水质自动监测在黄河上的开发应用

　　为更好的利用自动化技术和设备，实现水质监测现代化，促进黄河流域社会经济的快速发展，黄河流域水资源保护局承相了“948”国家先进技术引进项目，在黄河花园口建成了我国旨座适应多泥沙河流的自动监测站，测试项目为水温、pH、电导、浊度、COD、氨氮、TOC，已投入试运行。在加强传统常规监测的同时，逐步实现了由定点监测向流动监测、定时监测向实时监测转移，实现实验室测试与动态监测的有机结合，为全面、准确、快速、及时地掌握和发布水质信息，为黄河水资源保护监督管理和决策提供了有力的支持手段。

　　水质在线自动监测系统是一套以在线自动分析仪器为核心，运用现代传感器技术、自动测量技术、自动控制技术、计算机技术以及通信网络所组成的一个综合性的在线自动监测系统。美国早在1959年就开始在俄亥俄河没立水质自动监测站，后来发展到对其他水体和湖泊的监测。监测参数也因不同的需要由几个发展到十几个。目前，全美水质监测网共分12个，每个监测网由若干个自动站组成，约1300个全自动监测站随时监视着全美的水环境状况。20世纪90年代末期，我国水利系统和环保部门也相继在全国部分重要水系建立了一些水质自动监测站，但主要分布在含沙量较小的河流和湖泊上。从其现有监测系统的运行情况来看，也还存在着诸如系统本身运行不稳定、系统监测数据与实验室比测结果差别较大、系统智能化程度不高等问题。

　　一、在黄河上建设水质自动监测站所面临的问题

　　黄河是著名的多泥沙河流，含沙量高，水沙时空分布不均，泥沙颗粒级配变化大；河道冲淤变化剧烈，主流摆动频繁，上下游河道和水文条件差异较大，下游河道宽浅游荡；流域纬度跨越大，气温、水温变化明显；夏季受洪水威胁，冬季有冰凌的困扰；水污染严重，污染物组成复杂。黄河的这些环境条件，决定了在黄河建设水质自动监测站具有一定的复杂性和特殊性。

　　1．游荡性淤积河床水样采集问题

　　河道冲淤变化，采样设施不易定放；主流游荡摆动，采样点可能脱流。固定的采样方式存在的问题比较多。

　　2．高含沙水样在线水沙分离问题

　　黄河平均含沙量37.6kg/m³，汛期含沙量町高达几百kg/m³。泥沙一方面会造成自动监测系统的堵塞，另一方面又对COD、TOC、总磷、总氮测定结果产生影响，如何按国家(行业)标准进行在线水沙分离成为自动监测站建设的关键技术问题。

　　3．泥沙对自动监测数据以及仪器测定的影响

　　泥沙含量不仅对COD、TOC、总磷、总氮测定有影响，而县会使氨氮、浊度、电导、pH、溶解氧等参数的测量电极磨损、钝化，降低其测定精度。泥沙对监测数据的影响以及对监测仪器测定的干扰直接影响到监测数据的可靠性。

　　4．自动监测数据与实验室比测结果一致性的问题

　　黄河中各种污染物在水体迁移转化及水、沙两相分配的规律各异，泥沙中的污染物成分比较复杂，有人为造成的污染物附着，也有由于地球物理化学原因携带的自然奉底物质，泥沙中的胶体类物质对污染参数的检测有较大影响，自动站的现场测量数据往往和实验室经典方法的测量结果有一定出入。正因为如此，在新颁国家行业标准《多泥沙河流水环境样品采集与前处理技术规程》(SL270--2001)中规定：对多泥沙河流的污染物监测，其测定清水水样的含沙量不得超过0.2kg/m³。作为在线自动监测系统，其监测方法和数掘应符合规范要求，尽量与实验室监测数据相吻合。

　　5．系统安全维护及其自动控制问题

　　黄河建站的野外环境恶劣，河道摆动会使采样点脱流，洪水、流凌会冲击采样设施，泥沙会磨损、堵塞监测系统，雷击可能引起通信设施的损坏等等，都对黄河水质自动监测站的在线系统安全维护带来不利影响。另外，黄河水污染严重，氮磷含量高，在一定情况下会引起藻类、微生物的滋生。国内外自动站建设的经验表明，引水管道越长，藻类、微生物对氨氮、溶解氧测定影响越大。由于卜述问题的存在，增加了解决系统安全维护及其自动控制的难度。

　　因此，在黄河上建立水质自动监测系统，除与选用的仪器设备有关外，对黄河河水的前处理要求是很高的。日前国内外尚没有成熟的技术方案和成套的技术设备来解决这一问题。所以，要保证黄河水质自动监测系统监测数据的科学性、代表性、准确性、可比性、延续性，使水质自动监测站较好的为黄河水资源保护、监督与管理服务，必须科学的解决黄河水质自动监测系统建设中所面临的上述诸多技术问题。

　　二、黄河花园口水质自动监测站的系统构成

　　花园口自动站是一个独立、完整的水质自动监测系统，由水样预处理系统、监测仪器系统、水质超标自动采样系统、控制系统及数据采集处理与传输系统、保护系统等6个主要子系统组成(见图1)。

