地表水環(huán)境自動監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展趨勢

劉 京，劉廷良，劉 允，李曉明，李東一，解 鑫，姚志鵬，孫宗光，楊 凱，王業(yè)耀

中國環(huán)境監(jiān)測總站,國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京 100012

中國地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測已經(jīng)開展近40年,完整的監(jiān)測技術(shù)體系保證人工采樣、實驗室分析監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性和評價結(jié)果的有效性。隨著環(huán)境管理需求和監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展，自動監(jiān)測也進入了水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測領(lǐng)域，發(fā)揮了在時間和空間上連續(xù)性的優(yōu)勢，彌補了手工監(jiān)測的不足。如何充分利用自動監(jiān)測和手工分析的優(yōu)勢為當(dāng)前的環(huán)境管理需要服務(wù)，是我們面臨的重要課題。

1 國內(nèi)外水質(zhì)自動監(jiān)測應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)水質(zhì)自動監(jiān)測站的建設(shè)與應(yīng)用

進入21世紀，中國地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測引入了自動監(jiān)測技術(shù)，各部門和地方政府均根據(jù)自己的需求建設(shè)水質(zhì)自動監(jiān)測站(以下簡稱水站)，開展水質(zhì)的自動監(jiān)測。自動監(jiān)測作為手工監(jiān)測的補充，在監(jiān)測水質(zhì)變化及變化趨勢、實時掌握水質(zhì)狀況以及水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展等方面起到了重要作用[1]。

水利部門目前已經(jīng)建成了大約1 400個水站，用于水功能區(qū)限制納污指標體系的監(jiān)督與考核，另有363個水站列入建設(shè)計劃。依據(jù)國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)和水利部頒布的《水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及技術(shù)裝備標準》(SL 276—2002)、《水資源監(jiān)控設(shè)備基本技術(shù)條件》(SL 426—2008)、《水資源監(jiān)控管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》(SL 427—2008)和《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》(SL 219—1998)等標準，河道型水站的常規(guī)配置為五參數(shù)、高錳酸鹽指數(shù)和氨氮自動測定儀。湖庫型水站的常規(guī)配置為五參數(shù)、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷和總氮自動測定儀。

各地方政府依托當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門在飲用水水源地和跨省界、市界、縣界河流及其他重要水體上建設(shè)了約1 300個水站，監(jiān)測項目主要是五參數(shù)、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮等。各省水站建設(shè)目的多為預(yù)警及實時監(jiān)控，根據(jù)污染風(fēng)險，部分水站有針對性地增加了VOC、重金屬等監(jiān)測指標，部分飲用水水源地增加了生物毒性指標用于突發(fā)性污染事故的防范[2-4]。

自2000年起，經(jīng)過“十五”“十一五”和“十二五”3個五年計劃的發(fā)展，環(huán)境保護部陸續(xù)在松花江、遼河、海河、黃河、淮河、長江、珠江、太湖、巢湖、滇池等十大流域的重點斷面以及浙閩河流、西南諸河、內(nèi)陸諸河、大型湖庫以及國界出入境河流上布設(shè)了300個水站(已經(jīng)投入運行的有149個，規(guī)劃在建62個，地方建成等待納入國家網(wǎng)的有89個)。初步形成了覆蓋全國31個省(自治區(qū)、直轄市)主要水體重點斷面的水質(zhì)自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，具備了一定規(guī)模的監(jiān)測能力。據(jù)不完全統(tǒng)計，300個水站分布在29座湖庫、193條河流上，其中有34個國界水站、103個省界水站，259個涉及“十三五”地表水考核斷面，建設(shè)共投入資金5.47億元。

水質(zhì)自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)實現(xiàn)了環(huán)境管理部門對全國主要流域重點斷面水質(zhì)狀況的掌握。目前水站的自動監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)用主要是通過互聯(lián)網(wǎng)對公眾實時發(fā)布，定期編制《全國主要流域重點斷面水質(zhì)自動監(jiān)測周報》，對所在斷面水質(zhì)變化趨勢的觀測也發(fā)揮了重要的作用。

與手工監(jiān)測相比較，高頻次的自動監(jiān)測帶來了海量的監(jiān)測數(shù)據(jù)。應(yīng)用自動監(jiān)測結(jié)果，把握水環(huán)境質(zhì)量狀況，落實國家《水污染防治行動計劃》(水十條)，為環(huán)境管理提供有力的技術(shù)支持，是自動監(jiān)測面臨的重要課題。

