施汉昌：高密度水质监测技术 擦亮生态环境保护的眼睛

2021-01-18 16:50发布

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新形势下对环境监测提出新要求



《水污染防治行动计划》（以下简称“水十条”）对我国的水环境治理提出了明确的近、中、远期目标，其中到2020年，长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河、辽河等七大重点流域水质优良(达到或优于Ⅲ类)比例总体达到70%以上，地级及以上城市建成区黑臭水体均控制在10%以内，地级及以上城市集中式饮用水水源水质达到或优于Ⅲ类比例总体高于93%。


为清晰我国水质状况及变化趋势，水十条亦明确提出了要完善水环境监测网络的建设，要统一规划设置监测点。监测内容包括提升饮用水水源水质全指标监测、水生生物监测、地下水环境监测、化学物质监测及环境风险防控技术支撑能力。2017年底前,京津冀、长三角、珠三角等区域、海域建成统一的水环境监测网。为进一步落实这一目标，更好地适应新时代环境保护管理要求，原环境部在“十二五”国家地表水监测网基础上，依据有关标准和监测规范，进一步优化监测点位布局，于2016年3月制定并发布了《“十三五”国家地表水环境质量监测网设置方案》（环监测[2016]30号），国家地表水环境监测网国控断面（点位）由原来的972个增加到2767个（河流断面2424个、湖库点位343个），其中，评价、考核、排名断面共1940个，入海控制断面共195个（其中85个同时为评价、考核、排名断面），趋势断面共717个。


其设置要求为：国家河流干流断面间隔距离 50km 左右，一级支流设置两个断面，二级及以下支流设置一个断面；湖库每 50～100km2 设置一个监测点位。这就要求我们要执行一个断面监测和断面考核的要求，断面监测和断面考核是现在实施的一种方案，我们国家建立的水环境监测体系历来如此，这样虽不能及时提供断面间的污染源及其排放状况，但可以掌握水体常年的水质变化趋势。


以当前我国对于水环境治理的要求来看，我国的环境监测领域还存在一定的不足，主要表现在两个方面：我国现行水环境检测系统对污染监测在空间和时间密度上明显不足，还缺乏生物毒性和特殊污染物监测等技术手段。主要是由于我国现行的水环境监测系统是从上世纪80年代开始建立的，当时学习借鉴了发达国家的水环境检测技术与监测系统。当时欧美已经开始进入后工业化时期，且已形成完整的法制社会，监测系统主要用于反映流域水生态环境的状况。我国30年来经济得到了快速发展，特别是工业经济和城市化的发展带来了严重的污染。我国在今后一段时期仍然会处于工业化阶段，而且法制社会还在建立和完善中。水环境监测不仅要担负常规水质监测，以反映流域水生态环境的状况，而且还要监督重点污染源的排放、环境污染事件以及违法偷排等等。上述问题的监督，若仅有断面监测，是没法很好地满足的。


因此，解决当前行业存在的痛点，是新技术开发的出发点，一是新技术要能补充常规水环境监测项目的不足，二是在控制成本的前提下，解决时间和空间密度的问题。基于此，发展高密度水环境监测，立足两个方面：


一是空间上自动化的密度要提高。需要大量布设监测点，但是也要考虑保持经济稳定的条件。因此也不能大量增加监测点，这时就需要移动监测。监测仪器可用汽车或轮船拉着去监测，这样就能做到快速定位。


二是时间上的高密度，要求高频率、高分辨率、免试剂、自动化。对于高频率，如果从四小时一次增加到一小时一次，投入的药剂也增加了四倍，相应的，成本也增高了。因此，需要考虑采用一些非常规水环境监测技术，可以很大程度的提高频率，比如说一分钟一组，而且不需要药剂，这样就降低了运营成本。


成果一：高密度水质监测系统--光学法快速水质监测仪器

从技术来讲，光学法污染物快速测定仪在水环境监测时可以全布控扫描。全布控扫描的紫外段与红外段之间，不同的波段反映了不同的参数。比如说，在250nm以内的波段能够吸收亚硝酸盐，250nm～380nm的波段对COD有反应， 380nm到可见光范围内的波长对浊度、悬浮物及色度等均是有反应的。通过不同波段吸收波值的表征，就能大致了解水中的不同参数。

图 光学法污染物快速测定仪的原理


对于快速水质监测仪器的性能，以硝酸盐检测为例，从硝酸盐氮标准溶液测试结果中可以看出硝氮标准光谱图中有两个吸收峰，分别是208nm和225nm，对其进行标准线性拟合发现误差很小。然而在实体水体中，有有机物的污染，有COD的污染。有机物的污染会使它发生变化，但是吸收峰的位置没有发生变化，仍然是可以区分开的。COD的污染对其的影响较大，包括对吸光度的抬升以及光谱形状的改变。从实验结果来看，硝氮的特征吸收峰仍然存在，但是可通过全波长范围偏最小二乘算法进行拟合，还可通过本地校准等方式针对不同组成及类型的水体进行修正。浊度的影响主要体现为对整体吸光度的抬升，对吸收光谱的形状影响较小。可通过浊度扣除的方法(浊度补偿)消除其影响。通过对吸收光谱的准确分析，再经过仪器的精确校准，就可以做到一个相关性较好的分析结果。