系统保护包括反冲洗部分、传感器冲洗装置；常规参数监测系统由多参数测定仪组成，监测参数包括：水温、pH、溶解氧、电导率、浊度等；选择参数监测系统由氨氮在线监测仪、总有机碳测定仪组成；控制及数据采集系统由数据采集平台、控制器、开关输入模块、工控机等部分组成；此外还具有水质污染超标时的样品采集与保存装置。 　　三、采用的关键设备和技术措施 　　黄河水质在线自动监测的关键技术主要为水样不间断采集技术、泥沙的处理技术、系统的保护技术等。花园口自动监测站通过应用多级泥沙处理技术、智能化控制及数据采集系统、整体可吊装站房和传感器冲洗装置等关键技术，成功地解决了自动监测站在多泥沙河流上的应用问题。
	图1　花园口水质自动监测站的系统构成

　　1．水样自动采样系统

　　水样自动采样系统主要有潜水泵和采水浮船构成，超标自动采样器采用美国ISCO6712系列采样器，该采样器和控制系统连接，一旦监测仪器监测到水质超标，便可自动报警并触发采样器采样，以备实验室进一步验证。

　　2．泥沙前处理系统

　　前处理系统是自动监测站的重要组成部分，在不改变水样组成及成分的条件下，运用物理手段去除黄河水中的泥沙，以满足在线仪器对水样含沙量和泥沙粒径的要求，从而使仪器在安全、稳定的情况下运行，测定值更加符合GB-2002标准对水样前处理的要求，进而使实验室标准方法和在线仪器的测定值有较强的可比性。花园口自动监测站前处理系统主要采用了自然沉降(包括缓冲池、斜管沉降和平流沉降)、固液分离器、盘式过滤器三种水沙分离手段，该系统可在不同来沙条件下，通过选择不同的沉淀时间和离心次数，以及不同水沙分离设备的组合，采用单独或任意组合的方式对监测水样中的泥沙进行在线不间断前处理。

　　固液分离器选用美国生产的JPX-0004型固液分离器。过滤器选用以色列生产的Spin-Klin型旋盘式过滤器：

　　多级泥沙预处理系统，充分考虑了不同用水目的、不同监测项目、不同分析仪器的需要，在满足国家标准的基本条件下，还可按水利部颁发的《多泥沙河流水环境样品采集及预处理技术规程》的要求，具有对水样进行深度处理的功能。

　　3．监测仪器系统

国外水质自动在线监测仪器已有较长的发展历史，经过多年不断的完善，各类在线监测仪器已经相当成熟，涵盖了多种河流、湖泊主要污染控制水质参数，基本满足了地表水实时监测工作的需要。主要在线监测仪器包括常规五参数、TOC、COD、BOD、氨氮、总磷、生物毒性、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、总氮等，荷兰等西欧国家的自动监测站还可监测重金属和有毒有机物。同一种检测参数，根据不同国家，不同水体以及政府环境管理的需要，又有各种不同型号、不同原理的在线监测仪器。

　　考虑到黄河水质监测任务的需要，花园口自动监测站采用了美国生产的多参数水质分析仪以监测温度、pH、电导率、COD和浊度。采用法国生产的TOC测定仪测定TOC，采用美国ISCO的氨氮测定仪测定氨氮。

　　4．系统控制及数据采集系统

　　系统控制及数据采集系统承担了水处理监控、水质数据自动采集和存储、系统远程控制、数据网络远程传送、各类数据报表生成、系统各类参数设置和管理等任务，远程和现场计算机控制系统以仿真界面的形式直观地、实时地显示出自动监测站整个系统运行的工作状态，利用数据表格、曲线等显示水温、pH、溶解氧、电导、浊度、总有机碳、氨氮等水质参数；用户可以根据不同的来沙条件，自由调整水处理系统的控制参数，如沉淀时间和冲洗次数，固液分离器循环时间和循环次数、系统再启动时间等，以满足不同监测工作的需要。还可以根据断面的多年水质状况设定水质参数超标值，当有检测指标超标时，在控制面板上可以显示报智提示和超标值，同时启动6712水样采集器采集水样。通过设定汛期、非汛期、丰水期、枯水期等监测时段的范围，实现对各个时期的水质状况的自动评价。

　　内置的自动监测站专家诊断系统，能够提示系统故障的位置和原因，以快速恢复系统的运行。实现了监测工作的智能化和自动化，极大地提高了工作效率。

　　四、系统应用

　　1．监测项目比测

　　在黄河调水调沙实验期间，我们分别使用HANA现场多参数测定仪、容量法、纳氏试剂比色法和自动监测站在线监测仪器进行了现场比测。结果显示数据吻合性较好，升降趋势基本类同，不同监测方法之间的系统误差可以不计，经泥沙前处理后的水样可直接用于监测。

　　2．在引黄济津调水中的应用

　　引黄济津调水是国务院为缓解天津市严重缺水而采取的重大举措。在引黄济津调水期间，黄河花园口水质自动监测站对花园口断面水质的变化情况进行了实时监测，由于自动站及时发现了水污染，国家防总立即向沿黄各省(自治区)发布了黄河干流龙门以下污染物总量限排预案，山西、陕西、河南、山东4省按照水利部要求关停了污染严重的排污企业，缓解了黄河水污染的紧张局面，保证了黄河水量凋度和引黄济津水的水质监测安全。自动监测站发挥了人工监测不可取代的作用。

　　作为“数字黄河”工程的组成部分，除花园口水质自动监测站外，越来越多的黄河水质自动监测站的建成将成为黄河水资源保护现代化和信息化的一个重要标志，不但能满足黄河水量调度、城市供水水源地、突发性水污染事件对水质实时监控的需要，也将为全面提升黄河水资源管理水平和保护生态环境提供可靠的技术支持和决策依据。必将为实现“黄河污染不超标”和黄河水资源的可持续利用发挥更大的作用。　■

(作者单位：水利部、国家环保总局黄河流域水资源保护局)
责任编辑 侯亚东