国产水质自动监测系统在三峡水库的应用评估

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(长江水利委员会水文局 长江三峡水文水资源勘测局，湖北 宜昌443000)

水质自动监测系统是现代分析技术和自动测量技术等基础技术相结合的综合性自动监测体系[1]。水质自动监测可及时反映水环境质量变化，满足水污染和水环境的应急监测需求[2]。我国关于水质自动监测技术的研究起步较晚，没有形成可信赖的民族品牌，国内市场长期被国外仪器仪表垄断，国外产品价格高昂、运行费用高、维护不便[3]。通过一系列政策和技术的支持，水质在线监测仪器的国产化进程逐步加快，近年来市场发展良好，涌现出一些具有代表性的国产化自动监测仪器生产厂家。

由吉林市光大分析技术有限责任公司(以下简称“光大公司”)自主研发的国产水质自动监测设备，广泛应用于水源地、水环境、水生态、城市供水、村镇供水等行业领域。借助光大公司研发能力和产品优势，率先在长江三峡库区开展水质自动监测系统(站)的建设工作，最终在三峡库区庙河水质监测断面水文趸船上设立了自动监测站。为确保自动站检测数据资料的稳定性、可靠性，长江水利委员会水文局长江三峡水文水资源勘测局承担了水质监测的比对工作。通过将光大公司水质自动监测数据与实验室分析数据进行对比，验证仪表性能，用以评估国产水质在线监测系统在长江流域水环境监测的应用效果。

1 站点及采样点设置

庙河水质自动监测站位于三峡库区庙河水文码头，距离三峡大坝7 km。比测断面设在自动监测站上游100 m处，断面较宽，河床左右两岸为砂质山体，河势稳定。三峡水库蓄水后，监测站直接处于坝首回水区，受三峡大坝调蓄影响明显。三峡水库正常蓄水运行后，在汛、枯季，坝前水位保持在145～175 m之间，考虑到水位的变幅大，取样泵扬程不能适应，故将水质自动监测站设在水文趸船上，水位发生变动时，自动监测站会随之变化，使水质进样系统与水面始终保持相对稳定的距离，同时趸船上有人值守也利于维护和管理。

2 方法介绍

2.1 样品采集

自动监测设备可同时检测水温(T)、pH值(pH)、电导率(Cond)、溶解氧(DO)、浊度(NTU)、高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮(NH4-N)、总磷(TP)、总氮(TN)、叶绿素a(Chl-a)和五日生化需氧量(BOD5)11项参数。2016年每月至少进行1次原位水样对比实验，2017年7月19～21日，在蓄水期开展了1次全断面代表性比测试验，所有断面均参与比测分析。全断面代表性比测试验采样点布设根据断面水面宽按《水环境监测规范(SL-219)》要求进行设置。每条垂线设表、中、底3个采样点，并在中泓线表层增加1个平行采样点。每天取样2次，3 d共取样6次，每次取样与自动站进样同步进行。各类样品共计240余个，样品按照《水环境监测规范》(SL-219)要求进行保存。

2.2 分析方法

该方法是根据检定监测仪器的主要指标和检测方法与人工实验室检测方式(见表1和表2)，通过自动监测与人工监测数据的比较和分析，依据《地表水自动监测技术规范》(HJ915-2017)，相对误差值在±15%范围内为合格。若不合格，则需要对自动监测仪器重新校准或进行必要的维护和调整。

表1 自动监测站分析单元仪器仪表检测方法与主要指标

表2 人工监测项目及分析方法

2.3 评价指标

(1)相对误差。计算公式如下[4]

(1)

式中，X为自动监测仪器测定值；Xi为实验室方法的测定值。其中，电导率、浊度、水温、溶解氧用手持式便携式快速分析仪和水银玻璃温度计进行比对，其他参数按国标方法进行分析比对。

(2)可靠性指标。可靠性是检验自动监测设备运行可靠程度的重要指标之一，要求每个分析单元都要满足一定的连续时间运行条件，用平均无故障工作时间MTBF表示。评价公式如下

(2)

式中，H为仪器总运行时间，h；N仪器故障次数。每台仪器的MTBF不能少于720 h。

(3) 单因子水质指标。根据国家《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)，将实测值与国家标准值进行比较，做出水质类别的评价。单因子评价法实行的是一票否决制，以水质最差的指标作为最终评价指标[5]。

