地表水環境自動監測技術應用與發展趨勢

劉 京，劉廷良，劉 允，李曉明，李東一，解 鑫，姚志鵬，孫宗光，楊 凱，王業耀

中國環境監測總站,國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京 100012

中國地表水環境質量監測已經開展近40年,完整的監測技術體系保證人工采樣、實驗室分析監測數據的準確性和評價結果的有效性。隨著環境管理需求和監測技術的不斷發展，自動監測也進入了水環境質量監測領域，發揮了在時間和空間上連續性的優勢，彌補了手工監測的不足。如何充分利用自動監測和手工分析的優勢為當前的環境管理需要服務，是我們面臨的重要課題。

1 國內外水質自動監測應用現狀

1.1 國內水質自動監測站的建設與應用

進入21世紀，中國地表水環境質量監測引入了自動監測技術，各部門和地方政府均根據自己的需求建設水質自動監測站(以下簡稱水站)，開展水質的自動監測。自動監測作為手工監測的補充，在監測水質變化及變化趨勢、實時掌握水質狀況以及水質自動監測技術的應用與發展等方面起到了重要作用[1]。

水利部門目前已經建成了大約1 400個水站，用于水功能區限制納污指標體系的監督與考核，另有363個水站列入建設計劃。依據國家《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)和水利部頒布的《水文基礎設施建設及技術裝備標準》(SL 276—2002)、《水資源監控設備基本技術條件》(SL 426—2008)、《水資源監控管理系統數據傳輸規約》(SL 427—2008)和《水環境監測規范》(SL 219—1998)等標準，河道型水站的常規配置為五參數、高錳酸鹽指數和氨氮自動測定儀。湖庫型水站的常規配置為五參數、高錳酸鹽指數、氨氮、總磷和總氮自動測定儀。

各地方政府依托當地環保部門在飲用水水源地和跨省界、市界、縣界河流及其他重要水體上建設了約1 300個水站，監測項目主要是五參數、高錳酸鹽指數、氨氮等。各省水站建設目的多為預警及實時監控，根據污染風險，部分水站有針對性地增加了VOC、重金屬等監測指標，部分飲用水水源地增加了生物毒性指標用于突發性污染事故的防范[2-4]。

自2000年起，經過“十五”“十一五”和“十二五”3個五年計劃的發展，環境保護部陸續在松花江、遼河、海河、黃河、淮河、長江、珠江、太湖、巢湖、滇池等十大流域的重點斷面以及浙閩河流、西南諸河、內陸諸河、大型湖庫以及國界出入境河流上布設了300個水站(已經投入運行的有149個，規劃在建62個，地方建成等待納入國家網的有89個)。初步形成了覆蓋全國31個省(自治區、直轄市)主要水體重點斷面的水質自動監測網絡，具備了一定規模的監測能力。據不完全統計，300個水站分布在29座湖庫、193條河流上，其中有34個國界水站、103個省界水站，259個涉及“十三五”地表水考核斷面，建設共投入資金5.47億元。

水質自動監測網絡的建設實現了環境管理部門對全國主要流域重點斷面水質狀況的掌握。目前水站的自動監測數據應用主要是通過互聯網對公眾實時發布，定期編制《全國主要流域重點斷面水質自動監測周報》，對所在斷面水質變化趨勢的觀測也發揮了重要的作用。

與手工監測相比較，高頻次的自動監測帶來了海量的監測數據。應用自動監測結果，把握水環境質量狀況，落實國家《水污染防治行動計劃》(水十條)，為環境管理提供有力的技術支持，是自動監測面臨的重要課題。

1.2 國外水質自動監測簡況

水質自動監測在國外起步較早。20世紀70年代開始，美國、英國、日本、荷蘭等國家就在河流、湖庫等地表水水體開展自動監測。監測項目以綜合污染指標為基礎，包括水溫、pH、氧化還原電位、溶解氧、濁度、電導率、氨氮、化學需氧量、總需氧量和總有機碳等。單項污染物的自動監測儀器大多還處于研究實驗階段(如重金屬、有機污染物等)。有些儀器由于性能方面存在缺陷(如靈敏度低、長期運行可靠性差)等原因，在一定程度上也限制了它們的發展與使用。