成果二：高密度水质监测系统--微型/小型水质自动监测站

现在的高密度水质监测系统有微型水质监测站，它是一套以免试剂水质传感器、GPS定位和无线数据传输系统为核心，运用现代自动控制技术与专用分析软件及通讯网络组成的综合性在线监测系统。还有一个就是小型自动监测站，能耗比较低，一般只用太阳能就可以。还有栈房式的，可以在热的地方装上空调。它能够监测很多数据，包括COD、压力、浊度、PH、氨氮等等。从监测的时间密度上来看，可以一分钟监测出一组数据，而事实上一分钟一组监测数据和一小时一组监测数据的费用基本上没有区别。这就是它最大的好处，可以大大提高密度，还不会增加费用。


之前在宜兴做水专项时去一些工厂，把重污染的水集中在一个地方，然后趁着晚上下雨的时候一个小时之内就排出去。有几个原因：一是晚上人少；二是，按常规是四小时做一次监测，因此发现状况的概率不高。如果那时也像这样一分钟测一次，肯定就不会出现这样的问题了。在德国，有一个有名的自动监测站，设在了莱茵河的这个位置。为什么呢？这是因为莱茵河的上游有个大型的化工区，在1983年造成了严重的环境破坏，因此要在下游区域设置一个高水平的监测站日夜监测，这就是一种思路。我们在发展当中也需要这样，如果我们有高速监测的小型站，有无线网络、大数据分析，这样就可以对流域做一个详细的观测和监督，从而促进污染企业加强治理。



图 基于物联网的高密度水质监测系统


成果三：船载移动式高密度监测技术

船载高密度水环境污染的监测工作我们在十几年前就开始了。当时是在长江水利委员会的监测中心进行的试验，用的是当时国内上最好的监测船，但船上没有自动化的监测设备，采水样后在实验室做分析。后来我们就做了一个自动的监测系统，然后课题组就开始进行试验。最终设计研制了船载移动水质监测系统，将水质自动监测仪器、GPS卫星定位系统和通讯设备集成为一个系统安装在航船上，在移动过程中进行检测，得到实时、连续、快速的水质监测数据，并及时传送相关部门。船载水质自动监测系统中包括测磷、测有机物的仪器、还有留样系统，当某个指标超过标准就会自动留样。


此项技术已运用了十几年，且运行的很好。曾经多次进行了长江中下游和三峡库区的移动监测。每年春秋两季各测一次上游网，从武汉一直测到宜宾，观察两次水质的变化。每年夏季会从武汉往下测，一直测到长江下游。我们做的一个值得纪念的测试是从重庆的朝天门码头一直测到上海的吴淞口，一共2900公里，走了大概将近两个星期。从数据分析来看，COD的变化在长江从上游到下游是明显增加的。另外每经过一个湖泊出口时，水质就会明显变差。这是因为湖的交换容量差，从而使得污染物增多，之后随着慢慢稀释，污染物量就会降下来。从重庆朝天门到吴淞口，COD增长了五个毫克升，这样来看可能会觉得并不高。但是如果整个长江都要增加五毫克升，这个COD量就很惊人了。


对于长江流域中的船载移动式高密度监测技术，如果把这个技术小型化，可用在黑臭水体的监测上，小型化后其大概也就是一个冰箱的大小，做成两节，便于抬到船上进行监测。对于一般的船来说，它是没有电的，这时我们再配一个发电机，加上卫星定位系统来做测试。



图 船载水质自动监测系统


另外一个案例是在2017年雄安建设规划中的应用。当时我们学院做环境规划，去到当地环保部门要水质的情况，环保部门只有市控断面的测点数据，但是沿岸的数据没有，这明显暴露了我们生态环境监测领域的弱点。当你想要了解沿河的污染情况时，你就会发现环保部门提供不出来数据，为什么呢？因为这是一个非常耗费人力物力的工作，而且工作量很大，他们没有条件每天去测。所以当时学院要求我们，把移动监测设备拿到白洋淀测。然后我们团队就沿着雄安沿线有关的区域做了一个测试，路线为：①端村→②寨南村→③王家寨→④大张村→⑤白洋淀东南角，全程大概16.8km，包括旅游区、农村、小的工业区等。这样，我们就得到了白洋淀的水质变化情况。


分析结果显示：途中，在驶过西淀头村、大淀头村、东淀头村后水质明显变好，各指标均降至稳定低值。水质情况：大体水质清澈，近村庄区域水面有生活垃圾，当地生活污水直接排至水中。所以这种移动式高密度监测技术对黑臭水体治理，及水域的污染排查来说，是非常有用的。


肖琼  E20环境产业圈层  2018-05-24

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