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摘要:對省界斷面水量、取用水戶實時水量、省界斷面和重要水功能區的水質以及飲用水水源地的實時水質等水資源監測類型及監測方式方法展開了分析。基于分析結果，總結出了適用于水資源考核要求的水文站水量監測數據、取用水戶在線水量監測數據、水質實驗室水質監測數據以及水質自動監測數據的特點及其存在的問題。同時，提出了有關水資源監測數據質量控制方面的原則和方法，并對現有的水資源管理系統提出了一些有待改進的合理化建議。

關鍵詞:監測數據;數據質量控制;監控能力;水功能區;水資源監測

1研究背景

自2012年開始，我國開展了國家水資源監控能力建設項目的建設，其目的就是建立與用水總量控制、用水效率控制和水功能區限制納污相適應的重要取水戶、重要水功能區和主要省界斷面三大監控體系，以形成與實行最嚴格水資源管理制度相適應的水資源監控能力。目前，國家水資源管理系統收集的數據包括:①每小時的重要取水戶監測點取用水量;②每6h的水源地水質變化情況;③每天的大江大河省界水量斷面流量信息;④每個月的大江大河省界水質斷面巡測信息。用于最嚴格水資源管理考核的數據應力求全面、準確、及時。隨著國家水資源監控能力建設項目后續項目的建設，以及水利基本建設項目的投入，各類水資源監測站點將會得到逐漸完善，并隨著新儀器、新裝備的不斷進步，其時效性亦會得到逐漸提高。然而，水資源監測數據的準確性受制于觀測手段、人員素質以及利益博弈等方面的限制，難免會產生一些偏差甚至錯誤。如何確保監測數據的真實性和準確性，已成為實施“三條紅線”考核的關鍵。

2國家水資源監測類型

國家水資源監控能力建設項目涉及的水資源監測類型包括:省界斷面水量監測、取用水戶實時水量監測、省界斷面和重要水功能區水質監測、飲用水水源地的實時水質監測等四大類。

2．1省界斷面水量監測

省界斷面是指上下游分別穿越不同的省(自治區、直轄市)行政區界的主要河流(湖泊)的水質水量監測斷面，或者是不同的省(自治區、直轄市)位于左右岸的河流(湖泊)的水質水量監測斷面。省界斷面水量監測主要是依托現有的水文站網。由于水文站一般被要求設立在河岸順直、水流平順的河段，省界斷面處有的不能滿足水文站設立要求，現有省界水文站通常并不一定位于真正的省界處。如果省界斷面上下游附近沒有大支流入匯，那么其上下游水文站的水量監測數據可以基本上代表省界斷面的或通過一定的轉換關系換算成省界斷面的水量成果。現階段，對絕大多數的水文站流量過程不能完全做到實時在線監測，大多是采取流速面積法，利用機械流速儀進行人工測流。但是流速儀只能測得一個點的流速，對一個過水斷面的平均流速需要測量幾十個點的流速才能得到較為準確的平均流速，如此費時費力，達不到實時在線的目的［1］。對大江大河應用較多的走航式聲學多普勒流速剖面儀，能同時測得多根垂線流速分布以及水深信息，但是其流量計算仍采用的是流速－面積法，這樣亦無法實現實時在線。水文站已實現的實時在線測流方法主要有聲學法(時差法、固定式ADCP、雷達法等)、堰槽法以及比降面積法等。(1)聲學法。①聲學時差法流速儀是通過測量順流、逆流時聲波在斷面間傳播的時間差來計算水層的平均流速，通過水層流速與斷面平均流速的關系計算出實時流量。②固定式ADCP根據測量的代表性點、水平線或垂線流速分布，通過關系模型得到斷面平均流速，從而計算出實時流量［2］。③雷達法則主要是測定水面流速，并通過率定的水面流速系數來計算斷面的流量。(2)堰槽法使用的堰槽主要有三角形薄壁堰、矩形薄壁堰、寬頂堰以及巴歇爾槽等。只要能測得水位，就可以運用較穩定的轉換公式計算得到流量。因為要在河道上建一堰或槽，只能用于小流量測量，其使用限制顯而易見。(3)比降－面積法是一種通過觀測比降，利用水力學公式來推算流量的方法。該方法適用于河段順直、河床穩定、無經常性沖淤變化、糙率具有較好的變化規律、歷年水位流量關系較穩定的河流或渠道。因為該方法僅需要觀測水位，所以可以很方便地實現在線監測。

