农村地区河道水质在线监测技术的应用
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作者:时美
【摘 要】基于水质传感器在线监测技术，选出具有智能、检测快速简便特点的监测参数，在研究区域内不同位置布点实施水质在线监测，为水体突发事故的预警和处理提供及时有效的信息预报和决策支持。通过对一年的数据跟踪，论文发现在有限的农村河道中，可以通过监测一类污染物，从而推测出其他污染物的变化趋势。基于对水质参数的趋势分析，论文可以推测长江咸潮发生的时间。
【Abstract】Based on the on-line monitoring technology of water quality sensor， the monitoring parameters with the characteristics of intelligence， fast and simple detection are selected， we set up points at different locations in the study area to implement on-line monitoring of water quality， so as to provide timely and effective information prediction and decision support for the early warning and treatment of water emergencies. Through one year's data tracking， the paper found that in the limited rivers in rural areas， one kind of pollutants can be monitored， so as to predict the change trend of other pollutants. Based on the trend analysis of water quality parameters， the paper can predict the occurrence time of the saltwater of the Yangtze River.
【关键词】农村河道;水质在线监测;水质传感器;预警
【Keywords】rivers in rural areas; on-line monitoring of water quality; water quality sensor; early warning
【中图分类号】X832 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2020）03-0123-03
1 引言
“绿水青山就是金山银山”，在水污染防治工作中，水环境监测是重中之重。而河道常规的监测主要依靠人工取样和实验室分析，这种常规的监测方法通常响应速度延迟、实时性不高、成本高且有二次污染的风险。当前，河道监测的主要任务是及时、准确、全面地获取河道监测数据，实时反映河道质量状况和变化趋势，及时跟踪污染源变化状况，准确预警各类潜在的环境问题和响应突发环境事件。因此，实时的水质监测设备是其中重要的一环。然而，当前水体中的污染物种类数量相当庞大，用于在线监测的设备总体来说可以分为两类：一类监测设备可以识别和测量确定污染物或者同类污染物，如在线监测总氮、总磷、氨氮、重金属、COD等各类污染物的设备，这类在线监测设备大部分都有耗时长、体积大、制造维护成本高、产生二次污染等缺陷;另一类监测设备则与前者不同，其不是用来监测特定污染物的，监測如温度、pH、电导率、浊度、溶解氧、氧化还原电位等各种水质参数，这类传感器在智慧水务项目中被称为智能简约型水质传感器。
智能简约型水质监测设备由于其成本低、技术成熟、性能稳定，且其数值与各类特定的水质污染物参数具有一定关系，结合其数据分析和数据挖掘技术也可以很好地表达污染能力，被国内各种智慧水务项目优先使用。
本文结合智慧水务项目经验，在智慧河道监测过程中选择布设智能简约型传感器中的在线浮标设备，并结合数据挖掘技术对河道水质进行监测评价。
2 水质监测点位布设
上海的农村水域属于江南典型水系，河道纵横交错，村镇级河道较多，村镇级河道又与骨干河道紧密相连，所以该地地表水水质与长江河流水质和村镇级河道水质密切相关[1]。监测点位布设时需要结合区域内的水系分布和周边环境情况进行合理布点。
一般河道水环境监测布点的理想目的是了解河流沿程每一个横断面的水质，即水质沿程浓度变化实况全图，而造成沿程负荷的原因主要有：河床来源、底质来源、大气来源、杂乱排放、小集中负荷、自生污染等[2]。
因此，对本区域内河道水质监测的布点按照如下原则进行：
①监测断面布设的目的为研究一条河流水质总体概况变化曲线;
