冷維亮 畢欽祥 朱琳琳 李嘯龍 閆 杰
(山東省濰坊水文水資源勘測(cè)局 濰坊 261000)
山東省水環(huán)境監(jiān)測(cè)現(xiàn)代化淺談
冷維亮 畢欽祥 朱琳琳 李嘯龍 閆 杰
(山東省濰坊水文水資源勘測(cè)局 濰坊 261000)
面臨山東省嚴(yán)峻的水環(huán)境形勢(shì)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水環(huán)境監(jiān)測(cè)提出的更高要求,本文從硬件系統(tǒng)的建設(shè)和軟件系統(tǒng)的構(gòu)架兩個(gè)方面進(jìn)行討論,對(duì)水環(huán)境監(jiān)測(cè)現(xiàn)代化建設(shè)提出了較為詳細(xì)的建議。
水環(huán)境監(jiān)測(cè) 水環(huán)境信息管理系統(tǒng) 水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)
水環(huán)境監(jiān)測(cè)是水資源管理與保護(hù)的重要基礎(chǔ),是保護(hù)水環(huán)境的重要手段。在21世紀(jì),面對(duì)洪水威脅、水資源緊缺、水污染嚴(yán)重的現(xiàn)狀,山東省的水環(huán)境監(jiān)測(cè)工作面臨著嶄新的內(nèi)容。
山東省水資源分布不平衡,水環(huán)境型缺水問題嚴(yán)重,跨區(qū)域調(diào)水工程多,水資源的開發(fā)利用與保護(hù)都對(duì)水環(huán)境監(jiān)測(cè)提出了更高的要求,也使水環(huán)境監(jiān)測(cè)具有了更加特殊的意義:水權(quán)交易、各地市間的水事磋商等也都離不開水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
目前山東省水環(huán)境監(jiān)測(cè)面臨的問題主要有以下幾個(gè)方面:
(1)水環(huán)境監(jiān)測(cè)站的總數(shù)少于水功能區(qū)的數(shù)量,不能反映全部水功能區(qū)的水環(huán)境狀況。
(2)各級(jí)水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心的采樣能力不足,監(jiān)測(cè)頻率低,水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備老化,大型分析儀器配備不平衡。
(3)機(jī)動(dòng)監(jiān)測(cè)能力不足,移動(dòng)水環(huán)境分析監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室配備數(shù)量太少,現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)能力低。
(4)自動(dòng)、半自動(dòng)水環(huán)境監(jiān)測(cè)站數(shù)量太少,缺乏自動(dòng)測(cè)報(bào)能力,難以獲得重點(diǎn)水功能區(qū)主要水環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。
(5)實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)效率不高,不能滿足常規(guī)監(jiān)測(cè)的需求。
(6)水環(huán)境監(jiān)測(cè)信息管理亟待完善,人為原因造成的失誤難以避免,應(yīng)用的困難也在一定程度上存在。
(7)多年監(jiān)測(cè)資料保存狀況不容樂觀,且未發(fā)揮出其在水環(huán)境評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)中應(yīng)有的作用。
如何解決存在的問題,更好地為水利事業(yè)和社會(huì)服務(wù),是建設(shè)現(xiàn)代化水環(huán)境監(jiān)測(cè)體系所面臨的首要問題。本文將就以上問題展開討論,以期找出相應(yīng)的對(duì)策和方案。
國外早期河流水系的水環(huán)境監(jiān)測(cè)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(yàn)室分析,這種人工抽查式的監(jiān)測(cè)方法不能及時(shí)、準(zhǔn)確地獲得水環(huán)境不斷變化的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。為了盡早發(fā)現(xiàn)水環(huán)境的異常變化,及時(shí)追蹤污染源,國外在完善實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)的同時(shí),陸續(xù)發(fā)展了水環(huán)境移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
水環(huán)境移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以移動(dòng)監(jiān)測(cè)車為基本監(jiān)測(cè)單元,以便攜水環(huán)境實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)水環(huán)境多參數(shù)分析儀為分析手段,以GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和GPRS/GSM無線數(shù)據(jù)通信裝置為信息載體,有效地解決了偏遠(yuǎn)地區(qū)、水域水環(huán)境監(jiān)測(cè)的困難。
水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)WQMS(Water QualityMonitoring System)以監(jiān)測(cè)水環(huán)境污染綜合指標(biāo)及其某些特定項(xiàng)目為基礎(chǔ),通過在一個(gè)水系或一個(gè)地區(qū)設(shè)置若干個(gè)有連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器的監(jiān)測(cè)站,由一個(gè)中心站控制若干個(gè)子站,隨時(shí)對(duì)該區(qū)的水環(huán)境污染狀況進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè),形成一個(gè)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的,在美國、英國、日本、荷蘭等國已有相當(dāng)規(guī)模的應(yīng)用,并被納入網(wǎng)絡(luò)化的“環(huán)境評(píng)價(jià)體系”和“自然災(zāi)害防御體系”。
