水質(zhì)自動監(jiān)測各環(huán)節(jié)對數(shù)據(jù)準確性的影響分析

劉博文 王 亮

（1 北京雪迪龍科技股份有限公司 北京 102206 2 河南省濟源市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心 河南濟源 459000）

引言

隨著生態(tài)環(huán)境理念被愈發(fā)重視，新時代下，國家對生態(tài)環(huán)境管理和治理提出了更加嚴格的要求，在2035 年遠景目標中要求推動綠色發(fā)展，促進人與自然和諧共生，要持續(xù)改善環(huán)境質(zhì)量。當前，對于環(huán)境質(zhì)量改善工作，我國繼續(xù)夯實“監(jiān)測先行”的理念，加強生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，探索多種監(jiān)測手段融合應(yīng)用模式，強化監(jiān)測數(shù)據(jù)的智慧應(yīng)用等成為了十四五生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的重點工作[1]。

目前，在地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測方面，水質(zhì)自動監(jiān)測相比較傳統(tǒng)手工監(jiān)測，因其監(jiān)測的連續(xù)性、時效性和數(shù)據(jù)完整性等優(yōu)點，已得到全面的推行，水質(zhì)自動監(jiān)測已經(jīng)成為了地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分[2][3]。然而，水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)在實際運行過程當中，運維人員對自動監(jiān)測的各個環(huán)節(jié)認識不充分導(dǎo)致運維工作不到位，日常維護中部分工作細節(jié)被忽視，難免會影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實性和準確性，失真失準的監(jiān)測數(shù)據(jù)將難以用來客觀地進行地表水環(huán)境質(zhì)量的評價和考核工作以及強化對監(jiān)測數(shù)據(jù)的智慧化應(yīng)用。

因此，明確水質(zhì)自動監(jiān)測各環(huán)節(jié)影響數(shù)據(jù)準確性的主要因素，并在實際運維工作中采取有效措施減輕不良因素的影響，對提高水質(zhì)自動監(jiān)測的數(shù)據(jù)質(zhì)量是非常重要的，本文結(jié)合長期運維和管理工作經(jīng)驗對水質(zhì)自動監(jiān)測各環(huán)節(jié)影響數(shù)據(jù)準確性的因素展開分析。

1 采水環(huán)節(jié)對數(shù)據(jù)準確性的影響

采水環(huán)節(jié)影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的因素主要有采樣深度、采水管道長度、水泵類型、管道材質(zhì)、清洗頻次、伴熱溫度等幾個方面。

采水深度對水樣代表性有重要影響，研究表明，在地表水環(huán)境中，水溫、溶解氧、懸浮物等均可能存在分層現(xiàn)象[4]。為了保證水樣代表性，《地表水自動監(jiān)測技術(shù)規(guī)范（試行）》（HJ915-2017）中規(guī)定，采水深度應(yīng)保持在水面以下0.5～1.0m。洪水、大風、浪潮、水草、豐水枯水期河道擺動等諸多非人為因素，均可能會導(dǎo)致采水口水位變化，雜物淤泥堆積，使得采水裝置下沉或擱淺等情況發(fā)生，采水深度不合要求，所采水樣失去代表性。

管道長度應(yīng)該根據(jù)站房和取水點的選址情況，合理布設(shè)，對采水距離加以限制，一般要求采水點距站房300 米以內(nèi)。

水泵應(yīng)選用衛(wèi)生級或食品級不銹鋼潛水泵取水，以減少采水過程對水體溶解氧的影響。相較于潛水泵，自吸泵負壓抽液方式對水體溶解氧的影響相對較大。

管道材質(zhì)應(yīng)選用化學穩(wěn)定性好的材質(zhì)，實際中采用飲用水給水PPR 管，要比PVC 管、橡膠管等對水質(zhì)的影響小。

管路的清洗頻次要符合規(guī)范要求，如果清洗頻次不足，管道內(nèi)結(jié)垢后，將難以清洗干凈，造成管道內(nèi)微生物滋生，對溶解氧影響較大。

北方的水質(zhì)自動監(jiān)測站采水環(huán)節(jié)均配置了保溫或伴熱帶，采水管道的伴熱溫度應(yīng)該適宜，避免其伴熱溫度過高或過低（形成冰水混合物）影響水樣的代表性。

