第 3 期2023
年 6 月NO.3Jun .2023
水利信息化
Water Resources Informatization
0 引言
南水北调工程是解决我国北方地区缺水、优化水资源配置的一项重大战略举措。丹江口水库为南水北调中线工程水源地，承担着向京津及华北地区城市供水、同时兼顾农业和生态用水的任务。2014 年12 月正式通水，截至 2023 年 6 月 1 日，累计调水量超过 562 亿 m 3。丹江口库区水质状况不仅直接影响了中线工程的效率和效益，而且密切关系到广大受水区人民众的饮水安全。《丹江口库区及上游水污染防治和水土保持“十四五”规划》中明确提出：“到 2025 年，丹江口水库水质稳定达到供水要求，水源区富营养化演变进程得到控制，水环境质量稳中向好。”
为了对丹江口库区水源进行有效的监测、监督和保护，提高水质自动监测能力，加强水环境污染风险监控，确保南水北调中线水源安全，2014 年南水北调某主管部门在丹江口库区建设了多个水质自动监测站。环境监测数据是生态环境质量的直观反映，是生态环境工作开展的基础依据。为进一步规范水质自动
监测站运行维护与管理，完善预警预报系统及水环境自动监测网络，及时掌握丹江口库区水环境质量动态，确保水质自动监测站稳定运行，需建立健全丹江口库区环境质量监测体系[1]，以保障丹江口库区水质
自动监测数据真、准、全。
1 量值溯源系统
量值溯源系统即管理系统，主要是对“人、机、料、法、环、测”六要素进行管理。在质量控制和体系运行实践中，从质量监督和控制的角度出发，注重对人员培训、设备检定期间核查、消耗性材料验证、检测标准的有效性、环境条件的适宜性、测试过程的操作标准等一系列要素的把控，从而确保数据可溯源。丹江口库区水质自动监测量值溯源系统如图 1 所示。
运维单位须严格按照指定的运维要求和环境监测相关标准体系开展运维工作，及时做好水站现场的清洁和整理工作，满足运维工作对环境的要求，并保证仪器和系统运行不受环境中其他因素的干扰，严格把关各环节，避免给水站监测工作带来质量影响。
2 自动监测数据“真”
水站站房选址、采水点的设置、采水设施的建设均严格按照相关规范进行，确保水站所监测的水样能够
真实代表监测断面的水质情况。监测数据按照规范的通信协议由自动监测仪器监测后自动上传至对应的水质监测管理信息平台，并可以从平台的流程日志和关键参数等查阅水站系统相关参数的具体情况，
DOI ：10.19364/j.1674-9405.2023.03.017
多举措保障丹江口库区水质自动监测数据真、准、全
刘晓娟 1，2，莫晓聪 2，王 立 3，陈小平 2，李 强
2
摘 要：为确保丹江口库区水质自动监测站数据的真、准、全，在数据采集及传输方面，规范采样要求及数据传输标准，完善关键参数及流程日志信息的上传；在人员管理方面，数据审核员须通过主管部门组织的技术培训和考核，具备数据综合分析、质量管理等相关能力；在数据审核流程方面，对监测数据进行严格的审核流程设计，水站监测数据实施平台在线审核，审核全过程各环节均记录留痕；在质控管理方面，构建贯穿水站运行全过程的多级质控措施（包括日、周、月质控及盲样考核）和多维度质控体系；在数据连续性方面，根据不同停运条件，及时完成手工补测工作；同时，参照全国已建立的监测技术指标体系，为保障监测数据的真实、准确提供技术依据。通过以上相关措施，能够确保自动监测数据真实、准确、完整。
关键词：水质数据；自动监测；数据传输；数据审核；质控措施；补测数据
中图分类号：X832 文献标识码：A 文章编号：1674-9405(2023)03-0087-06
收稿日期：2022-05-06