隨著山東省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的加快和水資源開發(fā)利用程度的提高,水環(huán)境問題凸現(xiàn),甚至已成為發(fā)達(dá)地區(qū)經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展和地區(qū)現(xiàn)代化指標(biāo)考核的制約因素,社會(huì)各界、各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)和部門對(duì)水環(huán)境問題越來越重視,對(duì)水環(huán)境信息的要求也越來越高。從未來水資源開發(fā)、利用、保護(hù)和管理的長(zhǎng)期政策來看,將來的水環(huán)境監(jiān)測(cè)既要能實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)地區(qū)、重點(diǎn)水域和供水水源地的水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè),提高監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)傳輸和分析效率,又要能提高對(duì)突發(fā)、惡性水環(huán)境污染事故的預(yù)警預(yù)報(bào)及快速反應(yīng)能力。
筆者認(rèn)為,結(jié)合國外水環(huán)境監(jiān)測(cè)體系的發(fā)展情況以及山東省水環(huán)境監(jiān)測(cè)目前所面臨的問題和形勢(shì),綜合應(yīng)用解決對(duì)策應(yīng)該是集成方案,牽涉到硬件系統(tǒng)的建設(shè)和軟件系統(tǒng)的構(gòu)架兩個(gè)方面。硬件系統(tǒng)的建設(shè)主要是指形成立體化的現(xiàn)代水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng),即實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)、移動(dòng)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)監(jiān)測(cè)三者的同步建設(shè),加大對(duì)水環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)施的投資力度,以提高水環(huán)境監(jiān)測(cè)成果的科學(xué)性、準(zhǔn)確性、時(shí)效性。先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)要與先進(jìn)的信息管理技術(shù)相結(jié)合,即軟件系統(tǒng)的構(gòu)架,主要包括實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化管理系統(tǒng)、水環(huán)境信息管理系統(tǒng)以及水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)的建設(shè)。
立體化的水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)室常規(guī)監(jiān)測(cè)、移動(dòng)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)監(jiān)測(cè)三部分組成。
實(shí)驗(yàn)室是四級(jí)監(jiān)測(cè)體系中進(jìn)行日常水環(huán)境分析工作的基本單位。在這方面,應(yīng)投資建設(shè)和改造各分中心實(shí)驗(yàn)室,加快改善實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和分析條件,配置原子吸收分光光度計(jì)、離子色譜儀、原子熒光光度計(jì)、紅外測(cè)油儀、氣相色譜儀、COD測(cè)定儀等先進(jìn)設(shè)備,使各實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備均能滿足計(jì)量認(rèn)證通過的80個(gè)參數(shù)的要求,提高分析質(zhì)量和工作效率。
移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立主要是為應(yīng)對(duì)和預(yù)防重大流域的突發(fā)性水污染事故和災(zāi)害。系統(tǒng)由現(xiàn)代化的移動(dòng)監(jiān)測(cè)車、便攜水環(huán)境分析儀、自動(dòng)采樣器、圖像采集和移動(dòng)通信設(shè)備等構(gòu)成。利用攜帶方便的水環(huán)境分析儀器現(xiàn)場(chǎng)迅速監(jiān)測(cè)基本污染物質(zhì),采錄污染現(xiàn)場(chǎng),并通過GPRS/GSM移動(dòng)通信設(shè)備及時(shí)將第一手資料回傳至上級(jí)部門和信息管理中心。同時(shí)自動(dòng)采集樣品,進(jìn)行恒溫貯藏,以備在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行進(jìn)一步分析之用。移動(dòng)監(jiān)測(cè)建成后,將大大增強(qiáng)水環(huán)境水量同步巡測(cè)能力、快速反應(yīng)能力和對(duì)突發(fā)性污染事件跟蹤監(jiān)測(cè)的能力,在水環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中發(fā)揮重要作用。
自動(dòng)水環(huán)境監(jiān)測(cè)站連續(xù)或間歇地實(shí)時(shí)監(jiān)控河流、江河口、湖泊、沿海、地下水監(jiān)測(cè)井、排污口水環(huán)境狀況,為水環(huán)境監(jiān)控提供完整的自動(dòng)在線解決方案,整套系統(tǒng)由水環(huán)境采樣裝置、預(yù)處理裝置、自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器、輔助裝置、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)組成。筆者認(rèn)為,自動(dòng)監(jiān)測(cè)將在未來的水環(huán)境監(jiān)測(cè)中發(fā)揮巨大的作用,故在下文中作詳細(xì)的介紹和分析。
3.3 .1 自動(dòng)監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)性
