自動監(jiān)測技術(shù)在地表水監(jiān)測中的運用與發(fā)展

曹人升，王興富，譚桂華，趙 鋮

(1 安順生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，貴州 安順 561000；2 貴陽康養(yǎng)職業(yè)大學(xué)，貴州 貴陽 550081；3 貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一○五地質(zhì)大隊，貴州 貴陽 550018；4 貴州省酒類產(chǎn)品質(zhì)量檢驗檢測院，貴州 仁懷 564500)

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對生態(tài)環(huán)境有了更高要求，城市化程度的逐步加深意味著人們需要不斷提高對日常生產(chǎn)生活中所產(chǎn)生污染物的處理能力及效率，并且需要更深刻地認(rèn)識到做好所居住區(qū)域的地表水水質(zhì)狀況監(jiān)測的重要[1]。在過去，人們對地表水的監(jiān)測主要由監(jiān)測技術(shù)人員現(xiàn)場采樣，然后送往實驗室分析，該方式具有監(jiān)測頻次少、時效性不足等缺點，且工作任務(wù)重，還易受到外部因素的干擾。為了科學(xué)、客觀地反映出地表水水質(zhì)污染情況，需要建設(shè)地表水在線監(jiān)測系統(tǒng)，具有連續(xù)、實時、全天候監(jiān)測等優(yōu)勢，能夠第一時間快速反映地表水水質(zhì)變化情況，還能有效進(jìn)行預(yù)警及防范水環(huán)境污染風(fēng)險[2-3]。在今后的發(fā)展中，水質(zhì)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)將不斷為污染追蹤溯源，并逐步成水環(huán)境風(fēng)險預(yù)警的重要基礎(chǔ)及在環(huán)境執(zhí)法中提供重要的數(shù)據(jù)支撐，同時，水質(zhì)自動監(jiān)測將在水污染治理成效的考核評估及全面評價地表水環(huán)境質(zhì)量狀況中發(fā)揮重要作用[4-5]。

地表水水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)引入國內(nèi)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域后得到了快速發(fā)展，現(xiàn)已形成較大規(guī)模、技術(shù)較完善、運維管理較成熟的監(jiān)測體系。自生態(tài)環(huán)境部在主要流域重點斷面開展了地表水水質(zhì)自動監(jiān)測站的建設(shè)[6]，國家地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測事權(quán)上收以后，國控斷面的水質(zhì)自動監(jiān)測站點已陸續(xù)建成運行，以自動監(jiān)測為主、手工監(jiān)測為輔的模式將逐步形成[7]，高質(zhì)量的數(shù)據(jù)監(jiān)測，不僅能參與地表水環(huán)境質(zhì)量的評價、考核及排名，在水環(huán)境質(zhì)量狀況的預(yù)警預(yù)報[5]及環(huán)境管理中也發(fā)揮重要作用[8]。

1 地表水自動監(jiān)測與手工監(jiān)測對比

在過去，對地表水的監(jiān)測通常由監(jiān)測技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場采樣、并送往實驗室分析，該監(jiān)測方法存在一定的不足，比如采樣代表性不夠、監(jiān)測頻次較低等，這就可能帶來監(jiān)測數(shù)據(jù)失效的風(fēng)險，甚至造成檢測結(jié)果誤差較大的現(xiàn)象，從而使監(jiān)測水體的水質(zhì)質(zhì)量狀況得不到真實反映。因此，探索客觀、科學(xué)地反映出相關(guān)水體水質(zhì)污染狀況的監(jiān)測方式迫在眉睫。建設(shè)地表水在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠在一定程度上克服手工監(jiān)測的不足，對地表水進(jìn)行實時動態(tài)監(jiān)測，及時得到水質(zhì)變化規(guī)律，從而為相關(guān)部門制定防治措施提供理論支撐，防止水資源再次受到污染[1]。

