水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站的應(yīng)用探索及管理對(duì)策
——以梅州市合水水庫和尖山水文站水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站為例

陳佳生

(廣東省水文水資源監(jiān)測中心梅州分中心，廣東 梅州 514071)

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站是當(dāng)前水質(zhì)監(jiān)測發(fā)展的重要方向，也是水環(huán)境管理的必然需求，近幾年在我國得到了迅猛發(fā)展。水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站具備了連續(xù)、實(shí)時(shí)、全天候運(yùn)行等優(yōu)勢，不僅大大節(jié)省了人力資源的消耗，避免了人為干預(yù)，還能及時(shí)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)變化現(xiàn)象，進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警[1]。本文介紹了水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站的基本情況，探索了水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用，分析了水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站在應(yīng)用過程的數(shù)據(jù)質(zhì)量情況，并針對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量問題和常見儀器故障提出了相應(yīng)的管理對(duì)策[2]。

1 水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站基本情況

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站根據(jù)站點(diǎn)的現(xiàn)場環(huán)境、建設(shè)周期、監(jiān)測儀器設(shè)備安裝條件等實(shí)際情況，可建為分心小屋式水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站、集裝箱式水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站、固定站房式水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站、漂浮式水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站、微型水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站和高寒地區(qū)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站等。一般由站房、采配水單元、預(yù)處理單元、輔助單元、分析測試單元、控制單元和數(shù)據(jù)采集與傳輸單元等組成，配套有供水、供電、防雷、接地、密封、空調(diào)、網(wǎng)絡(luò)通訊以及視頻監(jiān)控等設(shè)備設(shè)施[3]。

2 水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站的應(yīng)用探索

廣東省水文水資源監(jiān)測中心梅州分中心(以下簡稱梅州分中心)在梅州市境內(nèi)建設(shè)和管理的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站有合水水庫水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站、清涼山水庫水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站、桂田水庫水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站、梅州水廠水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站和尖山水文站水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站等，前4個(gè)均布設(shè)在縣級(jí)以上重要水源地，尖山水文站水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站布設(shè)在河源市紫金縣與梅州市五華縣市界附近(見表1所示)。自建成以來，5個(gè)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站在掌握重要水體水質(zhì)狀況、預(yù)警水質(zhì)異常情況、計(jì)算污染物通量、研究水質(zhì)變化規(guī)律、保障用水安全等方面發(fā)揮了重要作用[4-5]。由于湖庫型水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站和河流型水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站在監(jiān)測項(xiàng)目、水體功能、水文條件等方面的差異，本文分別選取合水水庫和尖山水文站水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站為例，探索分析水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站的應(yīng)用。

2.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測水質(zhì)狀況

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站的運(yùn)行周期為4 h，還可通過程序設(shè)置，即時(shí)監(jiān)測水體水質(zhì)?？赏ㄟ^傳輸平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查詢、分析，實(shí)時(shí)掌握水體的水質(zhì)狀況(見圖1)：實(shí)時(shí)觀測到合水水庫總體水質(zhì)類別為Ⅲ類，達(dá)到集中式生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)的要求，其中pH為Ⅰ類(7.77)；溶解氧為Ⅲ類(5.66 mg/L)；氨氮為Ⅱ類(0.437 mg/L)；總磷為Ⅲ類(0.026 mg/L)；總氮為Ⅲ類(0.84 mg/L)；高錳酸鹽指數(shù)為Ⅰ類(1.70 mg/L)；其他在《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中無評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測項(xiàng)目監(jiān)測情況良好。

表1 梅州分中心所轄水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站的情況

圖1 水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查詢平臺(tái)界面示意

2.2 預(yù)警水質(zhì)異常情況

2020年夏秋季，梅州分中心實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測到合水水庫pH值較為偏高，甚至達(dá)到9左右的水平(pH>9為劣Ⅴ類)，有可能對(duì)飲用水安全造成威脅。通過合水水庫水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站的數(shù)據(jù)平臺(tái)(見圖2)，梅州分中心有效預(yù)警了這一現(xiàn)象，并通過相關(guān)數(shù)據(jù)的分析(見圖3)，得出的主要原因?yàn)樗w富營養(yǎng)化，藻類植物的快速生長消耗了水體中的CO2、CO32-和HCO3-，致使電離平衡往OH方向移動(dòng)，造成pH升高。同時(shí)，藻類的光合作用加強(qiáng)，水體溶解氧也隨著升高[6]。這與現(xiàn)場觀測到的水體存在明顯絮狀物、水體顏色偏綠等結(jié)果相符合。

