國(guó)產(chǎn)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在三峽水庫(kù)的應(yīng)用評(píng)估

，，，

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局 長(zhǎng)江三峽水文水資源勘測(cè)局，湖北 宜昌443000)

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是現(xiàn)代分析技術(shù)和自動(dòng)測(cè)量技術(shù)等基礎(chǔ)技術(shù)相結(jié)合的綜合性自動(dòng)監(jiān)測(cè)體系[1]。水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)可及時(shí)反映水環(huán)境質(zhì)量變化，滿足水污染和水環(huán)境的應(yīng)急監(jiān)測(cè)需求[2]。我國(guó)關(guān)于水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究起步較晚，沒(méi)有形成可信賴的民族品牌，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)長(zhǎng)期被國(guó)外儀器儀表壟斷，國(guó)外產(chǎn)品價(jià)格高昂、運(yùn)行費(fèi)用高、維護(hù)不便[3]。通過(guò)一系列政策和技術(shù)的支持，水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)儀器的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程逐步加快，近年來(lái)市場(chǎng)發(fā)展良好，涌現(xiàn)出一些具有代表性的國(guó)產(chǎn)化自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器生產(chǎn)廠家。

由吉林市光大分析技術(shù)有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱“光大公司”)自主研發(fā)的國(guó)產(chǎn)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于水源地、水環(huán)境、水生態(tài)、城市供水、村鎮(zhèn)供水等行業(yè)領(lǐng)域。借助光大公司研發(fā)能力和產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，率先在長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)開展水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(站)的建設(shè)工作，最終在三峽庫(kù)區(qū)廟河水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面水文躉船上設(shè)立了自動(dòng)監(jiān)測(cè)站。為確保自動(dòng)站檢測(cè)數(shù)據(jù)資料的穩(wěn)定性、可靠性，長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江三峽水文水資源勘測(cè)局承擔(dān)了水質(zhì)監(jiān)測(cè)的比對(duì)工作。通過(guò)將光大公司水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證儀表性能，用以評(píng)估國(guó)產(chǎn)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在長(zhǎng)江流域水環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用效果。

1 站點(diǎn)及采樣點(diǎn)設(shè)置

廟河水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站位于三峽庫(kù)區(qū)廟河水文碼頭，距離三峽大壩7 km。比測(cè)斷面設(shè)在自動(dòng)監(jiān)測(cè)站上游100 m處，斷面較寬，河床左右兩岸為砂質(zhì)山體，河勢(shì)穩(wěn)定。三峽水庫(kù)蓄水后，監(jiān)測(cè)站直接處于壩首回水區(qū)，受三峽大壩調(diào)蓄影響明顯。三峽水庫(kù)正常蓄水運(yùn)行后，在汛、枯季，壩前水位保持在145～175 m之間，考慮到水位的變幅大，取樣泵揚(yáng)程不能適應(yīng)，故將水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站設(shè)在水文躉船上，水位發(fā)生變動(dòng)時(shí)，自動(dòng)監(jiān)測(cè)站會(huì)隨之變化，使水質(zhì)進(jìn)樣系統(tǒng)與水面始終保持相對(duì)穩(wěn)定的距離，同時(shí)躉船上有人值守也利于維護(hù)和管理。

2 方法介紹

2.1 樣品采集

自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備可同時(shí)檢測(cè)水溫(T)、pH值(pH)、電導(dǎo)率(Cond)、溶解氧(DO)、濁度(NTU)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、氨氮(NH4-N)、總磷(TP)、總氮(TN)、葉綠素a(Chl-a)和五日生化需氧量(BOD5)11項(xiàng)參數(shù)。2016年每月至少進(jìn)行1次原位水樣對(duì)比實(shí)驗(yàn)，2017年7月19～21日，在蓄水期開展了1次全斷面代表性比測(cè)試驗(yàn)，所有斷面均參與比測(cè)分析。全斷面代表性比測(cè)試驗(yàn)采樣點(diǎn)布設(shè)根據(jù)斷面水面寬按《水環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范(SL-219)》要求進(jìn)行設(shè)置。每條垂線設(shè)表、中、底3個(gè)采樣點(diǎn)，并在中泓線表層增加1個(gè)平行采樣點(diǎn)。每天取樣2次，3 d共取樣6次，每次取樣與自動(dòng)站進(jìn)樣同步進(jìn)行。各類樣品共計(jì)240余個(gè)，樣品按照《水環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范》(SL-219)要求進(jìn)行保存。