作者简介：刘晓娟（1991—），女，安徽阜阳人，硕士，工程师，从事水利水电信息系统设计与开发工作。E-mail ：*****************
（1. 武汉长江科创科技发展有限公司，湖北 武汉 430015；2. 长江水利委员会长江科学院，湖北 武汉 430015；3. 南水北调中线水源有限责任公司，湖北 丹江口 442700）
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保证数据可溯源[2]。运维人员须参加培训考核，考核合格后上岗，具有专业的运维知识和职业素养。在运维过程中严格遵守运维要求相关规定，发现人为干扰监测数据时及时报告，保障监测真实性。水质自动监测数据经运维人员、主管部门数据审核员，根据数据审核的规则对数据进行审核，规范开展各项工作，共同保障数据的“真”。
2.1 采样要求
为保证监测数据的真实性，分别从站址及采样点位的选址、采水单元的要求作出详细的规范说明，进一步确保每条数据真实、可用。2.1.1 站址选择
为保证水站监测水质的代表性、站点的长期性，同时为了尽可能采集到代表性样品，真实反映水质状况和变化趋势，且保证采水设施安全和维护便利，对站房和采水口的选址作了明确要求。
1） 水站选址基本条件。水站站址应尽可能选择手工监测断面处，以保证监测数据的连续性。现场明确不具备建站条件需另外选址的，须满足以下要求：
a. 水站站址与手工监测断面之间无支流、排污口汇入。
b. 水站站址和手工监测断面无水质类别差异，保证断面属性、主要污染物不变。
c. 水站站址与手工监测断面水质的相对偏差（高锰酸盐指数、氨氮、总磷、总氮等）小于等于 15%。
d. 水站站址优先选择常年水深比较稳定、能采集到代表性样品的位置。丰、枯水季节河道摆幅应小于 30 m ，枯水期采水点水深不小于 0.5 m ，采水点最大流速一般应低于 3 m/s ，便于采水设施的建设和运行维护，保证采水安全。
e. 水站站址距离采水点原则上不超过 300 m ，枯水期时不得超过 350 m ，具备铺设管线和保温设施的条件。
2） 采水口选址条件。采水口选址须满足以下要求：a. 在不影响航道运行的前提下，采水点应尽量靠近主航道。
b. 采水口位置一般设在冲刷岸，不能设在河流（湖库）的漫滩处，避开湍流和容易造成淤积的部位，丰、枯水期采水口离河岸距离原则上不得小于 10 m 。
c. 采水口处应有良好的水力交换条件，不能设在死水区、缓流区、回流区。
d. 取水点设在水下 0.5～1.0 m 范围内，但应防止底质淤泥对采水水质的影响。2.1.2 采水单元
为确保采集到的断面水样具有代表性，同时保证水样在传输管路中不发生物理、化学性质的变化，采水单元的设置应因地制宜，针对不同情况采用最适用的采水方式。如采样装置的设置，为防止底质淤泥对采样水质的影响，采样装置的吸水口应设在水下 0.5～1.0 m 范围内，并能随水位变化适时调整位置，同
时与水体底部保持足够的距离，既能保证采集到具有
图 1
丹江口库区水质自动监测量值溯源系统
备注：人：水质监测人员，包括技术人员与管理人员。机：运维所需仪器设备，包括车辆、水质监测设备、标准溶液配制设备等。料：试剂、标准物质、备品备件、易耗品等。法：相关的法律法规、技术规范、作业指导书、检测方法等。环：水站所在的工作环境条件。测：监测过程的质量控制及操作标准。
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代表性的水样，又能保证采样单元能连续正常运行。
同时，为消除采样头单向输水运行形成的淤积，防止藻类生长、聚集和泥沙沉积，采水管道应有除藻和反清洗设备，可以通入清洗水进行自动反冲洗。通过自动阀门切换可以将清洗水和高压振荡空气送至采样头，以保证采水管路配有管道清洗、防堵塞、反冲洗等设施，并在取水管道设置有压力监控装置，控制单元通过该装置可以实时监控采水单元的运行状态[3]。