劉念等[9]對地表水水質(zhì)自動監(jiān)測與人工監(jiān)測進(jìn)行對比分析，主要選取了48個已建成并投用的國家地表水水質(zhì)自動監(jiān)測站，對pH、水溫、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮、電導(dǎo)率和濁度等9項監(jiān)測指標(biāo)開展了實驗研究。由監(jiān)測結(jié)果之間的相關(guān)性、相對偏差、相對誤差及水質(zhì)類別變化顯示，除氨氮外，自動監(jiān)測與人工分析的相關(guān)性較好，誤差較小、各參數(shù)基本可比，水質(zhì)類別一致性較高；誤差統(tǒng)計與直方圖分析數(shù)據(jù)表明了自動監(jiān)測與人工監(jiān)測之間的誤差整體為隨機(jī)誤差。王延軍等[10]對地表水常規(guī)監(jiān)測與自動監(jiān)測評價結(jié)果進(jìn)行比對，采用手工分析與自動監(jiān)測兩種不同的方式，在均采用5項指標(biāo)評價時，類別相同與變化一類的占比之和可達(dá)到85%左右。李林澤等[11]對南京大勝關(guān)水質(zhì)常規(guī)監(jiān)測與自動監(jiān)測兩種方式進(jìn)行了比對，結(jié)果顯示多個項目的檢查結(jié)果一致性較高，基本可代表斷面水質(zhì)平均水平。通過兩種監(jiān)測方式獲得的數(shù)據(jù)科學(xué)可靠，能夠客觀真實地反映地表水水質(zhì)變化情況，為管理部門及相關(guān)科研單位提供數(shù)據(jù)支撐。為保證數(shù)據(jù)的真實性和準(zhǔn)確性，必須加強(qiáng)自動監(jiān)測站的運維質(zhì)量，盡量減小隨機(jī)誤差[9]。

2 地表水在線監(jiān)測系統(tǒng)的建立

根據(jù)《地表水自動監(jiān)測技術(shù)規(guī)范(試行)》，與常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測相比，地表水水質(zhì)自動監(jiān)測能夠進(jìn)行水樣自動采集與處理、并進(jìn)行檢測分析及數(shù)據(jù)傳輸。通過該方式對地表水進(jìn)行監(jiān)測能夠及時掌握水質(zhì)變化規(guī)律，及時為相關(guān)水資源管理部門制定相應(yīng)的環(huán)保計劃具有積極的現(xiàn)實指導(dǎo)意義[12-13]。

2.1 站點選擇

由于對地表水的檢測需要有很強(qiáng)的代表性，只有合理布置自動監(jiān)測站的點位，所分析的數(shù)據(jù)才能夠真實有效地反映所監(jiān)測水域的水質(zhì)狀況，因此在建設(shè)地表水在線監(jiān)測系統(tǒng)的時候首先需要對站點進(jìn)行選擇，在布置自動監(jiān)測站時需要對監(jiān)測水域進(jìn)行充分考察，比如地表水流情況是否穩(wěn)定，所在斷面是否存在湍流情況，所監(jiān)測區(qū)域堤岸抗沖刷能力是否滿足要求以及地表水深度是否在范圍等，這些因素都會對監(jiān)測的準(zhǔn)確性造成影響[1]。

2.2 水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)主要構(gòu)成

水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)是以在線自動分析儀器為核心，運用自動測量技術(shù)、自動控制技術(shù)、現(xiàn)代傳感器技術(shù)、通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)等構(gòu)成的綜合性水質(zhì)自動監(jiān)測體系[14]，包括水質(zhì)自動監(jiān)測站和水質(zhì)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)平臺(如圖1所示)。

圖1 自動監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[12]

其中水質(zhì)自動監(jiān)測站由站房、采水系統(tǒng)、配水系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、儀器分析測試系統(tǒng)、質(zhì)量控制單元、數(shù)據(jù)管理單元構(gòu)成。輔助系統(tǒng)包括廢液單元、防雷設(shè)施、視頻監(jiān)控單元及純水制備單元等；水站自動監(jiān)測數(shù)據(jù)平臺用于數(shù)據(jù)傳輸統(tǒng)計與應(yīng)用及水站遠(yuǎn)程監(jiān)控等[14]。

2.2.1 采水系統(tǒng)設(shè)計

采水系統(tǒng)作為水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)中必不可少的部分，包含了采水泵及采水管等，為確保水樣能達(dá)到相關(guān)檢測要求，采水系統(tǒng)需合理設(shè)計、因地制宜[14-15]。自動監(jiān)測系統(tǒng)所用的管路必須為水樣的傳輸提供良好的條件，還得減少甚至避免水樣運輸途中受到的污染，這就要求所用的管路材料具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，同時還得采取必要的措施防止溫度過高或過低所造成的影響。

