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        綜合水文水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)構建的探討

        2019-09-10 07:22:44季秋宇繆浩川
        水利水電快報 2019年8期
        關鍵詞:自動監(jiān)測水環(huán)境

        季秋宇 繆浩川

        摘要:根據(jù)水污染防治行動計劃,大力推進生態(tài)文明建設、改善水環(huán)境質(zhì)量的總體要求,在穩(wěn)步推進國家地表水考核斷面水質(zhì)自動監(jiān)測站建設過程中,仍存在一系列問題。尤其是新建監(jiān)測站點投入過大、數(shù)量有限、覆蓋范圍不足,部分新建監(jiān)測站點和已有的水文監(jiān)測站網(wǎng)重合度較高,造成重復建站等問題。針對該問題,長江口水文水資源勘測局近年積極探索水文水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)架構和實施方案,提出對現(xiàn)有水文水質(zhì)監(jiān)測站網(wǎng)進行改造升級,使其能符合國家地表水監(jiān)測的要求;將改造后的測站與新建自動監(jiān)測站組成綜合水文水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng),并通過匯總監(jiān)測數(shù)據(jù),形成全國水文水質(zhì)自動監(jiān)測站網(wǎng)一張圖。實踐結(jié)果表明,該系統(tǒng)可實現(xiàn)水環(huán)境實時在線監(jiān)測,并能連續(xù)、及時、準確的反映水質(zhì)指標數(shù)據(jù)變化狀況,可為水環(huán)境污染突發(fā)事件及其應急處置措施提供科學的決策依據(jù)。

        關鍵詞:水文水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng);監(jiān)測站網(wǎng);水環(huán)境;自動監(jiān)測

        中圖法分類號:X84

        文獻標志碼:A

        DOI:10.15974/j .cnki. slsdkb.2019.08.012

        1 研究背景

        20世紀以來,環(huán)境污染問題日益突出,尤其是水環(huán)境污染問題,受到人們越來越多的關注,水質(zhì)監(jiān)測和水處理技術已成為研究重點。

        2015年4月2日,國務院發(fā)布《水污染防治行動計劃》,明確大力推進生態(tài)文明建設,以改善水環(huán)境質(zhì)量為核心的總體要求,對江河湖海實施分流域、分區(qū)域、分階段科學治理,系統(tǒng)推進水污染防治、水生態(tài)保護和水資源管理。截至2018年3月,全國已建成和規(guī)劃中的國家地表水考核斷面水質(zhì)自動監(jiān)測站(以下簡稱“自動監(jiān)測站”)達3 200多個[1]。

        隨著國家自動監(jiān)測站建設的推進,本文主要探討了如何將全國各地目前已有的水文監(jiān)測站網(wǎng)納入水質(zhì)監(jiān)測體系,實現(xiàn)兩者互相協(xié)同和補充,組成完整的水文水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng),并將監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總,形成全國一張圖的水文水質(zhì)監(jiān)測站網(wǎng)。

        2 水質(zhì)監(jiān)測的重要性和必要性

        水是生命之源,生產(chǎn)之要,生態(tài)之基,是人類生產(chǎn)活動的必要條件,也是地球生命存在的基礎。人類生產(chǎn)活動中如果忽略水環(huán)境污染問題,將造成嚴重后果。

        造成水環(huán)境污染的主要原因有:①自然污染,即由于自然規(guī)律的變化和土壤中礦物質(zhì)對水源的污染;②人為污染,即人類生活、生產(chǎn)活動所造成的污染,包括工業(yè)廢水污染、農(nóng)業(yè)污染、生活污水污染以及城市生活垃圾帶來的水污染。

        日趨加劇的水污染問題已對人類的生存安全構成重大威脅,成為人類健康、經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重大障礙。據(jù)調(diào)查,全球每天有5萬余人因飲用不衛(wèi)生的水而死亡;在發(fā)展中國家,各類疾病的傳播有80%是因為飲用了不衛(wèi)生的水;此外,水污染還影響工業(yè)生產(chǎn),破壞經(jīng)濟發(fā)展[2]。

        因此,加強水質(zhì)監(jiān)測,大力推進水污染防治,對于水資源管理與保護具有重要意義[3]。我國水質(zhì)監(jiān)測工作相對于歐美國家起步較晚,目前已基本形成一個以大江、大河、湖泊為監(jiān)測對象的監(jiān)測網(wǎng),建立了比較完善且符合我國國情的布點、采樣、運輸、分析、報告等方面的技術規(guī)范。在一些重要的河流湖庫,已經(jīng)開始建立水質(zhì)自動監(jiān)測站[4]。