1.2 國外水質(zhì)自動監(jiān)測簡況

水質(zhì)自動監(jiān)測在國外起步較早。20世紀70年代開始，美國、英國、日本、荷蘭等國家就在河流、湖庫等地表水水體開展自動監(jiān)測。監(jiān)測項目以綜合污染指標為基礎(chǔ)，包括水溫、pH、氧化還原電位、溶解氧、濁度、電導(dǎo)率、氨氮、化學(xué)需氧量、總需氧量和總有機碳等。單項污染物的自動監(jiān)測儀器大多還處于研究實驗階段(如重金屬、有機污染物等)。有些儀器由于性能方面存在缺陷(如靈敏度低、長期運行可靠性差)等原因，在一定程度上也限制了它們的發(fā)展與使用。

英國在1975年建成泰晤士河流域水環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個數(shù)據(jù)處理中心和250個子站組成，可監(jiān)測水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、氨氮、硝酸鹽氮、懸浮物、流量等。借助水質(zhì)模型的計算與實測結(jié)果相結(jié)合，實現(xiàn)了對更多河段部分水質(zhì)數(shù)據(jù)的預(yù)測[5-6]。

日本于1967年開始考慮在公共水域設(shè)置水質(zhì)自動監(jiān)測器。最近的調(diào)查結(jié)果表明，目前日本由各地方政府投資建設(shè)的水站共計7 028個，其中4 524個河流水站、473個湖泊水站、2 031個海域水站。監(jiān)測項目為pH、生化需氧量、化學(xué)需氧量、懸浮物(浮游物質(zhì))、溶解氧、總氮和總磷。自動監(jiān)測的目的是監(jiān)控該水域水質(zhì)的污染情況，由各地方政府負責(zé)運營[7]。

隨著環(huán)境管理的深入和精細化發(fā)展，自動監(jiān)測系統(tǒng)被逐步納入網(wǎng)格化的“環(huán)境評價體系”和“自然災(zāi)害防御體系”。自動監(jiān)測結(jié)果一方面可以為綜合評價水環(huán)境質(zhì)量提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，另一方面也可以迅速發(fā)現(xiàn)突發(fā)性水質(zhì)污染事故或在自然災(zāi)害中將水域水質(zhì)異常情況通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及時傳輸?shù)娇刂浦行?，幫助環(huán)境管理部門把握災(zāi)害的性質(zhì)狀態(tài)、污染程度及范圍，為科學(xué)決策提供依據(jù)。

2 水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)與儀器狀況

水質(zhì)自動監(jiān)測是依托實驗室分析方法發(fā)展起來的。20世紀80年代流動注射技術(shù)的應(yīng)用將繁瑣的實驗步驟自動化，實現(xiàn)了對樣品的自動連續(xù)分析，使實驗室分析的精密度和分析效率大大提高。水質(zhì)自動監(jiān)測則是在此基礎(chǔ)上通過進一步實現(xiàn)采樣步驟的自動化達到對水質(zhì)連續(xù)監(jiān)測的目的。

目前，水質(zhì)自動監(jiān)測的量值傳遞是通過與手工監(jiān)測的比較實現(xiàn)的。根據(jù)與手工監(jiān)測比對實驗的數(shù)據(jù)結(jié)果對自動監(jiān)測儀器進行校準，以達到自動監(jiān)測儀器與手工監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果一致的量值傳遞。

隨著水質(zhì)自動監(jiān)測的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外儀器設(shè)備廠商開發(fā)生產(chǎn)了越來越多水質(zhì)監(jiān)測項目的自動監(jiān)測儀器。儀器種類與性能指標見表1～表5。

表1 水質(zhì)營養(yǎng)鹽及有機污染綜合指數(shù)自動監(jiān)測儀器性能一覽表Table 1 List of performance of nutrient and organic pollution index automatic monitoring instrument for water quality

注：“—”表示無相應(yīng)指標。

表2 水質(zhì)常規(guī)五參數(shù)自動監(jiān)測儀器性能一覽表Table 2 List of performance of five patameter automatic monitoring instrument for water quality

注：“①” 表示單位為%。

表3 水質(zhì)無機陰離子自動監(jiān)測儀器性能一覽表Table 3 List of performance of nutrient and organic pollution index automatic monitoring instrument for water quality

表4 水質(zhì)有機污染物及其他自動監(jiān)測儀器性能一覽表Table 4 List of performance of organic pollutant and other index automatic monitoring instrument for water quality