2.2 规范数据传输标准
在水站开始建设之前，考虑到目前水站建设存在通信协议不统一、设备不兼容、监测平台无法对接、各集成商各自为战的情况，极大增加水质监测网络的建设及运行维护成本，给各监测单位及集成设备商带来使用和建设上的困难，不利于丹江口库区自动监测工作的长远、科学发展。
为规范丹江口库区水质自动监测通信协议，使各集成商的设备能够互相兼容，并且都能无缝对接监测平台，要求参照《地表水自动监测系统通信协议技术要求（试行）》规范数据传输标准。该通信协议对仪器定义、数据传输、远程控制等方面均提出了一些新规定，其中针对监测仪器提出具有零点核查、跨度核查、集成干预测试、多点线性核查、自动加标回收、运行日志记录、仪器测试关键参数上传、支持远程控制等功能，还对系统集成、仪器传输等方面提出了详细要求，统一了大部分协议的自定义扩展功能，极大完善了数据传输要求，形成了体系完备、数据规范、可溯源的传输标准[4]。
2.3 关键参数登记及流程日志上传
为保证丹江口库区水质自动监测站仪器运行过程中关键参数全程可控，数据可溯源，仪器工作过程可控，提高自动监测数据的可信度，关键参数的登记及流程日志的上传具有重要意义。具体要求如下：1）对仪器校准的关键检测部件信号值的合理范围进行登记备案，如零点和量程校准时，检测装置的吸光度值、电位值及滴定时间等与校准点浓度相关的信号值的合理范围，校准曲线斜率的合理范围。
2）为满足水样比对要求，消除系统误差，对仪器测量曲线、斜率和截距的修正系数进行登记备案。
3）对仪器分析测量过程中的控制条件进行登记备案（如消解时长、温度，以及显温度、时长等影响测量结果的关键参数设置）。
4）对五参数（水温、pH、溶解氧、电导率、浊度）仪器测量的水样置换时间和测量数据记录时间进行登记，对氨氮、高锰酸盐指数、总磷、总氮预处理方式和时间进行登记。
5）对自动留样器超标上下限设置进行登记。2.4 人员管理
在运维过程中建立了运维人员培训上岗制度，规范数据审核，增加廉洁教育宣讲等。同时为规范运维工作，也制定了一系列的管理制度。
定期举办自动监测技术与运维管理培训班，主讲内容包含水质自动分析仪器、系统集成、运行维护等技术要求，以及人员职业素养及环境监测相关法律法规等。运维单位同时建立了运维人员的培训制度，不断提高运维人员的专业技能和职业素养。主管部门及运维单位共同加强对运维人员的教育，提高思想认识。汲取环境监测典型案例经验，开展相关的警示教育，保持警钟长鸣，不作假，不掺假，让运维人员始终保持认知高度，发现异常及时报告。
为规范数据审核工作，对运维单位、主管部门的数据审核员开展培训工作，确保数据审核员均按照技术
规范审核数据，保障入库数据的真实、准确。主管部门组织各数据审核员在数据审核过程中注意收集发布相关的案例，与运维单位的高级技术人员探讨，形成准确的审核意见，指导数据审核工作。在数据审核过程中发现弄虚作假、干扰监测等行为时，应立即上报相关部门进行查处。
2.5 数据审核流程
地表水自动监测数据实行在线审核，由运维人员、主管部门数据审核员审核，审核全过程各环节记录留痕。丹江口库区水质自动监测数据审核体系框架如图 2 所示。数据审核流程如下：
1）自动预判。为确保地表水质量监测数据真实有效，平台对监测数据是否异常、质控是否合格进行标记。当日、周质控等数据合格，则继续审核，否则监测数据无效。
2）智能审核。利用统计分析、聚类分析、回归分析、多维空间计算等算法，对历史和实时数据的合理性、逻辑性、相关性进行分析，创建异常数据捕获模型，对不合理的可疑数据进行自动筛选和预判。针对超标准限值、恒值、零值等情况进行数据自动预判，标记为平台存疑数据。