        3 存在的問題

        在當前自動監(jiān)測站建設推進過程中,仍存在以下問題[5]。

        (1)自動監(jiān)測站建設選址難度大、建設周期長、手續(xù)繁雜,加之成本投入等方面的限制,自動監(jiān)測站主要覆蓋我國大中型流域,無法有效覆蓋中小型江河流域、湖泊等水體,而黑臭水體、污水偷排等現(xiàn)象往往發(fā)生在中小流域水體中。由于我國中小流域數(shù)量眾多,若全部設立自動監(jiān)測站需要投入大量的資金和人力物力,既不符合社會資源合理配置的要求,也不符合“共抓大保護,不搞大開發(fā)”的治江思路。

        (2)目前已投運的自動監(jiān)測站的建設方式主要為固定站房,配備相關儀器和人員并采用人工或自動方式收集數(shù)據(jù)。自動監(jiān)測站對于工作環(huán)境要求很高,而管路易滋生微生物,采集水樣經(jīng)過長距離輸送,其電導率、高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧、化學需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總磷(以P計)、總氮(湖、庫以N計)等水質(zhì)指標易發(fā)生變化,數(shù)據(jù)結(jié)構缺乏代表性。

        (3)已布設的自動監(jiān)測站站網(wǎng)覆蓋范圍有限,與其相鄰斷面或站點的區(qū)間跨度達到數(shù)百公里,無法有效監(jiān)測區(qū)間內(nèi)的水質(zhì)變化情況。地處偏遠、環(huán)境惡劣的地區(qū)很難實現(xiàn)自動監(jiān)測站的規(guī)劃建設。

        (4)在實際水體中,污染物的擴散規(guī)律受到水體流速、流向、含沙量等因素的影響,而目前自動監(jiān)測站所收集的數(shù)據(jù)并不包括流速、流向、含沙量等指標。

        4 構建水文水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)

        為解決上述問題,建議將目前已有的水文監(jiān)測站網(wǎng)改造升級,使之能夠適應地表水水質(zhì)監(jiān)測的要求;充分利用全國已有的水文監(jiān)測站網(wǎng),與已建成的自動監(jiān)測站互相協(xié)同、互為補充,組成綜合水文水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng);將監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總,形成全國綜合水文水質(zhì)自動監(jiān)測站網(wǎng)一張圖(見圖1)[6]。

        根據(jù)目前國家水質(zhì)自動監(jiān)測站系統(tǒng)相關標準,自動監(jiān)測儀器配置主要分為常規(guī)監(jiān)測項目和選測項目。其中,常規(guī)監(jiān)測項目為水質(zhì)基本參數(shù),包括溫度、pH、溶解氧、電導率及濁度、氨氮、高錳酸鹽指 數(shù)/總有機碳等;選測項目包括總氮、總磷、葉綠素a等富營養(yǎng)化指標以及生物毒性和揮發(fā)性有機污染物。

        隨著各地水環(huán)境實驗室和水環(huán)境監(jiān)測中心的成立,水文部門的監(jiān)測技術和監(jiān)測能力正不斷加強,相關監(jiān)測項目與自動監(jiān)測站重合度較高,例如水溫、pH、溶解氧、電導率及濁度、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、總有機碳、總氮、總磷、揮發(fā)性有機污染物等,采用的監(jiān)測方式、分析方法、技術標準也幾乎一樣。水文部門在水位、流量、水情、水勢分析預報方面的技術方法和能力更加全面。因此,將現(xiàn)有水文水質(zhì)監(jiān)測站網(wǎng)與自動監(jiān)測站網(wǎng)統(tǒng)籌規(guī)劃、互為補充,組成綜合水文水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng),在理論和技術方法上都是可行的[7]。

        水文水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點如下。

        (1)對現(xiàn)有水文測報站網(wǎng)和水文站點進行改造升級,可使之適應地表水水質(zhì)監(jiān)測的要求,有效解決新建自動監(jiān)測站成本投入高的問題;同時,還可大幅減少重復建站現(xiàn)象,優(yōu)化社會資源配置,保護流域生態(tài)。

        (2)現(xiàn)有水文監(jiān)測站網(wǎng)普遍已實現(xiàn)自動化監(jiān)測和信息化傳輸,技術人員和信息化傳輸設備配置齊全。測站經(jīng)改造升級后,技術人員有能力現(xiàn)場完成水樣檢測或就近送檢,避免樣品經(jīng)長距離運輸導致數(shù)據(jù)結(jié)構缺乏代表性的問題,同時也有效解決了監(jiān)測時效落后、監(jiān)測頻率低、監(jiān)測能力不足等問題。

        (3)目前已有水文監(jiān)測站網(wǎng)覆蓋范圍廣,可有效覆蓋多數(shù)中小型流域、湖泊等水體,而且還廣泛分布于偏遠、環(huán)境惡劣的地區(qū)。隨著水文監(jiān)測浮標和數(shù)據(jù)遠程傳輸技術不斷發(fā)展和成熟,可以在重點區(qū)域或相距較遠的兩站點之間布置監(jiān)測浮標,有效解決監(jiān)測站網(wǎng)覆蓋范圍有限的問題。水質(zhì)檢測浮標及其結(jié)構見圖2,3。

