水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)在水環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用策略

郭 蘭，何車輪

（黃岡市生態(tài)環(huán)境局黃梅縣分局，湖北 黃岡 435500）

水是生命之源，我國(guó)淡水資源人均占有量?jī)H為世界平均水平的四分之一，因此水環(huán)境保護(hù)需求十分迫切。隨著各種現(xiàn)代高新科技的發(fā)展，水質(zhì)監(jiān)測(cè)逐漸實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化與信息化，為提高整體監(jiān)測(cè)效果提供良好助力。

1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展進(jìn)程

近些年來，雖然國(guó)家大力推進(jìn)水環(huán)境保護(hù)工作，但其整體惡化趨勢(shì)并沒有實(shí)現(xiàn)根本控制，造成水環(huán)境惡化的主要因素包括重金屬超標(biāo)、病原體侵害、水體富營(yíng)養(yǎng)化以及土壤遭受侵蝕等。所以，必須對(duì)環(huán)境水質(zhì)開展監(jiān)測(cè)活動(dòng)，這也是開展水環(huán)境保護(hù)工作的基礎(chǔ)和前提。

目前，水質(zhì)監(jiān)測(cè)主要包括兩種形式，即手動(dòng)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)監(jiān)測(cè)。其中，手動(dòng)監(jiān)測(cè)通常在固定斷面設(shè)置固定時(shí)間間隔進(jìn)行取樣，繼而開展室內(nèi)試驗(yàn)或者現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作。此種方法非常容易受到人為因素影響，而且測(cè)算過程復(fù)雜，所以其監(jiān)測(cè)頻率較低，所獲數(shù)據(jù)連續(xù)性差，對(duì)于測(cè)量、記錄結(jié)果也通常無法實(shí)現(xiàn)信息的高效共享。相比之下，自動(dòng)監(jiān)測(cè)可以通過儀器針對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集與計(jì)算，具備方便快捷等優(yōu)勢(shì)[1-3]。除此之外，自動(dòng)監(jiān)測(cè)所采集的數(shù)據(jù)具有良好的連續(xù)性，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)水源中的超標(biāo)危險(xiǎn)物，實(shí)現(xiàn)污染的高效治理。

自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，最開始的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目只有水溫、酸堿度、溶解氧、電導(dǎo)率和溫度等五項(xiàng)。隨著環(huán)?？萍嫉某掷m(xù)發(fā)展，水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目數(shù)量持續(xù)增加。部分國(guó)家將3S技術(shù)（遙感技術(shù)，簡(jiǎn)稱RS；地理信息系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱GIS；全球定位系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱GPS）投入水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，構(gòu)建起具有高度信息化特征的監(jiān)測(cè)體系。至20世紀(jì)80年代，我國(guó)開始針對(duì)一些重點(diǎn)流域開展水質(zhì)自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)，且獲得了一定成果。與水環(huán)境保護(hù)有關(guān)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要包括化學(xué)需氧量、氨氮和酸堿度等。

2 研究區(qū)水環(huán)境質(zhì)量情況

下面結(jié)合具體案例，針對(duì)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)和室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比論證，以判定自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所獲數(shù)據(jù)的可靠性。目前，某市一共設(shè)置12處水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括五毒（汞、鎘、鉛、鉻和砷）、三氮（氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮）以及水常規(guī)指標(biāo)等38項(xiàng)指標(biāo)，每年共監(jiān)測(cè)6次（雙數(shù)月）。近10年，該市水域綜合污染指數(shù)的變化趨勢(shì)如圖1所示。監(jiān)測(cè)結(jié)果證明，該市各河段污染較為嚴(yán)重，全年水質(zhì)超過Ⅴ級(jí)水，并且呈現(xiàn)逐漸加重的趨勢(shì)。

圖1 研究區(qū)水域綜合污染指數(shù)變化趨勢(shì)

水環(huán)境質(zhì)量主要取決于水中污染物的濃度，而污染物濃度跟來水量、排污量等相關(guān)。為了明確污染物主要來源，本研究針對(duì)該市65個(gè)排污口開展調(diào)研。調(diào)研結(jié)果表明，全市達(dá)標(biāo)的排污口數(shù)量為16個(gè)，占24.6%；未達(dá)標(biāo)排污口數(shù)量為49個(gè)，占75.4%。

因?yàn)閭鹘y(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)方式只在固定時(shí)間針對(duì)所設(shè)置的斷面實(shí)施監(jiān)測(cè)處理，在排污口污染物超標(biāo)的情況下很難形成有效監(jiān)測(cè)并及時(shí)進(jìn)行處理。為有效控制污染物排放，實(shí)現(xiàn)水環(huán)境保護(hù)，有必要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)變化。

3 水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在特定監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝水質(zhì)自動(dòng)采樣系統(tǒng)，并依靠通信系統(tǒng)將所獲數(shù)據(jù)信息傳回監(jiān)控中心，然后開展分析、統(tǒng)計(jì)以及匯總工作。應(yīng)用水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定點(diǎn)水源質(zhì)量自動(dòng)而連續(xù)的監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要配置有監(jiān)控中心、現(xiàn)場(chǎng)端設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備三部分。

圖2 水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 儀器性能測(cè)試

4.1 測(cè)試原理與方法

針對(duì)儀器開展基本性能測(cè)試的方法主要有三種，即零點(diǎn)漂移、量程漂移和重現(xiàn)性。其中，零點(diǎn)漂移的操作過程是先將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采樣器放在零點(diǎn)校正液中，進(jìn)行連續(xù)24 h的監(jiān)測(cè)（校正液可應(yīng)用蒸餾水），選擇出3個(gè)典型測(cè)試值，隨后取其平均值作為初始零值。相關(guān)計(jì)算公式為：