對于采水環(huán)節(jié)影響數(shù)據(jù)準確性的諸多因素，應(yīng)該在建設(shè)過程中統(tǒng)籌考慮；建設(shè)完畢后，運維過程中，運維人員應(yīng)該每天借助采水口視頻對采水裝置進行遠程視頻檢查，每周親身去采水口進行現(xiàn)場檢查，出現(xiàn)異常，及時按照運行維護規(guī)范進行整改。

2 預(yù)處理環(huán)節(jié)對數(shù)據(jù)準確性的影響

自動監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)處理環(huán)節(jié)主要采用自然沉降與過濾兩種預(yù)處理方式，對高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮四個參數(shù)儀器的待測樣品進行預(yù)處理。自然沉降時間、上層水樣取樣深度和濾網(wǎng)孔徑三個因素對水樣處理的結(jié)果影響最大。

目前，全國水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測運維管理中心推行精細化監(jiān)測，對自動監(jiān)測系統(tǒng)的預(yù)處理實行了“一站一策”方案，全國水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的自動監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)按照 《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）要求統(tǒng)一設(shè)置為沉降30 min。但上層水樣取樣深度和濾網(wǎng)孔徑并沒有做出明確要求，各個監(jiān)測斷面根據(jù)其水質(zhì)特征進行預(yù)處理單元的差異化設(shè)計，使得各參數(shù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)與其實際水樣比對達到合格要求。

實際運維過程中發(fā)現(xiàn)，高濁度水樣沉淀30min后，上層水樣取樣深度越深，濁度越高，這啟發(fā)在自動監(jiān)測系統(tǒng)中，保證取樣足量的情況下可以通過降低取樣深度來去除濁度對監(jiān)測的影響。在濾網(wǎng)孔徑選取上，何虎軍等人指出，不影響水樣代表性的情況下，采水時預(yù)先通過200μm 孔徑過濾，可以避免管路堵塞，用光度法測定的項目，通常通過40 μm 孔徑過濾，可消除濁度對測量的影響[5]。

但是針對多泥沙、高黏度顆粒、感潮斷面以及洪峰過境等特殊水體特殊時期，要實現(xiàn)既不影響水樣代表性又不影響數(shù)據(jù)準確性的雙重目標，保障自動監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定運行，在預(yù)處理環(huán)節(jié)面臨巨大挑戰(zhàn)。目前，各運維公司和儀器廠商也在加緊這方面的技術(shù)研發(fā)和技術(shù)攻關(guān)。

3 進樣分析環(huán)節(jié)對數(shù)據(jù)準確性的影響

自動監(jiān)測系統(tǒng)進樣分析環(huán)節(jié)中，高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮自動分析儀器的監(jiān)測方法可歸結(jié)為光度法、滴定法、電極法三種。

其中光度法波長選取和消解溫度對于測量數(shù)據(jù)的影響很大。比如，國標鉬酸銨分光光度法測總磷，采用的波長是700nm，消解溫度為120℃，但實驗表明，通常磷的雜多酸在690～730nm 有明顯的寬系數(shù)峰，最大峰值出現(xiàn)在710nm 處，高濃度磷和低濃度磷消解后，最大吸收峰會稍有移動，各品牌儀器根據(jù)消解溫度的不同，波長選取稍有不同[6]。

滴定法中，高錳酸鹽指數(shù)的影響因素有校準物質(zhì)、溶液酸堿度、加熱時間、加熱溫度、注射計量泵精度等。校準物質(zhì)常用的有葡萄糖-谷氨酸和間苯二酚兩種，間苯二酚在95℃基本達到穩(wěn)定，而葡萄糖-谷氨酸需要在97℃～98℃才能達到穩(wěn)定。

