綜合水文水質自動監測系統構建的探討

季秋宇 繆浩川

摘要：根據水污染防治行動計劃，大力推進生態文明建設、改善水環境質量的總體要求，在穩步推進國家地表水考核斷面水質自動監測站建設過程中，仍存在一系列問題。尤其是新建監測站點投入過大、數量有限、覆蓋范圍不足，部分新建監測站點和已有的水文監測站網重合度較高，造成重復建站等問題。針對該問題，長江口水文水資源勘測局近年積極探索水文水質自動監測系統架構和實施方案，提出對現有水文水質監測站網進行改造升級，使其能符合國家地表水監測的要求;將改造后的測站與新建自動監測站組成綜合水文水質自動監測系統，并通過匯總監測數據，形成全國水文水質自動監測站網一張圖。實踐結果表明，該系統可實現水環境實時在線監測，并能連續、及時、準確的反映水質指標數據變化狀況，可為水環境污染突發事件及其應急處置措施提供科學的決策依據。

關鍵詞：水文水質監測系統;監測站網;水環境;自動監測

中圖法分類號：X84

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j .cnki. slsdkb.2019.08.012

1 研究背景

20世紀以來，環境污染問題日益突出，尤其是水環境污染問題，受到人們越來越多的關注，水質監測和水處理技術已成為研究重點。

2015年4月2日，國務院發布《水污染防治行動計劃》，明確大力推進生態文明建設，以改善水環境質量為核心的總體要求，對江河湖海實施分流域、分區域、分階段科學治理，系統推進水污染防治、水生態保護和水資源管理。截至2018年3月，全國已建成和規劃中的國家地表水考核斷面水質自動監測站（以下簡稱“自動監測站”）達3 200多個[1]。

隨著國家自動監測站建設的推進，本文主要探討了如何將全國各地目前已有的水文監測站網納入水質監測體系，實現兩者互相協同和補充，組成完整的水文水質自動監測系統，并將監測數據匯總，形成全國一張圖的水文水質監測站網。

2 水質監測的重要性和必要性

水是生命之源，生產之要，生態之基，是人類生產活動的必要條件，也是地球生命存在的基礎。人類生產活動中如果忽略水環境污染問題，將造成嚴重后果。

造成水環境污染的主要原因有：①自然污染，即由于自然規律的變化和土壤中礦物質對水源的污染;②人為污染，即人類生活、生產活動所造成的污染，包括工業廢水污染、農業污染、生活污水污染以及城市生活垃圾帶來的水污染。

日趨加劇的水污染問題已對人類的生存安全構成重大威脅，成為人類健康、經濟和社會可持續發展的重大障礙。據調查，全球每天有5萬余人因飲用不衛生的水而死亡;在發展中國家，各類疾病的傳播有80%是因為飲用了不衛生的水;此外，水污染還影響工業生產，破壞經濟發展[2]。

因此，加強水質監測，大力推進水污染防治，對于水資源管理與保護具有重要意義[3]。我國水質監測工作相對于歐美國家起步較晚，目前已基本形成一個以大江、大河、湖泊為監測對象的監測網，建立了比較完善且符合我國國情的布點、采樣、運輸、分析、報告等方面的技術規范。在一些重要的河流湖庫，已經開始建立水質自動監測站[4]。

3 存在的問題

在當前自動監測站建設推進過程中，仍存在以下問題[5]。

（1）自動監測站建設選址難度大、建設周期長、手續繁雜，加之成本投入等方面的限制，自動監測站主要覆蓋我國大中型流域，無法有效覆蓋中小型江河流域、湖泊等水體，而黑臭水體、污水偷排等現象往往發生在中小流域水體中。由于我國中小流域數量眾多，若全部設立自動監測站需要投入大量的資金和人力物力，既不符合社會資源合理配置的要求，也不符合“共抓大保護，不搞大開發”的治江思路。

（2）目前已投運的自動監測站的建設方式主要為固定站房，配備相關儀器和人員并采用人工或自動方式收集數據。自動監測站對于工作環境要求很高，而管路易滋生微生物，采集水樣經過長距離輸送，其電導率、高錳酸鹽指數、溶解氧、化學需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、總磷（以P計）、總氮（湖、庫以N計）等水質指標易發生變化，數據結構缺乏代表性。

