南京大胜关水质自动监测与人工监测比对分析

李林泽　刘飞　叶南　李志亮　朱锐

摘要：为了系统研究水质自动监测数据与实验室人工监测数据的差异，以南京大胜关水质自动监测站为研究对象，选取水温.pH、溶解氧、氨氮、总磷、总氮、高锰酸盐指数、浊度、电导率等9个项目，分别进行了自动监测和人工监测数据的对比实验研究。监测数据的相对误差、地表水评价类别分析表明：高锰酸盐指数、总磷、总氮的人工监测数值较自动监测数值偏小，氨氮则偏大。两种方法测得的总氮及高锰酸盐指数存在显著性差异。高锰酸盐指数、总氮、总磷的自动监测与人工监测结果所反映的水质类别基本一致。自动监测结果可为该断面水质评价提供定性参考，而定量判断必须基于实验室标准方法监测结果。

关键词：水质监测;自动监测;人工监测;相对误差;大胜关站;长江南京河段

中图法分类号：X832 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.07.012

1概述

1.1研究背景

我国水质自动监测站建设始于2000年。近年来，随着自动化以及信息化水平的提高，在水环境管理中，水质自动监测技术日益体现出快速便捷、信息量大、连续性强的优势。相比人工监测，自动监测更能及时反映水环境质量的变化，对突发水环境污染事件能做出快速响应，因此水质自动监测系统的建设和应用也得到了长足的发展。然而，相较于人工监测的机动响应、质控措施齐全、数据有法律效应等优点，目前，自动监测还存一些问题，如自动监测站常建在河流断面的左岸或右岸，监测数据难以有效代表全断面水质真实状况以及选用非标分析方法所引入的方法误差影响数据的准确性等-3。同时，由于前处理方式的差异引入系统误差等因素，影响了水质自动监测数据的可靠性及应用范围。本研究以南京大胜关自动监测站为例，通过对多个测次、多个分析项目的人工数据与自动监测数据的系统分析，探讨了自動监测数据与人工监测数据的对比情况，以期为自动监测数据的有效应用提供基础支撑。

1.2研究对象

南京大胜关水质自动监测站由长江水利委员会（以下简称“长江委”）长江下游水文水资源勘测局与江苏省南京市环保局共同建设，并于2014年通过验收投产使用。该测站在长江下游段率先实现了水质水量同步监测。测站所处水功能区为渔业工业、农业用水区，上起江宁河口，下至秦淮新河口，控制河长9.6km，执行水质目标为GB3838-2002《地表水环境质量标准》I类标准。测站占地面积约为90m'（不含岸上实验室），监测指标包括水文水环境二大类共16项，监测环境指标分别为pH、水温、浊度、电导率、溶解氧氨氮、高锰酸盐指数、总磷、总氮等9项。测站建于长江大胜关江段右岸边趸船上，位置为31.96192N，118.640789E，所处断面为长江下游千流，宽1.5km，水流平稳。测站上游右岸200m处为板桥河口，上游右岸1600m处有华润热电站，距下游南京长江第三大桥600m。板桥河是南京市重要的通江河道之一，中上游位于南京市江宁区，下游位于南京市雨花台区，河道总长20.21km。现有板桥河闸位于板桥河距人江口950m处，该闸建于1996年，主要作用是汛期长江高水位时关闸挡洪，低水位时拦蓄上游来水，满足引水灌溉和景观的需要。近年来，因城市内涝发生次数低、程度轻，板桥河闸长期处于关闸状态，河闸距板桥河口900m河道主要为长江倒灌水，对长江干流水质基本无影响。事实上，大.胜关自动监测站在建站之初考虑到自动监测数据受采样口位置、上游支流冲水及污染物空间分布等因素;影响，将自动监测站采样口设定在水质条件较为不利的位置，使其可更好发挥预警作用。

大胜关水质自动监测站配备了常规五参数分析仪K100（pH、溶解氧、水温、浊度电导率）、高锰酸盐指数分析仪K301A、氨氮分析仪TresConUNO、总氮磷分析仪K301TNP、自动采样器SP4等设备。其中，pH值参照标准为GB6920-86《水质pH值的测定玻璃电极法》，电导率的参照标准为HJ/T97-2003《电导率水质自动分析仪技术要求》，溶氧仪的参照标准为GB11913-89《水质溶解氧的测定电化学探头法》，浊度参照标准为GB13200-91《水质浊度的测定》，温度的参照标准为GB13195-91《水质水温的测定一温度计或颠倒温度计测定法》，高锰酸盐指数的参照标准为GB11892-89《水质高锰酸盐指数的测定》，总氮、总磷的参照标准为HJ636-2012《水质总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》和GB11893-89《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》。值得注意的是，测站使用德国WTW公司的氨氮分析仪器没有参照国标方法，氨气敏电极法通过将样品中铵离子转化为气态氨气，通入氨气敏电极内部参与反应，改变内部电解液pH值，pH值变化量与参与反应的氨气量呈线性关系。所用仪器参数及参照标准见表1。

2实验部分

2.1采样站点

2.1.1采样垂线设置

监测样品采集断面位于大胜关水质自动监测站断面，人工监测分别对左、中、右3点（3条垂线选取自南京水文站3、69号垂线）进行取样分析。

2.1.2采样点设置

每个位置分别取上、下2个水层，自动监测站采用自吸泵取水采集断面右侧水面下0.5m处水样，人工监测使用深水采样器分层采样。采样当天水位流量见表2。

2.2样品采集与预处理方法

人工监测样品的采集、预处理及保存工作方法参照SL219-2013《水环境监测规范》及GB3838-2012《地表水环境质量标准》要求执行。对采集后的水样自然沉降30min，取上层非沉降部分，按规定方法对水温、电导率、浊度、溶解氧、pH值五参数进行现场分析，对不能进行现场分析的项目尽快送实验室分析。

