水质自动监测站的应用探索及管理对策——以梅州市合水水库和尖山水文站水质自动监测站为例

陈佳生

(广东省水文水资源监测中心梅州分中心，广东 梅州 514071)

水质自动监测站是当前水质监测发展的重要方向，也是水环境管理的必然需求，近几年在我国得到了迅猛发展。水质自动监测站具备了连续、实时、全天候运行等优势，不仅大大节省了人力资源的消耗，避免了人为干预，还能及时发现水质变化现象，进行预报预警[1]。本文介绍了水质自动监测站的基本情况，探索了水质自动监测站在水环境监测中的应用，分析了水质自动监测站在应用过程的数据质量情况，并针对数据质量问题和常见仪器故障提出了相应的管理对策[2]。

1 水质自动监测站基本情况

水质自动监测站根据站点的现场环境、建设周期、监测仪器设备安装条件等实际情况，可建为分心小屋式水质自动监测站、集装箱式水质自动监测站、固定站房式水质自动监测站、漂浮式水质自动监测站、微型水质自动监测站和高寒地区水质自动监测站等。一般由站房、采配水单元、预处理单元、辅助单元、分析测试单元、控制单元和数据采集与传输单元等组成，配套有供水、供电、防雷、接地、密封、空调、网络通讯以及视频监控等设备设施[3]。

2 水质自动监测站的应用探索

广东省水文水资源监测中心梅州分中心(以下简称梅州分中心)在梅州市境内建设和管理的水质自动监测站有合水水库水质自动监测站、清凉山水库水质自动监测站、桂田水库水质自动监测站、梅州水厂水质自动监测站和尖山水文站水质自动监测站等，前4个均布设在县级以上重要水源地，尖山水文站水质自动监测站布设在河源市紫金县与梅州市五华县市界附近(见表1所示)。自建成以来，5个水质自动监测站在掌握重要水体水质状况、预警水质异常情况、计算污染物通量、研究水质变化规律、保障用水安全等方面发挥了重要作用[4-5]。由于湖库型水质自动监测站和河流型水质自动监测站在监测项目、水体功能、水文条件等方面的差异，本文分别选取合水水库和尖山水文站水质自动监测站为例，探索分析水质自动监测站的应用。

2.1 实时监测水质状况

水质自动监测站的运行周期为4 h，还可通过程序设置，即时监测水体水质。可通过传输平台进行远程数据查询、分析，实时掌握水体的水质状况(见图1)：实时观测到合水水库总体水质类别为Ⅲ类，达到集中式生活饮用水标准的要求，其中pH为Ⅰ类(7.77)；溶解氧为Ⅲ类(5.66 mg/L)；氨氮为Ⅱ类(0.437 mg/L)；总磷为Ⅲ类(0.026 mg/L)；总氮为Ⅲ类(0.84 mg/L)；高锰酸盐指数为Ⅰ类(1.70 mg/L)；其他在《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中无评价标准的监测项目监测情况良好。

表1 梅州分中心所辖水质自动监测站的情况

图1 水质自动监测站数据实时查询平台界面示意

2.2 预警水质异常情况

2020年夏秋季，梅州分中心实验室监测到合水水库pH值较为偏高，甚至达到9左右的水平(pH>9为劣Ⅴ类)，有可能对饮用水安全造成威胁。通过合水水库水质自动监测站的数据平台(见图2)，梅州分中心有效预警了这一现象，并通过相关数据的分析(见图3)，得出的主要原因为水体富营养化，藻类植物的快速生长消耗了水体中的CO2、CO32-和HCO3-，致使电离平衡往OH方向移动，造成pH升高。同时，藻类的光合作用加强，水体溶解氧也随着升高[6]。这与现场观测到的水体存在明显絮状物、水体颜色偏绿等结果相符合。

图2 合水水库站点2020年10月24—26日pH变化趋势示意

图3 合水水库站点2020年10月24—26日溶解氧变化趋势示意

2.3 计算污染物通量

准确估算污染物通量对河流污染物总量控制和水质保护具有重要意义。本文在常用的5种通量估算方法中[7]，根据尖山水文站所在河段的污染源主要为上游区域的农业面源污染，径流量的作用对污染物通量影响较为明显，结合尖山水文站流量的监测情况，选用公式(1)对其污染源通量进行估算。

(1)

先根据尖山水文站水质自动监测站每日共6次的监测数据和日平均流量，计算氨氮的日通量，然后再进行累加得出月通量，用此方法计算得到2019年8—10月尖山水文站氨氮的通量分别为33.997 t、18.105 t、6.986 t。如按照常规手工监测的频率，每月监测1次，采用监测到的污染物浓度乘以月均流量再乘以时间转换系数，根据公式(1)也可估算出污染物的月通量，但这种方法相对比较粗略，计算得到2019年8—10月尖山水文站氨氮的通量分别为23.429 t、26.400 t、11.725 t，与水质自动监测站累计计算的月通量偏差为-18.4%～25.3%(见表2)。