        (4)現(xiàn)有水文監(jiān)測站網(wǎng)不僅具備監(jiān)測水體流速流向、水體含沙量的能力,而且存有歷史連續(xù)資料,對于研究污染物在實際水體中的擴散規(guī)律以及污染物受到水體流速流向、含沙量等因素的影響,具有重要意義[8]。

        5 系統(tǒng)實施方法

        5.1 系統(tǒng)架構

        將現(xiàn)有水文監(jiān)測站網(wǎng)改造升級,與規(guī)劃建成的國家地表水考核斷面和水質(zhì)自動監(jiān)測站互相協(xié)同,互為補充,組成綜合水文水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)[9]。

        監(jiān)測系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)接收站(中心站)和監(jiān)測站點。監(jiān)測站點包括國家地表水考核斷面水質(zhì)自動監(jiān)測站,完成改造升級的水文監(jiān)測站網(wǎng)中的站點以及重點區(qū)域布置的監(jiān)測浮標等。

        數(shù)據(jù)接收站和監(jiān)測站點通過無線網(wǎng)絡連接,利用無線傳輸信道如GPRS/CDMA/3G/4G/5G/衛(wèi)星信號等,進行數(shù)據(jù)傳輸和交互;監(jiān)測站點將地表水指標監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)接收站(中心站);數(shù)據(jù)接收站(中心站)自動核查數(shù)據(jù),并將核查后的數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測中心[1O-11]。

        監(jiān)測站點用于監(jiān)測所在水體的各項指標,使用的儀器包括:監(jiān)測水體濁度、含沙量的濁度儀;監(jiān)測水體流速、流向、流量的聲學多普勒流速剖面儀;監(jiān)測水體水溫、pH、電導率、鹽度、高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧、化學需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH。-N)、總磷(以P計)、總氮(湖、庫,以N計)等指標的傳感器(儀)。

        監(jiān)測浮標分為:①浮體式監(jiān)測浮標,通過錨定河床的方式固定,搭載監(jiān)測儀器;②水下沉塊式監(jiān)測裝置,搭載監(jiān)測儀器。

        5.2 水文水質(zhì)自動監(jiān)測方法

        水文水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)的方法包括監(jiān)測站點實時監(jiān)測所在水體的各項指標:水溫、pH、電導率、鹽度、濁度、含沙量、流速、流向、流量、高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧、化學需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總磷(以P計)、總氮(湖、庫。以N計)等。

        6 實施案例

        長江口水文水資源勘測局(以下簡稱“長江口局”)自2014年開始探索水文水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)的構架和實施方案,并已經(jīng)通過實踐證明了利用水文監(jiān)測站網(wǎng)構建水文水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)的可行性。

        2014~ 2017年,通過在崇明洲頭站、六激站、靈甸港站、連興港站4個站點布置SBE37-SM型溫鹽深測量系統(tǒng),收集該區(qū)域內(nèi)水溫和鹽度數(shù)據(jù),用于研究該區(qū)域內(nèi)的長江口北支海水倒灌機理。該系統(tǒng)可以同時收集電導率、含氧量、含氮量等數(shù)據(jù),用于監(jiān)測區(qū)域的水質(zhì)變化情況。

        長江口局于2018年10月在白茆、楊林、共青圩3站點增加布設監(jiān)測系統(tǒng),與崇明洲頭、六激共同組成小范圍的監(jiān)測網(wǎng),將上海市青草沙水庫以及崇明島等重要水源地納入監(jiān)測范圍,對該水域水環(huán)境進行實時在線監(jiān)測,連續(xù)、及時、準確地監(jiān)測水質(zhì)指標數(shù)據(jù)變化狀況,對水污染情況進行及時準確的預警[12-13],為水環(huán)境污染突發(fā)事件及其應急處置措施提供科學的決策依據(jù)。

        7 結(jié)語

        利用已有的水文監(jiān)測站網(wǎng)與新建的國家地表水考核斷面水質(zhì)自動監(jiān)測站互相協(xié)同、互為補充,組成完整的水文水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng),并將監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總,形成全國一張圖的水文水質(zhì)自動監(jiān)測網(wǎng),可以有效解決新建國家地表水考核斷面水質(zhì)自動監(jiān)測站投入成本高,獨立地表水水質(zhì)監(jiān)測站網(wǎng)覆蓋范圍有限,以及目前地表水監(jiān)測時效落后、監(jiān)測頻率低、監(jiān)測能力不足等問題。該系統(tǒng)對研究污染物在實際水體中的擴散規(guī)律,污染物受水體流速流向、水體含沙量的影響等科研課題具有重要意義,而且可為合理配置社會資源,促進水文監(jiān)測站網(wǎng)改造升級,推動智慧水文、現(xiàn)代水文發(fā)展,推進社會主義生態(tài)文明建設和水污染防治計劃等國家戰(zhàn)略發(fā)揮積極作用。

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