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水资源监测下的质量控制

摘要:对省界断面水量、取用水户实时水量、省界断面和重要水功能区的水质以及饮用水水源地的实时水质等水资源监测类型及监测方式方法展开了分析。基于分析结果,总结出了适用于水资源考核要求的水文站水量监测数据、取用水户在线水量监测数据、水质实验室水质监测数据以及水质自动监测数据的特点及其存在的问题。同时,提出了有关水资源监测数据质量控制方面的原则和方法,并对现有的水资源管理系统提出了一些有待改进的合理化建议。

关键词:监测数据;数据质量控制;监控能力;水功能区;水资源监测

1研究背景

自2012年开始,我国开展了国家水资源监控能力建设项目的建设,其目的就是建立与用水总量控制、用水效率控制和水功能区限制纳污相适应的重要取水户、重要水功能区和主要省界断面三大监控体系,以形成与实行最严格水资源管理制度相适应的水资源监控能力。目前,国家水资源管理系统收集的数据包括:①每小时的重要取水户监测点取用水量;②每6h的水源地水质变化情况;③每天的大江大河省界水量断面流量信息;④每个月的大江大河省界水质断面巡测信息。用于最严格水资源管理考核的数据应力求全面、准确、及时。随着国家水资源监控能力建设项目后续项目的建设,以及水利基本建设项目的投入,各类水资源监测站点将会得到逐渐完善,并随着新仪器、新装备的不断进步,其时效性亦会得到逐渐提高。然而,水资源监测数据的准确性受制于观测手段、人员素质以及利益博弈等方面的限制,难免会产生一些偏差甚至错误。如何确保监测数据的真实性和准确性,已成为实施“三条红线”考核的关键。

2国家水资源监测类型

国家水资源监控能力建设项目涉及的水资源监测类型包括:省界断面水量监测、取用水户实时水量监测、省界断面和重要水功能区水质监测、饮用水水源地的实时水质监测等四大类。

2.1省界断面水量监测

省界断面是指上下游分别穿越不同的省(自治区、直辖市)行政区界的主要河流(湖泊)的水质水量监测断面,或者是不同的省(自治区、直辖市)位于左右岸的河流(湖泊)的水质水量监测断面。省界断面水量监测主要是依托现有的水文站网。由于水文站一般被要求设立在河岸顺直、水流平顺的河段,省界断面处有的不能满足水文站设立要求,现有省界水文站通常并不一定位于真正的省界处。如果省界断面上下游附近没有大支流入汇,那么其上下游水文站的水量监测数据可以基本上代表省界断面的或通过一定的转换关系换算成省界断面的水量成果。现阶段,对绝大多数的水文站流量过程不能完全做到实时在线监测,大多是采取流速面积法,利用机械流速仪进行人工测流。但是流速仪只能测得一个点的流速,对一个过水断面的平均流速需要测量几十个点的流速才能得到较为准确的平均流速,如此费时费力,达不到实时在线的目的[1]。对大江大河应用较多的走航式声学多普勒流速剖面仪,能同时测得多根垂线流速分布以及水深信息,但是其流量计算仍采用的是流速-面积法,这样亦无法实现实时在线。水文站已实现的实时在线测流方法主要有声学法(时差法、固定式ADCP、雷达法等)、堰槽法以及比降面积法等。(1)声学法。①声学时差法流速仪是通过测量顺流、逆流时声波在断面间传播的时间差来计算水层的平均流速,通过水层流速与断面平均流速的关系计算出实时流量。②固定式ADCP根据测量的代表性点、水平线或垂线流速分布,通过关系模型得到断面平均流速,从而计算出实时流量[2]。③雷达法则主要是测定水面流速,并通过率定的水面流速系数来计算断面的流量。(2)堰槽法使用的堰槽主要有三角形薄壁堰、矩形薄壁堰、宽顶堰以及巴歇尔槽等。只要能测得水位,就可以运用较稳定的转换公式计算得到流量。因为要在河道上建一堰或槽,只能用于小流量测量,其使用限制显而易见。(3)比降-面积法是一种通过观测比降,利用水力学公式来推算流量的方法。该方法适用于河段顺直、河床稳定、无经常性冲淤变化、糙率具有较好的变化规律、历年水位流量关系较稳定的河流或渠道。因为该方法仅需要观测水位,所以可以很方便地实现在线监测。