表2 自动监测站法和常规手工监测法估算氨氮通量比对成果

2.4 研究水质变化规律

水质自动监测站1 d有6组数据，1个月180组，1 a 2 160组，从这些数据的变化趋势来分析，可以有效掌握水质变化规律(见图4)，可以看出尖山水文站2020年10月2—5日的溶解氧时常在8:00开始升高，16:00达到峰值后开始下降，至凌晨4:00下降到最低值，呈现白天数值较高、夜间数值较低的规律，这主要是由水体水生生物光合作用和呼吸作用导致的：白天水体水生生物受到光照，产生光合作用，生成氧气，水体的溶解氧开始升高；而夜晚水生生物以呼吸作用为主，消耗了水体中的氧气，导致溶解氧开始降低。从图4和图5的溶解氧变化趋势规律中可以看出，尖山水文站2020年10月份溶解氧的峰值出现在下午16：00附近，而11、12月份的峰值出现在中午12：00附近，这主要是由于光照时间和光照强度的变化引起的：尖山水文站10月份的光照时间比11、12月份长，同个时间点的光照强度比11、12月份的大，综合影响下10月份溶解氧上升势头和跨度较大，峰值较晚出现。尖山水文站水质自动监测站溶解氧的变化规律揭示了所在河段琴江水体中的水生生物较为活跃，要注意防范潜在的水华风险。

图4 尖山水文站2020年10月2—5日溶解氧变化趋势示意

3 监测数据质量分析

为增加数据质量分析的样本量，提高分析结果的科学性和代表性，采用2020年1—11月常规手工监测与上述5个水质自动监测站同步监测的数据，进行比对分析，比对的项目有水温、电导率、pH、溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮、总磷、总氮，计算的相对偏差(RD)结果见表3。

表3 水质自动监测站数据与常规手工监测数据的比对结果

从表3中可以得出，水质自动监测站与常规手工监测的数据可比性整体较好，相对偏差≤±30%的数据量比例为61.3%～100%。其中常规5参数(水温、电导率、pH、溶解氧)可比性最高，相对偏差≤±10%的数据量比例为78.2%～89.1%，≤±30%的数据量比例均为100%；高锰酸盐指数可比性次之，相对偏差≤±10%的数据量比例为36.4%，≤±30%的数据量比例89.1%；而氨氮、总磷、总氮的可比性较差，相对偏差≤±10%的数据量比例仅为19.6%～25.0%，相对偏差≤±10%的数据量比例为61.3%～73.9%。造成氨氮、总磷、总氮数据可比性较差的原因主要为2020年疫情防控的需要，到站维护的次数相对较少，试剂存在过期现象；氨氮、总磷这5个站的含量很低，容易形成较大的偏差；个别月份总氮因藻类生长堵塞管路，导致总氮数据偏高。

4 管理对策

水质自动监测站的数据量庞大，在实时掌握水体的水质状况、分析变化规律等方面有着常规手工监测无可替代的作用，但由于水质自动监测站的数据质量受仪器状态、外界环境(水、电、天气等)、运维状态等诸多因素的影响，时常会有仪器故障[8]导致数据异常现象的产生，因此，必须采取有力的管理对策，保障水质自动监测站的数据质量。

4.1 统一水质自动监测站的计量溯源工作

计量溯源是水质监测数据准确性的重要保证，只有能够计量溯源的数据才是有意义的数据。水质自动监测站不同于实验室常规手工监测，从目前的发展来看，还没有配套的标准物质。因此，要加强水质自动监测站计量技术规范和标准核查方法的制定，以满足计量溯源的需求[9]。

4.2 加强技术人员的培训工作

水质自动监测站对技术人员的要求很高，既要能独立操作诸多仪器设备，又要能及时排除故障，恢复自动监测站的运行。因此，要不断加强技术人员的培训，提高技术人员对仪器构造、原理和自动站运行模式的认识，重点提高数据异常情况的分析能力和常见仪器故障的解决能力。

4.3 加强水质自动监测站的质量控制工作

要对辖区范围所有水质自动监测站统筹制定质量控制计划，可采用零点核查、24 h零点漂移、24 h跨度漂移、标样核查、水样比对、加标回收等方式，对监测数据的质量进行测试，以保障监测数据的准确可靠[10]。

4.4 加强数据审核工作

水质自动监测站受到的干扰因素较多，异常数值的产生是不可避免的，因此要加强数据的审核工作。也可利用spss软件对数据进行聚类分析[11]、相关性分析，剔除异常数值，保证入库数据的质量。

4.5 加强仪器运行维护工作

仪器运行维护主要做好清洗探头和管路、更换试剂和零配件、校准仪器等工作[12]。要严格按照试剂有效周期和设备校准周期，及时更换试剂和校准仪器，保障试剂和标准曲线的时效性；要根据水体的洁净情况、天气情况等加强探头和管路维护清洗工作，保障良好的仪器运行状态；要加强仪器常用零配件的储存，提高仪器零配件更换的效率；要及时排查仪器故障，确保仪器的正常运行。

5 结语

水质自动监测站在实时掌握水体水质状况、预警水质异常情况、计算污染物通量、研究水质变化规律、保障用水安全等方面具有重要作用，但由于监测数据的质量受到诸多因素的影响，容易产生仪器故障和异常数据现象，因此必须采取有力的管理对策，加强水质自动监测站的质量控制和运行维护等工作，提高水质自动监测站监测数据与常规手工监测数据的可比性，确保其监测数据的准确可靠。