因此，當用間苯二酚作為校準物質(zhì)來測定葡萄糖-谷氨酸標準樣品時，由于加熱溫度稍偏低，對葡萄糖-谷氨酸消解程度不足，標樣測定結(jié)果將會偏低[5]。當所測水樣氯離子濃度大于300mg/L，如果繼續(xù)采用酸性法，則會產(chǎn)生很大影響[7]。加熱時間和加熱溫度等關(guān)鍵參數(shù)應(yīng)該具體明確，注射計量泵出現(xiàn)老化應(yīng)該立即更換。

電極法中，氨氮電極的半透膜容易臟污，出現(xiàn)氣泡，高錳酸鹽指數(shù)ORP 電極容易鈍化，造成測量值偏高或偏低，因此應(yīng)定期做好電極檢查和保養(yǎng)工作。

進樣分析環(huán)節(jié)對數(shù)據(jù)準確性的影響因素眾多，一方面，對于關(guān)鍵參數(shù)類和試劑類因素在儀器安裝好，性能調(diào)試合格，驗收完畢后應(yīng)該做好明確備案固化，后期運維過程中發(fā)生更改應(yīng)向上申請說明原因通過多級審核后變更，對于日常檢查維護保養(yǎng)類因素應(yīng)該定期做好檢查維護工作，并在數(shù)據(jù)平臺進行平臺填報記錄；另一方面，應(yīng)該綜合利用“監(jiān)測數(shù)據(jù)+質(zhì)控數(shù)據(jù)+流程日志+參數(shù)識別+平臺反算”的質(zhì)量控制和量值溯源質(zhì)控體系措施，做好數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控[8]。

4 質(zhì)量控制環(huán)節(jié)對數(shù)據(jù)準確性的影響

質(zhì)量控制環(huán)節(jié)是水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)得出真實準確的監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量保證，直接影響數(shù)據(jù)真實性和準確性。國家地表水水質(zhì)自動監(jiān)測站通過數(shù)據(jù)有效率、質(zhì)控合格率、站點合格率等考核要求來實現(xiàn)保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的質(zhì)控目標。

質(zhì)控環(huán)節(jié)的內(nèi)容包括對水站運行維護工作全過程的人員、儀器設(shè)備、移動監(jiān)測車、常規(guī)五參數(shù)便攜儀器、備機、標準物質(zhì)、試劑、備品備件、監(jiān)測環(huán)境等方面的質(zhì)量保證及控制，通過日質(zhì)控、周核查、月質(zhì)控的多級質(zhì)控措施及儀器核查結(jié)果、關(guān)鍵參數(shù)上傳、遠程控制等組成的多維度質(zhì)控體系考核質(zhì)控結(jié)果，同時制定了質(zhì)量監(jiān)督機制，從而保證數(shù)據(jù)的準確性。

（1）對于人員嚴格進行行為規(guī)范管理和考核。嚴格要求運維人員在水站運維工作中的行為規(guī)范，遵守國家法律法規(guī)，不參與任何有損于監(jiān)測結(jié)果判斷獨立性和誠信度的活動，對監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實性和準確性負責，堅決禁止弄虛作假行為，對觸犯“紅線”的運維工作人員施行行業(yè)禁入。另外要制定獎罰管理制度，調(diào)動運維人員工作積極性和責任心。

（2）對于為自動監(jiān)測水站服務(wù)的具有CMA 資質(zhì)的檢測機構(gòu)、運維車輛、備機、常規(guī)五參數(shù)便攜式比對儀等運維裝備要有相應(yīng)資質(zhì)和年檢或定期檢查合格的證明材料以及詳細的規(guī)范化管理體系。運維裝備定期維護保養(yǎng)，故障的裝備及時更換補充，確保可隨時用于自動監(jiān)測水站的維護和質(zhì)量保障工作。