（3）已布設的自動監測站站網覆蓋范圍有限，與其相鄰斷面或站點的區間跨度達到數百公里，無法有效監測區間內的水質變化情況。地處偏遠、環境惡劣的地區很難實現自動監測站的規劃建設。

（4）在實際水體中，污染物的擴散規律受到水體流速、流向、含沙量等因素的影響，而目前自動監測站所收集的數據并不包括流速、流向、含沙量等指標。

4 構建水文水質自動監測系統

為解決上述問題，建議將目前已有的水文監測站網改造升級，使之能夠適應地表水水質監測的要求;充分利用全國已有的水文監測站網，與已建成的自動監測站互相協同、互為補充，組成綜合水文水質自動監測系統;將監測數據匯總，形成全國綜合水文水質自動監測站網一張圖（見圖1）[6]。

根據目前國家水質自動監測站系統相關標準，自動監測儀器配置主要分為常規監測項目和選測項目。其中，常規監測項目為水質基本參數，包括溫度、pH、溶解氧、電導率及濁度、氨氮、高錳酸鹽指 數/總有機碳等;選測項目包括總氮、總磷、葉綠素a等富營養化指標以及生物毒性和揮發性有機污染物。

隨著各地水環境實驗室和水環境監測中心的成立，水文部門的監測技術和監測能力正不斷加強，相關監測項目與自動監測站重合度較高，例如水溫、pH、溶解氧、電導率及濁度、氨氮、高錳酸鹽指數、總有機碳、總氮、總磷、揮發性有機污染物等，采用的監測方式、分析方法、技術標準也幾乎一樣。水文部門在水位、流量、水情、水勢分析預報方面的技術方法和能力更加全面。因此，將現有水文水質監測站網與自動監測站網統籌規劃、互為補充，組成綜合水文水質自動監測系統，在理論和技術方法上都是可行的[7]。

水文水質自動監測系統的優點如下。

（1）對現有水文測報站網和水文站點進行改造升級，可使之適應地表水水質監測的要求，有效解決新建自動監測站成本投入高的問題;同時，還可大幅減少重復建站現象，優化社會資源配置，保護流域生態。

（2）現有水文監測站網普遍已實現自動化監測和信息化傳輸，技術人員和信息化傳輸設備配置齊全。測站經改造升級后，技術人員有能力現場完成水樣檢測或就近送檢，避免樣品經長距離運輸導致數據結構缺乏代表性的問題，同時也有效解決了監測時效落后、監測頻率低、監測能力不足等問題。

（3）目前已有水文監測站網覆蓋范圍廣，可有效覆蓋多數中小型流域、湖泊等水體，而且還廣泛分布于偏遠、環境惡劣的地區。隨著水文監測浮標和數據遠程傳輸技術不斷發展和成熟，可以在重點區域或相距較遠的兩站點之間布置監測浮標，有效解決監測站網覆蓋范圍有限的問題。水質檢測浮標及其結構見圖2，3。

（4）現有水文監測站網不僅具備監測水體流速流向、水體含沙量的能力，而且存有歷史連續資料，對于研究污染物在實際水體中的擴散規律以及污染物受到水體流速流向、含沙量等因素的影響，具有重要意義[8]。

5 系統實施方法

5.1 系統架構

將現有水文監測站網改造升級，與規劃建成的國家地表水考核斷面和水質自動監測站互相協同，互為補充，組成綜合水文水質自動監測系統[9]。

監測系統包括數據接收站（中心站）和監測站點。監測站點包括國家地表水考核斷面水質自動監測站，完成改造升級的水文監測站網中的站點以及重點區域布置的監測浮標等。

數據接收站和監測站點通過無線網絡連接，利用無線傳輸信道如GPRS/CDMA/3G/4G/5G/衛星信號等，進行數據傳輸和交互;監測站點將地表水指標監測數據發送至數據接收站（中心站）;數據接收站（中心站）自動核查數據，并將核查后的數據發送至監測中心[1O-11]。

監測站點用于監測所在水體的各項指標，使用的儀器包括：監測水體濁度、含沙量的濁度儀;監測水體流速、流向、流量的聲學多普勒流速剖面儀;監測水體水溫、pH、電導率、鹽度、高錳酸鹽指數、溶解氧、化學需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH。-N）、總磷（以P計）、總氮（湖、庫，以N計）等指標的傳感器（儀）。

