水質(zhì)監測技術(shù)在中國水利的應用解決方案

摘要：
從水質(zhì)監測在我國水利系統的現狀和問(wèn)題著(zhù)眼，結合國家在水環(huán)境方面的遠景規劃和目標，提出了實(shí)現水環(huán)境水質(zhì)監測的三條途徑：實(shí)驗室監測、應急移動(dòng)監測和自動(dòng)站監測的綜合解決方案以及與此相關(guān)的先進(jìn)監測技術(shù)，從系統層面到基礎應用層面，論述了全方位解決我國水利領(lǐng)域目前所面臨的水質(zhì)監測問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：水環(huán)境 水質(zhì)監測 自動(dòng)監測 移動(dòng)監測 信息管理


一、21世紀中國水質(zhì)監測的嶄新內容

中國水利系統水質(zhì)監測工作經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，首先在水文部門(mén)內增設了水質(zhì)監測機構，進(jìn)而建立健全了各流域水質(zhì)監測中心，現已建成了覆蓋全國的水質(zhì)監測網(wǎng)絡(luò )體系，實(shí)現了對水質(zhì)的有效監測，在水質(zhì)監測項目上，也由從天然水化學(xué)監測發(fā)展延伸而來(lái)，具有了綜合河流天然水化學(xué)特征與河流水污染特征的監測。

在水利系統的水質(zhì)監測是與水文站相結合的，充分利用了采樣上具備的便利的條件，可以實(shí)現代表性強的高頻次監測，具有流域管理和水量，水質(zhì)同時(shí)監測的優(yōu)勢，結合水功能區管理要求，掌握國家確定的重要江河、湖泊、跨�。ㄗ灾螀^、直轄市）的江河、湖泊水體，省界水體、重要供水水源地、主要入河排污口的水質(zhì)情況，有可能完成掌握突發(fā)性水污染事故以及洪水淹沒(méi)、河流斷流后的復流、污水閘壩調度與水庫調度等重要過(guò)程的水質(zhì)突變情況。

水利的水質(zhì)監測過(guò)去側重于地表水水質(zhì)監測，而水功能區劃，要求綜合考量水功能區域內地表水/地下水/大氣降水/水生態(tài)等水質(zhì)的多個(gè)層面，水利系統要補充/調整/完善和建立新的水質(zhì)檢測網(wǎng)絡(luò )。

《水法》的頒布實(shí)施，賦予了水利系統水行政管理主體的地位和權力，對水質(zhì)監測工作也提出了明確的、更高的要求,水質(zhì)監測不僅要掌握面上水資源質(zhì)量狀況，還要對用水和排污進(jìn)行有效監控。水利部門(mén)的水質(zhì)監測主要側重于為水資源的開(kāi)發(fā)、利用、管理與保護服務(wù)，與水資源管理、水工程調度相結合，監控入河排污狀況及省際轄區水質(zhì)狀況，使水質(zhì)監測具有服務(wù)于水行政執法的鮮明特征。

可以肯定地說(shuō)，在21世紀中，中國水利的水質(zhì)監測工作有著(zhù)嶄新的內容。

二、水質(zhì)監測的重要意義

中國的水質(zhì)監測工作不僅有新的內容還有非常重要的意義。

目前我國水資源緊缺，水污染嚴重，水質(zhì)監測是水資源管理與保護的重要基礎，水質(zhì)監測提供的水質(zhì)信息顯得尤為重要。

從一般意義來(lái)講，水質(zhì)監測工作的整體水平提高，水質(zhì)監測的能力建設進(jìn)行全面實(shí)施后，水質(zhì)監測系統的機動(dòng)、快速反應能力和自動(dòng)測報能力將大大提高，能實(shí)現水功能區內重點(diǎn)地區、重點(diǎn)水域和供水水源地的水質(zhì)監測，提高水質(zhì)監測信息數據傳輸和分析效率。在滿(mǎn)足各級水行政主管部門(mén)及社會(huì )公眾對水質(zhì)信息需要的同時(shí)，提高對突發(fā)、惡性水質(zhì)污染事故的預警預報及快速反應能力。

