摘要：水中悬浮物是重要的农业非点源污染物之一，也是水质评价的重要研究对象，对水中悬浮物浓度的有效检测有助于确定相关水域的悬浮物最大日负荷（total maximum daily loads，TMDL）以及相应的最佳管理操作（best management practice，BMP）。对水中悬浮物浓度的检测方法，包括传统称质量法、光学传感器、激光衍射、遥感、声学、图像处理、电容等方法进行了总结和归纳，分析各自的优势和存在的问题并提出了建议。结果表明，在利用遥感技术、水中传感器研究的基础上，从空间、地面进行信息采集和融合，并开展多源实时监测水中悬浮物浓度的研究是未来的发展方向。
关键词：悬浮物；非点源污染；最大日负荷；最佳管理操作
中图分类号： X52文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）05-0020-04
收稿日期：2015-11-29
E-mail：xwluo@scau.edu.cn。水中悬浮物浓度是农业水土保持研究和水质评价的重要参数，本研究讨论的悬浮物（suspended sediment，SS）是指在水中保持悬浮一段相当长的时间而不会沉底的非常细微的土壤颗粒[1]。水中悬浮物已被美国环境保护署（EPA）确定为重要的非点源（non-point source，NPS）污染物以及影响河流、小溪发挥有效功能的最普遍的污染物[2-3]。
与其他水环境污染物一样，水中的悬浮物对水生态系统有不利的影响。水生生物对悬浮物的浓度和持续时间都有不良反应。悬浮物会引起光衰减，缩短透光区的深度，改变水体中热量的垂直分层。大量悬浮物的存在是限制鱼类栖息地的重要因素，也是减少北美水生生物数量的显著危害者之一[4-5]。
工业废水污水的排放，以及来自城市、农场的雨水径流都含有有毒化学物质。当水中的悬浮物携带有毒化学物质时，由于这些物质会长时间悬浮在水中而不容易沉积在水底，在顺水流向下游运输过程中就可能成为水体污染的潜在来源。受到污染的悬浮物不仅威胁水体环境，也给人类健康带来风险。美国环境保护署（EPA）估计，美国10%湖泊、河流和海湾受到携带有毒化学物质的悬浮物污染，并经由鱼类和底栖生物积累、传递到食物链。由于受污染的水体其娱乐和商业用途的流失以及处理污染而增加的成本，美国数十亿美元的经济活动为此受到影响[2]。
有效监测水中悬浮物的浓度对评价水质和评估潜在不利影响至关重要，监测悬浮物某时段被河流运输的总量可以帮助确定水库的环境影响，并估算水库的寿命[6]。作为关键参数之一，水和废水处理过程中也要求测定悬浮物浓度，以监测各处理阶段的工作状况[7]。人类工农业生产活动可能会造成大量的水土流失和水质下降，悬浮物浓度的监测有助于确定受损水域的悬浮物最大日负荷（total maximum daily loads，TMDL），并采取相应最佳管理操作（best management practice，BMP）[8]。
1过滤称质量法
传统的确定水中悬浮物浓度的方法包括使用专用采样瓶或自动取样器户外水样采集程序，以及过滤、干燥、称质量等实验室程序，水样应在24h内被带回实验室进行过滤。我国规定，实验室操作方法中用孔径0.45 μm的滤膜过滤水样，并于103～105 ℃烘干至恒质量[9-10]。
传统方法检测水中悬浮物浓度耗时费力、工作量大，虽然自动取样器在一定程度上减轻了劳动消耗，但是受限于采样器有限的存储空间，雨天时现场人员仍然需要替换采样器内部的采样瓶。手动或自动采样缺乏对暴雨时悬浮物浓度快速及瞬时信息的获取能力，因此用传统方法通常会错过悬浮物浓度的高峰，而此高峰期运输了悬浮物总量中的绝大部分[6，11]。大多数其他检测技术都是根据传统的称质量法进行标定的。
2光学测量方法
光学测量相对简单，且成本较低。光学传感器通常测量悬浮物受到可见光或近红外光源照射后的散射或透射的光线信号强弱，以确定水中悬浮物的浓度，并在记录水中悬浮物浓度的快速波动方面展现出可靠的能力[12-13]。
许多学者使用后向散射（optical backscatterance，OBS）光学传感器测量水中的悬浮物浓度，并由此研究水土流失总量[14]。OBS传感器的光信号测量元件在与光源成45°的位置上测量被水中悬浮物颗粒后向散射的光线，能够在很大范围内对水中悬浮物的浓度产生线性响应。尽管此类传感器在高浓度的悬浮物浓度时测量电路往往达到饱和，但可以通过仔细调整其增益大小来克服。测量透射光的传感器在悬浮物浓度较小时应用广泛，但是极端的信号衰减不适用于相对较高的悬浮物浓度的测量[14-16]。Buttmann在研究中发现，90°的散射光是测量水中悬浮物浓度最合适的参数，这是因为90°位置处测量的散射信号与45°测量的反向散射和180°测量的透射相比最稳定，不受悬浮物颗粒尺寸的影响[17]。
美国堪萨斯州立大学实验室研制的光学悬浮物浓度传感器集成使用了后向散射、散射和透射3种测量方法，并通过试验确定了可见光和红外线波段不同的波长来检测水中的悬浮物含量[18-19]。实验室试验证明：利用可见光、红外波段的不同波长光源，可以帮助减少水的颜色对水中悬浮物测量的影响；同时该悬浮物传感器对水中悬浮的藻类等杂质不敏感，从而使测量只反映水中悬浮物浓度[18]。
浊度（turbidity）经常被用来作为水中悬浮物浓度的替代测量，这种方法首先需确定浊度和悬浮物浓度之间的相关关系[20-22]。然而，浊度描述水样的光学性质，是光线透过水层时受到阻碍的程度，表示水层对于光线散射和吸收的能力，单位是NTU。它不仅与悬浮土壤微粒有关，而且还与水中其他杂质，如细小分散的无机和有机物质、浮游生物及其他微小生物体的成分等有关[23-24]。因此，浊度是水的光学特性，而不是水中悬浮物浓度的真实量度[25-26]。此外，建立悬浮物-浊度关系不但耗时，而且这种关系不能在不同的水体间自由转换[27]。