2．2取用水戶實時水量監測

我國將取用水分為河道內用水和河道外用水兩類。(1)河道內用水是指河道內水資源的利用，包括水運、漁業、旅游、沖沙以及生態環境用水等，只是利用水的動能、勢能、水域，水量全部回歸河道，不具備消耗特性，但可能會改變水資源的時空分布。(2)河道外用水是指通過提、蓄、引等不同的方式而調出的水量，如工業、農業用水和城市生活用水等，這類用水具有消耗的特性，只有部分水量回歸河道甚至完全不回歸。2．2．1河道內用水的監測河道內取用水戶的用水情況，主要是通過現有的水文站進行監測。當現有的水文站網完全不能滿足監測水資源的時空變化需要時，則需要配合使用水工建筑物推流、電功率推流等方法來實現。堰、閘和涵洞等水工建筑物，只要水流情況符合水力學的計算條件，能夠確定流量系數，就能通過觀測水位和閘門開啟的高度來推算流量，并能實現水量的實時在線監測［3］。在我國水資源管理中，水電站發電用水量一般是采用電功率法推算的水輪機過流量，與其他過流設施的過流量相加而得到水電站的下泄流量［4］。電功率取決于通過水輪發電機的流量和上游水頭或上下游的水位差，可由水電站的電功儀表讀得，利用水輪機的效率系數和上下游的水位差，即可推求出流量。2．2．2河道外用水的監測河道外用水又可分為明渠和管道兩種輸水方式。其中，明渠的流量監測與水文站的在線監測方式類似。目前，管道流量測量的主要方式有:由超聲波管道流量計、電磁管道流量計、水表等儀器直接測量，以及由泵站機組的特性曲線推算流量兩種測量方式。無論采用超聲波流量計還是電磁流量計，均屬于非接觸式儀表，只適宜于測量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量。以上流量計，不用在流體中安裝測量元件，不會改變流體的流動狀態，不產生附加阻力，儀表的安裝及檢修均可不影響生產管線的運行。機械式水表由于成本較低而得到了普遍應用，但是管路中的雜質、水垢容易造成運行數據不準、堵塞等現象，雖然加裝濾網和磁性過濾器可以濾除較大顆粒雜質及磁性物質，但是仍有微粒雜質無法濾除，一定累積后會影響計量的精度。通過泵站提水由泵站機組特性曲線推算流量的方法簡單，只要監測泵站機組的功率，通過效率曲線即可推算出提取的流量。但是這樣取得的流量精度較低，滿足不了水資源管理的需求，只是在一些對流量精度要求不高，其他監測方式困難時應用。

2．3省界斷面和重要水功能區的水質監測

省界斷面水質監測、重要水功能區國控監測點的水質監測，原則上都采用巡測的方式。由負責水功能區監測任務的流域環境中心、流域水環境分中心、省水環境監測中心以及省水環境監測分中心的水環境實驗室完成。水環境實驗室按照與建立水功能區限制納污指標體系和監督考核的能力相適應的要求，參照水利部頒布的《水文基礎設施建設及技術裝備標準》(SL276－2002)標準配置設備［5］。所配備的分析儀器主要包括:便攜式多參數監測儀、水質等比例采樣器、氣相色譜質譜儀、等離子發射光譜儀、氣相色譜儀、液相色譜儀、離子色譜儀、原子吸收分光儀、紫外可見分光光度儀、分光光度儀、原子熒光分光光度儀、生物毒性分析儀、總有機碳測定儀、總α、β測定儀以及葉綠素測定儀等［6］。