注：“①”表示單位為μg/L;“②”表示單位為個/100 mL；“—”表示無相應(yīng)指標。

表5 水質(zhì)金屬及其化合物自動監(jiān)測儀器性能一覽表Table 5 List of performance of mentals and compounds automatic monitoring instrument for water quality

表1～表5中，根據(jù)監(jiān)測項目的屬性分類，主要包括①五參數(shù)：水溫、pH、溶解氧、濁度、電導(dǎo)率；②營養(yǎng)鹽及有機污染綜合指數(shù)：高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、總磷、總氮、氨氮、硝酸鹽氮；③無機陰離子：氰化物、氟化物、硫化物、氯化物、硫酸根；④金屬及其化合物：銅、鉛、鋅、鎘、砷、汞、六價鉻、鐵、錳、鈷、鎳、銻；⑤有機污染物：石油類、陰離子表面活性劑以及苯、鹵代烴、芳香烴等18種揮發(fā)性有機物；⑥細菌學(xué)指標：糞大腸菌群。

雖然《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)涉及的109個項目中，除五日生化需氧量、揮發(fā)酚、硒、黃磷、鈹、鉬、釩、鉈、鈦、甲醛及半揮發(fā)有機污染物外，均有自動監(jiān)測儀器可以開展自動監(jiān)測[8-13]，但是多種儀器的靈敏度不能夠滿足地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的需要，并沒有在地表水水質(zhì)監(jiān)測中實際應(yīng)用。

3 水質(zhì)自動監(jiān)測與手工監(jiān)測的技術(shù)差異性分析

3.1 基本原理

為了達到與手工監(jiān)測結(jié)果的一致性，自動監(jiān)測儀器的測定原理應(yīng)盡可能與實驗室分析方法保持一致(如五參數(shù)、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量和總磷、總氮等多數(shù)常規(guī)監(jiān)測項目的儀器測定原理與手工監(jiān)測是一致的)。為了便于實現(xiàn)分析測試的自動化和減少試劑的種類與用量，有些監(jiān)測項目自動監(jiān)測與手工分析的測定原理差異較大(如重金屬的測定采用電化學(xué)的方法、石油類采用紫外熒光法、糞大腸菌群采用酶底物法、氨氮則增加了氣敏電極法)。測定方法原理的不同必將帶來自動與手工監(jiān)測數(shù)據(jù)間的差異[14-21]。

3.2 靈敏度

在手工監(jiān)測中，可以根據(jù)待測物的濃度采取稀釋、萃取等技術(shù)手段，將待測物的濃度調(diào)整到最佳測定區(qū)域，保證準確測試。但是自動分析由于前處理方法簡單,尚未實現(xiàn)對樣品中待測物的自動富集和基體干擾物質(zhì)的消除，進樣量小且樣品代表性差，導(dǎo)致部分項目的測定靈敏度不能夠滿足優(yōu)質(zhì)水體(Ⅰ、Ⅱ類)準確測定的要求。如目前采用較多的氣敏電極法的氨氮自動監(jiān)測儀器，其檢出限為0.05 mg/L，準確定量濃度為0.2 mg/L，大于氨氮Ⅰ類水質(zhì)標準限值(0.15 mg/L)。高錳酸鹽指數(shù)自動監(jiān)測儀器的檢出限為0.5 mg/L，準確定量濃度為2 mg/L，等于高錳酸鹽指數(shù)Ⅰ類水質(zhì)標準限值。銅、鉛、鋅、鎘等重金屬自動分析儀器由于靈敏度不夠且無法消除共存離子的干擾，經(jīng)常會出現(xiàn)誤報、錯報現(xiàn)象。

3.3 采樣方式

水站通過采水泵在環(huán)境水體中提取樣品并分送至各個分析測試儀器。為了便于維護和不妨礙通航，采樣頭一般較靠近河岸邊，且只有一個采樣點，與手工監(jiān)測中的采樣規(guī)范有較大差距。根據(jù)《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 91—2002)，評價水環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測需要根據(jù)河寬和水深按照左中右、上中下確定采樣垂線的數(shù)量和垂線上采樣點的數(shù)量，少則1個采樣點，多則9個采樣點。因此，自動監(jiān)測采集水樣的代表性就會受到影響，在一些流量不大的水體上采樣結(jié)果差異不大，而在大江大河上與手工監(jiān)測相比可能會存在差異。

