國產水質自動監(jiān)測系統(tǒng)在三峽水庫的應用評估

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(長江水利委員會水文局 長江三峽水文水資源勘測局，湖北 宜昌443000)

水質自動監(jiān)測系統(tǒng)是現(xiàn)代分析技術和自動測量技術等基礎技術相結合的綜合性自動監(jiān)測體系[1]。水質自動監(jiān)測可及時反映水環(huán)境質量變化，滿足水污染和水環(huán)境的應急監(jiān)測需求[2]。我國關于水質自動監(jiān)測技術的研究起步較晚，沒有形成可信賴的民族品牌，國內市場長期被國外儀器儀表壟斷，國外產品價格高昂、運行費用高、維護不便[3]。通過一系列政策和技術的支持，水質在線監(jiān)測儀器的國產化進程逐步加快，近年來市場發(fā)展良好，涌現(xiàn)出一些具有代表性的國產化自動監(jiān)測儀器生產廠家。

由吉林市光大分析技術有限責任公司(以下簡稱“光大公司”)自主研發(fā)的國產水質自動監(jiān)測設備，廣泛應用于水源地、水環(huán)境、水生態(tài)、城市供水、村鎮(zhèn)供水等行業(yè)領域。借助光大公司研發(fā)能力和產品優(yōu)勢，率先在長江三峽庫區(qū)開展水質自動監(jiān)測系統(tǒng)(站)的建設工作，最終在三峽庫區(qū)廟河水質監(jiān)測斷面水文躉船上設立了自動監(jiān)測站。為確保自動站檢測數(shù)據(jù)資料的穩(wěn)定性、可靠性，長江水利委員會水文局長江三峽水文水資源勘測局承擔了水質監(jiān)測的比對工作。通過將光大公司水質自動監(jiān)測數(shù)據(jù)與實驗室分析數(shù)據(jù)進行對比，驗證儀表性能，用以評估國產水質在線監(jiān)測系統(tǒng)在長江流域水環(huán)境監(jiān)測的應用效果。

1 站點及采樣點設置

廟河水質自動監(jiān)測站位于三峽庫區(qū)廟河水文碼頭，距離三峽大壩7 km。比測斷面設在自動監(jiān)測站上游100 m處，斷面較寬，河床左右兩岸為砂質山體，河勢穩(wěn)定。三峽水庫蓄水后，監(jiān)測站直接處于壩首回水區(qū)，受三峽大壩調蓄影響明顯。三峽水庫正常蓄水運行后，在汛、枯季，壩前水位保持在145～175 m之間，考慮到水位的變幅大，取樣泵揚程不能適應，故將水質自動監(jiān)測站設在水文躉船上，水位發(fā)生變動時，自動監(jiān)測站會隨之變化，使水質進樣系統(tǒng)與水面始終保持相對穩(wěn)定的距離，同時躉船上有人值守也利于維護和管理。

2 方法介紹

2.1 樣品采集

自動監(jiān)測設備可同時檢測水溫(T)、pH值(pH)、電導率(Cond)、溶解氧(DO)、濁度(NTU)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、氨氮(NH4-N)、總磷(TP)、總氮(TN)、葉綠素a(Chl-a)和五日生化需氧量(BOD5)11項參數(shù)。2016年每月至少進行1次原位水樣對比實驗，2017年7月19～21日，在蓄水期開展了1次全斷面代表性比測試驗，所有斷面均參與比測分析。全斷面代表性比測試驗采樣點布設根據(jù)斷面水面寬按《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范(SL-219)》要求進行設置。每條垂線設表、中、底3個采樣點，并在中泓線表層增加1個平行采樣點。每天取樣2次，3 d共取樣6次，每次取樣與自動站進樣同步進行。各類樣品共計240余個，樣品按照《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》(SL-219)要求進行保存。

2.2 分析方法

該方法是根據(jù)檢定監(jiān)測儀器的主要指標和檢測方法與人工實驗室檢測方式(見表1和表2)，通過自動監(jiān)測與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)的比較和分析，依據(jù)《地表水自動監(jiān)測技術規(guī)范》(HJ915-2017)，相對誤差值在±15%范圍內為合格。若不合格，則需要對自動監(jiān)測儀器重新校準或進行必要的維護和調整。

表1 自動監(jiān)測站分析單元儀器儀表檢測方法與主要指標

表2 人工監(jiān)測項目及分析方法

2.3 評價指標

(1)相對誤差。計算公式如下[4]

(1)

式中，X為自動監(jiān)測儀器測定值；Xi為實驗室方法的測定值。其中，電導率、濁度、水溫、溶解氧用手持式便攜式快速分析儀和水銀玻璃溫度計進行比對，其他參數(shù)按國標方法進行分析比對。

(2)可靠性指標?？煽啃允菣z驗自動監(jiān)測設備運行可靠程度的重要指標之一，要求每個分析單元都要滿足一定的連續(xù)時間運行條件，用平均無故障工作時間MTBF表示。評價公式如下

(2)

式中，H為儀器總運行時間，h；N儀器故障次數(shù)。每臺儀器的MTBF不能少于720 h。

(3) 單因子水質指標。根據(jù)國家《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838-2002)，將實測值與國家標準值進行比較，做出水質類別的評價。單因子評價法實行的是一票否決制，以水質最差的指標作為最終評價指標[5]。

3 分析與評價

3.1 誤差分析

通過分析比較可知，自動監(jiān)測系統(tǒng)和人工分析的11項參數(shù)在90%時間可以滿足小于15%的誤差要求，見表3。電導率、濁度、高錳酸鹽指數(shù)等部分在初期不滿足誤差要求的項目，經過一段時間調試運行后均能滿足要求。不滿足誤差要求的原因，初步分析可能是受到三峽庫區(qū)汛期泥沙含量較高的影響，還需進一步研究。