2.2取用水户实时水量监测

我国将取用水分为河道内用水和河道外用水两类。(1)河道内用水是指河道内水资源的利用,包括水运、渔业、旅游、冲沙以及生态环境用水等,只是利用水的动能、势能、水域,水量全部回归河道,不具备消耗特性,但可能会改变水资源的时空分布。(2)河道外用水是指通过提、蓄、引等不同的方式而调出的水量,如工业、农业用水和城市生活用水等,这类用水具有消耗的特性,只有部分水量回归河道甚至完全不回归。2.2.1河道内用水的监测河道内取用水户的用水情况,主要是通过现有的水文站进行监测。当现有的水文站网完全不能满足监测水资源的时空变化需要时,则需要配合使用水工建筑物推流、电功率推流等方法来实现。堰、闸和涵洞等水工建筑物,只要水流情况符合水力学的计算条件,能够确定流量系数,就能通过观测水位和闸门开启的高度来推算流量,并能实现水量的实时在线监测[3]。在我国水资源管理中,水电站发电用水量一般是采用电功率法推算的水轮机过流量,与其他过流设施的过流量相加而得到水电站的下泄流量[4]。电功率取决于通过水轮发电机的流量和上游水头或上下游的水位差,可由水电站的电功仪表读得,利用水轮机的效率系数和上下游的水位差,即可推求出流量。2.2.2河道外用水的监测河道外用水又可分为明渠和管道两种输水方式。其中,明渠的流量监测与水文站的在线监测方式类似。目前,管道流量测量的主要方式有:由超声波管道流量计、电磁管道流量计、水表等仪器直接测量,以及由泵站机组的特性曲线推算流量两种测量方式。无论采用超声波流量计还是电磁流量计,均属于非接触式仪表,只适宜于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。以上流量计,不用在流体中安装测量元件,不会改变流体的流动状态,不产生附加阻力,仪表的安装及检修均可不影响生产管线的运行。机械式水表由于成本较低而得到了普遍应用,但是管路中的杂质、水垢容易造成运行数据不准、堵塞等现象,虽然加装滤网和磁性过滤器可以滤除较大颗粒杂质及磁性物质,但是仍有微粒杂质无法滤除,一定累积后会影响计量的精度。通过泵站提水由泵站机组特性曲线推算流量的方法简单,只要监测泵站机组的功率,通过效率曲线即可推算出提取的流量。但是这样取得的流量精度较低,满足不了水资源管理的需求,只是在一些对流量精度要求不高,其他监测方式困难时应用。

2.3省界断面和重要水功能区的水质监测

省界断面水质监测、重要水功能区国控监测点的水质监测,原则上都采用巡测的方式。由负责水功能区监测任务的流域环境中心、流域水环境分中心、省水环境监测中心以及省水环境监测分中心的水环境实验室完成。水环境实验室按照与建立水功能区限制纳污指标体系和监督考核的能力相适应的要求,参照水利部颁布的《水文基础设施建设及技术装备标准》(SL276-2002)标准配置设备[5]。所配备的分析仪器主要包括:便携式多参数监测仪、水质等比例采样器、气相色谱质谱仪、等离子发射光谱仪、气相色谱仪、液相色谱仪、离子色谱仪、原子吸收分光仪、紫外可见分光光度仪、分光光度仪、原子荧光分光光度仪、生物毒性分析仪、总有机碳测定仪、总α、β测定仪以及叶绿素测定仪等[6]。