英國在1975年建成泰晤士河流域水環境自動監測系統。該系統由一個數據處理中心和250個子站組成，可監測水溫、pH、溶解氧、電導率、氨氮、硝酸鹽氮、懸浮物、流量等。借助水質模型的計算與實測結果相結合，實現了對更多河段部分水質數據的預測[5-6]。

日本于1967年開始考慮在公共水域設置水質自動監測器。最近的調查結果表明，目前日本由各地方政府投資建設的水站共計7 028個，其中4 524個河流水站、473個湖泊水站、2 031個海域水站。監測項目為pH、生化需氧量、化學需氧量、懸浮物(浮游物質)、溶解氧、總氮和總磷。自動監測的目的是監控該水域水質的污染情況，由各地方政府負責運營[7]。

隨著環境管理的深入和精細化發展，自動監測系統被逐步納入網格化的“環境評價體系”和“自然災害防御體系”。自動監測結果一方面可以為綜合評價水環境質量提供基礎數據，另一方面也可以迅速發現突發性水質污染事故或在自然災害中將水域水質異常情況通過數據傳輸系統及時傳輸到控制中心，幫助環境管理部門把握災害的性質狀態、污染程度及范圍，為科學決策提供依據。

2 水質自動監測技術與儀器狀況

水質自動監測是依托實驗室分析方法發展起來的。20世紀80年代流動注射技術的應用將繁瑣的實驗步驟自動化，實現了對樣品的自動連續分析，使實驗室分析的精密度和分析效率大大提高。水質自動監測則是在此基礎上通過進一步實現采樣步驟的自動化達到對水質連續監測的目的。

目前，水質自動監測的量值傳遞是通過與手工監測的比較實現的。根據與手工監測比對實驗的數據結果對自動監測儀器進行校準，以達到自動監測儀器與手工監測數據結果一致的量值傳遞。

隨著水質自動監測的廣泛應用，國內外儀器設備廠商開發生產了越來越多水質監測項目的自動監測儀器。儀器種類與性能指標見表1～表5。

表1 水質營養鹽及有機污染綜合指數自動監測儀器性能一覽表Table 1 List of performance of nutrient and organic pollution index automatic monitoring instrument for water quality

注：“—”表示無相應指標。

表2 水質常規五參數自動監測儀器性能一覽表Table 2 List of performance of five patameter automatic monitoring instrument for water quality

注：“①” 表示單位為%。

表3 水質無機陰離子自動監測儀器性能一覽表Table 3 List of performance of nutrient and organic pollution index automatic monitoring instrument for water quality

表4 水質有機污染物及其他自動監測儀器性能一覽表Table 4 List of performance of organic pollutant and other index automatic monitoring instrument for water quality

注：“①”表示單位為μg/L;“②”表示單位為個/100 mL；“—”表示無相應指標。

表5 水質金屬及其化合物自動監測儀器性能一覽表Table 5 List of performance of mentals and compounds automatic monitoring instrument for water quality

表1～表5中，根據監測項目的屬性分類，主要包括①五參數：水溫、pH、溶解氧、濁度、電導率；②營養鹽及有機污染綜合指數：高錳酸鹽指數、化學需氧量、總磷、總氮、氨氮、硝酸鹽氮；③無機陰離子：氰化物、氟化物、硫化物、氯化物、硫酸根；④金屬及其化合物：銅、鉛、鋅、鎘、砷、汞、六價鉻、鐵、錳、鈷、鎳、銻；⑤有機污染物：石油類、陰離子表面活性劑以及苯、鹵代烴、芳香烴等18種揮發性有機物；⑥細菌學指標：糞大腸菌群。

雖然《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)涉及的109個項目中，除五日生化需氧量、揮發酚、硒、黃磷、鈹、鉬、釩、鉈、鈦、甲醛及半揮發有機污染物外，均有自動監測儀器可以開展自動監測[8-13]，但是多種儀器的靈敏度不能夠滿足地表水環境質量監測的需要，并沒有在地表水水質監測中實際應用。

