综合水文水质自动监测系统构建的探讨

季秋宇 缪浩川

摘要：根据水污染防治行动计划，大力推进生态文明建设、改善水环境质量的总体要求，在稳步推进国家地表水考核断面水质自动监测站建设过程中，仍存在一系列问题。尤其是新建监测站点投入过大、数量有限、覆盖范围不足，部分新建监测站点和已有的水文监测站网重合度较高，造成重复建站等问题。针对该问题，长江口水文水资源勘测局近年积极探索水文水质自动监测系统架构和实施方案，提出对现有水文水质监测站网进行改造升级，使其能符合国家地表水监测的要求;将改造后的测站与新建自动监测站组成综合水文水质自动监测系统，并通过汇总监测数据，形成全国水文水质自动监测站网一张图。实践结果表明，该系统可实现水环境实时在线监测，并能连续、及时、准确的反映水质指标数据变化状况，可为水环境污染突发事件及其应急处置措施提供科学的决策依据。

关键词：水文水质监测系统;监测站网;水环境;自动监测

中图法分类号：X84

文献标志码：A

DOI：10.15974/j .cnki. slsdkb.2019.08.012

1 研究背景

20世纪以来，环境污染问题日益突出，尤其是水环境污染问题，受到人们越来越多的关注，水质监测和水处理技术已成为研究重点。

2015年4月2日，国务院发布《水污染防治行动计划》，明确大力推进生态文明建设，以改善水环境质量为核心的总体要求，对江河湖海实施分流域、分区域、分阶段科学治理，系统推进水污染防治、水生态保护和水资源管理。截至2018年3月，全国已建成和规划中的国家地表水考核断面水质自动监测站（以下简称“自动监测站”）达3 200多个[1]。

随着国家自动监测站建设的推进，本文主要探讨了如何将全国各地目前已有的水文监测站网纳入水质监测体系，实现两者互相协同和补充，组成完整的水文水质自动监测系统，并将监测数据汇总，形成全国一张图的水文水质监测站网。

2 水质监测的重要性和必要性

水是生命之源，生产之要，生态之基，是人类生产活动的必要条件，也是地球生命存在的基础。人类生产活动中如果忽略水环境污染问题，将造成严重后果。

造成水环境污染的主要原因有：①自然污染，即由于自然规律的变化和土壤中矿物质对水源的污染;②人为污染，即人类生活、生产活动所造成的污染，包括工业废水污染、农业污染、生活污水污染以及城市生活垃圾带来的水污染。

日趋加剧的水污染问题已对人类的生存安全构成重大威胁，成为人类健康、经济和社会可持续发展的重大障碍。据调查，全球每天有5万余人因饮用不卫生的水而死亡;在发展中国家，各类疾病的传播有80%是因为饮用了不卫生的水;此外，水污染还影响工业生产，破坏经济发展[2]。

因此，加强水质监测，大力推进水污染防治，对于水资源管理与保护具有重要意义[3]。我国水质监测工作相对于欧美国家起步较晚，目前已基本形成一个以大江、大河、湖泊为监测对象的监测网，建立了比较完善且符合我国国情的布点、采样、运输、分析、报告等方面的技术规范。在一些重要的河流湖库，已经开始建立水质自动监测站[4]。

3 存在的问题

在当前自动监测站建设推进过程中，仍存在以下问题[5]。

（1）自动监测站建设选址难度大、建设周期长、手续繁杂，加之成本投入等方面的限制，自动监测站主要覆盖我国大中型流域，无法有效覆盖中小型江河流域、湖泊等水体，而黑臭水体、污水偷排等现象往往发生在中小流域水体中。由于我国中小流域数量众多，若全部设立自动监测站需要投入大量的资金和人力物力，既不符合社会资源合理配置的要求，也不符合“共抓大保护，不搞大开发”的治江思路。

（2）目前已投运的自动监测站的建设方式主要为固定站房，配备相关仪器和人员并采用人工或自动方式收集数据。自动监测站对于工作环境要求很高，而管路易滋生微生物，采集水样经过长距离输送，其电导率、高锰酸盐指数、溶解氧、化学需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、总磷（以P计）、总氮（湖、库以N计）等水质指标易发生变化，数据结构缺乏代表性。

（3）已布设的自动监测站站网覆盖范围有限，与其相邻断面或站点的区间跨度达到数百公里，无法有效监测区间内的水质变化情况。地处偏远、环境恶劣的地区很难实现自动监测站的规划建设。

（4）在实际水体中，污染物的扩散规律受到水体流速、流向、含沙量等因素的影响，而目前自动监测站所收集的数据并不包括流速、流向、含沙量等指标。

4 构建水文水质自动监测系统

为解决上述问题，建议将目前已有的水文监测站网改造升级，使之能够适应地表水水质监测的要求;充分利用全国已有的水文监测站网，与已建成的自动监测站互相协同、互为补充，组成综合水文水质自动监测系统;将监测数据汇总，形成全国综合水文水质自动监测站网一张图（见图1）[6]。

根据目前国家水質自动监测站系统相关标准，自动监测仪器配置主要分为常规监测项目和选测项目。其中，常规监测项目为水质基本参数，包括温度、pH、溶解氧、电导率及浊度、氨氮、高锰酸盐指 数/总有机碳等;选测项目包括总氮、总磷、叶绿素a等富营养化指标以及生物毒性和挥发性有机污染物。