監測浮標分為：①浮體式監測浮標，通過錨定河床的方式固定，搭載監測儀器;②水下沉塊式監測裝置，搭載監測儀器。

5.2 水文水質自動監測方法

水文水質自動監測系統的方法包括監測站點實時監測所在水體的各項指標：水溫、pH、電導率、鹽度、濁度、含沙量、流速、流向、流量、高錳酸鹽指數、溶解氧、化學需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、總磷（以P計）、總氮（湖、庫。以N計）等。

6 實施案例

長江口水文水資源勘測局（以下簡稱“長江口局”）自2014年開始探索水文水質自動監測系統的構架和實施方案，并已經通過實踐證明了利用水文監測站網構建水文水質自動監測系統的可行性。

2014～ 2017年，通過在崇明洲頭站、六激站、靈甸港站、連興港站4個站點布置SBE37-SM型溫鹽深測量系統，收集該區域內水溫和鹽度數據，用于研究該區域內的長江口北支海水倒灌機理。該系統可以同時收集電導率、含氧量、含氮量等數據，用于監測區域的水質變化情況。

長江口局于2018年10月在白茆、楊林、共青圩3站點增加布設監測系統，與崇明洲頭、六激共同組成小范圍的監測網，將上海市青草沙水庫以及崇明島等重要水源地納入監測范圍，對該水域水環境進行實時在線監測，連續、及時、準確地監測水質指標數據變化狀況，對水污染情況進行及時準確的預警[12-13]，為水環境污染突發事件及其應急處置措施提供科學的決策依據。

7 結語

利用已有的水文監測站網與新建的國家地表水考核斷面水質自動監測站互相協同、互為補充，組成完整的水文水質自動監測系統，并將監測數據匯總，形成全國一張圖的水文水質自動監測網，可以有效解決新建國家地表水考核斷面水質自動監測站投入成本高，獨立地表水水質監測站網覆蓋范圍有限，以及目前地表水監測時效落后、監測頻率低、監測能力不足等問題。該系統對研究污染物在實際水體中的擴散規律，污染物受水體流速流向、水體含沙量的影響等科研課題具有重要意義，而且可為合理配置社會資源，促進水文監測站網改造升級，推動智慧水文、現代水文發展，推進社會主義生態文明建設和水污染防治計劃等國家戰略發揮積極作用。

參考文獻：

[1] 國家環保部，中國環境狀況公報（2008）[M].北京：中國環境科學出版社，2009.

[2]胡必彬.我國十大流域片水污染現狀及主要特征[J].重慶環境科學，2003（6）：15-17.

[3] 水利部水文司環境資源處，水環境監測是管理水資源保護水環境的基礎和手段[J：水利技術監督，1998（2）：14- 21.

[4] 張穎.淺談我國地表水水質監測現狀[J].科技信息，2011（26）：59-59.

[5] 高娟，華珞，滑麗萍，等.地表水水質監測現狀分析與對策[J].首都師范大學學報（自然科學版），2006（2）：75-80.

[6]皇甫錚，吳曼妍.水質自動監測系統的建設及應用研究[J].智能城市，2018，4（23）：122-123.

[7]邢夢林，王瀟磊，鄭瑤，等.淺談水質自動監測系統的建設及應用研究[J].環境科學與管理，2013（10）：40-42.

[8]李明新，王暉，淺談流域地表水水質監測網絡[J].山東環境，2000（7）：58-59.

[9]項小清，水質監測的監測對象及技術方法綜述[J--低碳世界，2013（6）：70-71.

[10] 區暉.水質自動監測系統運行過程中的質量保證和質量控制[J].現代科學儀器，2005（3）：62-65.

[11]萬黎，劉玉，賈坤，等.地表水自動監測網數據自動審核的創新與實踐[J].中國環境管理干部學院學報，2010，20（6）：59-62，70.

[12] 齊文啟，陳光，孫宗光.水質環境監測技術和儀器的發展[J].現代化學儀器，2003，（6）：8-12.

[13]周冰，王麗偉，程景，等.淺談地表水水質在線自動監測預警[C]//第五屆中國湖泊論壇論文集，長春：吉林人民出版社，2015.