地表水环境自动监测技术应用与发展趋势

刘 京，刘廷良，刘 允，李晓明，李东一，解 鑫，姚志鹏，孙宗光，杨 凯，王业耀

中国环境监测总站,国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

中国地表水环境质量监测已经开展近40年,完整的监测技术体系保证人工采样、实验室分析监测数据的准确性和评价结果的有效性。随着环境管理需求和监测技术的不断发展，自动监测也进入了水环境质量监测领域，发挥了在时间和空间上连续性的优势，弥补了手工监测的不足。如何充分利用自动监测和手工分析的优势为当前的环境管理需要服务，是我们面临的重要课题。

1 国内外水质自动监测应用现状

1.1 国内水质自动监测站的建设与应用

进入21世纪，中国地表水环境质量监测引入了自动监测技术，各部门和地方政府均根据自己的需求建设水质自动监测站(以下简称水站)，开展水质的自动监测。自动监测作为手工监测的补充，在监测水质变化及变化趋势、实时掌握水质状况以及水质自动监测技术的应用与发展等方面起到了重要作用[1]。

水利部门目前已经建成了大约1 400个水站，用于水功能区限制纳污指标体系的监督与考核，另有363个水站列入建设计划。依据国家《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)和水利部颁布的《水文基础设施建设及技术装备标准》(SL 276—2002)、《水资源监控设备基本技术条件》(SL 426—2008)、《水资源监控管理系统数据传输规约》(SL 427—2008)和《水环境监测规范》(SL 219—1998)等标准，河道型水站的常规配置为五参数、高锰酸盐指数和氨氮自动测定仪。湖库型水站的常规配置为五参数、高锰酸盐指数、氨氮、总磷和总氮自动测定仪。

各地方政府依托当地环保部门在饮用水水源地和跨省界、市界、县界河流及其他重要水体上建设了约1 300个水站，监测项目主要是五参数、高锰酸盐指数、氨氮等。各省水站建设目的多为预警及实时监控，根据污染风险，部分水站有针对性地增加了VOC、重金属等监测指标，部分饮用水水源地增加了生物毒性指标用于突发性污染事故的防范[2-4]。

自2000年起，经过“十五”“十一五”和“十二五”3个五年计划的发展，环境保护部陆续在松花江、辽河、海河、黄河、淮河、长江、珠江、太湖、巢湖、滇池等十大流域的重点断面以及浙闽河流、西南诸河、内陆诸河、大型湖库以及国界出入境河流上布设了300个水站(已经投入运行的有149个，规划在建62个，地方建成等待纳入国家网的有89个)。初步形成了覆盖全国31个省(自治区、直辖市)主要水体重点断面的水质自动监测网络，具备了一定规模的监测能力。据不完全统计，300个水站分布在29座湖库、193条河流上，其中有34个国界水站、103个省界水站，259个涉及“十三五”地表水考核断面，建设共投入资金5.47亿元。

水质自动监测网络的建设实现了环境管理部门对全国主要流域重点断面水质状况的掌握。目前水站的自动监测数据应用主要是通过互联网对公众实时发布，定期编制《全国主要流域重点断面水质自动监测周报》，对所在断面水质变化趋势的观测也发挥了重要的作用。

与手工监测相比较，高频次的自动监测带来了海量的监测数据。应用自动监测结果，把握水环境质量状况，落实国家《水污染防治行动计划》(水十条)，为环境管理提供有力的技术支持，是自动监测面临的重要课题。

1.2 国外水质自动监测简况

水质自动监测在国外起步较早。20世纪70年代开始，美国、英国、日本、荷兰等国家就在河流、湖库等地表水水体开展自动监测。监测项目以综合污染指标为基础，包括水温、pH、氧化还原电位、溶解氧、浊度、电导率、氨氮、化学需氧量、总需氧量和总有机碳等。单项污染物的自动监测仪器大多还处于研究实验阶段(如重金属、有机污染物等)。有些仪器由于性能方面存在缺陷(如灵敏度低、长期运行可靠性差)等原因，在一定程度上也限制了它们的发展与使用。