2．4飲用水水源地實時水質監測

全國重要飲用水地表水源地水質監測采用水質駐測的方式，即配備水質自動監測設備。水質自動監測設備包括采樣設施、水樣處理系統、自動監測儀器設備(常規參數監測系統、COD自動測定儀、氨氮自動測定儀、總磷自動測定儀、總氮自動測定儀)、數據通信傳輸系統、供電供水以及附屬設施等。水質自動監測方法主要有電磁光譜法、化學分析法等，這些方法主要用于實時監控和預警監視。水質自動監測的監測項目除了基本的常規五參數(水溫、pH、電導率、溶解氧和濁度)以外，主要監測以高錳酸鹽指數、氨氮為代表的水質指標［7］。

3水資源監測數據的特點

從水資源監測類型的角度進行分析，則可將水資源監測產生的數據分為以下幾類:①利用現有水文站點所獲取的水量數據;②取用水戶在線監測設備獲取的水量數據;③通過巡測取樣由水質實驗室獲取的水質數據;④通過水質自動監測站獲取的水質數據。

3．1水文站水量數據

現有水文站一般為收集河流主要控制節點水文資料的基本水文站、為防汛提供實時水情的防汛水文站，還有就是為水利水電工程規劃設計、科學研究及其他公共要求提供數據的專用水文站。目前，專門用于水資源管理考核的省界斷面水文站數量較少。從監測方式的角度來看，水文站的水位過程能實現自動在線監測，絕大多數測站沒有實現在線測流。如果需要實時流量，一般有以下2種處理方式:①采用水位和流量插值方式自動獲取;②是由測站技術人員經過綜合分析確定相應流量后，再通過人工置數方式報出。對于水位流量呈單一關系的測站，流量自動計算較為容易，但是對于一些較復雜的情況，則很難簡單地依靠水位流量關系來自動轉換。報送流量主要依靠水文專業人員依據有限的實測流量點據，對測站水位流量關系變化趨勢的分析判斷，通過外推插值獲取。然而受經驗及個別測點的影響，容易出現偏差。往往在新的測點出現后，流量的臨時繩套線需要重新修正，容易造成流量計算值的誤差，并出現上下“跳動”的現象。因此，第一種方式可能會存在較大的誤差;后一種方式實際上仍然為人工方式，并非真正意義上的實時在線，與水資源監測要求得到每天流量信息的需求存在一定的差距。從信息傳輸流程的角度來看，水文站將實時信息通過信息傳輸網絡傳送到水情分中心;水情分中心接收所轄測站的水情信息，對數據進行處理、校驗、入庫、編碼，再轉發到上一級水情分中心或流域水情中心;流域水情中心分發至流域水資源管理系統，由流域水資源管理系統將其上傳至國家水資源管理系統。在傳輸的過程中，水情分中心、流域水情中心均需經過一個嚴格的審核過程，因此有關測驗誤差會在該過程中很快被發現并得到改正，從而能夠保證進入國家水資源管理系統的數據正確。實時數據盡管存在著一定的誤差，但完全可用于預警，而且經過整編后的數據可用于考核評估工作。