3）人工审核。各级审核员每日结合关键参数、运行日志、历史数据、参数关联性、天气、上下游关系、运维情况等，对平台预判结果进行确认。运维人员对平台自动判断结果和标记的监测数据进行确认，对无
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效及存疑数据说明原因，并提交佐证材料。主管部门数据审核员对运维人员提交的审核结果进行综合判定，结合断面、质控、现场维护情况提交审核意见。必要时联系运维人员进行现场确认后再进行审核。
当现场确认后仍无法判断数据有效性时，组织专家进行审核，确保入库数据真实、准确。
2.6 其他保证措施
为了能远程监控每个水站的现场情况，保证水站运行维护过程的透明性及数据的真实性，要求水站配备视频监控设备。视频监控设备由多个摄像头及视频服务器组成[5]，多个摄像头分别安装，监控水站内外情况。
水站室外安装摄像头，远程观察取水工程（取样水泵、沉淀池、浮台等）的工作状况，以及水质自动监测站周边的水位、流量等水情情况，同时也可观察水质自动监测站院落、站房、供电线路等周边的环境。
水站机房内安装摄像头，远程监视水质自动监测站内设备（采样分配单元，自动监测分析仪器、供电系统、数据采集及传输系统等）的整体工作情况，如设备的面板指示灯及数据的显示，电源是否正常等，以实现远端的工作人员对水质自动监测设备运行情况、电源、环境信息的实时视频监视。
3 自动监测数据 “准”
自动监测站数据的准确性主要通过质控、数据逻辑性 2 个方面把控。数据审核员在仪器正常运行
的基础上对监测出的数据进行审核，仪器正常运行则通过质控合格判断，质控主要包括日、周、月质控。质控合格后数据才进行审核入库，应保证仪器正常运行
[6]
。数据的逻辑性主要通过各类环境限值及国标文件
规定值及现场河道情况等进行分析。
3.1 内部质控
内部质控管理主要以质量体系文件为总体指导，对仪器设备、运行维护过程采取相应的质控措施，包括日质控、周核查、多点线性核查、集成干预、加标回收、实际水样比对等，以保证数据质量[7]。水质自动分析仪质控措施及频次如表 1 所示。
表 1 水质自动分析仪质控措施及频次
质控类型
质控项目质控频次飞机黑匣子能记录多项关键数据
实施对象
日质控
零点核查
每天
氨氮、高锰酸盐指数、总磷、总氮、化学需氧量、六价铬、铜、镍等参数
24 h 零点漂移跨度核查24 h 跨度漂移
周质控
标液核查每周
常规五参数
月质控
多点线性核查每月
氨氮、高锰酸盐指数、总磷、总氮、化学需氧量、六价铬、铜、镍等参数
实际水样比对
集成干预检查氨氮、高锰酸盐指数、
总磷、总氮、化学需氧量、六价铬、铜、镍等参数（浮船站除外）
加标回收率自动测试
注：水质自动分析仪进行零点核查时不允许屏蔽负值。
图 2
丹江口库区水质自动监测数据审核体系框架
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3.2 盲样考核
内部质控除了日、周、月质控等日常质控措施外，还包括每月定期随机抽选站点和现场检查站点的盲样考核。
1）盲样考核。每个月定期开展盲样考核工作，由主管部门监督并随机抽选站点进行考核，盲样采用统一规格、编号和浓度保密，运维人员按照专业步骤进行仪器考核，考核结果录入系统平台后，公布考核结果。
2）现场盲样考核。现场盲样考核在每月规定时限前完成。检查人员提前与考核站点的运维人员联系，确定盲样的配制地点。在现场配制盲样的，检查组应记录盲样配制过程是否规范，操作是否熟练。不在现场配制的，运维人员须提供配制视频，以供检查组现场检查。