（3）對于自動監(jiān)測系統(tǒng)中常規(guī)五參數(shù)、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮等儀器設(shè)備，按期按時完成周核查、零點/跨度核查、標液核查、加標回收測試、在線完成集成干預(yù)檢查、多點線性核查等質(zhì)控措施，且將考核結(jié)果、流程日志、關(guān)鍵參數(shù)上傳至管理監(jiān)控平臺。多級質(zhì)控措施是否合格直接決定監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性和有效性。

（4）試劑和標準物質(zhì)，水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)所用試劑的純度在分析純（AR）以上，標準溶液的試劑純度在優(yōu)級純（GR）以上。日常質(zhì)控、核查工作使用有證標準物質(zhì)，配制的試劑由CMA 檢測機構(gòu)配制，配制信息可溯源，采用專用試劑瓶盛裝，且貼有明確標識（包括試劑名稱、標液濃度、配置人、配置日期、有效期）統(tǒng)一配送、抽檢，建立試劑管理制度。

（5）監(jiān)測環(huán)境，其對質(zhì)控結(jié)果會產(chǎn)生不同程度的影響，比如水樣采集位置是否相同，質(zhì)控過程中環(huán)境溫度是否在正常范圍內(nèi)，標準樣品配制過程是否嚴謹，校準和比對時的光線強度控制等。

5 數(shù)據(jù)采集與傳輸環(huán)節(jié)對數(shù)據(jù)準確性的影響

數(shù)據(jù)采集與傳輸環(huán)節(jié)中，數(shù)據(jù)修約規(guī)則對單次監(jiān)測數(shù)據(jù)準確性影響最大。2020 年中國環(huán)節(jié)監(jiān)測總站發(fā)布了 《地表水自動監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法及修約規(guī)則（試行）》（總站水字[2020]90 號），對各監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)修約做出了規(guī)定。各運維公司對分析儀器數(shù)據(jù)記錄發(fā)送模塊和工控機數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)同步進行了升級，確保了數(shù)據(jù)修約規(guī)則的統(tǒng)一，消除了數(shù)據(jù)修約帶來的影響。

數(shù)據(jù)漏傳和數(shù)據(jù)傳輸恒值是最常見的兩種異常傳輸情況，對統(tǒng)計的均值數(shù)據(jù)產(chǎn)生很大影響。由于網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、分析儀器數(shù)據(jù)記錄發(fā)送模塊和工控機數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)宕機卡死、監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理平臺偶發(fā)性傳輸匹配錯誤等特殊情況，造成數(shù)據(jù)傳輸不完整或者數(shù)據(jù)傳輸恒值情況經(jīng)常出現(xiàn)。

出現(xiàn)數(shù)據(jù)漏傳和數(shù)據(jù)傳輸恒值的情況后，運維人員應(yīng)該及時的進行原因查清，對網(wǎng)絡(luò)進行維護或儀器進行重啟，盡可能進行數(shù)據(jù)補傳，減少無效數(shù)據(jù)的數(shù)量，減輕數(shù)據(jù)采集與傳輸環(huán)節(jié)對數(shù)據(jù)準確性的影響。

結(jié)語

水質(zhì)自動監(jiān)測在地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)大力推行，其監(jiān)測數(shù)據(jù)已逐漸納入水質(zhì)評價和政府考核工作中。

這就要求數(shù)據(jù)的準確性必須得到保證，運維工作者和管理者對自動監(jiān)測采水環(huán)節(jié)、預(yù)處理環(huán)節(jié)、進樣分析環(huán)節(jié)、質(zhì)量控制環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)采集與傳輸環(huán)節(jié)影響數(shù)據(jù)準確性的因素要充分的認識和理解，運用系統(tǒng)性的質(zhì)控措施加強數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控和關(guān)鍵參數(shù)類因素備案及變更審核，以提高自動監(jiān)測的數(shù)據(jù)質(zhì)量及自動監(jiān)測技術(shù)水平，為地表水環(huán)境管理提供強有力的技術(shù)支撐。