2.2 分析方法

該方法是根據(jù)檢定監(jiān)測(cè)儀器的主要指標(biāo)和檢測(cè)方法與人工實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)方式(見(jiàn)表1和表2)，通過(guò)自動(dòng)監(jiān)測(cè)與人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的比較和分析，依據(jù)《地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ915-2017)，相對(duì)誤差值在±15%范圍內(nèi)為合格。若不合格，則需要對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器重新校準(zhǔn)或進(jìn)行必要的維護(hù)和調(diào)整。

表1 自動(dòng)監(jiān)測(cè)站分析單元儀器儀表檢測(cè)方法與主要指標(biāo)

表2 人工監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及分析方法

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

(1)相對(duì)誤差。計(jì)算公式如下[4]

(1)

式中，X為自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器測(cè)定值；Xi為實(shí)驗(yàn)室方法的測(cè)定值。其中，電導(dǎo)率、濁度、水溫、溶解氧用手持式便攜式快速分析儀和水銀玻璃溫度計(jì)進(jìn)行比對(duì)，其他參數(shù)按國(guó)標(biāo)方法進(jìn)行分析比對(duì)。

(2)可靠性指標(biāo)。可靠性是檢驗(yàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行可靠程度的重要指標(biāo)之一，要求每個(gè)分析單元都要滿足一定的連續(xù)時(shí)間運(yùn)行條件，用平均無(wú)故障工作時(shí)間MTBF表示。評(píng)價(jià)公式如下

(2)

式中，H為儀器總運(yùn)行時(shí)間，h；N儀器故障次數(shù)。每臺(tái)儀器的MTBF不能少于720 h。

(3) 單因子水質(zhì)指標(biāo)。根據(jù)國(guó)家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)，將實(shí)測(cè)值與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，做出水質(zhì)類別的評(píng)價(jià)。單因子評(píng)價(jià)法實(shí)行的是一票否決制，以水質(zhì)最差的指標(biāo)作為最終評(píng)價(jià)指標(biāo)[5]。

3 分析與評(píng)價(jià)

3.1 誤差分析

通過(guò)分析比較可知，自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和人工分析的11項(xiàng)參數(shù)在90%時(shí)間可以滿足小于15%的誤差要求，見(jiàn)表3。電導(dǎo)率、濁度、高錳酸鹽指數(shù)等部分在初期不滿足誤差要求的項(xiàng)目，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間調(diào)試運(yùn)行后均能滿足要求。不滿足誤差要求的原因，初步分析可能是受到三峽庫(kù)區(qū)汛期泥沙含量較高的影響，還需進(jìn)一步研究。

通過(guò)比較水溫、溶解氧、濁度、高錳酸鹽指數(shù)、總磷等項(xiàng)目分析發(fā)現(xiàn)，雖然各參數(shù)數(shù)值之間存在一定誤差，但總體趨勢(shì)基本保持一致。試劑、酸度、加熱時(shí)間等因素都可能帶來(lái)高錳酸鹽的測(cè)量誤差[6]。

表3 成果數(shù)據(jù)

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)水溫范圍為13.6℃～27.1℃，自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)水溫范圍為14.5℃～27.25℃，自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)水溫?cái)?shù)值整體略高于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)值。前期水溫相對(duì)誤差較大，后期誤差逐步降低到5%以內(nèi)。在比測(cè)進(jìn)行初期，水溫自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)值與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定數(shù)值存在較大的差異，通過(guò)及時(shí)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行調(diào)整和儀器校正后，水溫變化趨勢(shì)基本保持一致，水溫為20℃左右時(shí)，兩種方式測(cè)得的數(shù)據(jù)一致性較高。溫度數(shù)據(jù)有效性得到保證，也基本能消除對(duì)電導(dǎo)率、pH值、溶解氧等各項(xiàng)數(shù)據(jù)的影響。

比較自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和人工測(cè)定溶解氧檢測(cè)結(jié)果，兩種實(shí)驗(yàn)方法所產(chǎn)生的偏差總體呈下降趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)第一次校正后溶解氧測(cè)定值一致，此后自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)定值逐步降低并處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定值保持穩(wěn)定的偏差，及時(shí)校正后兩者測(cè)定值又回到相同水平，第二次校正后差異又一次出現(xiàn)。10次以后自動(dòng)站測(cè)定值與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定值交替變化。在低溫區(qū)兩者差異較大，水溫升高時(shí)兩者差異變小。