水環(huán)境自動(dòng)化監(jiān)測(cè)裝置提供了群測(cè)群控的手段,即多斷面、多點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),達(dá)到統(tǒng)一采集信息、統(tǒng)一處理數(shù)據(jù)、統(tǒng)一監(jiān)控的目的。水資源保護(hù)、水環(huán)境的監(jiān)督與治理需要一個(gè)水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)作為技術(shù)支撐,因此,水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)、建設(shè)理應(yīng)圍繞著上述系統(tǒng)工程、監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)展開。
3.3 .2 自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的類型選擇
由于監(jiān)測(cè)水體及建設(shè)職能不同,水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在選配儀器、建造方式、建設(shè)規(guī)模上都有所不同,監(jiān)測(cè)的參數(shù)和重點(diǎn)也不同。目前有兩種不同的監(jiān)測(cè)方案:全自動(dòng)監(jiān)測(cè)方案和半自動(dòng)方案。全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方案以在線儀器為主,功能比較全、設(shè)備多、造價(jià)高、無人職守,可遠(yuǎn)程采集數(shù)據(jù)。半自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方案以采樣儀為主要平臺(tái),配置流量計(jì)和常規(guī)五參數(shù)的全部或某一、二個(gè)常規(guī)參數(shù)儀器,做等比例采樣及常規(guī)參數(shù)超標(biāo)時(shí)的采樣,所有采集的水樣由專人定時(shí)取回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析,其特點(diǎn)是造價(jià)低、測(cè)量值精確、更便捷,特別適合半徑一百公里的區(qū)域和不需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)源。國家環(huán)保局《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》中,同時(shí)認(rèn)定了這兩種方案。各地區(qū)和單位應(yīng)當(dāng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況選擇監(jiān)測(cè)方案、確定監(jiān)測(cè)方式。
3.3 .3 水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)單元組成與基本功能
水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)單元以在線自動(dòng)分析儀器為核心,運(yùn)用現(xiàn)代水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)、PLC自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)等組成一個(gè)綜合性的在線水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)單元,由取水部分、水樣預(yù)處理部分、水環(huán)境監(jiān)測(cè)部分、綜合控制單元部分以及通訊部分和輔助部分組成并達(dá)到基本的監(jiān)測(cè)功能。監(jiān)測(cè)儀器采用連續(xù)不中斷運(yùn)行方式,可以連續(xù)采集,獲得24小時(shí)連續(xù)的在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)所收集的數(shù)據(jù)自動(dòng)處理和儲(chǔ)存并傳輸?shù)较嚓P(guān)管理部門,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生較大變化時(shí)自動(dòng)報(bào)警,并自動(dòng)取水保存以備查證。
3.3 .4 水環(huán)境在線自動(dòng)分析儀器的選擇
儀器的選擇是水源地及污控區(qū)水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)站成功與否的關(guān)鍵。選擇儀器,需要考慮的問題有:首先應(yīng)選擇沒有二次污染或污染少的在線儀器;其次是針對(duì)待測(cè)水體的特性及可能的濃度變化范圍量程選擇儀器的分析原理,采用運(yùn)行工作可靠的產(chǎn)品,不能受標(biāo)準(zhǔn)方法的限制;第三是測(cè)量精度。一般來說,地表水,特別是供水水源地的水環(huán)境較好,相對(duì)污水在線儀器來說其測(cè)量量程小,要求的精度較高。但做實(shí)時(shí)監(jiān)督監(jiān)控,不能盲目一味要求精確測(cè)量,更要注重?cái)?shù)據(jù)的連續(xù)性的、長(zhǎng)期的、動(dòng)態(tài)的掌握積累。
3.3 .5 儀器系統(tǒng)維護(hù)的誤區(qū)
作為自動(dòng)監(jiān)測(cè)站通常要實(shí)現(xiàn)無人值守自動(dòng)運(yùn)行。但目前的情況有一些誤區(qū):
一是認(rèn)為自動(dòng)監(jiān)測(cè)站在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)不用去管。實(shí)際對(duì)于在線自動(dòng)分析儀器來說,通常每周一次的巡視是最低的要求,在這個(gè)基礎(chǔ)上,再強(qiáng)化其他的維護(hù)。
二是自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器中通常會(huì)涉及許多種化學(xué)藥劑及標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),通常它們都有使用時(shí)間限制,所以片面強(qiáng)調(diào)藥劑消耗量要少以及藥劑的更換周期要長(zhǎng)是不適宜的。