2.4饮用水水源地实时水质监测

全国重要饮用水地表水源地水质监测采用水质驻测的方式,即配备水质自动监测设备。水质自动监测设备包括采样设施、水样处理系统、自动监测仪器设备(常规参数监测系统、COD自动测定仪、氨氮自动测定仪、总磷自动测定仪、总氮自动测定仪)、数据通信传输系统、供电供水以及附属设施等。水质自动监测方法主要有电磁光谱法、化学分析法等,这些方法主要用于实时监控和预警监视。水质自动监测的监测项目除了基本的常规五参数(水温、pH、电导率、溶解氧和浊度)以外,主要监测以高锰酸盐指数、氨氮为代表的水质指标[7]。

3水资源监测数据的特点

从水资源监测类型的角度进行分析,则可将水资源监测产生的数据分为以下几类:①利用现有水文站点所获取的水量数据;②取用水户在线监测设备获取的水量数据;③通过巡测取样由水质实验室获取的水质数据;④通过水质自动监测站获取的水质数据。

3.1水文站水量数据

现有水文站一般为收集河流主要控制节点水文资料的基本水文站、为防汛提供实时水情的防汛水文站,还有就是为水利水电工程规划设计、科学研究及其他公共要求提供数据的专用水文站。目前,专门用于水资源管理考核的省界断面水文站数量较少。从监测方式的角度来看,水文站的水位过程能实现自动在线监测,绝大多数测站没有实现在线测流。如果需要实时流量,一般有以下2种处理方式:①采用水位和流量插值方式自动获取;②是由测站技术人员经过综合分析确定相应流量后,再通过人工置数方式报出。对于水位流量呈单一关系的测站,流量自动计算较为容易,但是对于一些较复杂的情况,则很难简单地依靠水位流量关系来自动转换。报送流量主要依靠水文专业人员依据有限的实测流量点据,对测站水位流量关系变化趋势的分析判断,通过外推插值获取。然而受经验及个别测点的影响,容易出现偏差。往往在新的测点出现后,流量的临时绳套线需要重新修正,容易造成流量计算值的误差,并出现上下“跳动”的现象。因此,第一种方式可能会存在较大的误差;后一种方式实际上仍然为人工方式,并非真正意义上的实时在线,与水资源监测要求得到每天流量信息的需求存在一定的差距。从信息传输流程的角度来看,水文站将实时信息通过信息传输网络传送到水情分中心;水情分中心接收所辖测站的水情信息,对数据进行处理、校验、入库、编码,再转发到上一级水情分中心或流域水情中心;流域水情中心分发至流域水资源管理系统,由流域水资源管理系统将其上传至国家水资源管理系统。在传输的过程中,水情分中心、流域水情中心均需经过一个严格的审核过程,因此有关测验误差会在该过程中很快被发现并得到改正,从而能够保证进入国家水资源管理系统的数据正确。实时数据尽管存在着一定的误差,但完全可用于预警,而且经过整编后的数据可用于考核评估工作。