自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)定濁度與人工測(cè)定值變化趨勢(shì)基本一致，濁度較高時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)定值高于實(shí)驗(yàn)室測(cè)定值，在低濁度時(shí)則剛好相反。整個(gè)過(guò)程基本反映了廟河河段水濁度的變化過(guò)程。

人工測(cè)定高錳酸鹽指數(shù)基本穩(wěn)定在 2.0 mg/L左右，前期自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)定值較低，除后期有少數(shù)幾次較高數(shù)值外，其變化過(guò)程基本保持一致。在濁度較高時(shí)期自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)高錳酸鹽指數(shù)測(cè)定值受到較大影響。

總磷變化過(guò)程分為4個(gè)階段，前3個(gè)是平行變化階段，其中前兩個(gè)階段數(shù)值差異很小且較為穩(wěn)定，第三階段差異較大，但數(shù)值總體較為穩(wěn)定。變化最大的是第四階段，數(shù)值起伏較大但變化趨勢(shì)基本保持一致。這一階段主要在水庫(kù)蓄水期初期，可能是水位變化較快引起的數(shù)值波動(dòng)。

3.2 可靠性分析

自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自2015年12月安裝運(yùn)行至2018年11月已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行了36個(gè)月，每月安排1～2次巡查，填寫運(yùn)行維護(hù)記錄，詳細(xì)說(shuō)明故障現(xiàn)象、故障原因及處理結(jié)果。自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分析單元故障次數(shù)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的可靠性滿足要求(見(jiàn)表4)。

表4 運(yùn)行故障統(tǒng)計(jì)

3.3 單因子評(píng)價(jià)

自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和人工分析的單因子評(píng)價(jià)結(jié)果一致(見(jiàn)表5)。按照監(jiān)測(cè)時(shí)段，以自動(dòng)站監(jiān)測(cè)值為測(cè)定值，以實(shí)驗(yàn)室分析所得各參數(shù)平均值為真值進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表6。

表5 單因子評(píng)價(jià)

從表6可看出：水溫差異最小，比值為1；pH值、電導(dǎo)率、總磷、總氮比值較小，在 0.9～1.1之間；濁度、葉綠素a、氨氮和五日生化需氧量等參數(shù)的差異較大。對(duì)于葉綠素a和濁度，在水體不同位置的

表6 單因子比值

變化差異較大，特別是對(duì)于較深的水體，葉綠素只在小范圍透光層有分布，在水體底部則很少。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，表層水體葉綠素a的比值則相對(duì)較小，部分比值為1.0，具有較好的一致性。總體來(lái)看，受到各參數(shù)自身特性的影響，按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)進(jìn)行評(píng)價(jià)，各項(xiàng)指標(biāo)一致性較好。高錳酸鹽指數(shù)和總磷有所差異，可能是由于受水中顆粒物的影響所致。雖然自動(dòng)監(jiān)測(cè)站在系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)水樣進(jìn)行了一定的預(yù)處理，但相對(duì)實(shí)驗(yàn)室直接通過(guò)濾膜過(guò)濾的方式還是比較粗略，所以導(dǎo)致自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)結(jié)果比人工監(jiān)測(cè)的數(shù)值要高。

4 結(jié) 語(yǔ)

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性受多因素影響，且安裝在躉船上的監(jiān)測(cè)設(shè)備無(wú)法克服船體擺動(dòng)的影響，因此，對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性是一個(gè)巨大的考驗(yàn)。通過(guò)比較分析發(fā)現(xiàn)，濁度可以影響高錳酸鹽指數(shù)等采用光學(xué)法測(cè)量的參數(shù)。在汛期泥沙含量較大時(shí)，使用自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需對(duì)水樣作進(jìn)一步預(yù)處理。從應(yīng)用的結(jié)果來(lái)看，國(guó)產(chǎn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備整體上滿足實(shí)際使用要求。各項(xiàng)參數(shù)的分析結(jié)果雖存在一定的差異性，但水質(zhì)變化的基本趨勢(shì)一致。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間序列連續(xù)觀察水質(zhì)變化的基本過(guò)程具有較好的參照作用，且在應(yīng)急監(jiān)測(cè)、水污染預(yù)警等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。