水质自动监测系统综述

水环境质量自动监测技术的发展（2004-4-23）水质污染自动监测系统（WPMS）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、计算机应用技术以及相关的专用分析软件和通讯网络所组成的一个综合性的在线自动监测体系。

WPMS可尽早发现水质的异常变化，为防止下游水质污染迅速做出预警预报，及时追踪污染源，从而为管理决策服务。

1 国内外现状1.1 国外发展概述水质自动监测在国外起步较早。

1959年美国开始对俄亥俄河进行水质自动监测；1960年纽约州环保局开始着手对本州的水系建立自动监测系统；1966年安装了第一个水质监测自动电化学监测器；1973年全国水质监测系统分为12个自动监测网，每个自动监测网由4—15个自动监测站组成；1975年在全国各州共有13000个监测站建成为水质自动监测网。

在这些流域和各州(地区)分布设置的监测网中，由150个站组成联邦水质监测站网——即国家水质监测网(NWMS)。

日本1967年开始考虑在公共水域设立水质自动监测器；1971年以后，由环境厅支持，开始在东京、大阪等地建立水质自动监测系统；到1992年3月，已在34个都道府县和政令市设置了169个水质自动监测站。

除此之外，建设省在全国一级河流的主要水域也设置了130个水质自动监测站。

英国泰晤士河是世界上水环境污染史最长的河流，至19世纪末河道鱼虾绝迹。

1974年成立泰晤士水务管理局(TWA)，取代了原来200多管水机构。

为了加强水环境监测，1975年建成泰晤士河流域自动水环境监测系统。

该系统由一个数据处理中心(监控中心站)和250个子站组成。

欧美及日本等国在20世纪70年代已有便携式水质监测仪出售，但属于瞬时测定仪。

连续多参数水质测定仪是在80年代才开始使用的。

在监测设备方面，广泛应用现代尖端的微电子技术、嵌入式微控制器技术，并做到智能化的数据采集、分析和运算，水质监测完全实现了自动化。

目前，世界上已建成的WPMS类型较多，既有全自动联机系统，也有半自动脱机系统，例如澳大利亚GREENSPAN公司，德国GIMAT 公司，美国的ISOC、HYDROLAB等公司，日本日立制作所和卡斯米国际株式会社等都生产有技术成熟的在线水质自动监测系统，但大部分是以监测水质污染的综合指标为基础的，包括水温、混浊度、pH值、电导率、溶解氧、化学需氧量、生化需氧量、总需氧量和总有机碳等。

单项污染物浓度自动监测系统还处于研究试验阶段，挪威科技大学（NTNU）开发出了重金属连续远程监控技术。

该技术使用以牙汞合剂为电极材料的阳极脉冲溶出伏安法，监测重金属含量，测定灵敏度可达到ppb(μg/L)级。

美国SENTEX公司研制出了挥发性有机物（VOCs）连续监测系统，附有报警功能，它利用吹扫捕集-气相色谱法自动监测大气、水及土壤中VOCs，测定灵敏度可达到ppb(μg/L)级。

总的来看，在现有水污染连续自动监测系统中，水质污染监测项目尚有限,尤其是单项污染物浓度监测项目还是比较少，例如重金属、有毒有机物项目的自动监测仪器较缺乏。

现有单项污染物浓度检测仪器在性能方面还存在一些缺陷，在一定程度上限制了它的使用。

水质连续监测仪器长期运行的可靠性尚差，一般同时运行率仅达70%，故障经常出现在传感器沾污及采样器堵塞上。

1.2 国内发展概述我国在水质自动监测、移动快速分析等预警预报体系建设方面正处在探索阶段。

作为试点，于1988年在天津设立了第一个水质连续自动监测系统，该系统包括一个中心站和4个子站。

1995年以后作为试点，上海、北京等地也先后建立了水质连续自动监测站。

1998年以来，水质自动监测站的建设有了较快的发展，已先后在七大水系的十个重点流域建成了42个地表水水质自动监测系统，黑龙江、广东、江苏和山东等省也相继建成了10个地表水水质自动监测系统。