英国在1975年建成泰晤士河流域水环境自动监测系统。该系统由一个数据处理中心和250个子站组成，可监测水温、pH、溶解氧、电导率、氨氮、硝酸盐氮、悬浮物、流量等。借助水质模型的计算与实测结果相结合，实现了对更多河段部分水质数据的预测[5-6]。

日本于1967年开始考虑在公共水域设置水质自动监测器。最近的调查结果表明，目前日本由各地方政府投资建设的水站共计7 028个，其中4 524个河流水站、473个湖泊水站、2 031个海域水站。监测项目为pH、生化需氧量、化学需氧量、悬浮物(浮游物质)、溶解氧、总氮和总磷。自动监测的目的是监控该水域水质的污染情况，由各地方政府负责运营[7]。

随着环境管理的深入和精细化发展，自动监测系统被逐步纳入网格化的“环境评价体系”和“自然灾害防御体系”。自动监测结果一方面可以为综合评价水环境质量提供基础数据，另一方面也可以迅速发现突发性水质污染事故或在自然灾害中将水域水质异常情况通过数据传输系统及时传输到控制中心，帮助环境管理部门把握灾害的性质状态、污染程度及范围，为科学决策提供依据。

2 水质自动监测技术与仪器状况

水质自动监测是依托实验室分析方法发展起来的。20世纪80年代流动注射技术的应用将繁琐的实验步骤自动化，实现了对样品的自动连续分析，使实验室分析的精密度和分析效率大大提高。水质自动监测则是在此基础上通过进一步实现采样步骤的自动化达到对水质连续监测的目的。

目前，水质自动监测的量值传递是通过与手工监测的比较实现的。根据与手工监测比对实验的数据结果对自动监测仪器进行校准，以达到自动监测仪器与手工监测数据结果一致的量值传递。

随着水质自动监测的广泛应用，国内外仪器设备厂商开发生产了越来越多水质监测项目的自动监测仪器。仪器种类与性能指标见表1～表5。

表1 水质营养盐及有机污染综合指数自动监测仪器性能一览表Table 1 List of performance of nutrient and organic pollution index automatic monitoring instrument for water quality

注：“—”表示无相应指标。

表2 水质常规五参数自动监测仪器性能一览表Table 2 List of performance of five patameter automatic monitoring instrument for water quality

注：“①” 表示单位为%。

表3 水质无机阴离子自动监测仪器性能一览表Table 3 List of performance of nutrient and organic pollution index automatic monitoring instrument for water quality

表4 水质有机污染物及其他自动监测仪器性能一览表Table 4 List of performance of organic pollutant and other index automatic monitoring instrument for water quality

注：“①”表示单位为μg/L;“②”表示单位为个/100 mL；“—”表示无相应指标。

表5 水质金属及其化合物自动监测仪器性能一览表Table 5 List of performance of mentals and compounds automatic monitoring instrument for water quality

表1～表5中，根据监测项目的属性分类，主要包括①五参数：水温、pH、溶解氧、浊度、电导率；②营养盐及有机污染综合指数：高锰酸盐指数、化学需氧量、总磷、总氮、氨氮、硝酸盐氮；③无机阴离子：氰化物、氟化物、硫化物、氯化物、硫酸根；④金属及其化合物：铜、铅、锌、镉、砷、汞、六价铬、铁、锰、钴、镍、锑；⑤有机污染物：石油类、阴离子表面活性剂以及苯、卤代烃、芳香烃等18种挥发性有机物；⑥细菌学指标：粪大肠菌群。

虽然《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)涉及的109个项目中，除五日生化需氧量、挥发酚、硒、黄磷、铍、钼、钒、铊、钛、甲醛及半挥发有机污染物外，均有自动监测仪器可以开展自动监测[8-13]，但是多种仪器的灵敏度不能够满足地表水环境质量监测的需要，并没有在地表水水质监测中实际应用。