由于采水方式的結(jié)構(gòu)特點各不相同，因此，采水系統(tǒng)的類型也有所區(qū)別，通?？煞譃闂蚴讲伤?、浮橋式采水、浮筒-船-浮標(biāo)式采水、拉索式采水及懸臂式采水等[14]。

2.2.2 配水系統(tǒng)設(shè)計

自動監(jiān)測系統(tǒng)首先由采水系統(tǒng)采集到所需的水樣，然后輸送到配水系統(tǒng)中，依次對水樣進(jìn)行過濾及分配處理。配水系統(tǒng)通過壓力傳感器及流量進(jìn)行實時監(jiān)控，根據(jù)自動監(jiān)測設(shè)備的運行需求，靈活調(diào)節(jié)壓力及流量，從而完成對水樣分配任務(wù)[16]。源水經(jīng)兩路流向特定的設(shè)備中進(jìn)行不同的項目分析，第一路進(jìn)入到五參數(shù)測量池，第二路則進(jìn)入沉淀池內(nèi)，經(jīng)過濾處理后進(jìn)入到可檢測項目的分析儀內(nèi)，未被利用的水樣將由排水管流出不參與相關(guān)指標(biāo)監(jiān)測分析[16]。

2.2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)需要執(zhí)行的任務(wù)包括各個細(xì)分子系統(tǒng)的控制及數(shù)據(jù)的采集等[17]。根據(jù)所分析項目的實際需求，系統(tǒng)將自動設(shè)定相應(yīng)工作程序，使各子系統(tǒng)嚴(yán)格執(zhí)行并有條不紊地根據(jù)程序開展相應(yīng)的工作。該系統(tǒng)能夠全程管控各個子系統(tǒng)，按要求調(diào)度其運行，并將產(chǎn)生的信息及時傳輸至監(jiān)控中心平臺[16]。

2.2.4 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)也是構(gòu)成水質(zhì)自動監(jiān)測站不可或缺部分，自動監(jiān)測站的運行離不開對數(shù)據(jù)的加工與管理[18]，主要負(fù)責(zé)的是采集、處理及傳輸數(shù)據(jù)，其包含系統(tǒng)內(nèi)部各單元運行情況的數(shù)據(jù)、發(fā)生異常狀況時報警的數(shù)據(jù)、檢測到的水質(zhì)結(jié)果數(shù)據(jù)等信息[16]。

2.3 自動監(jiān)測系統(tǒng)運行與管理

隨著自動監(jiān)測站的不斷發(fā)展與完善，目前能夠監(jiān)測的項目主要包括“水質(zhì)五參數(shù)”以及其他可監(jiān)測的常規(guī)項目。為及時、準(zhǔn)確地獲取以上水質(zhì)自動監(jiān)測的數(shù)據(jù)，確保自動監(jiān)測系統(tǒng)的各個配置單元能夠正常運行至關(guān)重要。目前，自動監(jiān)測系統(tǒng)的運維主要由第三方技術(shù)服務(wù)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)，相關(guān)管理部門技術(shù)人員主要負(fù)責(zé)對自動監(jiān)測系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行審核以及對自動站的建設(shè)及運行進(jìn)行監(jiān)督與管理。在該模式的運行管理下，管理部門應(yīng)建立完整的質(zhì)量管理體系，形成科學(xué)規(guī)范的運行管理模式與考核監(jiān)督機(jī)制，從而保障自動監(jiān)測系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定運行[19-20]。此外，相關(guān)管理部門應(yīng)派出技術(shù)人員對轄區(qū)內(nèi)自動監(jiān)測站點的運行情況進(jìn)行定期巡查，同時對自動分析儀進(jìn)行盲樣測試，將檢測結(jié)果與常規(guī)檢測結(jié)果進(jìn)行對比，從而保證儀器準(zhǔn)確性[2]。

3 自動監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 水環(huán)境質(zhì)量預(yù)警預(yù)報