從中國特色意義：中國水資源分布的極度不平衡，水質(zhì)型缺水問(wèn)題嚴重，跨流域調水工程多，三峽工程建設、西部大開(kāi)發(fā)、西藏“一江兩河”開(kāi)發(fā)，國際河流的開(kāi)發(fā)利用與保護都對水質(zhì)監測提出了更高的要求，也使水質(zhì)監測具有了更加特使的意義，如水權交易，國家間的水事磋商等都離不開(kāi)水質(zhì)監測數據。

從更深層意義講：加強水資源管理與保護工作需要水質(zhì)監測有超前發(fā)展，通過(guò)水質(zhì)監測的基礎數據，分析水的承載力，按照水功能區的不同，確認水環(huán)境容量，建立水環(huán)境的評估與決策模型，分析和掌握污染物水體中稀釋擴散和自?xún)艋�過(guò)程與平衡關(guān)系，制定減量或禁止排放的規劃與實(shí)施方案，指導水利工程，治理工程，使水環(huán)境與社會(huì )經(jīng)濟協(xié)調發(fā)展，水資源管理與保護工作為經(jīng)濟發(fā)展服務(wù)，水利成為社會(huì )經(jīng)濟持續發(fā)展的資源保障。


三、水質(zhì)監測的現狀與問(wèn)題

水質(zhì)監測工作是水資源管理與保護的一項重要的基礎性工作。目前，水利系統已建成由水利部、流域、省及其地（市）水環(huán)境監測中心、分中心，共２５１個(gè)監測機構組成的四級水質(zhì)監測體系；水質(zhì)監測站點(diǎn)３２４０處，基本覆蓋了全國主要江河湖庫；專(zhuān)職人員２２１８人，技術(shù)力量較強，實(shí)現了對水質(zhì)的有效監測。

當前，我國主要江河、湖泊水體的水質(zhì)總體上呈惡化趨勢，水質(zhì)監測任務(wù)十分繁重。為了適應水資源管理與保護工作發(fā)展的需求，亟須提高水質(zhì)監測技術(shù)的現代化和標準化以及管理制度化的水平。雖然水利系統的水質(zhì)監測體系和能力已經(jīng)有了一定的基礎，但面對新時(shí)期水利發(fā)展的形勢與要求，還存在著(zhù)一些急待解決的問(wèn)題。

1．水利系統的水質(zhì)監測站點(diǎn)多以掌握地表水水資源質(zhì)量功能為主，缺乏對地下水的監測，大氣降水水質(zhì)監測，供水水源地水質(zhì)監測，排污水質(zhì)監控，水生態(tài)環(huán)境監測等全面反映水功能區內的全面水質(zhì)狀況，來(lái)評價(jià)水功能區的水質(zhì)是否達到水域使用功能對水質(zhì)的要求。

2．水質(zhì)監測站的總數少于水功能區的數量，不能反映全部水功能區的水質(zhì)狀況，而且還存在地域分布不均衡，水質(zhì)監測站布局不合理的狀況，不適應經(jīng)濟發(fā)展和水資源保護工作的需要，都急需進(jìn)行補充、調整、完善或建立。

3．各級水質(zhì)監測中心的采樣能力不足，監測頻率低，水質(zhì)監測實(shí)驗室的監測儀器設備老化，大型分析儀器配備不平衡，于水質(zhì)監測管理的要求不適應。

4．機動(dòng)監測能力不足，移動(dòng)水質(zhì)分析監測實(shí)驗室配備數量太少，現場(chǎng)監測能力低，無(wú)法及時(shí)掌握突發(fā)性水污染事故以及洪水淹沒(méi)、河流斷流后的復流、污水閘壩調度與水庫調度等重要水利過(guò)程的水質(zhì)突變情況。

5．自動(dòng)水質(zhì)監測站數量太少，缺乏自動(dòng)測報能力，無(wú)法獲得對重點(diǎn)水功能區主要水質(zhì)監測的實(shí)時(shí)數據，更沒(méi)有對突發(fā)性污染事故的預測/預報能力。

6．水質(zhì)監測信息處理及時(shí)性，針對性差，監測數據的處理仍然以手工為主，各級中心建立的監測數據庫結構不統一，標準化程度低，信息處理的軟硬件落后，不能實(shí)現按流域，按功能區的水量/水質(zhì)綜合分析評價(jià)體系，不能滿(mǎn)足新時(shí)期水資源管理與保護，水行政管理的要求。

