水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的運行評價

趙利娜 ，程 溶

（1. 上海市環(huán)境學校，上海 200135；2. 上海市海洋監(jiān)測預報中心，上海 200062）

0 引言

水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)可以自動、實時、動態(tài)監(jiān)測水體的水質(zhì)情況，目前這種自動化的高效監(jiān)測模式，已廣泛應用于各種水體，為水質(zhì)監(jiān)管部門提供了有力的技術(shù)支持[1]。水質(zhì)在線儀器設備的使用年限一般為 8 a[2]。接近使用年限，監(jiān)測儀器的故障率會升高，數(shù)據(jù)準確度也隨之降低。

蘇州河水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng) 2010 年建成使用，至2017 年已連續(xù)運行了近 8 a，接近使用年限，系統(tǒng)故障率有增加趨勢。2018 年監(jiān)管部門對系統(tǒng)某測站進行了升級改造，主要改造內(nèi)容如下：1）針對通訊故障導致數(shù)據(jù)傳輸失敗的現(xiàn)象，將數(shù)據(jù)傳輸方式由原來的無線 4G 通訊改為光纖寬帶專線通訊。2）針對系統(tǒng)管路易堵塞導致監(jiān)測數(shù)據(jù)偏差的情況，改進了流程控制軟件反沖洗程序的設置。3）針對 pH 電極壽命短的情況，更換 pH 電極，增加 pH 電極的維護頻率。4）針對工控機多次死機不能自動重啟的情況，更新了工控機的操作系統(tǒng)，升級了應用系統(tǒng)。

為驗證改造效果，為同類型其他站的后期改造積累經(jīng)驗，2017—2018 年間，通過比對實驗對在線監(jiān)測系統(tǒng)的運行情況進行驗證。本研究介紹在線儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)與實驗室人工分析數(shù)據(jù)比對的過程，分析改造前后在線儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確度，評價系統(tǒng)改造前后的運行情況。

1 水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的組成

水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)是一套以自動監(jiān)測儀器為核心的綜合監(jiān)測傳輸體系。系統(tǒng)由自動采樣、水樣預處理、數(shù)據(jù)分析、通訊傳輸、輔助等系統(tǒng)共同組成[3]。其中自動采樣系統(tǒng)采集具有代表性的水樣，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)真實反映實際水質(zhì)狀況；預處理系統(tǒng)用于消除各種雜質(zhì)對儀器設備的影響，減少分析誤差，避免數(shù)據(jù)異常；數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)完成設定的各項水質(zhì)監(jiān)測操作，提供穩(wěn)定可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)；通訊傳輸系統(tǒng)擔負監(jiān)測數(shù)據(jù)遠程傳輸及監(jiān)測系統(tǒng)遠程操控的雙向通訊任務；輔助系統(tǒng)可為儀器設備提供各種輔助保障，維持監(jiān)測系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。各系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián)、互為協(xié)助，共同構(gòu)成一套完整、可靠的水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)。

2 實驗部分

2.1 在線監(jiān)測系統(tǒng)儀器測量方法與實驗室分析方法

比對實驗 2017 年起每月進行 1 次，至 2018 年底共進行 24 次。監(jiān)測儀表基本情況及對應的實驗室數(shù)據(jù)分析方法如表 1 所示。

表1 功能組件清單

2.2 水樣的采集與預處理

比對實驗于系統(tǒng)儀器基本性能測試工作全部完成后進行，比對實驗期間，自動監(jiān)測系統(tǒng)儀器應處于自動運行狀態(tài)，除連續(xù)出現(xiàn)較多可疑數(shù)據(jù)情況外，不得進行人為校準、重新設置等操作[4]。實驗室分析與自動監(jiān)測系統(tǒng)儀器同步采樣，采樣位置與自動監(jiān)測儀器的取樣位置盡量保持一致，每個采樣點均取2個平行樣。pH 現(xiàn)場測定，氨氮和高錳酸鹽指數(shù)水樣2h之內(nèi)送至實驗室。水樣的實驗室測定由上海市具有資質(zhì)的水環(huán)境監(jiān)測部門負責，嚴格按照實驗室計量認證的有關(guān)要求進行。

2.3 分析方法及依據(jù)

此次比對主要對在線監(jiān)測儀器的測定結(jié)果與實驗室人工分析數(shù)據(jù)進行對比，參照HJ915—2017《地表水自動監(jiān)測技術(shù)規(guī)范（試行）》（以下簡稱《技術(shù)規(guī)范》）規(guī)定：在線儀器與實驗室pH數(shù)據(jù)的絕對誤差的絕對值小于等于0.1為合格；同一測次實際水樣的氨氮和高錳酸鹽指數(shù)與實驗室比對相對誤差|Re| ≤ 20%為合格，實際水樣比對的合格率應不小于85%。相對誤差計算公式[5]如下：

