南京大勝關水質自動監測與人工監測比對分析

李林澤　劉飛　葉南　李志亮　朱銳

摘要：為了系統研究水質自動監測數據與實驗室人工監測數據的差異，以南京大勝關水質自動監測站為研究對象，選取水溫.pH、溶解氧、氨氮、總磷、總氮、高錳酸鹽指數、濁度、電導率等9個項目，分別進行了自動監測和人工監測數據的對比實驗研究。監測數據的相對誤差、地表水評價類別分析表明：高錳酸鹽指數、總磷、總氮的人工監測數值較自動監測數值偏小，氨氮則偏大。兩種方法測得的總氮及高錳酸鹽指數存在顯著性差異。高錳酸鹽指數、總氮、總磷的自動監測與人工監測結果所反映的水質類別基本一致。自動監測結果可為該斷面水質評價提供定性參考，而定量判斷必須基于實驗室標準方法監測結果。

關鍵詞：水質監測;自動監測;人工監測;相對誤差;大勝關站;長江南京河段

中圖法分類號：X832 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.07.012

1概述

1.1研究背景

我國水質自動監測站建設始于2000年。近年來，隨著自動化以及信息化水平的提高，在水環境管理中，水質自動監測技術日益體現出快速便捷、信息量大、連續性強的優勢。相比人工監測，自動監測更能及時反映水環境質量的變化，對突發水環境污染事件能做出快速響應，因此水質自動監測系統的建設和應用也得到了長足的發展。然而，相較于人工監測的機動響應、質控措施齊全、數據有法律效應等優點，目前，自動監測還存一些問題，如自動監測站常建在河流斷面的左岸或右岸，監測數據難以有效代表全斷面水質真實狀況以及選用非標分析方法所引入的方法誤差影響數據的準確性等-3。同時，由于前處理方式的差異引入系統誤差等因素，影響了水質自動監測數據的可靠性及應用范圍。本研究以南京大勝關自動監測站為例，通過對多個測次、多個分析項目的人工數據與自動監測數據的系統分析，探討了自動監測數據與人工監測數據的對比情況，以期為自動監測數據的有效應用提供基礎支撐。

1.2研究對象

南京大勝關水質自動監測站由長江水利委員會（以下簡稱“長江委”）長江下游水文水資源勘測局與江蘇省南京市環保局共同建設，并于2014年通過驗收投產使用。該測站在長江下游段率先實現了水質水量同步監測。測站所處水功能區為漁業工業、農業用水區，上起江寧河口，下至秦淮新河口，控制河長9.6km，執行水質目標為GB3838-2002《地表水環境質量標準》I類標準。測站占地面積約為90m'（不含岸上實驗室），監測指標包括水文水環境二大類共16項，監測環境指標分別為pH、水溫、濁度、電導率、溶解氧氨氮、高錳酸鹽指數、總磷、總氮等9項。測站建于長江大勝關江段右岸邊躉船上，位置為31.96192N，118.640789E，所處斷面為長江下游千流，寬1.5km，水流平穩。測站上游右岸200m處為板橋河口，上游右岸1600m處有華潤熱電站，距下游南京長江第三大橋600m。板橋河是南京市重要的通江河道之一，中上游位于南京市江寧區，下游位于南京市雨花臺區，河道總長20.21km。現有板橋河閘位于板橋河距人江口950m處，該閘建于1996年，主要作用是汛期長江高水位時關閘擋洪，低水位時攔蓄上游來水，滿足引水灌溉和景觀的需要。近年來，因城市內澇發生次數低、程度輕，板橋河閘長期處于關閘狀態，河閘距板橋河口900m河道主要為長江倒灌水，對長江干流水質基本無影響。事實上，大.勝關自動監測站在建站之初考慮到自動監測數據受采樣口位置、上游支流沖水及污染物空間分布等因素;影響，將自動監測站采樣口設定在水質條件較為不利的位置，使其可更好發揮預警作用。