3.2取用水户在线监测水量数据

对于采用明渠取水的取用水户,在线监测方式与现有水文站的在线监测方式基本类似。而对取用户所采用的明渠断面大多系人工开掘,水面较窄、断面规则工整,且水位、流量变幅不大,水流流态较为稳定,流量监测条件较好。从明渠监测方法的角度来看,①水工建筑物推流取决于流量系数,其流量系数主要通过模型试验得到,未开展模型试验的水工建筑物流量系数多采用水力学给出的流量系数经验公式和查算图表,且主要是根据大量的试验资料进行综合归纳;②电功率法推流精度取决于水轮发电机的效率,效率系数曲线均在出厂时已给出,有的需通过水力学方法进行计算,有的需通过模型试验得到;③声学法是通过大量的同步流量测次率定,确定代表点、代表线与断面流速、表面流速与断面流速之间的相关关系。从管道监测方法的角度来看,电磁管道流量计是应用导体在磁场中作切割磁力线运动时,测量两端所产生的感应电动势来计算导电流体的流量[6];运用声学时差法管道流量计可以测量满管水流的某一个或几个直径的平均流速,也可测量平行的几个水层的平均流速,由测得的流速推算出管道的平均流速再来推算流量[7];声学多普勒管道流量计是测量管道内一个或几个声束上的平均流速,按已率定的计算公式来计算管道的内径流量[8];机械水表是通过叶片的转速与平均流速建立的关系来推求流量,其关系一般是在仪器出厂前就已给定;泵站提水机组特性曲线已在出厂前率定,按实际工况计算即可计算出流量。从信息传输流程的角度来看,取用水户将实时信息通过传输网络直接传送到省或国家水资源管理系统,再由国家水资源管理系统与流域和省共享,整个过程实现了全自动[9]。全自动采集传输过程,能使数据以最快的速度到达中央平台,但数据缺乏必要的审核过程。由于利益冲突的缘故,取用水户与上传的取用水量数据有天然的抵触情绪,可能会采取断电、造假甚至损坏计量设施的情况,导致出现数据不连续、不真实、不稳定的问题。尽管可以通过滑动平均等方法去除跳跃成份,但无法对数据的真实性进行判断,更不可能恢复丢失的数据。

3.3实验室水质数据

从采样分析方法的角度来看,因断面数量巨大,很难大面积采用在线监测的方式[10],只能采取巡测取样结合实验室分析的方法,而且采样频次不可能很多。国家对室验室水质分析方法有着严格的规定,所配备的设备均是市场上成熟可靠的产品,具有国家质量监督局颁发的产品生产许可证、计量认证;每年对各水质实验室进行的计量认证,确保了水质实验室分析的精度和可靠性。但是传统的人工现场水样采集、化验方式周期太长,难于及时、准确地反映水质变化的性质和过程。从信息传输流程的角度来看,通过巡测得到水样,由水质实验室分析获得数据,经过校核、审查等过程输入水质数据库。省界断面及省界缓冲区的水质数据需经各省水环境监测中心和流域水环境监测中心审核后进入国家水资源管理系统,水功能区的水质监测数据则需经各省水环境监测中心审核后进入国家水资源源管理系统。因此,实验室的水质数据在分析、传输的过程中,均会受到严格审核过程的控制,其质量和精度均能够得到保证。尽管监测频次略显不足,但是可供考核评估工作使用。

3.4水质自动监测数据

从监测仪器工作方式的角度来看,由于自动监测数据之间,自动监测与手工监测数据之间的不一致问题严重,国家关于自动监测技术的各项标准体系还未建立起来,运用这些数据的法律地位比较尴尬[11]。由于水质自动站大多数都位于较偏僻的地方,供电环境较差,有时会出现临时断电等情况,可能会导致停止运行而缺测量数据。因此水质自动站一般用于预警,而考核评估则仍主要采用的是实验室监测数据。从信息传输流程的角度来看,由于水质自动站大多都是依托于水文机构或水环境保护机构,传输至省或流域管理系统后,根据自身的质量管理要求,会对发现的异常数据进行判断和处理,并会将不合理的数据进行自动剔除或修正。同时,每隔一定时期或在更换化学试剂时,会对实验室标准分析方法与自动监测仪器方法的结果进行比对分析,从而保证了监测数据的准确性。由于自动站的大量建设,现有的人力已无法面对海量水质的在线数据,有较多水质自动站是采用委托方式进行观测的,因此在其质量控制体系未建立之前,其数据的可靠性值得怀疑。

4监测数据的质量控制

从水资源监测数据的特点来看,水文站、水质实验室因受到严格的质量体系控制,数据质量较高。取用户水量自动监测数据、水源地水质自动监测数据因质量控制不严谨,数据质量有待提高。