3 水质自动监测与手工监测的技术差异性分析

3.1 基本原理

为了达到与手工监测结果的一致性，自动监测仪器的测定原理应尽可能与实验室分析方法保持一致(如五参数、氨氮、高锰酸盐指数、化学需氧量和总磷、总氮等多数常规监测项目的仪器测定原理与手工监测是一致的)。为了便于实现分析测试的自动化和减少试剂的种类与用量，有些监测项目自动监测与手工分析的测定原理差异较大(如重金属的测定采用电化学的方法、石油类采用紫外荧光法、粪大肠菌群采用酶底物法、氨氮则增加了气敏电极法)。测定方法原理的不同必将带来自动与手工监测数据间的差异[14-21]。

3.2 灵敏度

在手工监测中，可以根据待测物的浓度采取稀释、萃取等技术手段，将待测物的浓度调整到最佳测定区域，保证准确测试。但是自动分析由于前处理方法简单,尚未实现对样品中待测物的自动富集和基体干扰物质的消除，进样量小且样品代表性差，导致部分项目的测定灵敏度不能够满足优质水体(Ⅰ、Ⅱ类)准确测定的要求。如目前采用较多的气敏电极法的氨氮自动监测仪器，其检出限为0.05 mg/L，准确定量浓度为0.2 mg/L，大于氨氮Ⅰ类水质标准限值(0.15 mg/L)。高锰酸盐指数自动监测仪器的检出限为0.5 mg/L，准确定量浓度为2 mg/L，等于高锰酸盐指数Ⅰ类水质标准限值。铜、铅、锌、镉等重金属自动分析仪器由于灵敏度不够且无法消除共存离子的干扰，经常会出现误报、错报现象。

3.3 采样方式

水站通过采水泵在环境水体中提取样品并分送至各个分析测试仪器。为了便于维护和不妨碍通航，采样头一般较靠近河岸边，且只有一个采样点，与手工监测中的采样规范有较大差距。根据《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T 91—2002)，评价水环境质量的监测需要根据河宽和水深按照左中右、上中下确定采样垂线的数量和垂线上采样点的数量，少则1个采样点，多则9个采样点。因此，自动监测采集水样的代表性就会受到影响，在一些流量不大的水体上采样结果差异不大，而在大江大河上与手工监测相比可能会存在差异。

综上所述，水质自动监测与手工监测相比较在技术层面上存在着自动监测仪器覆盖的监测指标有限、采样方式无法满足监测技术规范要求、自动监测仪器测定灵敏度偏低等问题。

4 水质自动监测存在的问题与发展趋势

4.1 存在问题

经过3个五年的建设，中国已经形成了国家地表水水质自动监测网络，在近20年的建设和运行中也取得了丰富的经验。目前，水质自动监测网络的建设已经形成了相对固定的模式，系统的运行维护也进入相对稳定阶段。但是，水质自动监测无论在技术上还是在建设与运维过程中都存在诸多问题。

4.1.1 技术上的差异性

自动监测与手工监测相比存在测试原理和采样代表性的差异，监测指标少于手工监测，而且自动监测灵敏度低，无法实现优质水体(Ⅰ、Ⅱ类)准确测定等，这些都是目前在监测技术体系中无法解决的问题。因此，采用自动监测数据评价水环境质量，需要对现有的监测技术体系做进一步的改进和完善。

4.1.2 标准与技术规范滞后

地表水的自动监测虽然已经开展了近20年，但是由于没有建立明确的与手工监测相融合的监测技术体系，自动监测数据在使用上受到了极大限制。

《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中规定的水质监测分析方法为国家标准的手工分析方法，《水质自动监测技术规范》尚未发布。标准与规范的滞后，不仅限制了自动监测数据的使用，同时也影响了自动监测技术的发展。

4.1.3 自然和基础条件

在自然和基础设施条件方面，有些断面虽然在水质评价中很有意义，人工监测没有问题，但是一旦涉及水站建设，当地的水文、地质等自然条件，交通、电力供应和通讯保障等设施都存在问题，致使水站建设无法进行。

4.1.4 建设与运行经费

在建设经费与运行成本方面，与每月1次的手工监测相比，自动监测的高频次分析(180次/月)必然带来监测经费的大幅度增加。根据财政部最新批复的监测经费标准，手工监测为5.0万元/(断面·a)，获取21项监测结果；自动监测(基本配置)为22万元/(站·a)，获取7项监测结果。按照目前水站的常规7项配置进行建设和运行，建设成本为185万元/(站·a)，自动监测仪器使用年限为8 a，届时的仪器设备更新费用也必须纳入按期投入的资金。