通過比較水溫、溶解氧、濁度、高錳酸鹽指數(shù)、總磷等項目分析發(fā)現(xiàn)，雖然各參數(shù)數(shù)值之間存在一定誤差，但總體趨勢基本保持一致。試劑、酸度、加熱時間等因素都可能帶來高錳酸鹽的測量誤差[6]。

表3 成果數(shù)據(jù)

現(xiàn)場檢測水溫范圍為13.6℃～27.1℃，自動監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測水溫范圍為14.5℃～27.25℃，自動監(jiān)測系統(tǒng)水溫數(shù)值整體略高于現(xiàn)場檢測數(shù)值。前期水溫相對誤差較大，后期誤差逐步降低到5%以內。在比測進行初期，水溫自動監(jiān)測數(shù)值與現(xiàn)場測定數(shù)值存在較大的差異，通過及時對系統(tǒng)運行環(huán)境進行調整和儀器校正后，水溫變化趨勢基本保持一致，水溫為20℃左右時，兩種方式測得的數(shù)據(jù)一致性較高。溫度數(shù)據(jù)有效性得到保證，也基本能消除對電導率、pH值、溶解氧等各項數(shù)據(jù)的影響。

比較自動監(jiān)測系統(tǒng)和人工測定溶解氧檢測結果，兩種實驗方法所產生的偏差總體呈下降趨勢。經過第一次校正后溶解氧測定值一致，此后自動監(jiān)測系統(tǒng)測定值逐步降低并處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，與實驗室現(xiàn)場測定值保持穩(wěn)定的偏差，及時校正后兩者測定值又回到相同水平，第二次校正后差異又一次出現(xiàn)。10次以后自動站測定值與實驗室現(xiàn)場測定值交替變化。在低溫區(qū)兩者差異較大，水溫升高時兩者差異變小。

自動監(jiān)測系統(tǒng)測定濁度與人工測定值變化趨勢基本一致，濁度較高時自動監(jiān)測系統(tǒng)測定值高于實驗室測定值，在低濁度時則剛好相反。整個過程基本反映了廟河河段水濁度的變化過程。

人工測定高錳酸鹽指數(shù)基本穩(wěn)定在 2.0 mg/L左右，前期自動監(jiān)測系統(tǒng)測定值較低，除后期有少數(shù)幾次較高數(shù)值外，其變化過程基本保持一致。在濁度較高時期自動監(jiān)測系統(tǒng)高錳酸鹽指數(shù)測定值受到較大影響。

總磷變化過程分為4個階段，前3個是平行變化階段，其中前兩個階段數(shù)值差異很小且較為穩(wěn)定，第三階段差異較大，但數(shù)值總體較為穩(wěn)定。變化最大的是第四階段，數(shù)值起伏較大但變化趨勢基本保持一致。這一階段主要在水庫蓄水期初期，可能是水位變化較快引起的數(shù)值波動。

3.2 可靠性分析

自動監(jiān)測系統(tǒng)自2015年12月安裝運行至2018年11月已經連續(xù)運行了36個月，每月安排1～2次巡查，填寫運行維護記錄，詳細說明故障現(xiàn)象、故障原因及處理結果。自動監(jiān)測系統(tǒng)主要分析單元故障次數(shù)，根據(jù)統(tǒng)計分析結果，自動監(jiān)測設備的可靠性滿足要求(見表4)。

表4 運行故障統(tǒng)計

3.3 單因子評價

自動監(jiān)測系統(tǒng)和人工分析的單因子評價結果一致(見表5)。按照監(jiān)測時段，以自動站監(jiān)測值為測定值，以實驗室分析所得各參數(shù)平均值為真值進行比較，結果見表6。

表5 單因子評價

從表6可看出：水溫差異最小，比值為1；pH值、電導率、總磷、總氮比值較小，在 0.9～1.1之間；濁度、葉綠素a、氨氮和五日生化需氧量等參數(shù)的差異較大。對于葉綠素a和濁度，在水體不同位置的

表6 單因子比值

變化差異較大，特別是對于較深的水體，葉綠素只在小范圍透光層有分布，在水體底部則很少。通過比較發(fā)現(xiàn)，表層水體葉綠素a的比值則相對較小，部分比值為1.0，具有較好的一致性?？傮w來看，受到各參數(shù)自身特性的影響，按照《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838-2002)進行評價，各項指標一致性較好。高錳酸鹽指數(shù)和總磷有所差異，可能是由于受水中顆粒物的影響所致。雖然自動監(jiān)測站在系統(tǒng)內部對水樣進行了一定的預處理，但相對實驗室直接通過濾膜過濾的方式還是比較粗略，所以導致自動監(jiān)測站的監(jiān)測結果比人工監(jiān)測的數(shù)值要高。

4 結 語

水質自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性受多因素影響，且安裝在躉船上的監(jiān)測設備無法克服船體擺動的影響，因此，對自動監(jiān)測系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性是一個巨大的考驗。通過比較分析發(fā)現(xiàn)，濁度可以影響高錳酸鹽指數(shù)等采用光學法測量的參數(shù)。在汛期泥沙含量較大時，使用自動監(jiān)測系統(tǒng)需對水樣作進一步預處理。從應用的結果來看，國產自動監(jiān)測設備整體上滿足實際使用要求。各項參數(shù)的分析結果雖存在一定的差異性，但水質變化的基本趨勢一致。對于長時間序列連續(xù)觀察水質變化的基本過程具有較好的參照作用，且在應急監(jiān)測、水污染預警等方面具有潛在的應用價值。