大明湖水質自動監測與實驗室監測比對研究

朱中竹，于 蓉，劉 鵬，王帥帥，郭 偉，梁晶晶

(1.濟南市水文局，山東 濟南 250014；2.山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250013)

大明湖位于濟南市市中心偏東北處、舊城區北部，由眾多泉水匯流而成，是濟南重要的風景名勝和聞名中外的旅游勝地。近年來，隨著景區的開放，游人數量的增多，能實時了解湖水水質的動態變得緊迫和重要。水質自動監測因能實現連續在線監測，數據遠程查詢及控制，可對水質進行全天候監測，并能及時預警和防范水環境風險等優勢而廣受關注[1-5]。目前，自動在線監測在我國水質監測系統中已廣泛應用，但也存在一些問題和不足[6-7]，如管理松懈、穩定性差等。本文以大明湖新建水質自動監測站為基礎，從2019年3月至12月開展常規五參數(水溫、pH值、濁度、電導率、溶解氧)及高錳酸鹽指數、總氮和總磷8個參數的自動監測和實驗室人工監測比對實驗，以實時掌握湖水水質情況，了解自動監測結果的準確性，分析誤差來源，為監測站維護提供技術支撐。

1 樣品采集及質量控制

1.1 樣品采集

每月取樣1次，自動監測與人工監測同時同點取樣比對。取樣后，現場監測水溫和電導率，其他項目現場固定或處理后及時送回實驗室，同時記錄自動監測站數值。

1.2 質量控制

實驗室監測的水樣采集、前處理、運輸、實驗室分析、數據修約等全過程均嚴格按照《水環境監測規范》(SL219)的要求實施質量控制。自動監測站的系統運行、日常維護、例行巡檢、質控措施嚴格遵循《地表水水質自動監測站維護技術規范》執行。

2 結果分析

2.1 相對偏差和正負偏離情況分析

將實驗室監測數值和自動監測站數值的平均值進行相對偏差(RD)統計，計算公式如下：

對所得的數據進行統計，得到自動監測站數值的相對偏差變化范圍和偏離情況如表1。

表1 自動監測站數值的相對偏差和偏離情況統計

水環境監測規范(SL219)中規定，比較自動監測儀器監測結果與國家標準物質分析方法檢測結果的相對誤差不應超±15%[8]。在此以相對偏差±15%以內的數據為合格數據[9-11]。從表1可見，各參數的相對偏差差距較大，波動范圍大，尤其是濁度、高錳酸鹽指數和總氮；8個參數中，水溫、pH值、電導率和溶解氧的相對誤差小于±15%，比對合格率為100.0%，說明水溫、pH值、電導率和溶解氧的自動監測結果與實驗室監測結果有較好的一致性，自動監測站數據可直接使用。

濁度的相對誤差大于±15%，合格數據占0.0%。高錳酸鹽指數、總氮和總磷的相對誤差大于±15%，合格數據所占比例大于60%，認為在水質趨勢分析或應急監測時，此三指標可借鑒；總磷是反應湖泊富營養化的重要指標，監測結果易受水中藻類等的影響，且本身數值小，稍小的波動便導致較大的相對誤差。從正偏離情況來看，有70%以上的高錳酸鹽指數、總氮和濁度自動監測數據較實驗室監測數值大。

2.2 相關性分析

用SPSS軟件將兩組數據進行配對樣本T檢驗，得到數據如表2。從表2可知，各參數自動監測值和實驗室監測值均呈現正相關的趨勢，其中水溫、電導率、溶解氧、濁度和總磷是強相關，pH呈中等相關，高錳酸鹽指數和總氮相關性弱。進行配對T檢驗的樣本必須符合正態分布，因樣本數小，以K-S結果為準，若sig.>0.05，則服從正態分布。經檢驗，濁度和高錳酸鹽指數兩組數據不符合正態分布，不再進行配對樣本T檢驗。其他參數T檢驗結果顯示，水溫、pH值、電導率、總磷和總氮的雙側Sig>0.05，說明自動監測站監測數據和實驗室監測數據的均值不存在顯著性差異，但溶解氧的雙側Sig<0.05，說明溶解氧兩組數據的均值存在顯著性差異。

表2 相關性分析結果

標準偏差表示樣本數據的離散程度，數值越小，數據越聚集。從總體看，水溫、電導率、濁度和總氮的標準偏差大，說明此4參數隨時間變化波動范圍大。從單個項目看，自動監測的水溫、pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數、總氮和總磷的標準偏差較實驗室監測數值小，說明自動監測站數據較實驗室數據聚集性好；而電導率和濁度相反，說明自動監測結果較實驗室監測結果離散程度大。

3 結論

(1)自動監測站的水溫、pH值、電導率和溶解氧與實驗室監測結果有較好的一致性，監測站數據可用。高錳酸鹽指數和總氮可用做水質趨勢分析或應急監測時的定性指標，而濁度數據暫不可用，有待進一步分析查找原因。

(2)各參數自動監測數值和實驗室監測數值都呈正相關。配對T檢驗顯示，水溫、pH值、電導率、總磷和總氮的自動監測數據和實驗室監測數據的均值不存在顯著性差異。

(3)水溫、電導率、濁度和總氮的標準偏差大，說明此4個參數隨時間變化波動范圍大。自動監測的水溫、pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數、總氮和總磷的標準偏差較實驗室小，而電導率和濁度相反。

4 討論

根據以上結論，分析認為造成結果偏差較大的原因主要有以下幾點：

(1)檢測原理、方法依據和監測環境存在差異。濁度易受水中懸浮顆粒物等的干擾，現場檢測和室內監測環境存在差異。溶解氧監測方法不同，可能導致結果偏差。

(2)靈敏度。人工監測過程中可根據待測物的濃度及時采取稀釋、萃取、去干擾等措施，自動監測設備無法選擇性的消除干擾物或消除效果無法判斷，導致部分項目的靈敏性不能滿足要求。

(3)人員的素質和責任意識是保證監測數據準確性和可靠性的重要保障。監測/運維人員能否發現數據偏移等問題并及時解決，也是確保數據準確的重要因素。

自動監測可大大節省人力、物力，對水質進行全天候的動態監測，但需杜絕“重建設、輕管理”的現象。建議在自動監測站的運行中，主動加強與運維商的溝通，加強儀器的日常校準維護，定期或不定期的使用質控樣或密碼樣等進行質量控制，加強維護人員的業務學習與考核，保證監測數據的準確性。