3 水質自動監測與手工監測的技術差異性分析

3.1 基本原理

為了達到與手工監測結果的一致性，自動監測儀器的測定原理應盡可能與實驗室分析方法保持一致(如五參數、氨氮、高錳酸鹽指數、化學需氧量和總磷、總氮等多數常規監測項目的儀器測定原理與手工監測是一致的)。為了便于實現分析測試的自動化和減少試劑的種類與用量，有些監測項目自動監測與手工分析的測定原理差異較大(如重金屬的測定采用電化學的方法、石油類采用紫外熒光法、糞大腸菌群采用酶底物法、氨氮則增加了氣敏電極法)。測定方法原理的不同必將帶來自動與手工監測數據間的差異[14-21]。

3.2 靈敏度

在手工監測中，可以根據待測物的濃度采取稀釋、萃取等技術手段，將待測物的濃度調整到最佳測定區域，保證準確測試。但是自動分析由于前處理方法簡單,尚未實現對樣品中待測物的自動富集和基體干擾物質的消除，進樣量小且樣品代表性差，導致部分項目的測定靈敏度不能夠滿足優質水體(Ⅰ、Ⅱ類)準確測定的要求。如目前采用較多的氣敏電極法的氨氮自動監測儀器，其檢出限為0.05 mg/L，準確定量濃度為0.2 mg/L，大于氨氮Ⅰ類水質標準限值(0.15 mg/L)。高錳酸鹽指數自動監測儀器的檢出限為0.5 mg/L，準確定量濃度為2 mg/L，等于高錳酸鹽指數Ⅰ類水質標準限值。銅、鉛、鋅、鎘等重金屬自動分析儀器由于靈敏度不夠且無法消除共存離子的干擾，經常會出現誤報、錯報現象。

3.3 采樣方式

水站通過采水泵在環境水體中提取樣品并分送至各個分析測試儀器。為了便于維護和不妨礙通航，采樣頭一般較靠近河岸邊，且只有一個采樣點，與手工監測中的采樣規范有較大差距。根據《地表水和污水監測技術規范》(HJ/T 91—2002)，評價水環境質量的監測需要根據河寬和水深按照左中右、上中下確定采樣垂線的數量和垂線上采樣點的數量，少則1個采樣點，多則9個采樣點。因此，自動監測采集水樣的代表性就會受到影響，在一些流量不大的水體上采樣結果差異不大，而在大江大河上與手工監測相比可能會存在差異。

綜上所述，水質自動監測與手工監測相比較在技術層面上存在著自動監測儀器覆蓋的監測指標有限、采樣方式無法滿足監測技術規范要求、自動監測儀器測定靈敏度偏低等問題。

4 水質自動監測存在的問題與發展趨勢

4.1 存在問題

經過3個五年的建設，中國已經形成了國家地表水水質自動監測網絡，在近20年的建設和運行中也取得了豐富的經驗。目前，水質自動監測網絡的建設已經形成了相對固定的模式，系統的運行維護也進入相對穩定階段。但是，水質自動監測無論在技術上還是在建設與運維過程中都存在諸多問題。

4.1.1 技術上的差異性

自動監測與手工監測相比存在測試原理和采樣代表性的差異，監測指標少于手工監測，而且自動監測靈敏度低，無法實現優質水體(Ⅰ、Ⅱ類)準確測定等，這些都是目前在監測技術體系中無法解決的問題。因此，采用自動監測數據評價水環境質量，需要對現有的監測技術體系做進一步的改進和完善。

4.1.2 標準與技術規范滯后

地表水的自動監測雖然已經開展了近20年，但是由于沒有建立明確的與手工監測相融合的監測技術體系，自動監測數據在使用上受到了極大限制。

《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中規定的水質監測分析方法為國家標準的手工分析方法，《水質自動監測技術規范》尚未發布。標準與規范的滯后，不僅限制了自動監測數據的使用，同時也影響了自動監測技術的發展。

4.1.3 自然和基礎條件

在自然和基礎設施條件方面，有些斷面雖然在水質評價中很有意義，人工監測沒有問題，但是一旦涉及水站建設，當地的水文、地質等自然條件，交通、電力供應和通訊保障等設施都存在問題，致使水站建設無法進行。