所用的自动监测仪多为国外进口设备，价格昂贵，且运转费用高。

虽然近年来进口设备价格有所下降，但每套价格仍在20万美元左右。

国内厂家现多为生产单一参数的水质监测仪，近年也有些厂家企图生产水质自动化监测装置。

例如，河海大学研制了CODCr自动监测仪，我国老字号的仪器厂如上海雷磁厂正在进行探头式自动监测仪的试制，然而由于所选的水质参数少，质量也不稳定。

2005年，计划在全国主要流域重点断面水质自动监测站达到100个，实现水质自动监测周报。

国内在水质自动化监测装置制造上还跟不上快速发展的水质监测的要求。

由此可见，国产化自动监测仪有广阔的开发和潜在的销售市场。

我国国家环保总局于2003年3月28日发布了环保行业标准《水质自动分析仪技术要求》（HJ/T 96－104-2003），并于2003年7月1日实施。

该标准共包括9个水质参数的自动分析仪技术要求，即pH、电导率、浊度、溶解氧（DO）、高锰酸盐指数、氨氮、总氮、总磷和总有机碳（TOC），这一标准的实施，保证了水质自动监测系统的规范化，将会大大促进我国水质自动监测系统的发展。

2 自动监测系统的功能2.1 实现监测自动化水质自动监测仪具有最佳现场使用效果，可以对水质进行自动、连续监测，数据远程自动传输，随时可以查询到所设站点的水质数据。

这对于解决现行的水质监测周期长，劳动强度大，数据采集、传输速度慢等问题，具有深远的社会效益和经济效益。

其先进性在于在实验室（中央控制室）可以实时显示现场数据，仪器发生故障时，报警功能可提醒用户并告知故障原因。

2.2 实现水污染的预警预报水质自动监测工作的开展，一改过去总在事后才能向有关部门提供水质信息的被动局面，实现了在水质发生恶化时，仪器自动报警或响应，对流域下游发出水质污染的预警预报，防患于未然，充分体现了水利部门水量水质综合管理的优越性。

2001年夏季, 淮河泄污监测中，淮南石头埠断面的电导率上升趋势极为明显, 成功地预测了污水团对下游的影响。

2003年1月底至4月初，长江最大支流——汉江接连三次发生“水华”污染事件，武汉宗关水质自动站通过pH值和溶解氧的异常变化, 多次率先监测到“水华”的产生, 并连续进行了跟踪、监视，掌握了污染事件的发生、发展、结束过程。

这对于防止污染事件的进一步发展有重要意义。

2.3 实现水质信息的在线查询和互访共享水质自动监测系统促进水利部门水环境监测系统计算机联网，改革环境质量和污染源报告的编报，加速全国水环境监测技术向统一化、标准化发展，实现水质信息的在线查询、分析、计算、图表显示、打印等，随时实现各单位之间水质信息的互访共享，实现全流域水环境综合评价，可迅速为领导决策提供科学依据。

3 自动监测系统组成及质量控制水质污染自动监测系统是在一个水系或一个地区设置若干个有连续自动监测仪器的监测站，由一个中心站控制若干个固定监测子站，随时对该区的水质污染状况进行连续自动监测，形成一个连续自动监测系统（图1）。

子站内装有传感器，用于测定各种污染物的单项指标、综合指标以及气象参数的分析仪器，数据采集通信控制器及通信设备。

各子站的工作是常年连续运行的，中心站是各个子站的网络指挥中心，又是信息数据中心。

它配有功能齐全、存贮容量大的计算机系统，由通讯联络设备及数据显示、分析、传输和接收的管理软件构成。

中心站的主要功能：数据通信、实时数据库、报警、安全管理、数据打印，中心站的工作一般是间歇式的。

自动监测系统在正常运行时一般不需要人的参与，而是在电脑的自动控制下进行工作的。

其工作系统由信息采集系统、信息传输系统、信息管理系统和信息服务系统四部分组成。

各组成部分在系统中所处位置和相互关系如图2所示。

信息采集系统完成自动监测系统的信息采集、整理，并通过通信系统和计算机网络把各类信息传送给水质监测中心站，使决策部门及时了解水质状况，发布水质公报，为控制水质和治理水环境提供科学依据。

