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)

水質自動監(jiān)測站是當前水質監(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。水質自動監(jiān)測站具備了連續(xù)、實時、全天候運行等優(yōu)勢，不僅大大節(jié)省了人力資源的消耗，避免了人為干預，還能及時發(fā)現水質變化現象，進行預報預警[1]。本文介紹了水質自動監(jiān)測站的基本情況，探索了水質自動監(jiān)測站在水環(huán)境監(jiān)測中的應用，分析了水質自動監(jiān)測站在應用過程的數據質量情況，并針對數據質量問題和常見儀器故障提出了相應的管理對策[2]。

1 水質自動監(jiān)測站基本情況

水質自動監(jiān)測站根據站點的現場環(huán)境、建設周期、監(jiān)測儀器設備安裝條件等實際情況，可建為分心小屋式水質自動監(jiān)測站、集裝箱式水質自動監(jiān)測站、固定站房式水質自動監(jiān)測站、漂浮式水質自動監(jiān)測站、微型水質自動監(jiān)測站和高寒地區(qū)水質自動監(jiān)測站等。一般由站房、采配水單元、預處理單元、輔助單元、分析測試單元、控制單元和數據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、網絡通訊以及視頻監(jiān)控等設備設施[3]。

2 水質自動監(jiān)測站的應用探索

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)在梅州市境內建設和管理的水質自動監(jiān)測站有合水水庫水質自動監(jiān)測站、清涼山水庫水質自動監(jiān)測站、桂田水庫水質自動監(jiān)測站、梅州水廠水質自動監(jiān)測站和尖山水文站水質自動監(jiān)測站等，前4個均布設在縣級以上重要水源地，尖山水文站水質自動監(jiān)測站布設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個水質自動監(jiān)測站在掌握重要水體水質狀況、預警水質異常情況、計算污染物通量、研究水質變化規(guī)律、保障用水安全等方面發(fā)揮了重要作用[4-5]。由于湖庫型水質自動監(jiān)測站和河流型水質自動監(jiān)測站在監(jiān)測項目、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自動監(jiān)測站為例，探索分析水質自動監(jiān)測站的應用。

2.1 實時監(jiān)測水質狀況

水質自動監(jiān)測站的運行周期為4 h，還可通過程序設置，即時監(jiān)測水體水質?？赏ㄟ^傳輸平臺進行遠程數據查詢、分析，實時掌握水體的水質狀況(見圖1)：實時觀測到合水水庫總體水質類別為Ⅲ類，達到集中式生活飲用水標準的要求，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)；高錳酸鹽指數為Ⅰ類(1.70 mg/L)；其他在《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)中無評價標準的監(jiān)測項目監(jiān)測情況良好。

表1 梅州分中心所轄水質自動監(jiān)測站的情況

圖1 水質自動監(jiān)測站數據實時查詢平臺界面示意

2.2 預警水質異常情況

2020年夏秋季，梅州分中心實驗室監(jiān)測到合水水庫pH值較為偏高，甚至達到9左右的水平(pH>9為劣Ⅴ類)，有可能對飲用水安全造成威脅。通過合水水庫水質自動監(jiān)測站的數據平臺(見圖2)，梅州分中心有效預警了這一現象，并通過相關數據的分析(見圖3)，得出的主要原因為水體富營養(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，造成pH升高。同時，藻類的光合作用加強，水體溶解氧也隨著升高[6]。這與現場觀測到的水體存在明顯絮狀物、水體顏色偏綠等結果相符合。

圖2 合水水庫站點2020年10月24—26日pH變化趨勢示意

圖3 合水水庫站點2020年10月24—26日溶解氧變化趨勢示意

2.3 計算污染物通量

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

(1)

先根據尖山水文站水質自動監(jiān)測站每日共6次的監(jiān)測數據和日平均流量，計算氨氮的日通量，然后再進行累加得出月通量，用此方法計算得到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間轉換系數，根據公式(1)也可估算出污染物的月通量，但這種方法相對比較粗略，計算得到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，與水質自動監(jiān)測站累計計算的月通量偏差為-18.4%～25.3%(見表2)。