4.1省界断面质量控制

鉴于水文监测与水资源监测对成果要求有所区别,水文监测以控制过程量及转折点为目的,并以防洪测报为重点开展工作;水资源监测要求流量过程具有完整性,应重点关注枯水过程和最小流量。因此,为了满足水资源监测的要求,对已成熟的水文质量控制提出了更高的要求。由于常规水文监测不能满足水资源监测的逐日流量过程要求,需大量采用水位流量关系转换。目前,我国常用的流量转换方法主要包括:水位流量单一线法、变动综合线法、经验绳套法、综合落差指数法以及绳套水位流量直接转换的差分方程模型等方法。因此,为了满足水资源监测的要求,测站或分中心人员应密切关注水位流量关系的变化,视流量实测点据对水位流量关系进行调整。为满足考核评估要求,除按年进行整编以外,还应尽可能地缩短整编历时。对于采用在线测量的水文站,其选择的代表点线是在特定地点、配合特定安装方式建立的,因此不具有普遍性。一旦更换地点和安装方式后,需重新对其关系进行率定。为了寻找最优的代表点线,应采用多种方案参数进行比较,开展大量的合理性分析,进而优选出最好的关系。每年还应安排必要的巡测测次,率定代表点线是否发生变化。对于使用堰槽法测流,虽然水位流量关系较为稳定,但是为了适应实际环境的变化,提高流量测量精度,还是应运用流速仪法测得的流量对堰槽水位流量关系进行校核。而对于堰槽法、电磁法,则需实施停水改渠和定期维护。对于使用比降面积法测流,比降水尺的设立需通过在两岸不同地点的对比观测予以确定。糙率不仅会随着水位、比降等因素发生变化,而且会随时间而发生改变,因此河道形状、床面组成的变化以及测站附近水工设施对水流形态的影响等,都会引起糙率发生变化。所以,对于糙率应采用当年或邻近年份的实测资料进行计算校正。

4.2取用水户在线监测水量数据

对于采用水工建筑物推流,由于受试验的条件和技术水平的限制,流量系数产生误差是不可避免的。因流量系数会受多种因素的影响,如泥沙冲淤会使流量系数与有关水力因素的单值关系受到破坏,会导致率定成果不稳定或采用成果不可靠。因此,每隔一定时期就应开展流量系数的率定工作,该项工作主要通过在其下游开展水文巡测进行。对于采用电功率法推流,无论何种方式得到的效率曲线,均会与实际情况存在着一定的差异。电厂运行后应根据实测流量来率定效率曲线,得到单机或综合的功率与效率的关系曲线,然后根据开机的情况运用不同的曲线来推算流量。管道超声波流量计、电磁流量计测量误差的原因很多,包括仪表选型、安装环境、安装方法、使用及其维护等诸多因素,其误差主要来源于管道内非满管或含有气体、空间电磁波干扰、管内附着层及非对称流动等。因此,为了保证精度,应尽量将流量计安装在自下而上流动的垂直管道上,如果需水平安装,则应安装在管道的最低端。电磁流量计为克服空间电磁波干扰,应尽量远离如大电机、大变压器和电力电缆附近等强磁场,采用缩短电缆长度、将电缆单独穿在接地钢管内等屏蔽措施。针对管内的附着层,在选择管道时,应尽量选用难附着沉淀的衬里,采用机械法或化学定期清洗法,还可以通过管径的选择来提高流速,起到自动清洗管道的目的。为了保证流速按同心圆分布,不造成管道的非对称流动,流量计的上游应有足够的直管段(5D以上),而且流量计的内径应与上下游一定范围内的管道内径相同。所有使用仪器监测的取用水户,应确保仪器在有效使用期内,并1a一次或定期到有资质的机构进行仪器鉴定和认证。由于取用水户数据缺乏必要的校审程序,同时国家与取用水户之间存在着利益博弈关系,因此对取用水户监测应指定监管单位,最好由监管单位对在线数据的正确性进行评判。而现有的水资源管理系统缺少有关这一部分的设计,取用水户的监测数据不能实时到达水资源监管单位,缺乏必要的连通信息途径。一旦大量有错误的信息进入国家水资源管理系统,则将会导致无法对用水户实施考核。