4.1.4 建設與運行經費

在建設經費與運行成本方面，與每月1次的手工監測相比，自動監測的高頻次分析(180次/月)必然帶來監測經費的大幅度增加。根據財政部最新批復的監測經費標準，手工監測為5.0萬元/(斷面·a)，獲取21項監測結果；自動監測(基本配置)為22萬元/(站·a)，獲取7項監測結果。按照目前水站的常規7項配置進行建設和運行，建設成本為185萬元/(站·a)，自動監測儀器使用年限為8 a，屆時的儀器設備更新費用也必須納入按期投入的資金。

如上所述，今后水質自動監測如何發展與國家水環境質量監測技術路線息息相關。手工監測可以準確測試，但是監測頻次低；自動監測項目有限，但是6次/d的高頻率測定，所得到的結果更加真實客觀。

4.2 發展趨勢

4.2.1 拓展自動監測范圍，提高自動監測儀器的準確性

為了提升水質自動監測水平，應在自動監測儀器以監測綜合污染指標為主的現狀條件下，積極研制開發單項污染物的自動監測儀器(如重金屬、有機污染物等),使自動監測能夠覆蓋更多的監測評價指標。同時，進一步完善目前的儀器設備，提高儀器測定的靈敏度和與手工分析的可比性，以滿足監控敏感區域、重點區域水質狀況的需求，達到對優良水體水質準確評價的目的。

4.2.2 提高水質自動監測的集成化水平，實現對地表水水質的動態監控

由于水站系統復雜，建設成本高，運營維護成本也相對較高。水質自動監測應遵循分布廣、質量精、發展穩的原則，根據建站目標和使用目的，采用分類分級建設的方式。

水站建設應采用站房建設與非站房建設相互結合的方式，在沒有建站條件的敏感點位可以通過提高儀器的集成水平建設簡易站、岸邊站或微型站；對湖泊水庫、入海河口或取水困難的點位可以采用太陽能浮標的建站方式。

儀器選型可采用準確測定、趨勢測定等不同形式，對于必須準確測定的斷面(如考核及生態補償)采用定量分析的儀器，對于水質預警與變化趨勢監控斷面(如重點水域、國界河流等)采用不使用試劑的光譜分析儀[22-24]。

4.2.3 強化內控與外控相結合，提高自動監測數據質量

自動監測極大地增加了日常獲取的數據量，如果數據的QA/QC工作沒有做好，面對大量無法取舍的數據將比沒有數據更加可怕。因此有必要開發保障水站運行和數據質量控制的協同軟件，規范水站的運行維護步驟，統一水站的質量控制措施，實現對水站運維的信息化管理。同時進一步明確自動監測數據的審核責任與存入數據庫的程序，保證入庫數據的準確性和有效性。

4.2.4 集成智慧化的水環境自動監控網絡體系，實現流域水環境預警預報

目前自動監測獲得的大量數據尚未得到充分的分析和利用。因此迫切需要開拓數據綜合分析能力，研究將河流水質與流速/流量、污染源排放量等因素相結合，利用適當的數學模型建立相應的輸入響應關系對數據進行分析，找尋不同污染物濃度變化之間的相互聯系，確立水質可能出現變化的閾值點，實現水站對環境水質預警預測的功能。進一步開發監測數據綜合分析工具和預警表征發布平臺，實現預測預警模擬分析的可視化表達[25-26]。

4.2.5 挖掘水質自動監測的應用領域，逐步將自動監測結果用于水環境質量評價

進一步研究自動監測結果與手工監測結果的可比性和等效性，研究自動監測用于水環境質量評價的技術規范與方法。開發適用于自動監測的新的監測分析方法，研制適合不同水質和不同水體的自動監測儀器設備；研究保障自動監測數據質量的質控措施與評價方法；進一步完善水質自動監測技術體系。

5 結語

地表水自動監測技術的應用，實現了環境管理部門對重點斷面水環境質量狀況的實時掌握，為加強水環境質量的監管提供了技術支持與保障。與手工監測相比，自動監測對水質的全天候高頻次分析使其在水質動態監控方面有著不可替代的優勢。要在圍繞水質自動監測與預警預報等方面深入研究的同時，進一步研究自動監測與手工監測結果的可比性與等效性，探索自動監測數據用于水環境質量評價的方法與途徑。研究修訂現行《地表水環境質量標準》中相關指標的監測分析方法，將差異在可接受范圍內指標的分析方法納入到《地表水環境質量標準》中。完善自動監測技術規范，保證自動監測數據的準確性、一致性和可比性，逐步將自動監測結果用于水環境質量評價。

[1] 劉京，周密，陳鑫,等.國家地表水水質自動監測網建設與運行管理的探索與思考[J].環境監控與預警,2014,6(1):10-13.

