水质在线监测系统的运行评价

赵利娜 ，程 溶

（1. 上海市环境学校，上海 200135；2. 上海市海洋监测预报中心，上海 200062）

0 引言

水质在线监测系统可以自动、实时、动态监测水体的水质情况，目前这种自动化的高效监测模式，已广泛应用于各种水体，为水质监管部门提供了有力的技术支持[1]。水质在线仪器设备的使用年限一般为 8 a[2]。接近使用年限，监测仪器的故障率会升高，数据准确度也随之降低。

苏州河水质在线监测系统 2010 年建成使用，至2017 年已连续运行了近 8 a，接近使用年限，系统故障率有增加趋势。2018 年监管部门对系统某测站进行了升级改造，主要改造内容如下：1）针对通讯故障导致数据传输失败的现象，将数据传输方式由原来的无线 4G 通讯改为光纤宽带专线通讯。2）针对系统管路易堵塞导致监测数据偏差的情况，改进了流程控制软件反冲洗程序的设置。3）针对 pH 电极寿命短的情况，更换 pH 电极，增加 pH 电极的维护频率。4）针对工控机多次死机不能自动重启的情况，更新了工控机的操作系统，升级了应用系统。

为验证改造效果，为同类型其他站的后期改造积累经验，2017—2018 年间，通过比对实验对在线监测系统的运行情况进行验证。本研究介绍在线仪器监测数据与实验室人工分析数据比对的过程，分析改造前后在线仪器监测数据的准确度，评价系统改造前后的运行情况。

1 水质在线监测系统的组成

水质在线监测系统是一套以自动监测仪器为核心的综合监测传输体系。系统由自动采样、水样预处理、数据分析、通讯传输、辅助等系统共同组成[3]。其中自动采样系统采集具有代表性的水样，确保监测数据真实反映实际水质状况；预处理系统用于消除各种杂质对仪器设备的影响，减少分析误差，避免数据异常；数据分析系统完成设定的各项水质监测操作，提供稳定可靠的监测数据；通讯传输系统担负监测数据远程传输及监测系统远程操控的双向通讯任务；辅助系统可为仪器设备提供各种辅助保障，维持监测系统长期稳定运行。各系统之间相互关联、互为协助，共同构成一套完整、可靠的水质在线监测系统。

2 实验部分

2.1 在线监测系统仪器测量方法与实验室分析方法

比对实验 2017 年起每月进行 1 次，至 2018 年底共进行 24 次。监测仪表基本情况及对应的实验室数据分析方法如表 1 所示。

表1 功能组件清单

2.2 水样的采集与预处理

比对实验于系统仪器基本性能测试工作全部完成后进行，比对实验期间，自动监测系统仪器应处于自动运行状态，除连续出现较多可疑数据情况外，不得进行人为校准、重新设置等操作[4]。实验室分析与自动监测系统仪器同步采样，采样位置与自动监测仪器的取样位置尽量保持一致，每个采样点均取2个平行样。pH 现场测定，氨氮和高锰酸盐指数水样2h之内送至实验室。水样的实验室测定由上海市具有资质的水环境监测部门负责，严格按照实验室计量认证的有关要求进行。

2.3 分析方法及依据

此次比对主要对在线监测仪器的测定结果与实验室人工分析数据进行对比，参照HJ915—2017《地表水自动监测技术规范（试行）》（以下简称《技术规范》）规定：在线仪器与实验室pH数据的绝对误差的绝对值小于等于0.1为合格；同一测次实际水样的氨氮和高锰酸盐指数与实验室比对相对误差|Re| ≤ 20%为合格，实际水样比对的合格率应不小于85%。相对误差计算公式[5]如下：

式中：xi自动监测仪器的测定值；y 实验室2个平行样的测定值的均值。

3 水质在线监测系统的运行评价

3.1 pH数据评价

pH比对情况如图1和2所示。由图中比对情况可看出，2017年共进行pH 数据在线监测与实验室比对12次，6次合格，合格率为50.0%不符合《技术规范》规定；2018年11次合格，合格率为91.7%，符合《技术规范》规定。

3.2 氨氮数据评价

氨氮比对情况如图3和4所示。由图中氨氮比对情况可看出，2017年在线监测系统与实测氨氮变化趋势基本一致，8 次合格，合格率为 66.6%，2017 年比对数据不符合《技术规范》规定；2018年有9次比2017 年同期相对误差小。2018年系统运行稳定，11次符合《技术规范》的规定，合格率为91.7%。

图1 2017—2018年各月在线仪器与实验室的 pH数据比对

图2 2017—2018年各月在线仪器与实验室 pH 数据比对的绝对误差

3.3 高锰酸盐指数数据评价

高锰酸盐指数对比情况如图5和6所示。由图中高锰酸盐指数对比情况可看出，2017年在线监测系统与实测高锰酸盐指数变化趋势基本一致，10次比对的相对误差小于 20%，合格率为 83.3%， 2017 年比对数据不符合《技术规范》规定；2018年系统运行稳定，有10次比2017年同期相对误差小。12次比对相对误差均小于 20%，合格率为100%。2018年比对数据符合《技术规范》的规定。

4 结语

2017—2018年24次比对实验综合分析的结果表明：

图 3 2017—2018 年各月在线仪器和实验室的 氨氮浓度数据比对

图 4 2017—2018 年各月在线仪器和实验室的 氨氮浓度数据比对相对误差

图 6 2017—2018 年各月在线仪器和实验室的 高锰酸盐指数数据比对相对误差

1）系统运行至 2017 年，接近 8 a 使用年限。pH、氨氮和高锰酸盐指数监测数据均与实验室数据有偏差。

2）系统改造前，pH 值在线仪器数据准确度低。在线仪器与实验室比对 pH 值绝对误差 2017 年6 次合格，合格率为 50.0%。经分析，产生此现象的主要原因如下：a. 玻璃电极的表面很容易附着污染物，电极在表面清洗不彻底时，测定的数据极易产生较大误差[6]。b. 玻璃电极寿命短，易损坏。系统改造中更换为新一代使用寿命长的玻璃电极。在后续的维护过程中，加强了对玻璃电极的及时清理，比对数据的绝对误差明显降低。

系统改造后，2018 年有 10 个月比 2017 年同期绝对误差小。2018 年比对合格率为 91.7%，符合《技术规范》同一项目的合格率应不小于 85% 的规定。

3）氨氮在线仪器在 2017 年系统改造前，比对数据不符合《技术规范》的规定。经分析，产生此现象的主要原因是氨氮管路细，易堵塞。系统改造中，改进了流程控制软件中反冲洗程序的设置。改造后，2018 年比对合格率提升至 91.7%，符合《技术规范》规定。系统改造后，氨氮在线仪器可真实反映水质情况[7]。

4）2017 年，高锰酸盐指数在线仪器运行较稳定，数据比对合格率为 83.3%。系统反冲洗程序改造后，高锰酸盐指数在线仪器的准确度也有提高。2018 年系统运行情况比 2017 年更稳定，比对合格率提升至 100%。系统改造后，高锰酸盐指数监测仪器可真实反映水质情况。