如上所述，今后水质自动监测如何发展与国家水环境质量监测技术路线息息相关。手工监测可以准确测试，但是监测频次低；自动监测项目有限，但是6次/d的高频率测定，所得到的结果更加真实客观。

4.2 发展趋势

4.2.1 拓展自动监测范围，提高自动监测仪器的准确性

为了提升水质自动监测水平，应在自动监测仪器以监测综合污染指标为主的现状条件下，积极研制开发单项污染物的自动监测仪器(如重金属、有机污染物等),使自动监测能够覆盖更多的监测评价指标。同时，进一步完善目前的仪器设备，提高仪器测定的灵敏度和与手工分析的可比性，以满足监控敏感区域、重点区域水质状况的需求，达到对优良水体水质准确评价的目的。

4.2.2 提高水质自动监测的集成化水平，实现对地表水水质的动态监控

由于水站系统复杂，建设成本高，运营维护成本也相对较高。水质自动监测应遵循分布广、质量精、发展稳的原则，根据建站目标和使用目的，采用分类分级建设的方式。

水站建设应采用站房建设与非站房建设相互结合的方式，在没有建站条件的敏感点位可以通过提高仪器的集成水平建设简易站、岸边站或微型站；对湖泊水库、入海河口或取水困难的点位可以采用太阳能浮标的建站方式。

仪器选型可采用准确测定、趋势测定等不同形式，对于必须准确测定的断面(如考核及生态补偿)采用定量分析的仪器，对于水质预警与变化趋势监控断面(如重点水域、国界河流等)采用不使用试剂的光谱分析仪[22-24]。

4.2.3 强化内控与外控相结合，提高自动监测数据质量

自动监测极大地增加了日常获取的数据量，如果数据的QA/QC工作没有做好，面对大量无法取舍的数据将比没有数据更加可怕。因此有必要开发保障水站运行和数据质量控制的协同软件，规范水站的运行维护步骤，统一水站的质量控制措施，实现对水站运维的信息化管理。同时进一步明确自动监测数据的审核责任与存入数据库的程序，保证入库数据的准确性和有效性。

4.2.4 集成智慧化的水环境自动监控网络体系，实现流域水环境预警预报

目前自动监测获得的大量数据尚未得到充分的分析和利用。因此迫切需要开拓数据综合分析能力，研究将河流水质与流速/流量、污染源排放量等因素相结合，利用适当的数学模型建立相应的输入响应关系对数据进行分析，找寻不同污染物浓度变化之间的相互联系，确立水质可能出现变化的阈值点，实现水站对环境水质预警预测的功能。进一步开发监测数据综合分析工具和预警表征发布平台，实现预测预警模拟分析的可视化表达[25-26]。

4.2.5 挖掘水质自动监测的应用领域，逐步将自动监测结果用于水环境质量评价

进一步研究自动监测结果与手工监测结果的可比性和等效性，研究自动监测用于水环境质量评价的技术规范与方法。开发适用于自动监测的新的监测分析方法，研制适合不同水质和不同水体的自动监测仪器设备；研究保障自动监测数据质量的质控措施与评价方法；进一步完善水质自动监测技术体系。

5 结语

地表水自动监测技术的应用，实现了环境管理部门对重点断面水环境质量状况的实时掌握，为加强水环境质量的监管提供了技术支持与保障。与手工监测相比，自动监测对水质的全天候高频次分析使其在水质动态监控方面有着不可替代的优势。要在围绕水质自动监测与预警预报等方面深入研究的同时，进一步研究自动监测与手工监测结果的可比性与等效性，探索自动监测数据用于水环境质量评价的方法与途径。研究修订现行《地表水环境质量标准》中相关指标的监测分析方法，将差异在可接受范围内指标的分析方法纳入到《地表水环境质量标准》中。完善自动监测技术规范，保证自动监测数据的准确性、一致性和可比性，逐步将自动监测结果用于水环境质量评价。

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