圖2 合水水庫站點(diǎn)2020年10月24—26日pH變化趨勢示意

圖3 合水水庫站點(diǎn)2020年10月24—26日溶解氧變化趨勢示意

2.3 計(jì)算污染物通量

準(zhǔn)確估算污染物通量對(duì)河流污染物總量控制和水質(zhì)保護(hù)具有重要意義。本文在常用的5種通量估算方法中[7]，根據(jù)尖山水文站所在河段的污染源主要為上游區(qū)域的農(nóng)業(yè)面源污染，徑流量的作用對(duì)污染物通量影響較為明顯，結(jié)合尖山水文站流量的監(jiān)測情況，選用公式(1)對(duì)其污染源通量進(jìn)行估算。

(1)

先根據(jù)尖山水文站水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站每日共6次的監(jiān)測數(shù)據(jù)和日平均流量，計(jì)算氨氮的日通量，然后再進(jìn)行累加得出月通量，用此方法計(jì)算得到2019年8—10月尖山水文站氨氮的通量分別為33.997 t、18.105 t、6.986 t。如按照常規(guī)手工監(jiān)測的頻率，每月監(jiān)測1次，采用監(jiān)測到的污染物濃度乘以月均流量再乘以時(shí)間轉(zhuǎn)換系數(shù)，根據(jù)公式(1)也可估算出污染物的月通量，但這種方法相對(duì)比較粗略，計(jì)算得到2019年8—10月尖山水文站氨氮的通量分別為23.429 t、26.400 t、11.725 t，與水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站累計(jì)計(jì)算的月通量偏差為-18.4%～25.3%(見表2)。

表2 自動(dòng)監(jiān)測站法和常規(guī)手工監(jiān)測法估算氨氮通量比對(duì)成果

2.4 研究水質(zhì)變化規(guī)律

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站1 d有6組數(shù)據(jù)，1個(gè)月180組，1 a 2 160組，從這些數(shù)據(jù)的變化趨勢來分析，可以有效掌握水質(zhì)變化規(guī)律(見圖4)，可以看出尖山水文站2020年10月2—5日的溶解氧時(shí)常在8:00開始升高，16:00達(dá)到峰值后開始下降，至凌晨4:00下降到最低值，呈現(xiàn)白天數(shù)值較高、夜間數(shù)值較低的規(guī)律，這主要是由水體水生生物光合作用和呼吸作用導(dǎo)致的：白天水體水生生物受到光照，產(chǎn)生光合作用，生成氧氣，水體的溶解氧開始升高；而夜晚水生生物以呼吸作用為主，消耗了水體中的氧氣，導(dǎo)致溶解氧開始降低。從圖4和圖5的溶解氧變化趨勢規(guī)律中可以看出，尖山水文站2020年10月份溶解氧的峰值出現(xiàn)在下午16：00附近，而11、12月份的峰值出現(xiàn)在中午12：00附近，這主要是由于光照時(shí)間和光照強(qiáng)度的變化引起的：尖山水文站10月份的光照時(shí)間比11、12月份長，同個(gè)時(shí)間點(diǎn)的光照強(qiáng)度比11、12月份的大，綜合影響下10月份溶解氧上升勢頭和跨度較大，峰值較晚出現(xiàn)。尖山水文站水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站溶解氧的變化規(guī)律揭示了所在河段琴江水體中的水生生物較為活躍，要注意防范潛在的水華風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 尖山水文站2020年10月2—5日溶解氧變化趨勢示意

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

為增加數(shù)據(jù)質(zhì)量分析的樣本量，提高分析結(jié)果的科學(xué)性和代表性，采用2020年1—11月常規(guī)手工監(jiān)測與上述5個(gè)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站同步監(jiān)測的數(shù)據(jù)，進(jìn)行比對(duì)分析，比對(duì)的項(xiàng)目有水溫、電導(dǎo)率、pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮，計(jì)算的相對(duì)偏差(RD)結(jié)果見表3。

表3 水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站數(shù)據(jù)與常規(guī)手工監(jiān)測數(shù)據(jù)的比對(duì)結(jié)果

從表3中可以得出，水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站與常規(guī)手工監(jiān)測的數(shù)據(jù)可比性整體較好，相對(duì)偏差≤±30%的數(shù)據(jù)量比例為61.3%～100%。其中常規(guī)5參數(shù)(水溫、電導(dǎo)率、pH、溶解氧)可比性最高，相對(duì)偏差≤±10%的數(shù)據(jù)量比例為78.2%～89.1%，≤±30%的數(shù)據(jù)量比例均為100%；高錳酸鹽指數(shù)可比性次之，相對(duì)偏差≤±10%的數(shù)據(jù)量比例為36.4%，≤±30%的數(shù)據(jù)量比例89.1%；而氨氮、總磷、總氮的可比性較差，相對(duì)偏差≤±10%的數(shù)據(jù)量比例僅為19.6%～25.0%，相對(duì)偏差≤±10%的數(shù)據(jù)量比例為61.3%～73.9%。造成氨氮、總磷、總氮數(shù)據(jù)可比性較差的原因主要為2020年疫情防控的需要，到站維護(hù)的次數(shù)相對(duì)較少，試劑存在過期現(xiàn)象；氨氮、總磷這5個(gè)站的含量很低，容易形成較大的偏差；個(gè)別月份總氮因藻類生長堵塞管路，導(dǎo)致總氮數(shù)據(jù)偏高。

