自动监测技术在北高干渠水质评价中的应用分析

陈小清

（泉州市丰泽区环境监测站，福建 泉州 362000）

1 引言

水质自动监测能及时、准确地反映环境的变化，提高环境污染自动预警能力，为防治污染和实施环境管理提供客观依据。近年来，自动监测技术越来越多地应用于全国大大小小的水系水质监测，但基层环境监测站及生态环境部门还不能很好地掌握对大量的自动监测数据的取舍、统计、分析及应用技术，相关文献对这一方面的探讨也比较少。本文通过对2021 年泉州市北高干渠水质自动监测数据进行验证、取舍、分析，以期能够科学系统地评价北高干渠的水质变化情况，同时为如何运用自动监测技术分析评价环境水质提供建议和思路。

2 北高干渠水质自动监测系统概况

北高干渠位于泉州市，从晋江干流金鸡水闸流经南安丰州、丰泽区和洛江区后，进入洛阳江，主干渠长24.8 km，主要供应市区北水厂的居民生活用水。水质执行GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类水质标准。北高干渠水质自动监控系统位于北水厂取水口上游约5.4 km 处，于2020 年年底通过验收。自动监测系统包括采水单元，配水与预处理单元，检测单元，清洗单元，水质自动留样单元，控制单元，数据采集、传输单元，质控单元。监测单元的设备型号和检测方法见表1。

表1 检测设备型号及检测方法

3 自动监测和手工监测结果比对分析

2021 年7 月至12 月，每月开展一次北高干渠水质自动监测断面水质自动监测和手工监测比对，手工监测的方法均采用经标准化验证的国标方法，除氨氮的检测方法为纳氏试剂分光光度国标法外，其他指标检测方法均与自动检测方法一致。6 次比对结果误差见表2。

从表2 可知，北高干渠水质自动监测和手工监测结果的误差满足《地表水水质自动监测站运行维护技术要求（试行）》和HJ 915—2017《地表水自动监测技术规范（试行）》规定的Ⅲ类水质的技术要求，证明自动监测结果准确可信。

表2 自动监测和手工监测结果误差范围

氨氮的相对误差较大，原因为：（1）系统集成引起的误差。分析2021 年7 至12 月的集成干预检查结果发现，氨氮低于0.20 mg/L 时，集成干预检查结果误差的绝对值在9%～33%范围波动，说明采配水及预处理过程的集成干扰对低浓度氨氮水样的测定结果影响较大。（2）自动监测的方法与手工监测的国标方法不一致，存在着一定方法误差。进一步分析发现HJ 915—2017 规定的氨氮水质分析仪仪器性能检出限的要求为0.05 mg/L，其测定下限是0.20 mg/L，以满足仪器性能要求的仪器测定氨氮浓度低于0.20 mg/L 的实际水样，其误差较大。

4 2021 年北高干渠水质自动监测结果分析与评价

2021 年，北高干渠水质自动监测站共获得363组有效日均值数据。通过SPSS 统计，这些数据成连续性，基本符合正态分布，可进行Pearson 相关性分析［1-4］。

4.1 浊度的干扰

北高干渠为丰泽区饮用水水源，水质较为干净，下雨的冲刷是造成浊度升高的最主要原因［5］。目前，自动监测技术中氨氮、总磷、总氮的分光光度法和高锰酸盐氧化还原滴定法受浊度干扰的影响显著［6-7］。北高干渠水质自动监测系统自动采集水样静置30 min后，取上清液分别进入不同分析仪器进行水样预处理，同时在运行程序中引入浊度算法补偿程序［8］，以减少浊度过高对自动监测结果的影响，但效果如何还需进一步验证。本文以浊度200 NTU 为界，将数据分为两部分，控制变量pH、水温、溶解氧、电导率，用SPSS 对浊度与总磷、高锰酸盐指数、氨氮、总氮进行相关性分析［1-4］，结果见表3。

表3 浊度与总磷、高锰酸盐指数、氨氮、总氮的Pearson 相关性

表3 显示，浊度＞200 NTU 时，浊度与总磷、高锰酸盐指数、氨氮和总氮的Pearson 相关系数分别为0.918，0.868，0.971，0.935，远大于浊度0～200 NTU时对应的相关系数，说明浊度＞200 NTU 时，总磷、高锰酸盐指数、氨氮和总氮的测定结果受浊度干扰非常显著，影响到水质测定的准确性。

