水质在线质控仪在地表水水质自动监测中的应用探讨

刘婷婷，焦卫华，徐万秀，焦升亮

（1.碧兴物联科技（深圳）股份有限公司，广东 深圳 518000；2.甘肃天平环境检测有限公司，甘肃 嘉峪关 735100）

水质在线自动监测具有连续性、实时性、全天性、自动化等优势，它以信息技术为基础，能够建立水质环境监测数据库，统一收集数据、管理数据和使用数据，及时预警和防范水环境风险，进一步提升水环境管理水平，是信息时代地表水水质环境质量监测发展的方向。

受疫情多点散发与局部聚集性疫情等不可抗力的因素影响，地表水水质自动监测站可能会出现在较长时间内，运维人员无法定期进入站点进行日常维护、试剂更换、耗材更换、仪器校准、部件清洗、质控操作等工作，这有可能导致水质自动监测仪器发生运行异常、试剂耗尽、数据缺失、数据异常等情况。水质在线质控仪可实现无人值守、远程触发、同时实现多个测量因子的质控功能，具体包括加标回收、空白核查、跨度核查、标液核查、多点线性配制、数据补采等功能，这对于提升水质监测自动化、智能化及可靠性有积极意义。

1 水质在线质控仪应用于地表水水质自动监测的必要性分析

1.1 地表水水质自动监测的发展

生态环境部（原国家环保总局）于1999年9月开始，在我国部分主要流域开展了地表水水质自动监测站的试点工作，并分别在松花江、淮河、长江、黄河及太湖流域的重点断面建设了10个水质自动监测站。在试点的基础上，从2000年9月开始，经过“十五”、“十一五”十年的努力，陆续在松花江、辽河、海河、黄河、淮河、长江、珠江、太湖、巢湖、滇池流域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建成了149个水质自动监测站，初步形成了覆盖我国主要水体的水质自动监测网络；依据有关标准和监测规范，进一步优化调整监测点位，制定了“十二五”《国家地表水环境监测网设置方案》，其中国家地表水环境监测网共设置国控断面（点位）972个（河流断面765个、湖库点位207个）；2017年环保部加快推进国家地表水环境质量监测网水质自动监测站建设工作，建立健全以自动监测为主、人工监测为辅的地表水环境质量监测体系，在国家地表水环境质量监测网2 050个考核断面中，初步统计需新建水质自动监测站1 137个；到“十四五”，共建立3 646个国控断面，其中建设了1 837个水质自动监测站[1]。

河流断面基本覆盖全国七大流域（长江流域、黄河流域、淮河流域、海河流域、珠江流域、松花江流域、辽河流域）、三大片区（浙闽片河流、西南诸河、西北诸河）干流及主要支流（流域面积1 000 km2以上），以及跨省和跨市的主要河流（流域面积500 km2以上）；湖库点位覆盖水域面积100 km2以上的大型湖泊、库容10亿 m3以上的大型水库。详见图1。

图1 国家地表水环境质量监测网发展图

1.2 地表水水质自动监测基本指标及监测频次

基本指标：监测9项基本指标，分别是水温、pH值、溶解氧、电导率、浊度、高锰酸盐指数、氨氮、总磷、总氮（湖库增测叶绿素a、透明度等指标）。

监测频次：水温、pH值、溶解氧、电导率、浊度五参数（湖库增测叶绿素a、透明度等指标）每小时1次；高锰酸盐指数、氨氮、总磷、总氮指标4小时1次。

1.3 地表水水质自动监测质量保证与质量控制实施要求

地表水水质自动监站应按照表1规定的质控项目实施水站质控措施，实施频次应不低于表1规定。

表1 质控措施及实施频次

（1）针对所有水站，氨氮、高锰酸盐指数、总磷、总氮应每24小时至少进行1次零点核查和跨度核查；每月至少进行1次多点线性核查；（2）除浮船站外，每月至少进行1次加标回收率自动测试；（3）针对Ⅲ～劣Ⅴ类水体，氨氮、高锰酸盐指数、总磷、总氮每月至少进行1次实际水样比对，Ⅰ、Ⅱ类水体至少半年进行一次实际水样比对；（4）针对Ⅲ～劣Ⅴ类水体，氨氮、高锰酸盐指数、总磷、总氮每月至少进行1次集成干预检查（浊度大于1 000 NTU可不进行集成干预检查）；（5）常规五参数应每月进行一次实际水样比对；每周进行一次标样核查，浮船站如遇天气原因无法登船的可延后进行；（6）叶绿素a、蓝绿藻密度应每月进行一次多点线性核查。