四、水質(zhì)監測的規劃目標

《水法》的頒布實(shí)施為水資源管理與保護提供了法律依據，也對水行政主管部門(mén)的水質(zhì)監測工作提出了明確的、更高的要求。

按照水利部水文局編制的全國水質(zhì)監測規劃，有以下幾個(gè)目標：

1．近期目標（２０１０年）：水質(zhì)站點(diǎn)應達到與國家水文站相結合、滿(mǎn)足水功能區水質(zhì)監測要求，實(shí)現站點(diǎn)優(yōu)化布局。加強能力建設，強化以流域和�。ㄗ灾螀^、直轄市）級水環(huán)境監測中心為骨干、�。ㄗ灾螀^、直轄市）水環(huán)境監測分中心為基礎的水質(zhì)監測體系。在完善常規水質(zhì)監測的基礎上，大力提高水質(zhì)監測系統的機動(dòng)、快速反應能力和自動(dòng)測報能力，實(shí)現重點(diǎn)地區、重點(diǎn)水域和供水水源地的水質(zhì)自動(dòng)監測。對全國水質(zhì)監測評價(jià)信息進(jìn)行系統的分析、合理的分類(lèi)和組合，建立統一的信息存儲交換標準，構建各種專(zhuān)業(yè)應用系統，提高數據傳輸和分析效率。

2．遠期目標（２０２０年）：通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化水質(zhì)監測站點(diǎn)布局，加強水質(zhì)監測能力建設，逐步開(kāi)展水生態(tài)環(huán)境監測、遙測等。采用先進(jìn)的計算機手段，通過(guò)規范化的信息管理，實(shí)現全國水質(zhì)監測數據的共享和傳輸，滿(mǎn)足各級水行政主管部門(mén)及社會(huì )公眾對水質(zhì)信息的需要。提高對突發(fā)、惡性水質(zhì)污染事故的預警預報及快速反應能力，判斷發(fā)展趨勢及成因分析。對重要決策及常規管理提供信息支持，為管理部門(mén)提供多方位、多側面準確、快捷的信息服務(wù)。

3．量化目標（列表）

地表水站 國際河流站 自動(dòng)站 地下水站 降水站
2005 5612 - 185 2004 441
2010 - - 341 2474 686
2020 7216 78 346 2689 752

２１世紀的水質(zhì)監測工作，不僅僅要掌握全國江河湖庫水資源質(zhì)量的基本情況，還要根據當前水功能區管理的需要，在現有的基礎上，提高水質(zhì)監測系統的機動(dòng)能力、快速反應能力和自動(dòng)測報能力，監測的對象包括地表水，地下水，大氣降水，生態(tài)水，還涵蓋了供水水源地，排污點(diǎn)源面源，水土保持等所有涉及水功能區內區域水環(huán)境的全部信息，以提升水質(zhì)監測工作的整體水平為目標，能實(shí)現重點(diǎn)地區、重點(diǎn)水域和供水水源地的水質(zhì)自動(dòng)監測，也將提高監測信息數據傳輸和分析效率。在滿(mǎn)足各級水行政主管部門(mén)及社會(huì )公眾對水質(zhì)信息的需要的同時(shí)，提高對突發(fā)、惡性水質(zhì)污染事故的預警預報及快速反應能力。

五、水質(zhì)監測的關(guān)鍵是水質(zhì)監測分析

1．先進(jìn)的水質(zhì)監測技術(shù)是實(shí)現水質(zhì)監測目標的關(guān)鍵

隨著(zhù)全國水質(zhì)監測規劃的實(shí)施，要實(shí)現水質(zhì)監測的規劃目標，就必須采用先進(jìn)的水質(zhì)監測技術(shù)作保障，對水質(zhì)站網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化配置和合理布局，構建選用先進(jìn)的水質(zhì)監測儀器設備和技術(shù)裝備的水質(zhì)監測實(shí)驗室/移動(dòng)水質(zhì)監測實(shí)驗室/自動(dòng)水質(zhì)監測站。在進(jìn)行水質(zhì)監測實(shí)施過(guò)程中，應該充分考慮我國的國情，從實(shí)際出發(fā)，實(shí)事求是，建立既能滿(mǎn)足當前水質(zhì)監測工作要求，又留有超前發(fā)展冗余的水質(zhì)監測系統結構。因此，我們必須學(xué)習和借鑒西方發(fā)達國家的歷史和經(jīng)驗，創(chuàng )建一條有中國特色的，跨越式發(fā)展的水質(zhì)監測之路

