self-propelled underwater monitoring system developed by the German Fraunhofer Institute, five water quality parameters, namely dissolved oxygen, conductivity, ammonium, nitrate and temperature were measured in different reservoirs, including Qingfengling reservoir in Rizhao, Duihekou reservoir in Huzhou, Jinniushan reservoir and Qinhuai River in Nanjing. Based on the measured data, the regularities of parameter distribution, the underwater topography and the relationships between different parameters are analyzed, explained and explored with different methods including the underwater topograph graph, the water quality parameters contour map, the water quality slicing graph, the vertical profile and the water quality scatter plots. Several conclusions are drawn as follows: some differences exist in DO on the surface of the reservoir; there is a little difference between the distributions of nitrate at different depths except when it comes to the bottom of the lake, which may be caused by the silt on the riverbed; a dicreasing trend in the temperature from the surface to the bottom is observed; a positive correlation between the conductivity and nitrate/ammonium and a negative correlation between DO and temperature are both observed. The application results indicate that the measured data can rapidly generate 3D structural drawings of underwater topography and water quality which can reflect the main distribution of water quality and water regime.

water quality surveillance; underwater topography; water quality parameters; data analysis

10.16198/j.cnki.1009-640X.2015.06.004

王磊之， 王銀堂， 鄧鵬鑫， 等. 基于水下自走式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào), 2015(6): 25-30. (WANG Lei-zhi, WANG Yin-tang, DENG Peng-xin, et al. Data analysis and application on the basis of self-propelled underwater monitoring system[J]. Hydro-Science and Engineering, 2015(6): 25-30.)

2015-02-09

水利部“948”計(jì)劃資助項(xiàng)目(201302)；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(201301075，201501014)；水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(Y512010)；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(Y513002,Y515010)

王磊之(1991—)，男，江蘇句容人，碩士研究生，主要從事水文水資源方面的研究。E-mail: wanglz@nhri.cn

X832

A

1009-640X(2015)06-0025-06