水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)在水環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用策略研究

李占生

（寧夏回族自治區(qū)水文水資源監(jiān)測預(yù)警中心，寧夏 銀川 750011）

自工業(yè)時(shí)代以來，社會經(jīng)濟(jì)逐漸發(fā)展，但水污染問題不絕如縷，甚至引起各界廣泛關(guān)注和討論，在一定程度上會影響社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。在水環(huán)境保護(hù)的過程中，水質(zhì)自動監(jiān)測是常見的技術(shù)手段，這種技術(shù)的應(yīng)用能夠滿足水質(zhì)監(jiān)測的準(zhǔn)確性、有效性和及時(shí)性需求，且在應(yīng)用的過程中能夠提高整體監(jiān)測效果，保證水質(zhì)質(zhì)量[1]。與傳統(tǒng)人工采樣水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)相比，采用自動化監(jiān)測措施在很多方面都具備優(yōu)越性，能夠滿足互聯(lián)網(wǎng)視角下的技術(shù)監(jiān)測需求，在水環(huán)境監(jiān)測工作中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)

該文對水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行分析，主要將該系統(tǒng)長期應(yīng)用于某地區(qū)水質(zhì)采樣檢驗(yàn)，同時(shí)記錄和分析相關(guān)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終形成監(jiān)測報(bào)告。在進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測的過程中，傳統(tǒng)監(jiān)測主要采用的是人工采樣監(jiān)測措施，這種方式需要消耗大量的人力、物力以及財(cái)力，完成監(jiān)測后，監(jiān)測報(bào)告時(shí)效性較差，無法滿足當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高效、準(zhǔn)確和及時(shí)的監(jiān)測需求。在水質(zhì)監(jiān)測的過程中，采用自動化監(jiān)測技術(shù)可以滿足及時(shí)取樣和數(shù)據(jù)反饋需要，還可以快速生成監(jiān)測數(shù)據(jù)分析報(bào)告，這種技術(shù)可以同時(shí)對幾十種水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，既滿足了多樣化的水質(zhì)監(jiān)測功能要求，又能滿足及時(shí)、準(zhǔn)確和全面的水質(zhì)監(jiān)測信息反饋需要[2]。水文水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)是國家保護(hù)和開發(fā)水資源的資料來源和技術(shù)支撐，在水生態(tài)和水資源保護(hù)中具有重要作用。水質(zhì)監(jiān)測采用水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)可以在無人值守的條件下自動獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析和整理，完成數(shù)據(jù)處理后及時(shí)向信息中心上傳。采用這種方式能夠滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控需求，對監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)情況有全面的了解，為環(huán)境監(jiān)管和污染治理提供參考。該系統(tǒng)主要涉及的內(nèi)容包括遙測系統(tǒng)以及分析儀器，系統(tǒng)運(yùn)行主要采用分析軟件和監(jiān)控軟件開展工作，應(yīng)用這種系統(tǒng)能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、有效地記錄數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自動、實(shí)時(shí)監(jiān)測需求，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

2 水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測案例分析

在水環(huán)境保護(hù)中，應(yīng)用水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)可以監(jiān)測水質(zhì)情況，該文采用具體案例進(jìn)行分析，對室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和自動采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，通過自動監(jiān)測系統(tǒng)獲取的信息和數(shù)據(jù)判斷是否具有可靠性。以某市為研究對象，主要涉及的水質(zhì)監(jiān)測斷面共計(jì)15處，監(jiān)測項(xiàng)目涵蓋了汞、鎘、鉛、鉻、氨氮、硝酸鹽氮和水常規(guī)指標(biāo)等，每年需要開展6次監(jiān)測。近年來，該市水域綜合污染指數(shù)逐漸嚴(yán)重，2016年，污染指數(shù)僅為1.18，到2021年已經(jīng)增至2.58，在2016—2021年，僅2018年出現(xiàn)下降趨勢，但降幅并不明顯，其余年份均呈上升趨勢，僅在2016年就超過了重度污染（1.01～2.00）標(biāo)準(zhǔn)（表1），且在2020年之后已經(jīng)超過2.0，達(dá)到嚴(yán)重污染標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)水域綜合污染指數(shù)變化趨勢如圖2所示，通過監(jiān)測結(jié)果論證發(fā)現(xiàn)，該市相關(guān)河段呈現(xiàn)出來的污染情況較嚴(yán)重，同時(shí)污染情況呈加重趨勢。

表1 水質(zhì)污染分級標(biāo)準(zhǔn)

對水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，水中污染物濃度決定了水環(huán)境質(zhì)量，但這種濃度又由排污量和來水量共同決定[3]。為有效探究污染物的來源，本次研究選擇58個(gè)排污口開展調(diào)查，調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在這些排污口中達(dá)標(biāo)的數(shù)量僅為14個(gè)，占比僅為24.14%；未達(dá)標(biāo)的排污口數(shù)量高達(dá)44個(gè)，占比達(dá)到75.86%。傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測通常需要在固定時(shí)間內(nèi)對設(shè)置好的斷面開展監(jiān)測工作，一旦排污口污染物超標(biāo)，難以開展有效的監(jiān)測措施和科學(xué)的處理方式，為有效控制污染物排放，在水環(huán)境保護(hù)的過程中可以針對性采用實(shí)時(shí)監(jiān)測措施。