2．國外現代化水質(zhì)監測體系的發(fā)展現狀和趨勢
國外早期河流水系的水質(zhì)監測方法是定時(shí)定點(diǎn)在河流的某些斷面取瞬時(shí)水樣，帶回實(shí)驗室分析。但這種人工抽查式的監測方法不能及時(shí)、準確地獲得水質(zhì)不斷變化的動(dòng)態(tài)數據。為了盡早發(fā)現水質(zhì)的異常變化，迅速作出下游水質(zhì)污染預報，及時(shí)追蹤污染源，研究水的稀釋、自?xún)粢幝�，國外在完善�?shí)驗室監測的同時(shí)，陸續發(fā)展了水質(zhì)移動(dòng)監測系統和自動(dòng)監測系統。
水質(zhì)移動(dòng)監測系統以移動(dòng)監測車(chē)為基本監測單元，以便攜水質(zhì)實(shí)驗室和現場(chǎng)水質(zhì)多參數分析儀為分析手段，以GPS全球衛星定位系統和GPRS/GSM無(wú)線(xiàn)數據通訊裝置為信息載體，有效地解決了偏遠地區、水域水質(zhì)監測的困難。
水質(zhì)自動(dòng)監測系統WQMS（Water Quality Monitoring System）以監測水質(zhì)污染綜合指標及其某些特定項目為基礎，通過(guò)在一個(gè)水系或一個(gè)地區設置若干個(gè)有連續自動(dòng)監測儀器的監測站，由一個(gè)中心站控制若干個(gè)子站，隨時(shí)對該區的水質(zhì)污染狀況進(jìn)行連續自動(dòng)監測，形成一個(gè)連續自動(dòng)監測系統。
水質(zhì)自動(dòng)監測系統是20世紀70年代發(fā)展起來(lái)的，在美國、英國、日本、荷蘭等國已有相當規模的廣泛應用，并被納入至網(wǎng)絡(luò )化的“環(huán)境評價(jià)體系”和“自然災害防御體系”。一則可為綜合評價(jià)水功能區的水環(huán)境質(zhì)量提供基礎性數據，二則可迅速發(fā)現突發(fā)性水質(zhì)污染事故或天災，將水域異常水質(zhì)情況、污染傳播源及影響規模通過(guò)系統的通訊網(wǎng)絡(luò )傳至控制中心，為決策部門(mén)把握災害的性質(zhì)狀態(tài)，從而制定災害的防治對策提供依據。

3．先進(jìn)的監測技術(shù)要與先進(jìn)的信息管理技術(shù)相結合
隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，水質(zhì)監測技術(shù)迅速發(fā)展，儀器分析、計算機控制等現代化手段在水質(zhì)監測中得到了廣泛應用。分析方法從分光光度法、電位法發(fā)展到原子吸收法、原子熒光光譜法、氣相色譜法和液相色譜法等；手動(dòng)和半自動(dòng)實(shí)驗方法、儀器也正逐步被由計算機控制的自動(dòng)監測、遙測裝置所代替。
然而，正如前文所述，21世紀的水利水質(zhì)監測任務(wù)是以流域或區域水環(huán)境為主要研究對象的系統化工程，水質(zhì)監測技術(shù)僅僅是系統工程中的基礎組成部分，更為繁重的工作是將這些監測數據進(jìn)行必要的信息化，構筑全國性的水質(zhì)站網(wǎng)和監測信息中心，將各級監測中心的數據進(jìn)行統計、分類(lèi)和組合，建立水體分析模型綜合分析預測，為水資源的開(kāi)發(fā)利用、優(yōu)化調度和水環(huán)境的保護管理提供決策性的依據。