人工监测分别于2017年7月19日、20日、21日连续进行3d，每天采样2次，分别为每天的10：00和14：00定时采样监测，共6个测次。

23人工，监测项目及分析标准

人工监测项目均采用现行的国家标准分析方法。采取现场空白、全程空白、平行及加标回收等质控措施保证数据成果质量。所有项目采用相对误差作为统计指标：

式中，8为相对误差;L为自动监测数据;L为人工监测数据;Z为真值;此处以L值代替Z[4]。

3结果与讨论

3.1监测结果

6个测次的水温、电导率、溶解氧、总氮、总磷、高锰酸盐指数监测比对结果见图2～7。

由图2～7可知，水温、电导率、溶解氧3个参数中，自动监测值与人工监测平均值在6个测次中相对误差在10%以内。总磷、总氮、高锰酸盐指数3个参数的相对误差均超过了20%。同时，在6个测次中，自动监测值显示了较大的波动性。

3.2分析评价

3.2.1显著性检验

运用SPSS对总磷、总氮，高锰酸盐指数、氨氮的人工监测与自动监测数据进行了双样本方差的F一检验和t一检验，统计结果见表3～6。从统计结果可知，在95%置信水平的方差F检验中，总磷与氨氮P值低于临界值，总氮与高锰酸盐指数大于临界值。在95%置信水平的t检验中，总磷与氨氮P值均低于临界值。结果表明，自动监测与人工监测的总磷、氨氮无显著性差异，而高锰酸盐指数、总氮有显著性差异。

3.2.2比对结果分析

9个分析项目的断面均值与自动监测相对误差分别为-0.71%，0，-3.37%，4.35%，-2.36%，0，14.29%，-4.04%和10.95%。总磷相对误差较大，主要原因可能是在总磷浓度较低的情况下，分析方法的数据保留位数少，对数据结果影响较大。此外，悬浮物也会导致总磷测定值差异较大。有研究表明，氨氮、总氮含量与悬浮物没有明显相关性，但总磷及高锰酸盐与悬浮物含量明显相关。目前，长江下游千流泥沙量不少，自动监测为连续监测，只经过粗孔过滤，而人工监测水样采集到实验室，经过静置后取上清液进行实验，使监测数据较自动监测偏小。

总磷在7月19日、20日14：00与自动监测站偏差分别达28.57%、28.57%，总氮在7月19日10：00、21日10：00偏差分别达到-14.8%和-15.39%，高锰酸盐指数在7月19日、21日14：00偏差分别为19.34%和18.57%。特定测次数据差异较大，难以准确定量分析，自动监测数据的应用价值有所降低。由于自动监测站取水口同人工取样点位置均位于断面右侧同一位置，在此处取样监测结果与自动监测对比更能够判断仪器是否符合要求。参照规范，相对误差绝对值小于15%为合格，对右上取样点人工监测数据与自动监测站数据比对结果统计见表7。

从表7可知，水温、pH值、电导率、溶解氧及氨氮5个参数符合规范要求，样本的相对误差绝对值超限比例低。而总磷、总氮、浊度及高锰酸盐指数最大值均超过15%，未达到国家对自动监测仪对比分析相对误差的要求。除了分析方法不同引起的误差，还可能因为地表水具有随机性、开放性无样本性、离散性和突变性的特点，数据产生一定差异！5-6。大胜关自动监测站建立在断面右岸位置，主要通过自吸泵吸取此处水面下0.5m处水样进行分析。此处长江断面较宽，水流平稳，断面及其上游1000m范围内无重点污染排放源，不存在连续污染物未混合导致的监测数据失真或差异过大的情况，数据能较为合理地反映长江断面水质状况。但由于断面宽，实际水文状况复杂，当水站对侧发生偶发性污染事件时，由于污染水流很难跨过长江中弘进人断面右侧，易引起自动监测数据偏差。

3.2.3水质类别评价差异分析

6个测次比对中，采用单因子评价法，根据CB3838-2002《地表水环境质量标准》对人工监测断面各监测项目的平均值与自动监测结果进行评价。评价结果见表8。

由表8可知，7月19日14：00的测次中，人工监测断面溶解氧为I类，自动监测为I类。除此之外，自动监测结果与人工監测结果评价结果一致性程度较高，综合评价结果均为I类，满足该水域应执行的目标水质标准。通过比较水质类别可以看出，虽然与人工监测相比，自动监测站在对高锰酸盐指数、总氮、总磷的监测数据上存在一定差异性，但两者监测结果反映到水质标准上则基本一致，这表明大胜关自动监测站数据反映的水质可以代表断面平均水质水平。

4结语

本文以南京大胜关自动监测站为例，研究了自动监测与人工监测数据的系统差异，探讨了两组数据的可比性问题。研究得到自动监测数据与常规数据在水温、电导率pH值、溶解氧氨氮等项目上一致性较高，可以代表断面水质平均水平。但由于受到岸边面源污染的影响，污染物在同一断面空间分布仍存在差异。当自动监测站在运行中出现了水质异常值或水质变化异常趋势时，应立刻着手进行断面水质，人工监测，分析并采取措施，充分发挥自动监测在水质监控、趋势分析及污染预警预报等方面的优势。

参考文献：

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（编辑：李慧）