1.4 水质在线质控仪应用的必要性

随着越来越多高新技术被应用在环境自动监测中，以在线自动监测仪器设备为核心，运用现代传感技术、自动分析测量技术、自动控制技术、计算机技术以及相关专用分析软件和通信网络、协议组成的综合性在线自动监测系统，实现了地表水水质在线监测的自动化、信息化[2]。

水质在线质控仪可通过平台软件对监测因子（高锰酸盐指数、氨氮、总磷、总氮）进行选择，并对其进行提取、校时、重启、远程控制系统进入待机、运行模式、监测参数、加标体积、加标配置体积、数据补采、水样体积、进/取液量、触发间隔、触发时间、清洗、复位等参数的设置，具备远程系统控制、维护等功能，将人工监测与自动在线监测技术有机结合，对提升水质自动监测质量控制能力、监测数据质量、质控措施自动化水平有着重要意义。

2 水质在线质控仪在地表水水质自动监测中的应用

单台质控仪最多可同时支持4个不同监测因子的质控功能，具体包括加标回收功能、零点核查、跨度核查、标样核查、线性测试样核查、管路清理、管路填充等功能，具有独立性、保密性、自动化、动态化和高精度在线化的特点，目前应用于地表水水质自动监测站的监测因子为高锰酸盐指数、氨氮、总磷、总氮四个参数。在量程范围内，水质在线质控仪可自动制备任意浓度的质控样，实现水质分析仪远程自动质控和远程运维监管[3]。

2.1 在质控措施中的应用

为确保在线监测仪器监测到的数据能够准确反映水质的真实状况，保证数据真实有效，相关人员应每天对仪器设备进行零点核查、跨度核查、零点24小时漂移核查和跨度24小时漂移核查；每月对水质进行月质控、多点线性、集成干预、水样加标回收等质控工作。其中多点线性是依次测试并均匀覆盖跨度范围内的4个浓度的标准溶液，根据测试结果进行线性拟合，是判断水质自动分析仪可靠性的有力措施。

（1）加标回收功能：通过工控机触发命令后，水质在线质控仪选择因子开始配液，水样管切换到质控仪管路，进入加标池中，同一个周期，既在4小时内可完成同个水样和加标样的测定，不会影响下个周期的测定。其中标液浓度和标液体积可进行设置，采用高精度注射泵计量标液，标液的加入量控制在水样总体积的1%以内，避免了标液对水样的测量影响；同时系统可根据实际水样的测量结果智能调整标液的加入量，确保加标回收率测试过程与实验室保持一致。（2）动态质控样功能：通过工控机触发命令后，水质在线质控仪开始配液，水样管切换到质控仪管路，进入加标池中，可按照仪器的设定模式运行，应用于不同浓度标液的配制工作。（3）水样核查功能：通过工控机触发命令后，水质在线质控仪管路连接，核查模块管路连接，核查模块与监测仪管路连接，中间通过多通阀进行管路切换，应用于零点核查、跨度核查、标液核查、多点线性核查、动态质控样核查等。