LIU Jing, ZHOU Mi, CHEN Xin,et al. Study on the construction and management of the quality automatic monitoring network of state surface water[J].Environmental Monitoring and Forewarning,2014,6(1):10-13.

[2] 王經順，鐘聲，郁建橋.水質自動監測系統建設及應用——以京杭運河生態補償站建設為例[J].環境保護,2010,38(4):47-49.

WANG Jingshun, ZHONG Sheng, YU Jianqiao. Construction and application of water quality automatic monitoring system-taking the construction of ecological compensation station of Jinghang canal as an example[J].Environmental Protection,2010,38(4):47-49.

[3] 黃鐘霆，周湘婷，張艷,等.湖南省河流斷面水質自動監測工作探索[J].環境科學與管理,2015,40(4):122-126.

HUANG Zhongting, ZHOU Xiangting, ZHANG Yan,et al. Research on automatic river quality monitoring in hunan[J].Environmental Science and Management,2015,40(4):122-126.

[4] 張祥志.江蘇省水質自動監測系統建設與運行管理[J].環境監測管理與技術,2006,18(2)：6-7.

ZHANG Xiangzhi. Construction and operation management of water quality automatic monitoring system in Jiangsu province[J].The Administration and Technique of Environmental Monitoring,2006,18(2):6-7.

[5] 翟崇治，劉偉.水質監測自動化與實踐[M].北京：中國環境出版社，2015.

[6] 羅毅，李國剛.地表水環境質量監測實用分析方法[M].北京：中國環境科學出版社，2009.

[7] 李虎.環境自動連續監測技術[M].北京：化學工業出版社，2008.

[8] 孫海林，李巨峰，朱媛媛. 我國水質在線監測系統的發展與展望[J].中國環保產業,2009,3:12-16.

SUN Hailin, LI Jufeng, ZHU Yuanyuan. Development and prospect of on-line water quality monitoring system in China[J].China Environmental Protection Industry,2009,3:12-16.

[9] 尹洧. 現代分析技術在水質氨氮監測中的應用[J].中國無機分析化學,2013,3(2):1-5.

YIN Wei. Application of modern analytical techniques in monitoring ammonia nitrogen for water quality Evaluation[J].Chinese Journal of Inorganic Analytical Chemistry,2013,3(2):1-5.

[10] 李軍，王經順. 氨氮在線自動監測儀的現狀與問題[J].污染防治技術,2010,23(1):91-94.

LI Jun, WANG Jingshun. The present situation and problems of on-line automatic monitor of ammonia Nitrogen[J].Environmental Pollution & Control,2010,23(1):91-94.

[11] 左航，馬顥珺，王曉慧.水質氨氮在線監測儀發展現狀[J].環境科學與管理,2012,37(3):130-132.

ZUO Hang, MA Haojun, WANG Xiaohui. Development of online monitoring equipment of ammonia in water[J].Environmental Science and Management,2012,37(3):130-132.

[12] 李軍,王普力.高錳酸鹽指數在線自動監測儀的現狀與問題[J].污染防治技術,2009,31(8):88-89.

LI Jun,WANG Puli.Status and problems of on-line automatic monitor for permanganate index[J].Environmental Pollution & Control,2009,31(8):88-89.

[13] 王伯光，吳嘉，劉慧璇,等.水質總磷總氮在線自動監測技術的研究[J].環境科學與技術,2008,31(3):59-63.

WANG Boguang, WU Jia, LIU Huixuan,et al. Online monitoring technology for aqueous total nitrogen and total phosphorus[J].Environmental Science & Technology,2008,31(3):59-63.

[14] 夏文文，鐘聲，王經順,等.江蘇省太湖流域水質自動監測與手工監測比對情況簡析[J].科技資訊,2011,29:115-117.