3 分析与评价

3.1 误差分析

通过分析比较可知，自动监测系统和人工分析的11项参数在90%时间可以满足小于15%的误差要求，见表3。电导率、浊度、高锰酸盐指数等部分在初期不满足误差要求的项目，经过一段时间调试运行后均能满足要求。不满足误差要求的原因，初步分析可能是受到三峡库区汛期泥沙含量较高的影响，还需进一步研究。

通过比较水温、溶解氧、浊度、高锰酸盐指数、总磷等项目分析发现，虽然各参数数值之间存在一定误差，但总体趋势基本保持一致。试剂、酸度、加热时间等因素都可能带来高锰酸盐的测量误差[6]。

表3 成果数据

现场检测水温范围为13.6℃～27.1℃，自动监测系统监测水温范围为14.5℃～27.25℃，自动监测系统水温数值整体略高于现场检测数值。前期水温相对误差较大，后期误差逐步降低到5%以内。在比测进行初期，水温自动监测数值与现场测定数值存在较大的差异，通过及时对系统运行环境进行调整和仪器校正后，水温变化趋势基本保持一致，水温为20℃左右时，两种方式测得的数据一致性较高。温度数据有效性得到保证，也基本能消除对电导率、pH值、溶解氧等各项数据的影响。

比较自动监测系统和人工测定溶解氧检测结果，两种实验方法所产生的偏差总体呈下降趋势。经过第一次校正后溶解氧测定值一致，此后自动监测系统测定值逐步降低并处于相对稳定状态，与实验室现场测定值保持稳定的偏差，及时校正后两者测定值又回到相同水平，第二次校正后差异又一次出现。10次以后自动站测定值与实验室现场测定值交替变化。在低温区两者差异较大，水温升高时两者差异变小。

自动监测系统测定浊度与人工测定值变化趋势基本一致，浊度较高时自动监测系统测定值高于实验室测定值，在低浊度时则刚好相反。整个过程基本反映了庙河河段水浊度的变化过程。

人工测定高锰酸盐指数基本稳定在 2.0 mg/L左右，前期自动监测系统测定值较低，除后期有少数几次较高数值外，其变化过程基本保持一致。在浊度较高时期自动监测系统高锰酸盐指数测定值受到较大影响。

总磷变化过程分为4个阶段，前3个是平行变化阶段，其中前两个阶段数值差异很小且较为稳定，第三阶段差异较大，但数值总体较为稳定。变化最大的是第四阶段，数值起伏较大但变化趋势基本保持一致。这一阶段主要在水库蓄水期初期，可能是水位变化较快引起的数值波动。

3.2 可靠性分析

自动监测系统自2015年12月安装运行至2018年11月已经连续运行了36个月，每月安排1～2次巡查，填写运行维护记录，详细说明故障现象、故障原因及处理结果。自动监测系统主要分析单元故障次数，根据统计分析结果，自动监测设备的可靠性满足要求(见表4)。

表4 运行故障统计

3.3 单因子评价

自动监测系统和人工分析的单因子评价结果一致(见表5)。按照监测时段，以自动站监测值为测定值，以实验室分析所得各参数平均值为真值进行比较，结果见表6。

表5 单因子评价

从表6可看出：水温差异最小，比值为1；pH值、电导率、总磷、总氮比值较小，在 0.9～1.1之间；浊度、叶绿素a、氨氮和五日生化需氧量等参数的差异较大。对于叶绿素a和浊度，在水体不同位置的

表6 单因子比值

变化差异较大，特别是对于较深的水体，叶绿素只在小范围透光层有分布，在水体底部则很少。通过比较发现，表层水体叶绿素a的比值则相对较小，部分比值为1.0，具有较好的一致性。总体来看，受到各参数自身特性的影响，按照《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)进行评价，各项指标一致性较好。高锰酸盐指数和总磷有所差异，可能是由于受水中颗粒物的影响所致。虽然自动监测站在系统内部对水样进行了一定的预处理，但相对实验室直接通过滤膜过滤的方式还是比较粗略，所以导致自动监测站的监测结果比人工监测的数值要高。

4 结 语

水质自动监测数据的准确性受多因素影响，且安装在趸船上的监测设备无法克服船体摆动的影响，因此，对自动监测系统整体的稳定性是一个巨大的考验。通过比较分析发现，浊度可以影响高锰酸盐指数等采用光学法测量的参数。在汛期泥沙含量较大时，使用自动监测系统需对水样作进一步预处理。从应用的结果来看，国产自动监测设备整体上满足实际使用要求。各项参数的分析结果虽存在一定的差异性，但水质变化的基本趋势一致。对于长时间序列连续观察水质变化的基本过程具有较好的参照作用，且在应急监测、水污染预警等方面具有潜在的应用价值。