式中：xi自動監(jiān)測儀器的測定值；y 實驗室2個平行樣的測定值的均值。

3 水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的運行評價

3.1 pH數(shù)據(jù)評價

pH比對情況如圖1和2所示。由圖中比對情況可看出，2017年共進行pH 數(shù)據(jù)在線監(jiān)測與實驗室比對12次，6次合格，合格率為50.0%不符合《技術(shù)規(guī)范》規(guī)定；2018年11次合格，合格率為91.7%，符合《技術(shù)規(guī)范》規(guī)定。

3.2 氨氮數(shù)據(jù)評價

氨氮比對情況如圖3和4所示。由圖中氨氮比對情況可看出，2017年在線監(jiān)測系統(tǒng)與實測氨氮變化趨勢基本一致，8 次合格，合格率為 66.6%，2017 年比對數(shù)據(jù)不符合《技術(shù)規(guī)范》規(guī)定；2018年有9次比2017 年同期相對誤差小。2018年系統(tǒng)運行穩(wěn)定，11次符合《技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，合格率為91.7%。

圖1 2017—2018年各月在線儀器與實驗室的 pH數(shù)據(jù)比對

圖2 2017—2018年各月在線儀器與實驗室 pH 數(shù)據(jù)比對的絕對誤差

3.3 高錳酸鹽指數(shù)數(shù)據(jù)評價

高錳酸鹽指數(shù)對比情況如圖5和6所示。由圖中高錳酸鹽指數(shù)對比情況可看出，2017年在線監(jiān)測系統(tǒng)與實測高錳酸鹽指數(shù)變化趨勢基本一致，10次比對的相對誤差小于 20%，合格率為 83.3%， 2017 年比對數(shù)據(jù)不符合《技術(shù)規(guī)范》規(guī)定；2018年系統(tǒng)運行穩(wěn)定，有10次比2017年同期相對誤差小。12次比對相對誤差均小于 20%，合格率為100%。2018年比對數(shù)據(jù)符合《技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定。

4 結(jié)語

2017—2018年24次比對實驗綜合分析的結(jié)果表明：

圖 3 2017—2018 年各月在線儀器和實驗室的 氨氮濃度數(shù)據(jù)比對

圖 4 2017—2018 年各月在線儀器和實驗室的 氨氮濃度數(shù)據(jù)比對相對誤差

圖 6 2017—2018 年各月在線儀器和實驗室的 高錳酸鹽指數(shù)數(shù)據(jù)比對相對誤差

1）系統(tǒng)運行至 2017 年，接近 8 a 使用年限。pH、氨氮和高錳酸鹽指數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)均與實驗室數(shù)據(jù)有偏差。

2）系統(tǒng)改造前，pH 值在線儀器數(shù)據(jù)準確度低。在線儀器與實驗室比對 pH 值絕對誤差 2017 年6 次合格，合格率為 50.0%。經(jīng)分析，產(chǎn)生此現(xiàn)象的主要原因如下：a. 玻璃電極的表面很容易附著污染物，電極在表面清洗不徹底時，測定的數(shù)據(jù)極易產(chǎn)生較大誤差[6]。b. 玻璃電極壽命短，易損壞。系統(tǒng)改造中更換為新一代使用壽命長的玻璃電極。在后續(xù)的維護過程中，加強了對玻璃電極的及時清理，比對數(shù)據(jù)的絕對誤差明顯降低。

系統(tǒng)改造后，2018 年有 10 個月比 2017 年同期絕對誤差小。2018 年比對合格率為 91.7%，符合《技術(shù)規(guī)范》同一項目的合格率應不小于 85% 的規(guī)定。

3）氨氮在線儀器在 2017 年系統(tǒng)改造前，比對數(shù)據(jù)不符合《技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定。經(jīng)分析，產(chǎn)生此現(xiàn)象的主要原因是氨氮管路細，易堵塞。系統(tǒng)改造中，改進了流程控制軟件中反沖洗程序的設置。改造后，2018 年比對合格率提升至 91.7%，符合《技術(shù)規(guī)范》規(guī)定。系統(tǒng)改造后，氨氮在線儀器可真實反映水質(zhì)情況[7]。

4）2017 年，高錳酸鹽指數(shù)在線儀器運行較穩(wěn)定，數(shù)據(jù)比對合格率為 83.3%。系統(tǒng)反沖洗程序改造后，高錳酸鹽指數(shù)在線儀器的準確度也有提高。2018 年系統(tǒng)運行情況比 2017 年更穩(wěn)定，比對合格率提升至 100%。系統(tǒng)改造后，高錳酸鹽指數(shù)監(jiān)測儀器可真實反映水質(zhì)情況。