4 管理對(duì)策

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站的數(shù)據(jù)量龐大，在實(shí)時(shí)掌握水體的水質(zhì)狀況、分析變化規(guī)律等方面有著常規(guī)手工監(jiān)測無可替代的作用，但由于水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站的數(shù)據(jù)質(zhì)量受儀器狀態(tài)、外界環(huán)境(水、電、天氣等)、運(yùn)維狀態(tài)等諸多因素的影響，時(shí)常會(huì)有儀器故障[8]導(dǎo)致數(shù)據(jù)異?，F(xiàn)象的產(chǎn)生，因此，必須采取有力的管理對(duì)策，保障水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

4.1 統(tǒng)一水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站的計(jì)量溯源工作

計(jì)量溯源是水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的重要保證，只有能夠計(jì)量溯源的數(shù)據(jù)才是有意義的數(shù)據(jù)。水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站不同于實(shí)驗(yàn)室常規(guī)手工監(jiān)測，從目前的發(fā)展來看，還沒有配套的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。因此，要加強(qiáng)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站計(jì)量技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)核查方法的制定，以滿足計(jì)量溯源的需求[9]。

4.2 加強(qiáng)技術(shù)人員的培訓(xùn)工作

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站對(duì)技術(shù)人員的要求很高，既要能獨(dú)立操作諸多儀器設(shè)備，又要能及時(shí)排除故障，恢復(fù)自動(dòng)監(jiān)測站的運(yùn)行。因此，要不斷加強(qiáng)技術(shù)人員的培訓(xùn)，提高技術(shù)人員對(duì)儀器構(gòu)造、原理和自動(dòng)站運(yùn)行模式的認(rèn)識(shí)，重點(diǎn)提高數(shù)據(jù)異常情況的分析能力和常見儀器故障的解決能力。

4.3 加強(qiáng)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站的質(zhì)量控制工作

要對(duì)轄區(qū)范圍所有水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站統(tǒng)籌制定質(zhì)量控制計(jì)劃，可采用零點(diǎn)核查、24 h零點(diǎn)漂移、24 h跨度漂移、標(biāo)樣核查、水樣比對(duì)、加標(biāo)回收等方式，對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行測試，以保障監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠[10]。

4.4 加強(qiáng)數(shù)據(jù)審核工作

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站受到的干擾因素較多，異常數(shù)值的產(chǎn)生是不可避免的，因此要加強(qiáng)數(shù)據(jù)的審核工作。也可利用spss軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析[11]、相關(guān)性分析，剔除異常數(shù)值，保證入庫數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

4.5 加強(qiáng)儀器運(yùn)行維護(hù)工作

儀器運(yùn)行維護(hù)主要做好清洗探頭和管路、更換試劑和零配件、校準(zhǔn)儀器等工作[12]。要嚴(yán)格按照試劑有效周期和設(shè)備校準(zhǔn)周期，及時(shí)更換試劑和校準(zhǔn)儀器，保障試劑和標(biāo)準(zhǔn)曲線的時(shí)效性；要根據(jù)水體的潔凈情況、天氣情況等加強(qiáng)探頭和管路維護(hù)清洗工作，保障良好的儀器運(yùn)行狀態(tài)；要加強(qiáng)儀器常用零配件的儲(chǔ)存，提高儀器零配件更換的效率；要及時(shí)排查儀器故障，確保儀器的正常運(yùn)行。

5 結(jié)語

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站在實(shí)時(shí)掌握水體水質(zhì)狀況、預(yù)警水質(zhì)異常情況、計(jì)算污染物通量、研究水質(zhì)變化規(guī)律、保障用水安全等方面具有重要作用，但由于監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量受到諸多因素的影響，容易產(chǎn)生儀器故障和異常數(shù)據(jù)現(xiàn)象，因此必須采取有力的管理對(duì)策，加強(qiáng)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站的質(zhì)量控制和運(yùn)行維護(hù)等工作，提高水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站監(jiān)測數(shù)據(jù)與常規(guī)手工監(jiān)測數(shù)據(jù)的可比性，確保其監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。