3 儀器性能測試

3.1 測試原理與方法

針對使用的水質(zhì)自動檢測儀的性能測試進(jìn)行分析，主要采用的測試方法涉及量程漂移、零點(diǎn)漂移和重現(xiàn)性等。其中，對所采用的零點(diǎn)漂移而言，在操作的過程中，首先需要在零點(diǎn)校正液中放置監(jiān)測系統(tǒng)采樣器，采用連續(xù)監(jiān)測的方式監(jiān)測24h，所需校正液可以選擇蒸餾水，測試值的選擇可以選擇3個(gè)典型值，再計(jì)算出3個(gè)值的平均值，將該值作為初始零值，如公式（1）所示。

式中：Z0表示自動監(jiān)測系統(tǒng)的初始零值，Zi表示第i次所測試得到的零點(diǎn)值，在自動監(jiān)測系統(tǒng)中，采用ΔZ表示零點(diǎn)漂移絕對誤差，采用Zd表示零點(diǎn)漂移，零點(diǎn)漂移絕對誤差中，Zmax表示最大誤差。

在監(jiān)測的過程中，需要在80%量程標(biāo)準(zhǔn)液中放置采樣器開展監(jiān)測工作，連續(xù)監(jiān)測24h，完成監(jiān)測后做量程漂移測試，需要選取6個(gè)比較典型的測定數(shù)據(jù)的平均值，在減去標(biāo)準(zhǔn)液濃度的基礎(chǔ)上，再減零點(diǎn)漂移和量程的積，進(jìn)而再將其絕對值除以量程，如此便可得到量程漂移。對濃度和試驗(yàn)用水比較接近的標(biāo)準(zhǔn)水進(jìn)行測定，同時(shí)需要選擇6個(gè)典型數(shù)據(jù)的平均值，減去標(biāo)準(zhǔn)液的濃度，在此基礎(chǔ)上除以標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度，如此便可計(jì)算出重現(xiàn)性測量誤差。

3.2 測試結(jié)果

在監(jiān)測的過程中，需要采用水質(zhì)自動檢測儀，并對該儀器的量程漂移、零點(diǎn)漂移以及重現(xiàn)性進(jìn)行測試，完成測試后可獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。通過對表2進(jìn)行分析，監(jiān)測得出的相關(guān)指標(biāo)都能滿足要求，得到的測試結(jié)果具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和可靠性，進(jìn)而有效滿足室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場監(jiān)測對比需求。

表2 儀器性能測試

4 系統(tǒng)可靠性分析

4.1 CODCr可靠度

水樣選擇4組，對4組水樣的測定都分別采用室內(nèi)試驗(yàn)以及自動監(jiān)測系統(tǒng)，4組水樣的CODCr含量范圍分別處于以下區(qū)間，如公式（2）所示。

在測定的過程中，對每個(gè)試樣測定需要開展3次測定工作，完成測定后取平均值，將平均值作為結(jié)果。在基礎(chǔ)上，需要對室內(nèi)試驗(yàn)和自動監(jiān)測儀器測定的數(shù)據(jù)開展誤差計(jì)算，所采用的誤差如公式（3）所示。

式中：xi和xj分別表示自動監(jiān)測儀器和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果。

此外，需要對水樣的室內(nèi)試驗(yàn)和自動監(jiān)測儀器試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)內(nèi)容還涉及了二者相對誤差，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。對表3進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)CODCr呈現(xiàn)出來的含量比較低時(shí)，這兩種方法所呈現(xiàn)出來的測試結(jié)果相差并不大，相對誤差也不超過2%，但一旦CODCr含量超過200mg/L時(shí)，系統(tǒng)測試所得到的結(jié)果明顯高于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果。因此，采用自動監(jiān)測系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來的真實(shí)性以及可靠性比較高，能夠滿足水質(zhì)監(jiān)測需求。

表3 CODCr試驗(yàn)對比結(jié)果

4.2 N-NH3可靠度

通過采用室內(nèi)試驗(yàn)和自動監(jiān)測系統(tǒng)方案對4組水樣開展測定工作，采用的N-NH3濃度范圍分別如公式（4）所示。

在處置方面采用的方法和CODCr保持一致，在不同的氨氮濃度下，兩種方法呈現(xiàn)出來的結(jié)果都較好，二者的相對誤差都不足2%（表4）。對此，在監(jiān)測過程中采用自動監(jiān)測系統(tǒng)所測定的數(shù)據(jù)具有可靠性和真實(shí)性。

表4 氨氮試驗(yàn)對比結(jié)果

5 水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)在水環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用措施