4．中國的水質(zhì)監測體系可以走跨越式發(fā)展之路
中國改革開(kāi)發(fā)，WTO的加入，綜合國力的提高，以及由水利部領(lǐng)導的國家水利系統多年來(lái)陸續建立和完善的四級監測體系，使中國具備了跨越式發(fā)展的可能。中國的水質(zhì)監測體系完全可以針對國情，學(xué)習和借鑒西方發(fā)達國家的歷史和經(jīng)驗，創(chuàng )建一條有中國特色的，跨越式發(fā)展的水質(zhì)監測之路。

六、水利系統的水質(zhì)監測綜合應用解決方案

從國家未來(lái)水資源開(kāi)發(fā)、利用、保護和管理的長(cháng)期政策來(lái)看，綜合應用解決方案既要能實(shí)現重點(diǎn)地區、重點(diǎn)水域和供水水源地的水質(zhì)自動(dòng)監測，提高監測信息數據傳輸和分析效率，又要能提高對突發(fā)、惡性水質(zhì)污染事故的預警預報及快速反應能力，實(shí)現應急移動(dòng)監測，并結合基礎實(shí)驗室監測網(wǎng)站的監測數據為國家大型水利建設工程提供技術(shù)可行性依據。
綜合應用解決方案是集成方案，涉及到軟件系統的構架和硬件系統的建設兩個(gè)方面。

1．監測系統的軟件構架————水資源質(zhì)量評價(jià)系統
在諸多的水環(huán)境狀況的要素中，首先就要客觀(guān)、科學(xué)、公正地監測、評價(jià)水資源質(zhì)量這個(gè)首要表征，同時(shí)做到水質(zhì)水量同步監測、資料配套，水文部門(mén)要為國家政府、水行政主管部門(mén)及時(shí)、快速、準確地提供水質(zhì)動(dòng)態(tài)信息，提出保護和改善的建設意見(jiàn)，其次，根據社會(huì )需要，采用多樣方式面向社會(huì )展開(kāi)全方位服務(wù)。
水利水質(zhì)監測數據歷史長(cháng)久、樣本代表性典型、系統完整、水量水質(zhì)配套、數據準確可靠、資料可比的水環(huán)境監測信息體系，為國家、水行政主管部門(mén)依法行政、實(shí)施監督管理、做好水資源保護提供科學(xué)依據和技術(shù)支撐。如何將現有條件下的水環(huán)境水質(zhì)監測系統得到的實(shí)時(shí)、巨量的監測數據及時(shí)、有效地采集、存儲、分析、報告、預測、公布，真正使之成為為國家、水行政主管部門(mén)決策的考量、執法的依據、管理的標準，這就成為了水文部門(mén)的當務(wù)之急。
安恒公司提出以水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)標準為核心，應用當今最先進(jìn)的Internet技術(shù)、ＧＩＳ技術(shù)，基于Microsoft的XML 語(yǔ)言，在Microsoft .net的服務(wù)平臺上，以ＷＥＢＧＩＳ為應用，將地理信息系統的空間圖形與水環(huán)境評價(jià)屬性數據有機結合，對各層空間信息、屬性數據進(jìn)行自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)傳輸、分類(lèi)存儲、更新顯示、分析評價(jià)、有效管理、報告和發(fā)布，并形成可視化的生動(dòng)表達形式和調度顯示系統的全國水環(huán)境管理信息系統，這一管理信息系統主要針對各流域的水環(huán)境信息進(jìn)行管理，具有覆蓋面廣、運行費用低、安全、穩定、可擴充性強、業(yè)務(wù)操作簡(jiǎn)捷、日常運行維護簡(jiǎn)便、上傳數據及時(shí)、通訊設備無(wú)需投資、報告、發(fā)布電信化、分析評價(jià)自動(dòng)化、可視化、管理正規、科學(xué)、有序。