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

2.4 研究水質變化規(guī)律

水質自動監(jiān)測站1 d有6組數據，1個月180組，1 a 2 160組，從這些數據的變化趨勢來分析，可以有效掌握水質變化規(guī)律(見圖4)，可以看出尖山水文站2020年10月2—5日的溶解氧時常在8:00開始升高，16:00達到峰值后開始下降，至凌晨4:00下降到最低值，呈現白天數值較高、夜間數值較低的規(guī)律，這主要是由水體水生生物光合作用和呼吸作用導致的：白天水體水生生物受到光照，產生光合作用，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在下午16：00附近，而11、12月份的峰值出現在中午12：00附近，這主要是由于光照時間和光照強度的變化引起的：尖山水文站10月份的光照時間比11、12月份長，同個時間點的光照強度比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。尖山水文站水質自動監(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險。

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)測數據質量分析

為增加數據質量分析的樣本量，提高分析結果的科學性和代表性，采用2020年1—11月常規(guī)手工監(jiān)測與上述5個水質自動監(jiān)測站同步監(jiān)測的數據，進行比對分析，比對的項目有水溫、電導率、pH、溶解氧、高錳酸鹽指數、氨氮、總磷、總氮，計算的相對偏差(RD)結果見表3。

表3 水質自動監(jiān)測站數據與常規(guī)手工監(jiān)測數據的比對結果

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

4 管理對策

水質自動監(jiān)測站的數據量龐大，在實時掌握水體的水質狀況、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，但由于水質自動監(jiān)測站的數據質量受儀器狀態(tài)、外界環(huán)境(水、電、天氣等)、運維狀態(tài)等諸多因素的影響，時常會有儀器故障[8]導致數據異常現象的產生，因此，必須采取有力的管理對策，保障水質自動監(jiān)測站的數據質量。

4.1 統(tǒng)一水質自動監(jiān)測站的計量溯源工作

計量溯源是水質監(jiān)測數據準確性的重要保證，只有能夠計量溯源的數據才是有意義的數據。水質自動監(jiān)測站不同于實驗室常規(guī)手工監(jiān)測，從目前的發(fā)展來看，還沒有配套的標準物質。因此，要加強水質自動監(jiān)測站計量技術規(guī)范和標準核查方法的制定，以滿足計量溯源的需求[9]。

4.2 加強技術人員的培訓工作

水質自動監(jiān)測站對技術人員的要求很高，既要能獨立操作諸多儀器設備，又要能及時排除故障，恢復自動監(jiān)測站的運行。因此，要不斷加強技術人員的培訓，提高技術人員對儀器構造、原理和自動站運行模式的認識，重點提高數據異常情況的分析能力和常見儀器故障的解決能力。

4.3 加強水質自動監(jiān)測站的質量控制工作

要對轄區(qū)范圍所有水質自動監(jiān)測站統(tǒng)籌制定質量控制計劃，可采用零點核查、24 h零點漂移、24 h跨度漂移、標樣核查、水樣比對、加標回收等方式，對監(jiān)測數據的質量進行測試，以保障監(jiān)測數據的準確可靠[10]。

4.4 加強數據審核工作

水質自動監(jiān)測站受到的干擾因素較多，異常數值的產生是不可避免的，因此要加強數據的審核工作。也可利用spss軟件對數據進行聚類分析[11]、相關性分析，剔除異常數值，保證入庫數據的質量。

4.5 加強儀器運行維護工作

儀器運行維護主要做好清洗探頭和管路、更換試劑和零配件、校準儀器等工作[12]。要嚴格按照試劑有效周期和設備校準周期，及時更換試劑和校準儀器，保障試劑和標準曲線的時效性；要根據水體的潔凈情況、天氣情況等加強探頭和管路維護清洗工作，保障良好的儀器運行狀態(tài)；要加強儀器常用零配件的儲存，提高儀器零配件更換的效率；要及時排查儀器故障，確保儀器的正常運行。

5 結語

水質自動監(jiān)測站在實時掌握水體水質狀況、預警水質異常情況、計算污染物通量、研究水質變化規(guī)律、保障用水安全等方面具有重要作用，但由于監(jiān)測數據的質量受到諸多因素的影響，容易產生儀器故障和異常數據現象，因此必須采取有力的管理對策，加強水質自動監(jiān)測站的質量控制和運行維護等工作，提高水質自動監(jiān)測站監(jiān)測數據與常規(guī)手工監(jiān)測數據的可比性，確保其監(jiān)測數據的準確可靠。