XIA Wenwen, ZHONG Sheng, WANG Jingshun,et al.Brief analysis on comparison of water quality automatic monitoring and manual monitoring in Taihu basin of Jiangsu province[J].Science & Technology Information,2011,29:115-117.

[15] 劉京，馬維琦，陳光,等.在線自動監測儀與實驗室國標方法測定地表水中總氮的比對分析[J].中國環境監測,2007,23(2):37-39.

LIU Jing,MA Weiqi,CHEN Guang,et al. Comparison of automatic on-line monitoring instrument and laboratorial national standard method to detect total nitrogen in surface water[J].Environmental Monitoring in China,2007,23(2):37-39.

[16] 洪正昉，徐立紅，劉方.在線自動監測與手工分析地表水總氮的可比性研究[J].中國環境監測,2007,23(6):18-20.

HONG Zhengfang,XU Lihong,LIU Fang,et al. Study on TN of surface water by contrasting on-line automatic monitoring with manual analysis[J].Environmental Monitoring in China,2007,23(6):18-20.

[17] 汪志國,劉廷良.地表水自動監測站高錳酸鹽指數在線監測儀測定誤差原因分析及解決辦法[J].中國環境監測,2006,22(1):66-69.

WANG Zhiguo,LIU Tingliang. The cause of measuring bias and its solving methods of permanganate index automatic analyzer in ground water automatic monitoring station[J].Environmental Monitoring in China,2006,22(1):66-69.

[18] 羅澍，嚴少紅，黃遠峰,等.四種氨氮自動監測儀與實驗室國標方法測定氨氮的比較分析[J].中國環境監測,2010,26(3):32-36.

LUO Shu,YAN Shaohong,HUANG Yuanfeng,et al. Comparison between four automatic on-line monitoring instrument and laboratorial national standard method to determine ammonia-nitrogen in water[J].Environmental Monitoring in China,2010,26(3):32-36.

[19] 蔣晶晶，印軍榮.準確測定高錳酸鹽指數的條件因素探討[J].污染防治技術,2009,22(3):103-104.

JIANG Jingjing,YIN Junrong. Discussion on the condition factors of accurate determination of permanganate index[J].Pollution Control Technology,2009,22(3):103-104.

[20] 許立峰，傅寅，劉軍,等.Seres 2000型高錳酸鹽指數儀器監測數據質量分析[J].污染防治技術,2006,19(5):60-63.

XU Lifeng,FU Yin,LIU Jun,et al. Analysis on the quality of determination data using seres 2000-KMnO4device[J].Pollution Control Technology,2006,19(5):60-63.

[21] 陳麗瓊，茹婉紅，胡勇,等.高錳酸鹽指數測定方法的現狀及研究動態[J].環境科學導刊,2013,32(2):125-128.

CHEN Liqiong,RU Wanhong,HU Yong,et al. Present situation and research trend of determination method of permanganate index[J].Environmental Science Survey,2013,32(2):125-128.

[22] 張苒，劉京，周偉,等.水質自動監測參數的相關性分析及在水環境監測中的應[J].中國環境監測,2015,31(4):125-129.

ZHANG Ran,LIU Jing,ZHOU Wei,et al. Study on the correlation of water quality automatic monitoring parameters and its application in aquatic environment monitoring[J].Environmental Monitoring in China,2015,31(4):125-129.

[23] 王國勝，胡寶祥，張蘭.地表水水質自動監測數據技術評估[J].中國環境監測,2010,26(5):44-46.

WANG Guosheng,HU Baoxiang,ZHANG Lan. The technology assessment of automatic monitoring of surface water data[J].Environmental Monitoring in China,2010,26(5):44-46.

[24] 張苒，周純. 水質自動監測理念更新的探討[M].北京：化學工業出版社,2011：893-896.

[25] 楊大勇，林奎.環境監測自動監測系統信息共享技術研究[J].中國環境監測,2006,22(5):1-5.

YANG Dayong,LIN Kui. Data sharing technique in automatic entironmental survey system[J].Environmental Monitoring in China,2006,22(5):1-5.

[26] 劉曉茹，李貴寶，孫天華.水質監測的自動化、網絡化發展[C]∥第八屆海峽兩岸水利科技交流研討會論文集.廣州：2004.