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

季秋宇 繆浩川

摘要：根據(jù)水污染防治行動計(jì)劃，大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)、改善水環(huán)境質(zhì)量的總體要求，在穩(wěn)步推進(jìn)國家地表水考核斷面水質(zhì)自動監(jiān)測站建設(shè)過程中，仍存在一系列問題。尤其是新建監(jiān)測站點(diǎn)投入過大、數(shù)量有限、覆蓋范圍不足，部分新建監(jiān)測站點(diǎn)和已有的水文監(jiān)測站網(wǎng)重合度較高，造成重復(fù)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(gòu)和實(shí)施方案，提出對現(xiàn)有水文水質(zhì)監(jiān)測站網(wǎng)進(jìn)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(shí)踐結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)水環(huán)境實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，并能連續(xù)、及時(shí)、準(zhǔn)確的反映水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)變化狀況，可為水環(huán)境污染突發(fā)事件及其應(yīng)急處置措施提供科學(xué)的決策依據(jù)。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j .cnki. slsdkb.2019.08.012

1 研究背景

20世紀(jì)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(guān)注，水質(zhì)監(jiān)測和水處理技術(shù)已成為研究重點(diǎn)。

2015年4月2日，國務(wù)院發(fā)布《水污染防治行動計(jì)劃》，明確大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，以改善水環(huán)境質(zhì)量為核心的總體要求，對江河湖海實(shí)施分流域、分區(qū)域、分階段科學(xué)治理，系統(tǒng)推進(jìn)水污染防治、水生態(tài)保護(hù)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(dá)3 200多個(gè)[1]。

隨著國家自動監(jiān)測站建設(shè)的推進(jìn)，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(shí)現(xiàn)兩者互相協(xié)同和補(bǔ)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(chǔ)。人類生產(chǎn)活動中如果忽略水環(huán)境污染問題，將造成嚴(yán)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(gòu)成重大威脅，成為人類健康、經(jīng)濟(jì)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?yàn)轱嬘昧瞬恍l(wèi)生的水;此外，水污染還影響工業(yè)生產(chǎn)，破壞經(jīng)濟(jì)發(fā)展[2]。

因此，加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測，大力推進(jìn)水污染防治，對于水資源管理與保護(hù)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(gè)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(diǎn)、采樣、運(yùn)輸、分析、報(bào)告等方面的技術(shù)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(dāng)前自動監(jiān)測站建設(shè)推進(jìn)過程中，仍存在以下問題[5]。

（1）自動監(jiān)測站建設(shè)選址難度大、建設(shè)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(shè)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(hù)，不搞大開發(fā)”的治江思路。

（2）目前已投運(yùn)的自動監(jiān)測站的建設(shè)方式主要為固定站房，配備相關(guān)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(dǎo)率、高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧、化學(xué)需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、總磷（以P計(jì)）、總氮（湖、庫以N計(jì)）等水質(zhì)指標(biāo)易發(fā)生變化，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)缺乏代表性。

（3）已布設(shè)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(diǎn)的區(qū)間跨度達(dá)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(yuǎn)、環(huán)境惡劣的地區(qū)很難實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)測站的規(guī)劃建設(shè)。

（4）在實(shí)際水體中，污染物的擴(kuò)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(biāo)。

4 構(gòu)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(yīng)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(bǔ)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)，自動監(jiān)測儀器配置主要分為常規(guī)監(jiān)測項(xiàng)目和選測項(xiàng)目。其中，常規(guī)監(jiān)測項(xiàng)目為水質(zhì)基本參數(shù)，包括溫度、pH、溶解氧、電導(dǎo)率及濁度、氨氮、高錳酸鹽指 數(shù)/總有機(jī)碳等;選測項(xiàng)目包括總氮、總磷、葉綠素a等富營養(yǎng)化指標(biāo)以及生物毒性和揮發(fā)性有機(jī)污染物。