4.2 单因子污染指数评价

选取浊度≤200 NTU 的355 组日均值数据对2021 年北高干渠自动监测断面水质进行单因子污染指数计算［9-10］，总氮不作为河流水质评价因子［11］。污染指数随时间变化见图1。由图1 可知，2021 年总磷、高锰酸盐指数、氨氮、pH 日均值单因子污染指数均小于1，未出现超标状况。5—10 月溶解氧日均值单因子污染指数变化非常大，最大值达到5.72，部分时段水中溶解氧严重低于限值要求。几个指标的单因子指数均在8 月初达到峰值，可能由于7 月底到8 月初监测断面上游下雨，雨水冲刷地面，将污染物质冲入北高干渠，也可能是下雨导致短时间小时浊度达到了400 NTU 以上，干扰测定的准确度。各因子污染指数的年均值为：总磷（0.433）＞高锰酸盐指数（0.314）＞氨氮（0.154）＞pH（0.138）。

图1 2021 年北高干渠水质自动监测断面水质单因子污染指数变化

4.3 溶解氧影响因素分析

（1）图1 显示，溶解氧污染指数与其他污染指数随时间走向的变化一致性较差，说明水质并非引起溶解氧偏低的主要因素。

（2）作溶解氧与温度的变化趋势图（见图2），可以明显发现温度升高时，溶解氧浓度降低。溶解氧与水温、高锰酸盐指数、总磷、氨氮、总氮、电导率的Pearson 相关系数分别为-0.815，-0.483，-0.444，0.029，0.289，0.018，说明水中溶解氧与水温、高锰酸盐指数、总磷存在负相关，与总氮存在正相关，与氨氮、电导率基本不存在相关性（p＜0.05）。溶解氧与水温的相关系数接近-1，说明水温升高是造成溶解氧偏低的最主要原因；高锰酸盐指数、总磷和总氮对北高干渠溶解氧的降低有一定影响；电导率反映水中的盐度含量大小，与金属离子、氯化物、硫酸盐等的浓度息息相关［12］，从而可以推断，北高干渠水中盐度和金属离子基本不影响水中溶解氧的变化。

图2 2021 年北高干渠水质溶解氧与温度的变化趋势

（3）水中溶解氧与空气中的氧分压、大气压密切相关。夏秋季气温高、气压低；下雨天前后空气湿度越大，空气中的氧分压越小。查阅历史天气发现，2021 年5—10 月监测断面上游南安市的阴雨天数占全年总下雨天数的73.4%，且阴雨天气的时间与图1 溶解氧指数的峰值时间具有较高一致性，说明夏秋季的低气压及阴雨天的低氧分压也是引起北高干渠5—10 月溶解氧偏低的主要原因。

5 结论与建议

（1）通过6 次的断面水质监测比对分析，北高干渠水质自动监测和手工监测结果的误差均满足国家规定的自动监测技术规范要求，证明自动监测结果准确可信。采配水及预处理过程等系统集成对低浓度氨氮水样的测定结果干扰较大，且存在测量仪器的误差和方法误差，为保障氨氮自动监测数据的真实准确，要规范人员的日常操作，提高检测仪性能，优化检测方法，加密系统集成的清洗和维护，加强自动监测运维管控。

（2）浊度＞200 NTU 时，浊度与总磷、高锰酸盐指数、氨氮和总氮的Pearson 相关系数分别为0.918，0.868，0.971，0.935，水质自动测定结果受浊度干扰显著，数据不可信。建议在仪器设计或者运维中，浊度大于一定值时，适当延长水样的静置时间，或者改进前处理方法，减少干扰。

（3）对浊度≤200 NTU 的355 组日均值数据进行单因子污染指数分析，2021 年北高干渠水质自动监测断面水质单因子污染指数年均值总磷（0.433）＞高锰酸盐指数（0.314）＞氨氮（0.154）＞pH（0.138），满足Ⅲ类水质要求，总磷的污染程度较大，可能来自沿岸洗涤生活源。

（4）2021 年5—10 月断面溶解氧浓度偏低。综合分析，水质是影响溶解氧浓度变化的部分原因，水温升高、夏秋季的低气压以及阴雨天的低氧分压是造成北高干渠溶解氧浓度时段性偏低的主要原因。