随着各地水环境实验室和水环境监测中心的成立，水文部门的监测技术和监测能力正不断加强，相关监测项目与自动监测站重合度较高，例如水温、pH、溶解氧、电导率及浊度、氨氮、高锰酸盐指数、总有机碳、总氮、总磷、挥发性有机污染物等，采用的监测方式、分析方法、技术标准也几乎一样。水文部门在水位、流量、水情、水势分析预报方面的技术方法和能力更加全面。因此，将现有水文水质监测站网与自动监测站网统筹规划、互为补充，组成综合水文水质自动监测系统，在理论和技术方法上都是可行的[7]。

水文水质自动监测系统的优点如下。

（1）对现有水文测报站網和水文站点进行改造升级，可使之适应地表水水质监测的要求，有效解决新建自动监测站成本投入高的问题;同时，还可大幅减少重复建站现象，优化社会资源配置，保护流域生态。

（2）现有水文监测站网普遍已实现自动化监测和信息化传输，技术人员和信息化传输设备配置齐全。测站经改造升级后，技术人员有能力现场完成水样检测或就近送检，避免样品经长距离运输导致数据结构缺乏代表性的问题，同时也有效解决了监测时效落后、监测频率低、监测能力不足等问题。

（3）目前已有水文监测站网覆盖范围广，可有效覆盖多数中小型流域、湖泊等水体，而且还广泛分布于偏远、环境恶劣的地区。随着水文监测浮标和数据远程传输技术不断发展和成熟，可以在重点区域或相距较远的两站点之间布置监测浮标，有效解决监测站网覆盖范围有限的问题。水质检测浮标及其结构见图2，3。

（4）现有水文监测站网不仅具备监测水体流速流向、水体含沙量的能力，而且存有历史连续资料，对于研究污染物在实际水体中的扩散规律以及污染物受到水体流速流向、含沙量等因素的影响，具有重要意义[8]。

5 系统实施方法

5.1 系统架构

将现有水文监测站网改造升级，与规划建成的国家地表水考核断面和水质自动监测站互相协同，互为补充，组成综合水文水质自动监测系统[9]。

监测系统包括数据接收站（中心站）和监测站点。监测站点包括国家地表水考核断面水质自动监测站，完成改造升级的水文监测站网中的站点以及重点区域布置的监测浮标等。

数据接收站和监测站点通过无线网络连接，利用无线传输信道如GPRS/CDMA/3G/4G/5G/卫星信号等，进行数据传输和交互;监测站点将地表水指标监测数据发送至数据接收站（中心站）;数据接收站（中心站）自动核查数据，并将核查后的数据发送至监测中心[1O-11]。

监测站点用于监测所在水体的各项指标，使用的仪器包括：监测水体浊度、含沙量的浊度仪;监测水体流速、流向、流量的声学多普勒流速剖面仪;监测水体水温、pH、电导率、盐度、高锰酸盐指数、溶解氧、化学需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH。-N）、总磷（以P计）、总氮（湖、库，以N计）等指标的传感器（仪）。

监测浮标分为：①浮体式监测浮标，通过锚定河床的方式固定，搭载监测仪器;②水下沉块式监测装置，搭载监测仪器。

5.2 水文水质自动监测方法

水文水质自动监测系统的方法包括监测站点实时监测所在水体的各项指标：水温、pH、电导率、盐度、浊度、含沙量、流速、流向、流量、高锰酸盐指数、溶解氧、化学需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、总磷（以P计）、总氮（湖、库。以N计）等。

6 实施案例

长江口水文水资源勘测局（以下简称“长江口局”）自2014年开始探索水文水质自动监测系统的构架和实施方案，并已经通过实践证明了利用水文监测站网构建水文水质自动监测系统的可行性。

2014～ 2017年，通过在崇明洲头站、六激站、灵甸港站、连兴港站4个站点布置SBE37-SM型温盐深测量系统，收集该区域内水温和盐度数据，用于研究该区域内的长江口北支海水倒灌机理。该系统可以同时收集电导率、含氧量、含氮量等数据，用于监测区域的水质变化情况。

长江口局于2018年10月在白茆、杨林、共青圩3站点增加布设监测系统，与崇明洲头、六激共同组成小范围的监测网，将上海市青草沙水库以及崇明岛等重要水源地纳入监测范围，对该水域水环境进行实时在线监测，连续、及时、准确地监测水质指标数据变化状况，对水污染情况进行及时准确的预警[12-13]，为水环境污染突发事件及其应急处置措施提供科学的决策依据。

7 结语

利用已有的水文监测站网与新建的国家地表水考核断面水质自动监测站互相协同、互为补充，组成完整的水文水质自动监测系统，并将监测数据汇总，形成全国一张图的水文水质自动监测网，可以有效解决新建国家地表水考核断面水质自动监测站投入成本高，独立地表水水质监测站网覆盖范围有限，以及目前地表水监测时效落后、监测频率低、监测能力不足等问题。该系统对研究污染物在实际水体中的扩散规律，污染物受水体流速流向、水体含沙量的影响等科研课题具有重要意义，而且可为合理配置社会资源，促进水文监测站网改造升级，推动智慧水文、现代水文发展，推进社会主义生态文明建设和水污染防治计划等国家战略发挥积极作用。

参考文献：

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[13]周冰，王丽伟，程景，等.浅谈地表水水质在线自动监测预警[C]//第五届中国湖泊论坛论文集，长春：吉林人民出版社，2015.