②关注重要河流断面，如市县级河道断面;
③有机污染物在水体中行为较为复杂，是水环境监测的主要目标;
④由于农村河道中的污染通常为分散性集中负荷，一般多量小点源，视具体情况将其转化为等效集中或者沿程负荷，并在等效集中负荷点前后设置断面观测点取得实测数据;
⑤在全域内进行均匀、有代表意义、能测出等效浓度的位置进行布点。 根据上述监测布点的原则，本次研究区域内的水质监测布点如图1所示。
3 水质监测项目及频率
每年的11月到次年的4月是长江的枯水期，每年5月到10月是长江的丰水期。本次研究区域受到农业和海水倒灌的影响较大，工业排污等对区域内的影响较小。在枯水期，磷酸类化肥的污染为其主要污染成分，丰水期则是钾离子为主要污染成分[3]。因此，基于区域现状和现有的地表水标准，并结合简约型智能传感器监测设备的技术特点，监测项目和频率如表1所示。
4 水质监测设备的选型与设计
本次研究区域的智慧水务建设，需要全天候、全方位感知当地生态环境的威胁态势、实时洞悉当地生态的健康状态。利用生态算法模型实现完整的污染源溯源分析与威胁预测分析，初步形成“实时监控研判、应急预案处理、快速反馈调度”的智能互动闭环生态治理平台。
智慧河道的监测频次和建设需求要求水质监测设备应具备成本低、技术成熟、性能稳定、免维护等特点。因此，选择浮标式水质五参数监测设备为各个监测站点的监测设备，在重点河道增设光谱法COD监测设备和电极法氨氮监测设备。
5 水质异常监测数据
5.1 水质监测数据
水质监测点布设后，每隔一小时会采集一次数据上传至采集平台，系统根据设置的上下限值和前后数据变化，设置一定的报警规则，发生水质报警时，则认为水质发生异常。本文的观察期为2018年9月至2019年9月的一年时间，对其中五个代表性监测站点数据一年的变化情况进行了监测参数之间的关系评价。
选择的五个监测站点分别是水质0号、水质1号、水质2号、水质3号和水质4号，具体布设位置见图1。这五个监测站点为布点时选取的五个重点监测站点。监测的参数分别为：水温、水位、电导率、pH、溶解氧、浊度、ORP、COD和氨氮数值。
以时间（小时）为横坐标，以监测数值为纵坐标绘制趋势图，观察全年各监测参数的数值变化趋势。由图2和图3的对比可以看出，全年全区域的电导率数据和浊度数据的变化趋势几乎一致，在2018年10月附近电导率数值有所跳动，其数值大于1000μs/cm，但之后趋于平缓，几个监测站点的数值在500μs/cm左右，推测10月为长江咸潮爆发的时段。由图4、图5和图7的对比可以看出，全年全区域的COD、氨氮和溶解氧的数据变化趋势也较为一致，但是在2019年3月至2019年4月，水质1号、水质3号和水质4号的COD数值基本大于100mg/L，远远大于其他时间段的COD数值，但该时段的氨氮数值并没有发生明显的变化。
从图2至图7的数据来看，全年整体河道的数据较为平稳，没有发生明显的数值普遍上升或者下降，水质2号、水质3号和水质4号的水质数据变化趋势较为一致，水质0号和水质1号的水质数据变化趋势较为一致。这可能与水质监测站点的地理位置相关，水质0号和水质1号更靠近长江入海口，容易受到咸潮的影响，数据也较其他三个监测站点波动更大。从图4中COD的趋势图可以看出，在部分时间河道的COD数值较高，这可能是由于当地的一些异常排污现象导致的。
5.2 水质监测数据讨论
从全年的各参数数据分析可以看出，在水质较平稳的农村河道中，电导率和浊度的数据变化是趋于一致的，这可能是由于引起河流中这两个参数变化的因素为河床自身一些物质發生变化或者溶解。通过对电导率和浊度的趋势分析，可以预警长江咸潮发生的时间。COD、氨氮和溶解氧的数据变化趋势也是较为一致的，这可能是由于农村河道主要提供给这几种污染物监测参数的物质类似，如动物粪便、化肥农药等排污。在农村河道中，农业生产中的排污成分会导致COD、氨氮和溶解氧基本处于一致性变化，这与工业地区的排污情况不同。因此，可以推测在有限的农村河道中，基于对一类污染物变化的监测，进而推测出其他污染物的变化趋势。
6 结论
本文中选出的监测参数均具有智能、检测快速简便等特点，基本能代表农村河道的水质情况，这几种河道监测参数与网络技术联用，在不同位置布点实施实时水质监测，为水体突发事故的预警和处理提供及时、高效、可靠的信息预报和决策支持。通过长达一年的数据跟踪，本研究发现，合理的监测设备布点相当重要，有效地监测布点可以配合污染物扩散模型而获得全区域内的污染物扩散情况。
【参考文献】
【1】许鑫华，张凤新.浅议在崇明岛河道管理中加强水质监测的必要性[J].上海水务，2012（1）：39-40.
【2】王增愉.河道水质监测站设置 环境监测管理与技术[J].1993，5（2）：10-13.
【3】乐观，唐思贤，周忠良.崇明岛河道水质指标季节性变化分析[J].2009，25（5）：37-40.
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