信息采集系统的建设主要包括自动采样器、自动分析仪和多参数水质监测仪、水量测定装置的配备、设计和安装，以及采样场所的基建工程。

信息传输系统充分利用流域现有的通信网和计算机网络系统，建立覆盖流域水资源监测实验室的计算机网络系统，实现水资源信息的网上传输和资料共享，以达到快速、准确地传递水质信息的目的，为充分利用水资源提供服务。

3.1 水样的采集系统采样方法分为瞬时采样、周期采样和连续采样三种。

采样设备为潜水泵，潜水泵通常安装在采样位置一定深度的水面下，经输水管道将水样输送到分站监测室内的配水槽中。

由于河流、湖泊等天然水中携带有泥砂等细小颗粒物，初滤后的水样经过配水槽，泥砂沉积在槽底，澄清水则以溢流方式分配到各检测仪器的检测池中，多余的水经排水管道排放出去。

潜水泵的安装方式大体可分为两种，一种为固定式；另一种是浮动式。

固定式安装方便，但是采水深度会随水位的涨落而改变，因此在水位变化大的水域中使用时，不能保持恒定的采水深度。

浮动式是将水泵安装在浮舟上，因浮舟始终漂浮在水面上，无论水位如何变化，采水深度始终保持不变。

从水泵到监测室的输水管道越短越好，以免水质特别是测定溶解氧的水质在输送过程中发生变化。

输水管道的长度一般为5－25 m。

管道要避光安装，以防藻类的生长和聚集；管道还应保温，防止冬天冻冰，堵塞输水管路。

保温方式有三种：深埋、用保温材料缠绕和加电热保温层。

3.2 自动监测参数的选择参数的选择一方面要能满足水环境监测规范的要求，使其所选择的参数尽可能反映比较多的水质特征，另一方面要根据国内外市场上是否有可靠的产品而定，保证参数测定结果的可靠性。

表1列出了目前已被水质自动监测系统所采用或可能被采用的监测项目及有关自动检测方法。

由表可见，水质污染监测项目还是很有限的，特别是重金属和有机污染物的自动化检测仪器更缺。

这使得自动监测参数选择受到一定的限制。

3.3 信息传输方式充分利用各站现有的水情通讯条件，对比选择合适的通讯方式，建立水质监测通讯系统。

通讯介质主要包括：公众电话、微波通信、卫星通信、线缆、光缆、蜂窝电话、无线电发射、国际互联网、超短波通信及最新的手机短信方式等。

重点站点可选用一种以上的通信方式，确保数据的可靠传输。

几种传输方式的优缺点比较见表2。

3.4 水质自动监测质量保证与质量控制水质自动监测系统具有连续运转的特点，其采水和配水管路的清洗程度、仪器运行状况、试剂与标准溶液的稳定性及分析仪器的基线漂移等都是影响数据质量的重要因素, 为了保证测量精度，仪器必须带自动清洗、自动校正以及相应的程序控制装置。

日常采取的质量控制措施包括定期校准、质控样检查、比对实验验证、试剂有效性检查及数据审核等方法，严格按照《水质自动分析仪技术要求》（HJ/T 96－104-2003）进行校对试验，保证数据的有效性，成功地发挥对下游污染的预警预报功能。

4 水质自动监测站的建设4.1 选址条件水质自动监测系统中，中心站的地址只要能满足通讯联络的条件和交通运输方便，设在监测范围内的任何地方都可以。