2.2 在远程操控中的应用

与传统人工监测相比，水质在线质控仪无需人员现场值守，通过平台远程软件操作实现全程自动化，具有标液现用现配，现用现测的优势。（1）质控核查功能：工作人员可远程操作零点核查、跨度核查、标样核查、多点线性核查、水样加标回收等设置，完成质控要求。（2）远程校准仪器功能：如仪器出现故障，工作人员可远程操作水质质控仪，完成基本的标液配置功能。（3）异常核实功能：如出现异常情况，仪器设备可自动识别。根据异常数据情况，仪器设备可及时响应，动态配置标液，核实仪器是否处于失控状态，及时完成自动监测系统的异常核实工作；具备智能液位检测系统，缺液时仪表会进行告警；具备上电自检和断电保护等功能。（4）远程操作功能：如受新冠疫情多点散发与局部聚集性疫情等不可抗力的因素影响，运维质控工作难以正常开展，运维人员无法进入站点进行日常维护等工作时，运维人员可通过平台远程操作软件，完成水质自动监测站站点零点核查数据、跨度核查数据、多点线性核查数据、加标核查数据、数据补采等质控工作。

2.3 在质控管理中的应用

在人工监测中，人工监测的原始记录与环境监测资料档案的完善性密不可分，在线监测的运行记录也为在线质控技术的应用奠定了重要基础。（1）质控运行记录：工作人员可通过平台界面查看水质质控仪以往的质控运行记录，包括何时启动了何种质控功能（零点核查、跨度核查、标样核查和加标回收）等；水质质控仪告警记录均可以在该界面下查询，告警的类型主要包括“缺水样”、“通讯异常”、“注射泵异常”和“多通阀异常”等故障，做到全过程留痕。（2）质控记录查询：查询质控全程记录可通过开始时间和结束时间进行对应的查询，包括在线自动监测系统的应用、回放、追溯、存储等，如查看反控操作日志等。系统定期对相关仪器运行记录进行备份和保存，保证资料档案的完整性，必要时可以刻录光盘存档，以备查看。

2.4 在监控系统平台中的应用

在线监控系统有水质自动监测站仪器工况查询功能，可通过工况模拟组态图对现场仪器设备运行进行实时监控，通过图形、显示数据、状态图等提供仪器的实时状况。其中在线系统“远程控制”可显示各个监测仪器的监控参数，为相关仪器设备的管理提供依据。

3 结语

综上所述，要更大程度上发挥水质质控仪在地表水水质自动监测中的应用，相关人员可增加其功能设置。（1）补充纯水功能：水质质控仪通过实验室专用纯水机与自来水管连接；对于没有自来水的站点，可与存水器连接。通过平台触发方式控制取水、用水，可补充在线监测仪器设备纯水的使用（如高锰酸盐指数仪器设备应用纯水量较大，更换纯水频率快等）、质控仪的清洁、管路清洗等质控措施，这些应用可以使质控仪在因不可抗力等因素导致运维人员无法到现场时，依旧能发挥积极作用。（2）标样/标液配制功能：运维人员将有证标样/标液放在水质质控仪配置的标样/标液自动进样器中，标样按照证书配制要求进行稀释或标液按照所需浓度进行稀释，通过水质质控仪自动进样器对纯水及标样/标液进样量进行参数设置（可通过平台端或仪器端进行设置），并进行全自动配制定容，再通过多通阀进入相应的在线仪器设备进行监测，此功能可应用于第三方盲样考核、客户方盲样考核、公司内部质量考核及其他外部考核等，实现配制、定容、监测全自动化、无人化操作，减少因运维人员配液或操作不当等因素引起的误差。在线监测结果更能真实展现自动监测仪运行状况，达到人员为辅，水质质控仪全自动化、智能化监测为主的目的。

生态文明建设是关系人民福祉、关乎民族未来的大计，是实现中华民族伟大复兴的中国梦的重要内容。随着经济的快速发展，水质在线监测技术的应用日益受到重视，这就对地表水水质自动监测提出了更高的要求。监测部门在加强水质自动监测仪器（系统)控制的同时，还应加强对水站运维人员业务、专业知识和技能的培训，提高运维监测人员的责任心和综合素质，使其掌握水质自动监测站系统的设备原理和操作技能，在经培训合格上岗后，能独立完成水站维护工作，确保水质在线监测仪器的正常、稳定运行。本文着重探讨了水质在线质控仪在水质自动监测中应用的必要性，旨在提升水质自动监测的质控水平，为在水质自动监测中提供“真、准、全”的更佳监测数据服务。