隨著各地水環(huán)境實(shí)驗(yàn)室和水環(huán)境監(jiān)測中心的成立，水文部門的監(jiān)測技術(shù)和監(jiān)測能力正不斷加強(qiáng)，相關(guān)監(jiān)測項(xiàng)目與自動監(jiān)測站重合度較高，例如水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率及濁度、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、總有機(jī)碳、總氮、總磷、揮發(fā)性有機(jī)污染物等，采用的監(jiān)測方式、分析方法、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也幾乎一樣。水文部門在水位、流量、水情、水勢分析預(yù)報(bào)方面的技術(shù)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(bǔ)充，組成綜合水文水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)，在理論和技術(shù)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(diǎn)如下。

（1）對現(xiàn)有水文測報(bào)站網(wǎng)和水文站點(diǎn)進(jìn)行改造升級，可使之適應(yīng)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(shí)，還可大幅減少重復(fù)建站現(xiàn)象，優(yōu)化社會資源配置，保護(hù)流域生態(tài)。

（2）現(xiàn)有水文監(jiān)測站網(wǎng)普遍已實(shí)現(xiàn)自動化監(jiān)測和信息化傳輸，技術(shù)人員和信息化傳輸設(shè)備配置齊全。測站經(jīng)改造升級后，技術(shù)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(yùn)輸導(dǎo)致數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)缺乏代表性的問題，同時(shí)也有效解決了監(jiān)測時(shí)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(yuǎn)、環(huán)境惡劣的地區(qū)。隨著水文監(jiān)測浮標(biāo)和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)不斷發(fā)展和成熟，可以在重點(diǎn)區(qū)域或相距較遠(yuǎn)的兩站點(diǎn)之間布置監(jiān)測浮標(biāo)，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(biāo)及其結(jié)構(gòu)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(shí)際水體中的擴(kuò)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(shí)施方法

5.1 系統(tǒng)架構(gòu)

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(bǔ)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(diǎn)。監(jiān)測站點(diǎn)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(diǎn)以及重點(diǎn)區(qū)域布置的監(jiān)測浮標(biāo)等。

數(shù)據(jù)接收站和監(jiān)測站點(diǎn)通過無線網(wǎng)絡(luò)連接，利用無線傳輸信道如GPRS/CDMA/3G/4G/5G/衛(wèi)星信號等，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交互;監(jiān)測站點(diǎn)將地表水指標(biāo)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(diǎn)用于監(jiān)測所在水體的各項(xiàng)指標(biāo)，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(xué)多普勒流速剖面儀;監(jiān)測水體水溫、pH、電導(dǎo)率、鹽度、高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧、化學(xué)需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH。-N）、總磷（以P計(jì)）、總氮（湖、庫，以N計(jì)）等指標(biāo)的傳感器（儀）。

監(jiān)測浮標(biāo)分為：①浮體式監(jiān)測浮標(biāo)，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(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測所在水體的各項(xiàng)指標(biāo)：水溫、pH、電導(dǎo)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(xué)需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、總磷（以P計(jì)）、總氮（湖、庫。以N計(jì)）等。

6 實(shí)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(gòu)架和實(shí)施方案，并已經(jīng)通過實(shí)踐證明了利用水文監(jiān)測站網(wǎng)構(gòu)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(gè)站點(diǎn)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(jī)理。該系統(tǒng)可以同時(shí)收集電導(dǎo)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(diǎn)增加布設(shè)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(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，連續(xù)、及時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)變化狀況，對水污染情況進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)警[12-13]，為水環(huán)境污染突發(fā)事件及其應(yīng)急處置措施提供科學(xué)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(bǔ)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(dú)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(shí)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(shí)際水體中的擴(kuò)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(jìn)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(jìn)社會主義生態(tài)文明建設(shè)和水污染防治計(jì)劃等國家戰(zhàn)略發(fā)揮積極作用。

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