4.3水质实验室监测数据

目前,所有水功能区的水质监测数据全部来源于各省、各流域机构的水质室验室,因此水质实验室的仪器设备应全部采用国家认可的水质监测仪器,以确保精度能够满足有关标准的要求。各水质实验室应每隔一定时间开展一次水质计量认证,对正在使用的各类仪器采用盲样测验检验,做到不达标准就不让投入运行。同时,对于水质实验室的各类仪器应按要求定期率定,对提供的数据应校审手续齐全,确保监测数据正确。

4.4水质自动监测数据

水质自动监测采用的仪器、方式、数据质量检查与审核等方面与水质实验室之间有较大的差异。为了保证水质自动监测数据的准确、可靠,需要构建完善的质量控制体系,才能保证水质自动监测系统运行稳定可靠,数据准确完整。无论对于托管站还是水文、环境部门自已运行的水质自动站,实验室技术人员均应实时跟踪检查数据,对发现的异常数据及时予以判断和处理,并做好记录。有条件的应建立计算机数据审核系统,将不合理的数据进行自动剔除或修正,以确保监测数据的准确性。水质自动监测数据要执行三级审核制度,按周报告监测结果。应定期检查各种仪器输出量程与软件控制输出量程的一致性、数据采集系统下载的数据和现场实时显示的数据与仪器表头显示的数据的一致性。当自动站意外断电且再度上电时,应能自动排出断电前正在测定的试样和试剂、自动清洗各通道、自动复位到重新开始测定的状态。应将自动站运行的故障信息和监测数据同步传输至监测部门,由实验室人员对其数据的正确性进行评判。应确保所有使用的试剂均在有效期内,而且应为分析纯或优级纯级别;标准溶液贮存期除有明确的规定外,一般不得超过3个月。应定期对实验室标准分析方法与水质自动监测仪器方法的分析结果进行比对,定期对各种化学试剂或标准溶液进行抽查,一旦发现试剂或标准溶液变质,应及时予以更换。每次更换试剂后均应对仪器进行校准,将其与实验室的结果进行对比试验,并保留水样,建立关系。

5结论

(1)依靠现有水文站的水量监测数据,虽然其数据质量较高,但流量监测的频次不能满足水资源监测的实时性要求。采用水位流量插值推求的流量过程,虽然满足了实时性的要求,但存在着较大的误差,与能用于水量考核的水文整编数据之间存在着一定的偏差。水文站只需按照有关规范开展测验,并保证测验仪器处于有效期,其精度就能得到保证。对于考核,只需将监测数据进行整编即可。(2)取水用户在线水量监测数据大多数具有较高的精度。但是在线监测设备的种类众多、采用的方法各不相同,现有取用水户的技术力量不能满足或不愿开展日常的代表性率定、计量认证及定期仪器送检鉴定工作。同时,还存在着利益博弈的关系,对于突然出现的诸如断电、仪器故障等问题解决的积极性不高。因此,为了保证数据的正确性,应尽快建立取用水户在线水量监测数据质量保证体系,由取水用户监督管理单位负责监控所管取用水户在线数据的校验,并监督取用水户进行仪器定期送检、代表点线率定、计量认证。(3)水质自动监测光电法采集的数据误差较大,化学试剂法的数据较为接近实验室的数据,但即使这样,仍应经常性地开展仪器的重新校准和实验室数据的比对工作。对于化学试剂法,每次在更换试剂时都必须与实验室的数据进行比对,避免出现数据不连续等问题。水质自动监测站应建立严格的质量管理办法,由实验室技术人员或委托有资质和经验的第三方单位进行实时跟踪检查数据,发现异常数据应及时予以判断和处理。(4)水质实验室数据受到严格的质量控制,只要保证所有仪器均处于有效期,并严格地经过校审程序,其数据是能够用于各类考核的。

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作者:熊明 梅军亚 杜耀东 吴琼 单位:长江水利委员会水文局

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