3．2取用水戶在線監測水量數據

對于采用明渠取水的取用水戶，在線監測方式與現有水文站的在線監測方式基本類似。而對取用戶所采用的明渠斷面大多系人工開掘，水面較窄、斷面規則工整，且水位、流量變幅不大，水流流態較為穩定，流量監測條件較好。從明渠監測方法的角度來看，①水工建筑物推流取決于流量系數，其流量系數主要通過模型試驗得到，未開展模型試驗的水工建筑物流量系數多采用水力學給出的流量系數經驗公式和查算圖表，且主要是根據大量的試驗資料進行綜合歸納;②電功率法推流精度取決于水輪發電機的效率，效率系數曲線均在出廠時已給出，有的需通過水力學方法進行計算，有的需通過模型試驗得到;③聲學法是通過大量的同步流量測次率定，確定代表點、代表線與斷面流速、表面流速與斷面流速之間的相關關系。從管道監測方法的角度來看，電磁管道流量計是應用導體在磁場中作切割磁力線運動時，測量兩端所產生的感應電動勢來計算導電流體的流量［6］;運用聲學時差法管道流量計可以測量滿管水流的某一個或幾個直徑的平均流速，也可測量平行的幾個水層的平均流速，由測得的流速推算出管道的平均流速再來推算流量［7］;聲學多普勒管道流量計是測量管道內一個或幾個聲束上的平均流速，按已率定的計算公式來計算管道的內徑流量［8］;機械水表是通過葉片的轉速與平均流速建立的關系來推求流量，其關系一般是在儀器出廠前就已給定;泵站提水機組特性曲線已在出廠前率定，按實際工況計算即可計算出流量。從信息傳輸流程的角度來看，取用水戶將實時信息通過傳輸網絡直接傳送到省或國家水資源管理系統，再由國家水資源管理系統與流域和省共享，整個過程實現了全自動［9］。全自動采集傳輸過程，能使數據以最快的速度到達中央平臺，但數據缺乏必要的審核過程。由于利益沖突的緣故，取用水戶與上傳的取用水量數據有天然的抵觸情緒，可能會采取斷電、造假甚至損壞計量設施的情況，導致出現數據不連續、不真實、不穩定的問題。盡管可以通過滑動平均等方法去除跳躍成份，但無法對數據的真實性進行判斷，更不可能恢復丟失的數據。

3．3實驗室水質數據

從采樣分析方法的角度來看，因斷面數量巨大，很難大面積采用在線監測的方式［10］，只能采取巡測取樣結合實驗室分析的方法，而且采樣頻次不可能很多。國家對室驗室水質分析方法有著嚴格的規定，所配備的設備均是市場上成熟可靠的產品，具有國家質量監督局頒發的產品生產許可證、計量認證;每年對各水質實驗室進行的計量認證，確保了水質實驗室分析的精度和可靠性。但是傳統的人工現場水樣采集、化驗方式周期太長，難于及時、準確地反映水質變化的性質和過程。從信息傳輸流程的角度來看，通過巡測得到水樣，由水質實驗室分析獲得數據，經過校核、審查等過程輸入水質數據庫。省界斷面及省界緩沖區的水質數據需經各省水環境監測中心和流域水環境監測中心審核后進入國家水資源管理系統，水功能區的水質監測數據則需經各省水環境監測中心審核后進入國家水資源源管理系統。因此，實驗室的水質數據在分析、傳輸的過程中，均會受到嚴格審核過程的控制，其質量和精度均能夠得到保證。盡管監測頻次略顯不足，但是可供考核評估工作使用。

3．4水質自動監測數據

從監測儀器工作方式的角度來看，由于自動監測數據之間，自動監測與手工監測數據之間的不一致問題嚴重，國家關于自動監測技術的各項標準體系還未建立起來，運用這些數據的法律地位比較尷尬［11］。由于水質自動站大多數都位于較偏僻的地方，供電環境較差，有時會出現臨時斷電等情況，可能會導致停止運行而缺測量數據。因此水質自動站一般用于預警，而考核評估則仍主要采用的是實驗室監測數據。從信息傳輸流程的角度來看，由于水質自動站大多都是依托于水文機構或水環境保護機構，傳輸至省或流域管理系統后，根據自身的質量管理要求，會對發現的異常數據進行判斷和處理，并會將不合理的數據進行自動剔除或修正。同時，每隔一定時期或在更換化學試劑時，會對實驗室標準分析方法與自動監測儀器方法的結果進行比對分析，從而保證了監測數據的準確性。由于自動站的大量建設，現有的人力已無法面對海量水質的在線數據，有較多水質自動站是采用委托方式進行觀測的，因此在其質量控制體系未建立之前，其數據的可靠性值得懷疑。

4監測數據的質量控制

從水資源監測數據的特點來看，水文站、水質實驗室因受到嚴格的質量體系控制，數據質量較高。取用戶水量自動監測數據、水源地水質自動監測數據因質量控制不嚴謹，數據質量有待提高。