綜上所述，水質(zhì)自動監(jiān)測與手工監(jiān)測相比較在技術(shù)層面上存在著自動監(jiān)測儀器覆蓋的監(jiān)測指標有限、采樣方式無法滿足監(jiān)測技術(shù)規(guī)范要求、自動監(jiān)測儀器測定靈敏度偏低等問題。

4 水質(zhì)自動監(jiān)測存在的問題與發(fā)展趨勢

4.1 存在問題

經(jīng)過3個五年的建設(shè)，中國已經(jīng)形成了國家地表水水質(zhì)自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，在近20年的建設(shè)和運行中也取得了豐富的經(jīng)驗。目前，水質(zhì)自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)已經(jīng)形成了相對固定的模式，系統(tǒng)的運行維護也進入相對穩(wěn)定階段。但是，水質(zhì)自動監(jiān)測無論在技術(shù)上還是在建設(shè)與運維過程中都存在諸多問題。

4.1.1 技術(shù)上的差異性

自動監(jiān)測與手工監(jiān)測相比存在測試原理和采樣代表性的差異，監(jiān)測指標少于手工監(jiān)測，而且自動監(jiān)測靈敏度低，無法實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)水體(Ⅰ、Ⅱ類)準確測定等，這些都是目前在監(jiān)測技術(shù)體系中無法解決的問題。因此，采用自動監(jiān)測數(shù)據(jù)評價水環(huán)境質(zhì)量，需要對現(xiàn)有的監(jiān)測技術(shù)體系做進一步的改進和完善。

4.1.2 標準與技術(shù)規(guī)范滯后

地表水的自動監(jiān)測雖然已經(jīng)開展了近20年，但是由于沒有建立明確的與手工監(jiān)測相融合的監(jiān)測技術(shù)體系，自動監(jiān)測數(shù)據(jù)在使用上受到了極大限制。

《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)中規(guī)定的水質(zhì)監(jiān)測分析方法為國家標準的手工分析方法，《水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》尚未發(fā)布。標準與規(guī)范的滯后，不僅限制了自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的使用，同時也影響了自動監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。

4.1.3 自然和基礎(chǔ)條件

在自然和基礎(chǔ)設(shè)施條件方面，有些斷面雖然在水質(zhì)評價中很有意義，人工監(jiān)測沒有問題，但是一旦涉及水站建設(shè)，當(dāng)?shù)氐乃?、地質(zhì)等自然條件，交通、電力供應(yīng)和通訊保障等設(shè)施都存在問題，致使水站建設(shè)無法進行。

4.1.4 建設(shè)與運行經(jīng)費

在建設(shè)經(jīng)費與運行成本方面，與每月1次的手工監(jiān)測相比，自動監(jiān)測的高頻次分析(180次/月)必然帶來監(jiān)測經(jīng)費的大幅度增加。根據(jù)財政部最新批復(fù)的監(jiān)測經(jīng)費標準，手工監(jiān)測為5.0萬元/(斷面·a)，獲取21項監(jiān)測結(jié)果；自動監(jiān)測(基本配置)為22萬元/(站·a)，獲取7項監(jiān)測結(jié)果。按照目前水站的常規(guī)7項配置進行建設(shè)和運行，建設(shè)成本為185萬元/(站·a)，自動監(jiān)測儀器使用年限為8 a，屆時的儀器設(shè)備更新費用也必須納入按期投入的資金。

如上所述，今后水質(zhì)自動監(jiān)測如何發(fā)展與國家水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)路線息息相關(guān)。手工監(jiān)測可以準確測試，但是監(jiān)測頻次低；自動監(jiān)測項目有限，但是6次/d的高頻率測定，所得到的結(jié)果更加真實客觀。

4.2 發(fā)展趨勢

4.2.1 拓展自動監(jiān)測范圍，提高自動監(jiān)測儀器的準確性

為了提升水質(zhì)自動監(jiān)測水平，應(yīng)在自動監(jiān)測儀器以監(jiān)測綜合污染指標為主的現(xiàn)狀條件下，積極研制開發(fā)單項污染物的自動監(jiān)測儀器(如重金屬、有機污染物等),使自動監(jiān)測能夠覆蓋更多的監(jiān)測評價指標。同時，進一步完善目前的儀器設(shè)備，提高儀器測定的靈敏度和與手工分析的可比性，以滿足監(jiān)控敏感區(qū)域、重點區(qū)域水質(zhì)狀況的需求，達到對優(yōu)良水體水質(zhì)準確評價的目的。