检查工作结束后，各检查组应向主管部门提交盲样考核检查记录；由主管部门组织召开水站现场盲样考核工作总结会议，各检查组汇报盲样考核工作开展情况，总结工作中出现的问题，提出相应的注意事项，以便更好地开展后期盲样考核工作。
3.3 外部质控
为保证监测质量，制定切实可行的外部质量监督计划，采取多种检查工作机制，对运维单位监测任务执行过程中的管理状况和运维服务活动实施情况进行必要的质量监督，并对监督结果进行评价。主要有以下 3 种检查工作机制：
1）第三方监督检查。为加强对丹江口库区自动监测的质量控制与监督检查，规范丹江口库区监测工作，主管部门委托第三方公司协助开展丹江口库区自动监测运维检查，对运维质量进行监督。针对检查结果，直接向业主汇报检查结果报告。
2）交叉检查。为落实关于进一步加强运维单位对丹江口库区自动监测站运维工作的要求，确保数据客观、真实、准确，不定期组织运维单位对运维工作进行交叉检查。
3）飞行检查。为掌握运维单位的运维工作、监测数据质量情况，主管部门不定期组织专家对运维工作进行飞行检查并进行盲样考核。
3.4 其他保证措施
为确保数据准确性，在月底数据入库前，每 10 d 定期对所有已审的有效数据中，超出正常范围的监测参数的数据进行筛选并复核，经主管部门数据审核员再次确认后，方可入库。筛选内容主要包括：1）对错审、漏审数据予以排查并改正。
2）部分水站的某些监测参数的数值与库区水站同参数的正常数值相差较大，通过筛选将这些水站及参数进行记录。
3）部分水站涉及平台显示错误，及时发现并修正。
同时，每周 1 次定期对日、月均值水质类别进行查看，与至少上个月内及上一年同期数据进行比较，对于水质波动较大（在 2 个及以上水质类别之间波动）的水站进行再次核实。
4 自动监测数据“全”
自动监测数据“全”主要体现在监测指标全、监测数据具有连续性、监测技术指标体系完整等方面。
4.1 监测指标
每个水站均配置了水温、溶解氧、pH、浊度、电导率、高锰酸盐指数、氨氮、总磷、总氮共 9 项监测指标，湖库站点增加叶绿素a和藻密度 2 项监测指标。部分水站还配置了锌、镉、铅、铜、综合生物毒性等水质指标，风速、风向、降雨量、气温、总辐射等气象指标。
常规五参数、叶绿素a、藻密度按照 1 h 周期频次进行监测，其他监测项目按照 4 h 周期频次进行监测，具体监测时间为 0:00，4:00，8:00，12:00，16:00，20:00，必要时进行加密监测。水站全年自动连续监测保障数据充足，因客观原因及不可抗力因素导致水站停运、无法满足运行条件时，采取手工补测方式，保障数据连续全面。
4.2 补测数据
水站停运期间，为保证监测数据的连续性，运维单位须根据不同停运条件，在保障运维人员人身安全的前提下，及时完成手工补测工作。补测要求如下：1）因给水故障、采水设施故障、采水点位无法正常采水、供电故障或其他原因导致水站停运，在保证自动监测仪器满足相关质控要求的前提下，运维单位可采用自动监测仪器补测的方式，保障水站仪器每日上传 1～2 组有效数据；也可采用 CMA（China Inspection Body and Laboratory Mandatory Approval）实验室补测，停运超过 48 h 补测 1 组数据，后续每周保证 2 组数据，直至水站恢复正常运行（2 次补测间隔不得小于 2 d）；
2）运维单位如采用 CMA 实验室补测的方式，相关实验室须出具 CMA 分析报告。当月分析结果须于次月 1 日前上传至平台。
停运期间上传的补测数据由主管部门数据审核员每月进行核对，查看填报的补测数据与 CMA 报告数据
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