總之,在現(xiàn)有的四級(jí)水環(huán)境監(jiān)測(cè)體系下,逐步建立起實(shí)驗(yàn)室常規(guī)監(jiān)測(cè)、移動(dòng)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的立體化監(jiān)測(cè)模式,樹立為監(jiān)督管理服務(wù)的宗旨,必須加快信息化和自動(dòng)化建設(shè)步伐,逐步建立“常規(guī)監(jiān)測(cè)與自動(dòng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合、定點(diǎn)監(jiān)測(cè)與機(jī)動(dòng)巡測(cè)相結(jié)合、定時(shí)監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相結(jié)合,加強(qiáng)和完善監(jiān)督性監(jiān)測(cè)”的水環(huán)境監(jiān)測(cè)新模式,形成一個(gè)技術(shù)先進(jìn)、功能完備、反應(yīng)迅速的現(xiàn)代化監(jiān)測(cè)體系,為監(jiān)督管理提供及時(shí)、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)的水環(huán)境信息服務(wù)。
軟件系統(tǒng)的構(gòu)架,主要包括實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化管理系統(tǒng)、水環(huán)境信息管理系統(tǒng)以及水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)的建設(shè)。
目前山東省各分中心很多實(shí)驗(yàn)室由于原設(shè)計(jì)容量偏小,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低,加上分析測(cè)試設(shè)施的更新速度落后于水環(huán)境監(jiān)測(cè)的發(fā)展需求,分析測(cè)試及數(shù)據(jù)處理仍依靠手工操作,易受外界人為因素干擾等。在實(shí)驗(yàn)室的業(yè)務(wù)工作系統(tǒng)、樣品及試劑控制、監(jiān)測(cè)質(zhì)量體系均系人工分散管理,實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部各種資源不能完全共享,監(jiān)測(cè)時(shí)間和物資存在一定浪費(fèi),實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行成本較高,質(zhì)控水平難以再得到提高。隨著水功能區(qū)和供水水源地水環(huán)境監(jiān)控管理力度的加強(qiáng),水環(huán)境監(jiān)測(cè)任務(wù)日趨加重,不但出現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室工作嚴(yán)重超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)現(xiàn)象,還造成水環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)效性差的局面。
應(yīng)充分利用現(xiàn)有設(shè)備和技術(shù)優(yōu)勢(shì),吸收先進(jìn)監(jiān)控技術(shù),對(duì)實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)測(cè)條件和管理方式進(jìn)行改造建設(shè)。可先選擇幾處分中心試點(diǎn),再將成功經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行全面推廣。實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化管理系統(tǒng)可在短時(shí)間內(nèi)有重點(diǎn)地增強(qiáng)山東省的水環(huán)境監(jiān)測(cè)能力,快速提升實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化發(fā)展速度與運(yùn)行管理水平。
主要包括數(shù)據(jù)錄入、水環(huán)境信息分析、水環(huán)境信息的查詢、發(fā)布及整匯編等。目前水環(huán)境信息管理系統(tǒng)在山東省各分中心基本處于空白或者起步階段,水環(huán)境監(jiān)測(cè)信息的采集、傳輸及應(yīng)用的數(shù)字化是需要解決的首要問題。
水利水環(huán)境監(jiān)測(cè)信息體系具有歷史長(zhǎng)久、樣本代表性典型、系統(tǒng)完整、水量水環(huán)境配套、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠、資料可比的特點(diǎn),為國家、水行政主管部門依法行政、實(shí)施監(jiān)督管理并做好水資源保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。如何將現(xiàn)有條件下的水環(huán)境水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到的實(shí)時(shí)、巨量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)、有效地采集、存儲(chǔ)、分析、報(bào)告、預(yù)測(cè)、公布,使之真正成為國家、水行政主管部門決策的參考量值、執(zhí)法的依據(jù)、管理的標(biāo)準(zhǔn),已成為水文部門的當(dāng)務(wù)之急??梢钥紤]引進(jìn)適當(dāng)?shù)乃Y源質(zhì)量評(píng)價(jià)軟件。
綜上所述,山東省水文部門在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中應(yīng)立足于常規(guī)監(jiān)測(cè)、移動(dòng)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)三種監(jiān)測(cè)能力同步建設(shè),加大對(duì)水環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)施和軟件的投資力度,以提高水環(huán)境監(jiān)測(cè)成果的科學(xué)性、準(zhǔn)確性、時(shí)效性,促進(jìn)水環(huán)境監(jiān)測(cè)現(xiàn)代化的實(shí)現(xiàn)。
隨著水資源管理與保護(hù)工作的發(fā)展,水環(huán)境監(jiān)測(cè)的工作量也在逐年增加,而維持水環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的經(jīng)費(fèi)雖逐年增加,但滿足不了需要。建議多渠道解決監(jiān)測(cè)運(yùn)行經(jīng)費(fèi),確保投資效益的發(fā)揮。另外,在實(shí)際的操作中,水環(huán)境監(jiān)測(cè)的現(xiàn)代化建設(shè)同樣離不開高素質(zhì)水文職工隊(duì)伍的培養(yǎng)和水文法規(guī)、規(guī)范、規(guī)章的完善等