由于水質(zhì)自動站具備比較完善的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，能夠自動、連續(xù)、準(zhǔn)確、實時地監(jiān)測水質(zhì)狀況及變化趨勢，因此能對水質(zhì)污染情況起到較好的預(yù)警效果。若發(fā)現(xiàn)水質(zhì)異常現(xiàn)象，相關(guān)部門將第一時間進(jìn)行綜合分析與研判，并及時采取相應(yīng)措施，防止水質(zhì)進(jìn)一步受到影響[2]。

環(huán)境質(zhì)量預(yù)報預(yù)警技術(shù)主要通過水環(huán)境模型對水體污染過程進(jìn)行定量化處理[23]，能有效判斷污染物來源、遷移及分布情況，從而達(dá)到解決跨行政區(qū)域的水污染事故糾紛的目的，同時幫助相關(guān)部門有針對性地制定水質(zhì)污染防治計劃，評估流域污染治理成效[14]。

3.2 通報環(huán)境質(zhì)量

隨著生活質(zhì)量的不斷提升，人們對實時掌握所在區(qū)域水質(zhì)情況有了迫切的需求，由于自動監(jiān)測數(shù)據(jù)具有連續(xù)性與實效性，可以實現(xiàn)對水質(zhì)的實時連續(xù)監(jiān)測及遠(yuǎn)程監(jiān)控，并及時向社會公布重點河流斷面的水質(zhì)情況，有助于實現(xiàn)水質(zhì)情況信息公開化[2]。

3.3 水功能區(qū)污染總量核算及污染防治

由于水質(zhì)自動站系統(tǒng)能夠自動、準(zhǔn)確、連續(xù)實時地對水質(zhì)狀況進(jìn)行監(jiān)測，同時借助流量、流速等相關(guān)信息計算出所監(jiān)測流域內(nèi)的污染物總量，為相關(guān)部門針對所監(jiān)測的水域制定精準(zhǔn)的防控政策，保障水質(zhì)質(zhì)量[14]。

4 結(jié) 論

(1)通過自動監(jiān)測與實驗室手工監(jiān)測進(jìn)行對比，監(jiān)測結(jié)果一致性較高，基本可代表相關(guān)水域水質(zhì)平均水平。

(2)地表水自動監(jiān)測系統(tǒng)能夠克服監(jiān)測水平低，監(jiān)測結(jié)果與實際污染程度誤差大的問題，能實時監(jiān)測，更能相對全面地反映水體水質(zhì)隨時間變化的規(guī)律，還能夠布置在環(huán)境條件差的水域，從而擴(kuò)大了水質(zhì)監(jiān)測范圍，對合理配置社會資源，推動國家水污染防治計劃也具有重要意義。

(3)地表水自動監(jiān)測系統(tǒng)的正常運行有助于促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，有利于準(zhǔn)確判斷相關(guān)水體中的污染物變化規(guī)律，為相關(guān)部門制定有效的污染防治策略[1]。

5 建 議

(1)通過強(qiáng)化監(jiān)測中心管理和第三方運維的管理模式，進(jìn)一步緩解各地監(jiān)測中心人員不足的問題，提高自動監(jiān)測系統(tǒng)的運維效率與質(zhì)量。另外，管理部門人員要進(jìn)一步加強(qiáng)對運維單位的監(jiān)督管理，確保運維工作保質(zhì)保量的完成。

(2)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)審核技術(shù)人員要對監(jiān)測數(shù)據(jù)嚴(yán)格把關(guān)，及時剔除或手工補(bǔ)錄失真的自動數(shù)據(jù)，從而確保自動監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、真實地反映水體環(huán)境質(zhì)量。

(3)由于濁度能對自動監(jiān)測系統(tǒng)造成影響，因此應(yīng)進(jìn)一步改進(jìn)自動監(jiān)測系統(tǒng)，確保自動監(jiān)測數(shù)據(jù)真實、準(zhǔn)確，將自動監(jiān)測數(shù)據(jù)更好地運用于水環(huán)境評價中。

(4)自動監(jiān)測更能相對全面地反映水體水質(zhì)隨時間變化的規(guī)律，因此應(yīng)針對自動監(jiān)測自身的特點，進(jìn)一步研究補(bǔ)充自動監(jiān)測數(shù)據(jù)參與地表水質(zhì)評價與評估的方法。