大勝關水質自動監測站配備了常規五參數分析儀K100（pH、溶解氧、水溫、濁度電導率）、高錳酸鹽指數分析儀K301A、氨氮分析儀TresConUNO、總氮磷分析儀K301TNP、自動采樣器SP4等設備。其中，pH值參照標準為GB6920-86《水質pH值的測定玻璃電極法》，電導率的參照標準為HJ/T97-2003《電導率水質自動分析儀技術要求》，溶氧儀的參照標準為GB11913-89《水質溶解氧的測定電化學探頭法》，濁度參照標準為GB13200-91《水質濁度的測定》，溫度的參照標準為GB13195-91《水質水溫的測定一溫度計或顛倒溫度計測定法》，高錳酸鹽指數的參照標準為GB11892-89《水質高錳酸鹽指數的測定》，總氮、總磷的參照標準為HJ636-2012《水質總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》和GB11893-89《水質總磷的測定鉬酸銨分光光度法》。值得注意的是，測站使用德國WTW公司的氨氮分析儀器沒有參照國標方法，氨氣敏電極法通過將樣品中銨離子轉化為氣態氨氣，通入氨氣敏電極內部參與反應，改變內部電解液pH值，pH值變化量與參與反應的氨氣量呈線性關系。所用儀器參數及參照標準見表1。

2實驗部分

2.1采樣站點

2.1.1采樣垂線設置

監測樣品采集斷面位于大勝關水質自動監測站斷面，人工監測分別對左、中、右3點（3條垂線選取自南京水文站3、69號垂線）進行取樣分析。

2.1.2采樣點設置

每個位置分別取上、下2個水層，自動監測站采用自吸泵取水采集斷面右側水面下0.5m處水樣，人工監測使用深水采樣器分層采樣。采樣當天水位流量見表2。

2.2樣品采集與預處理方法

人工監測樣品的采集、預處理及保存工作方法參照SL219-2013《水環境監測規范》及GB3838-2012《地表水環境質量標準》要求執行。對采集后的水樣自然沉降30min，取上層非沉降部分，按規定方法對水溫、電導率、濁度、溶解氧、pH值五參數進行現場分析，對不能進行現場分析的項目盡快送實驗室分析。

人工監測分別于2017年7月19日、20日、21日連續進行3d，每天采樣2次，分別為每天的10：00和14：00定時采樣監測，共6個測次。

23人工，監測項目及分析標準

人工監測項目均采用現行的國家標準分析方法。采取現場空白、全程空白、平行及加標回收等質控措施保證數據成果質量。所有項目采用相對誤差作為統計指標：

式中，8為相對誤差;L為自動監測數據;L為人工監測數據;Z為真值;此處以L值代替Z[4]。

3結果與討論

3.1監測結果

6個測次的水溫、電導率、溶解氧、總氮、總磷、高錳酸鹽指數監測比對結果見圖2～7。

由圖2～7可知，水溫、電導率、溶解氧3個參數中，自動監測值與人工監測平均值在6個測次中相對誤差在10%以內。總磷、總氮、高錳酸鹽指數3個參數的相對誤差均超過了20%。同時，在6個測次中，自動監測值顯示了較大的波動性。

3.2分析評價

3.2.1顯著性檢驗

運用SPSS對總磷、總氮，高錳酸鹽指數、氨氮的人工監測與自動監測數據進行了雙樣本方差的F一檢驗和t一檢驗，統計結果見表3～6。從統計結果可知，在95%置信水平的方差F檢驗中，總磷與氨氮P值低于臨界值，總氮與高錳酸鹽指數大于臨界值。在95%置信水平的t檢驗中，總磷與氨氮P值均低于臨界值。結果表明，自動監測與人工監測的總磷、氨氮無顯著性差異，而高錳酸鹽指數、總氮有顯著性差異。

3.2.2比對結果分析

9個分析項目的斷面均值與自動監測相對誤差分別為-0.71%，0，-3.37%，4.35%，-2.36%，0，14.29%，-4.04%和10.95%。總磷相對誤差較大，主要原因可能是在總磷濃度較低的情況下，分析方法的數據保留位數少，對數據結果影響較大。此外，懸浮物也會導致總磷測定值差異較大。有研究表明，氨氮、總氮含量與懸浮物沒有明顯相關性，但總磷及高錳酸鹽與懸浮物含量明顯相關。目前，長江下游千流泥沙量不少，自動監測為連續監測，只經過粗孔過濾，而人工監測水樣采集到實驗室，經過靜置后取上清液進行實驗，使監測數據較自動監測偏小。