2．監測系統的硬件構架——立體化監測解決方案
立體化的監測解決方案由實(shí)驗室、移動(dòng)和自動(dòng)監測三部分組成。
（1）實(shí)驗室監測解決方案
實(shí)驗室是四級監測體系中進(jìn)行日常水質(zhì)分析工作的基本單位，由于長(cháng)期以來(lái)各地域經(jīng)濟發(fā)展水平不平衡，標準不統一。因此，實(shí)驗室的建設規模和發(fā)展程度也很不平衡，為使監測數據具有可比性、規范性和統一性，有必要根據國家和水利行業(yè)的有關(guān)標準，建立和不斷完善應用技術(shù)相當的標準化實(shí)驗室，配備以常規監測參數為主，如：Hach公司出品的pH、COD、BOD、氨氮、總磷和微生物等實(shí)驗室快速自動(dòng)分析儀，并結合地方水質(zhì)特點(diǎn)輔以特殊的監測儀器，如：砷、硒、汞、揮發(fā)酚等分析設備。通過(guò)標準化的“水環(huán)境監測樣品管理和質(zhì)量控制系統”，進(jìn)行日常的水質(zhì)參數分析。典型應用有由中國婦女發(fā)展基金會(huì )主持的“大地之愛(ài) 母親水窖”工程的配套項目——水質(zhì)衛生安全監測體系。

（2）應急移動(dòng)監測解決方案
今年以來(lái)，黃河流域陸續發(fā)生了蘭州油污染和黃河潼關(guān)段水質(zhì)異常事件，為應對和預防重大流域的突發(fā)性水污染事故和災害，建立起相應的移動(dòng)監測系統。系統由現代化的移動(dòng)監測車(chē)、便攜水質(zhì)分析儀、自動(dòng)采樣器、圖像采集和移動(dòng)通訊設備等構成。利用便攜方便的水質(zhì)分析儀器現場(chǎng)迅速監測基本污染物質(zhì)，采錄污染現場(chǎng)，并通過(guò)GPRS/GSM移動(dòng)通訊設備及時(shí)將第一手資料回傳至上級部門(mén)和信息管理中心。同時(shí)自動(dòng)采集樣品，進(jìn)行恒溫貯藏，以備在實(shí)驗室進(jìn)行進(jìn)一步分析之用。在首次5000萬(wàn)噸晉水東調進(jìn)京的水質(zhì)監測過(guò)程中，便攜式水質(zhì)監測儀器Hydrolab Datasonde 4a初步顯示了移動(dòng)監測的優(yōu)越性，在晉水進(jìn)京沿途的五個(gè)監測點(diǎn)進(jìn)行了連續監測，現場(chǎng)數據及時(shí)反饋回北京的監測中心，為緩解首都的水危機提供了安全保障。

（3）自動(dòng)站監測解決方案
自動(dòng)水質(zhì)監測站連續或間歇地實(shí)時(shí)監控河流、江河口、湖泊、沿海、地下水監測井、排污口水質(zhì)狀況，為水質(zhì)監控提供完整的自動(dòng)在線(xiàn)解決方案。整套系統由水質(zhì)采樣裝置、預處理裝置、自動(dòng)監測儀器、輔助裝置、控制系統、數據采集和傳輸系統組成。采用先進(jìn)的Windows操作軟件，監控記錄水質(zhì)的物理、化學(xué)、生物的變量參數，并通過(guò)網(wǎng)關(guān)將信息實(shí)時(shí)反饋到水利部水質(zhì)監測中心，監測中心也可通過(guò)公眾電話(huà)網(wǎng)絡(luò )/PSTN專(zhuān)線(xiàn)、GSM/GPRS無(wú)線(xiàn)通訊網(wǎng)采集數據和實(shí)現系統的遠程控制。

七．結論
現代化、信息化、系統化的水質(zhì)監測體系日益提上議事日程，筆者認為在現有的四級水質(zhì)監測體系下，以提高水質(zhì)監測技術(shù)的現代化、標準化以及管理制度化的水平為目標，逐步建立起實(shí)驗室、移動(dòng)監測和自動(dòng)監測相結合的立體化監測模式，并統一于水利部水質(zhì)監測中心之下，可以有效全面的解決我國可持續發(fā)展過(guò)程中所面臨的水質(zhì)監測問(wèn)題。

作者：
萬(wàn)眾華 北京安恒測試技術(shù)有限公司總經(jīng)理，長(cháng)期致力于水環(huán)境監測的系統方案解決和本地化增值服務(wù)
武云志 北京安恒測試技術(shù)有限公司總工程師，環(huán)境工程碩士

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