4.2.2 提高水質(zhì)自動監(jiān)測的集成化水平，實現(xiàn)對地表水水質(zhì)的動態(tài)監(jiān)控

由于水站系統(tǒng)復(fù)雜，建設(shè)成本高，運營維護成本也相對較高。水質(zhì)自動監(jiān)測應(yīng)遵循分布廣、質(zhì)量精、發(fā)展穩(wěn)的原則，根據(jù)建站目標和使用目的，采用分類分級建設(shè)的方式。

水站建設(shè)應(yīng)采用站房建設(shè)與非站房建設(shè)相互結(jié)合的方式，在沒有建站條件的敏感點位可以通過提高儀器的集成水平建設(shè)簡易站、岸邊站或微型站；對湖泊水庫、入海河口或取水困難的點位可以采用太陽能浮標的建站方式。

儀器選型可采用準確測定、趨勢測定等不同形式，對于必須準確測定的斷面(如考核及生態(tài)補償)采用定量分析的儀器，對于水質(zhì)預(yù)警與變化趨勢監(jiān)控斷面(如重點水域、國界河流等)采用不使用試劑的光譜分析儀[22-24]。

4.2.3 強化內(nèi)控與外控相結(jié)合，提高自動監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量

自動監(jiān)測極大地增加了日常獲取的數(shù)據(jù)量，如果數(shù)據(jù)的QA/QC工作沒有做好，面對大量無法取舍的數(shù)據(jù)將比沒有數(shù)據(jù)更加可怕。因此有必要開發(fā)保障水站運行和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的協(xié)同軟件，規(guī)范水站的運行維護步驟，統(tǒng)一水站的質(zhì)量控制措施，實現(xiàn)對水站運維的信息化管理。同時進一步明確自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的審核責(zé)任與存入數(shù)據(jù)庫的程序，保證入庫數(shù)據(jù)的準確性和有效性。

4.2.4 集成智慧化的水環(huán)境自動監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)體系，實現(xiàn)流域水環(huán)境預(yù)警預(yù)報

目前自動監(jiān)測獲得的大量數(shù)據(jù)尚未得到充分的分析和利用。因此迫切需要開拓數(shù)據(jù)綜合分析能力，研究將河流水質(zhì)與流速/流量、污染源排放量等因素相結(jié)合，利用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型建立相應(yīng)的輸入響應(yīng)關(guān)系對數(shù)據(jù)進行分析，找尋不同污染物濃度變化之間的相互聯(lián)系，確立水質(zhì)可能出現(xiàn)變化的閾值點，實現(xiàn)水站對環(huán)境水質(zhì)預(yù)警預(yù)測的功能。進一步開發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析工具和預(yù)警表征發(fā)布平臺，實現(xiàn)預(yù)測預(yù)警模擬分析的可視化表達[25-26]。

4.2.5 挖掘水質(zhì)自動監(jiān)測的應(yīng)用領(lǐng)域，逐步將自動監(jiān)測結(jié)果用于水環(huán)境質(zhì)量評價

進一步研究自動監(jiān)測結(jié)果與手工監(jiān)測結(jié)果的可比性和等效性，研究自動監(jiān)測用于水環(huán)境質(zhì)量評價的技術(shù)規(guī)范與方法。開發(fā)適用于自動監(jiān)測的新的監(jiān)測分析方法，研制適合不同水質(zhì)和不同水體的自動監(jiān)測儀器設(shè)備；研究保障自動監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量的質(zhì)控措施與評價方法；進一步完善水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)體系。

5 結(jié)語

地表水自動監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)了環(huán)境管理部門對重點斷面水環(huán)境質(zhì)量狀況的實時掌握，為加強水環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)管提供了技術(shù)支持與保障。與手工監(jiān)測相比，自動監(jiān)測對水質(zhì)的全天候高頻次分析使其在水質(zhì)動態(tài)監(jiān)控方面有著不可替代的優(yōu)勢。要在圍繞水質(zhì)自動監(jiān)測與預(yù)警預(yù)報等方面深入研究的同時，進一步研究自動監(jiān)測與手工監(jiān)測結(jié)果的可比性與等效性，探索自動監(jiān)測數(shù)據(jù)用于水環(huán)境質(zhì)量評價的方法與途徑。研究修訂現(xiàn)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中相關(guān)指標的監(jiān)測分析方法，將差異在可接受范圍內(nèi)指標的分析方法納入到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中。完善自動監(jiān)測技術(shù)規(guī)范，保證自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性、一致性和可比性，逐步將自動監(jiān)測結(jié)果用于水環(huán)境質(zhì)量評價。

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