總磷在7月19日、20日14：00與自動監測站偏差分別達28.57%、28.57%，總氮在7月19日10：00、21日10：00偏差分別達到-14.8%和-15.39%，高錳酸鹽指數在7月19日、21日14：00偏差分別為19.34%和18.57%。特定測次數據差異較大，難以準確定量分析，自動監測數據的應用價值有所降低。由于自動監測站取水口同人工取樣點位置均位于斷面右側同一位置，在此處取樣監測結果與自動監測對比更能夠判斷儀器是否符合要求。參照規范，相對誤差絕對值小于15%為合格，對右上取樣點人工監測數據與自動監測站數據比對結果統計見表7。

從表7可知，水溫、pH值、電導率、溶解氧及氨氮5個參數符合規范要求，樣本的相對誤差絕對值超限比例低。而總磷、總氮、濁度及高錳酸鹽指數最大值均超過15%，未達到國家對自動監測儀對比分析相對誤差的要求。除了分析方法不同引起的誤差，還可能因為地表水具有隨機性、開放性無樣本性、離散性和突變性的特點，數據產生一定差異！5-6。大勝關自動監測站建立在斷面右岸位置，主要通過自吸泵吸取此處水面下0.5m處水樣進行分析。此處長江斷面較寬，水流平穩，斷面及其上游1000m范圍內無重點污染排放源，不存在連續污染物未混合導致的監測數據失真或差異過大的情況，數據能較為合理地反映長江斷面水質狀況。但由于斷面寬，實際水文狀況復雜，當水站對側發生偶發性污染事件時，由于污染水流很難跨過長江中弘進人斷面右側，易引起自動監測數據偏差。

3.2.3水質類別評價差異分析

6個測次比對中，采用單因子評價法，根據CB3838-2002《地表水環境質量標準》對人工監測斷面各監測項目的平均值與自動監測結果進行評價。評價結果見表8。

由表8可知，7月19日14：00的測次中，人工監測斷面溶解氧為I類，自動監測為I類。除此之外，自動監測結果與人工監測結果評價結果一致性程度較高，綜合評價結果均為I類，滿足該水域應執行的目標水質標準。通過比較水質類別可以看出，雖然與人工監測相比，自動監測站在對高錳酸鹽指數、總氮、總磷的監測數據上存在一定差異性，但兩者監測結果反映到水質標準上則基本一致，這表明大勝關自動監測站數據反映的水質可以代表斷面平均水質水平。

4結語

本文以南京大勝關自動監測站為例，研究了自動監測與人工監測數據的系統差異，探討了兩組數據的可比性問題。研究得到自動監測數據與常規數據在水溫、電導率pH值、溶解氧氨氮等項目上一致性較高，可以代表斷面水質平均水平。但由于受到岸邊面源污染的影響，污染物在同一斷面空間分布仍存在差異。當自動監測站在運行中出現了水質異常值或水質變化異常趨勢時，應立刻著手進行斷面水質，人工監測，分析并采取措施，充分發揮自動監測在水質監控、趨勢分析及污染預警預報等方面的優勢。

參考文獻：

[1]胡寧.水質自動監測技術的發展分析[J].節能環保，2017（19）：8-10.

[2]陳志崢，殷健，梁珊珊.自動監測系統在長江口水文監測站網應用中的展望[J].凈水技術，2014，33（S1）：81-84.

[3]艾萍，于家瑞，馬夢夢.智慧水文監測體系中的關鍵技術簡述[J].水利信息化，2018（1）：36-45.

[4]劉京，魏文龍，李曉明，等.水質自動監測與常規監測結果比對分析[J].中國環境監測，2017，33（5）：159-163.

[5]黃志強，黃哲強，張鑫.地表水自動監測取水點代表性探討[J].環境科學，2015（11）：12-14.

[6]于秋潁，劉洋，高艷榮.包頭市水質自動監測站氨氮和高錳酸鹽指數的比對分析[J].環境與發展，2014（3）：187-190.

（編輯：李慧）