5.1 地表水水質(zhì)監(jiān)測

在水環(huán)境保護(hù)中，地表水水質(zhì)監(jiān)測可以有效采用水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)，這種技術(shù)的應(yīng)用不受空間制約，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制需求。對地表水實(shí)施自動監(jiān)測，能夠滿足相關(guān)部門對重點(diǎn)斷面水體的水質(zhì)情況掌握需求，通過該方式來全面掌握流域性水質(zhì)污染情況，及時(shí)進(jìn)行科學(xué)預(yù)報(bào)，采取預(yù)警措施，能夠規(guī)避跨行政區(qū)域之間因水污染而產(chǎn)生糾紛等問題[4]。因此，需要逐漸開展建設(shè)自動監(jiān)測站，這些監(jiān)測站能夠準(zhǔn)確自動監(jiān)測水質(zhì)，對水環(huán)境保護(hù)具有重要作用。此外，在監(jiān)測過程中，通過采用自動監(jiān)測技術(shù)對地表水水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，不斷將這種技術(shù)應(yīng)用到湖泊等水環(huán)境中，在很大程度上能夠滿足相關(guān)部門掌握水環(huán)境水體質(zhì)量需求。

5.2 水庫水質(zhì)監(jiān)測

水庫通常需要對相關(guān)居民進(jìn)行供水，相關(guān)部門要重視水庫的水質(zhì)。在水質(zhì)監(jiān)測的過程中，可以采用自動監(jiān)測技術(shù)來監(jiān)測水溫、溶解氧、pH值、電導(dǎo)率和渾濁度等相關(guān)指標(biāo)[5]。除此之外，還可以對水庫的藍(lán)綠藻、葉綠素、氨氮、總氮、鎘、錳、總磷等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，使用該系統(tǒng)能夠滿足數(shù)字信息視頻和遠(yuǎn)程控制需求，實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，提高水環(huán)境監(jiān)測能力[6]。此外，在水庫水質(zhì)監(jiān)測的過程中，采用自動監(jiān)測技術(shù)查詢站點(diǎn)水質(zhì)數(shù)據(jù)，及時(shí)查明水源地產(chǎn)生污染或水質(zhì)超標(biāo)的原因，一旦發(fā)現(xiàn)水源地水質(zhì)監(jiān)測項(xiàng)目出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，可以通過無線傳輸系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)啟動應(yīng)急預(yù)案。通過應(yīng)用該技術(shù)，可以對水質(zhì)進(jìn)行全程監(jiān)管，對存在問題的水質(zhì)采取解決措施，通過該方式來保障供水安全。

5.3 排污口污水水質(zhì)監(jiān)測

在污水排放管理中，通常情況下，存在相關(guān)管理人員較少，但巡檢任務(wù)比較繁重，甚至存在對企業(yè)的污水排放情況了解程度并不高[7]。此外，排污單位容易產(chǎn)生不積極繳納排污費(fèi)或者拖欠排污費(fèi)的情況，導(dǎo)致排污管理工作未能取得預(yù)期效果[8]。但在排污口污水水質(zhì)監(jiān)測中采用自動監(jiān)測系統(tǒng)，可以對水質(zhì)流動情況進(jìn)行自動監(jiān)測[1]。這種系統(tǒng)的應(yīng)用有較大優(yōu)勢，一是由于該系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程操作功能，可以結(jié)合被監(jiān)測單位的具體污水排放情況實(shí)施專業(yè)的解決措施，二是針對傳統(tǒng)排污收費(fèi)模式開展改革和創(chuàng)新，可采用先交費(fèi)、再排污的管理措施，同時(shí)還可以針對企業(yè)的污水排放水質(zhì)、流量等實(shí)時(shí)監(jiān)測，并采用遠(yuǎn)程控制的方式來對自動電控閥門進(jìn)行控制[9]。當(dāng)企業(yè)完成預(yù)付費(fèi)用充值后，才能進(jìn)行排污，若產(chǎn)生欠費(fèi)，系統(tǒng)終止排污，同時(shí)還需要設(shè)置排污上限，若某指標(biāo)達(dá)到指定上限后，系統(tǒng)自動關(guān)閉閥門，不可繼續(xù)排污。采用遠(yuǎn)程監(jiān)控的方式展示歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并采用通信工具和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)查詢相關(guān)數(shù)據(jù)，通過該方式保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中的完整性。

6 結(jié)語

在水質(zhì)環(huán)境保護(hù)的過程中，可以針對性采用自動監(jiān)測技術(shù)，在這種技術(shù)的基礎(chǔ)上安裝在線自動分析儀，同時(shí)構(gòu)建監(jiān)測體系，該體系主要包括傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)、自動測量和自動控制等技術(shù)，在技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上不斷完善管理措施，通過該方式提高自動監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用效果，對解決我國水污染問題具有重要作用，進(jìn)而對保護(hù)水環(huán)境、改善生態(tài)環(huán)境和實(shí)現(xiàn)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。