式中：Z0表示自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的初始零值；Zi表示第i次測(cè)試的零點(diǎn)值；ΔZ表示自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的零點(diǎn)漂移絕對(duì)誤差；Zd表示零點(diǎn)漂移；ΔZmax表示零點(diǎn)漂移絕對(duì)誤差的最大值。

將自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配置的采樣器放在80%量程標(biāo)準(zhǔn)液中進(jìn)行24 h連續(xù)監(jiān)測(cè)，隨后做量程漂移測(cè)試，選取6個(gè)典型測(cè)定數(shù)據(jù)的平均值，減去標(biāo)準(zhǔn)液濃度，再減零點(diǎn)漂移和量程的積，然后用其絕對(duì)值除以量程，便可獲得量程漂移。應(yīng)用與試驗(yàn)用水濃度接近的標(biāo)準(zhǔn)水作測(cè)定處理，選擇6個(gè)典型數(shù)據(jù)的平均值，減去標(biāo)準(zhǔn)液濃度，除以保準(zhǔn)溶液濃度，則獲得重現(xiàn)性測(cè)量誤差。

4.2 測(cè)試結(jié)果

針對(duì)試驗(yàn)所使用水質(zhì)自動(dòng)檢測(cè)儀的零點(diǎn)漂移、量程漂移和重現(xiàn)性加以測(cè)試，獲得以下數(shù)據(jù)，如表1所示。由此可知，此自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器所測(cè)得的各項(xiàng)指標(biāo)都能夠達(dá)到相應(yīng)要求，測(cè)試結(jié)果具有良好的穩(wěn)定性與可靠性，可以充分滿足現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與室內(nèi)試驗(yàn)比對(duì)的要求。

表1 儀器性能測(cè)試

5 系統(tǒng)可靠性分析

5.1 CODCr可靠度

選擇4組水樣，分別利用自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與室內(nèi)試驗(yàn)方式實(shí)施測(cè)定。CODCr含量范圍分別為：CODCr＜30 mg/L；30 mg/L≤CODCr＜100 mg/L；100 mg/L≤CODCr＜200 mg/L；CODCr≥200 mg/L。對(duì)每個(gè)試樣進(jìn)行3次測(cè)定，取其平均值作為測(cè)定結(jié)果。使用相對(duì)誤差公式對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器測(cè)定數(shù)據(jù)和室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差進(jìn)行計(jì)算，具體公式為：

式中：xi表示自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器所測(cè)結(jié)果；xj為室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果。

將各CODCr濃度水樣的自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器結(jié)果、室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果、二者相對(duì)誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表2所示。由表2可知，當(dāng)CODCr含量較低時(shí)，兩種監(jiān)測(cè)方法所測(cè)結(jié)果相差不大，相對(duì)誤差低于2%；而當(dāng)CODCr含量不小于200 mg/L時(shí)，室內(nèi)試驗(yàn)所獲結(jié)果要低于自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器結(jié)果，二者偏差較大。

表2 CODCr試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

5.2 N-NH3可靠度

選擇4組水樣，分別利用自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與室內(nèi)試驗(yàn)方式實(shí)施測(cè)定。N-NH3濃度范圍分別是：N-NH3＜10 mg/L；10 mg/L＜N-NH3＜30 mg/L；30 gm/L＜N-NH3＜70 mg/L；N-NH3＞70 mg/L。其處置方法與CODCr一致。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，在不同氨氮濃度下，兩種測(cè)定結(jié)果的一致性均較好，相對(duì)誤差低于2%。因此，可以判定自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所獲數(shù)據(jù)具有良好的真實(shí)性和可靠性。

表3 氨氮試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

6 水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)在水環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用措施

為了提升水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)在水環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用效果，有必要采取以下措施：構(gòu)建完善的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警網(wǎng)絡(luò)，以常規(guī)監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，將水環(huán)境保護(hù)工作重點(diǎn)放在重要流域、湖庫以及飲用水源地，對(duì)區(qū)域范圍內(nèi)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)體系進(jìn)行完善；結(jié)合全國(guó)及各地區(qū)實(shí)際情況，出臺(tái)關(guān)于水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量控制舉措，提升自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所具有的法律地位，使水環(huán)境保護(hù)工作做到有章可循、有據(jù)可依；促進(jìn)儀器設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)朝著規(guī)范化方向發(fā)展；對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行共享，優(yōu)化水環(huán)境保護(hù)決策的可靠性；加強(qiáng)科技研發(fā)，對(duì)國(guó)外水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行借鑒，同時(shí)結(jié)合我國(guó)水環(huán)境保護(hù)的實(shí)際需求，加大對(duì)相關(guān)企業(yè)的政策支持力度，逐步實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化；促進(jìn)水環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的智慧化和數(shù)據(jù)化發(fā)展，建立監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析工具及預(yù)警發(fā)布平臺(tái)。

7 結(jié)語

將水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于水環(huán)境保護(hù)中，能夠有效提升監(jiān)測(cè)效率和質(zhì)量。當(dāng)前，要投入更多人力、物力和財(cái)力進(jìn)一步推動(dòng)其技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用，通過技術(shù)創(chuàng)新把握我國(guó)環(huán)境保護(hù)的自主權(quán)，為國(guó)家環(huán)保事業(yè)發(fā)展注入新的活力。