4．1省界斷面質量控制

鑒于水文監測與水資源監測對成果要求有所區別，水文監測以控制過程量及轉折點為目的，并以防洪測報為重點開展工作;水資源監測要求流量過程具有完整性，應重點關注枯水過程和最小流量。因此，為了滿足水資源監測的要求，對已成熟的水文質量控制提出了更高的要求。由于常規水文監測不能滿足水資源監測的逐日流量過程要求，需大量采用水位流量關系轉換。目前，我國常用的流量轉換方法主要包括:水位流量單一線法、變動綜合線法、經驗繩套法、綜合落差指數法以及繩套水位流量直接轉換的差分方程模型等方法。因此，為了滿足水資源監測的要求，測站或分中心人員應密切關注水位流量關系的變化，視流量實測點據對水位流量關系進行調整。為滿足考核評估要求，除按年進行整編以外，還應盡可能地縮短整編歷時。對于采用在線測量的水文站，其選擇的代表點線是在特定地點、配合特定安裝方式建立的，因此不具有普遍性。一旦更換地點和安裝方式后，需重新對其關系進行率定。為了尋找最優的代表點線，應采用多種方案參數進行比較，開展大量的合理性分析，進而優選出最好的關系。每年還應安排必要的巡測測次，率定代表點線是否發生變化。對于使用堰槽法測流，雖然水位流量關系較為穩定，但是為了適應實際環境的變化，提高流量測量精度，還是應運用流速儀法測得的流量對堰槽水位流量關系進行校核。而對于堰槽法、電磁法，則需實施停水改渠和定期維護。對于使用比降面積法測流，比降水尺的設立需通過在兩岸不同地點的對比觀測予以確定。糙率不僅會隨著水位、比降等因素發生變化，而且會隨時間而發生改變，因此河道形狀、床面組成的變化以及測站附近水工設施對水流形態的影響等，都會引起糙率發生變化。所以，對于糙率應采用當年或鄰近年份的實測資料進行計算校正。

4．2取用水戶在線監測水量數據

對于采用水工建筑物推流，由于受試驗的條件和技術水平的限制，流量系數產生誤差是不可避免的。因流量系數會受多種因素的影響，如泥沙沖淤會使流量系數與有關水力因素的單值關系受到破壞，會導致率定成果不穩定或采用成果不可靠。因此，每隔一定時期就應開展流量系數的率定工作，該項工作主要通過在其下游開展水文巡測進行。對于采用電功率法推流，無論何種方式得到的效率曲線，均會與實際情況存在著一定的差異。電廠運行后應根據實測流量來率定效率曲線，得到單機或綜合的功率與效率的關系曲線，然后根據開機的情況運用不同的曲線來推算流量。管道超聲波流量計、電磁流量計測量誤差的原因很多，包括儀表選型、安裝環境、安裝方法、使用及其維護等諸多因素，其誤差主要來源于管道內非滿管或含有氣體、空間電磁波干擾、管內附著層及非對稱流動等。因此，為了保證精度，應盡量將流量計安裝在自下而上流動的垂直管道上，如果需水平安裝，則應安裝在管道的最低端。電磁流量計為克服空間電磁波干擾，應盡量遠離如大電機、大變壓器和電力電纜附近等強磁場，采用縮短電纜長度、將電纜單獨穿在接地鋼管內等屏蔽措施。針對管內的附著層，在選擇管道時，應盡量選用難附著沉淀的襯里，采用機械法或化學定期清洗法，還可以通過管徑的選擇來提高流速，起到自動清洗管道的目的。為了保證流速按同心圓分布，不造成管道的非對稱流動，流量計的上游應有足夠的直管段(5D以上)，而且流量計的內徑應與上下游一定范圍內的管道內徑相同。所有使用儀器監測的取用水戶，應確保儀器在有效使用期內，并1a一次或定期到有資質的機構進行儀器鑒定和認證。由于取用水戶數據缺乏必要的校審程序，同時國家與取用水戶之間存在著利益博弈關系，因此對取用水戶監測應指定監管單位，最好由監管單位對在線數據的正確性進行評判。而現有的水資源管理系統缺少有關這一部分的設計，取用水戶的監測數據不能實時到達水資源監管單位，缺乏必要的連通信息途徑。一旦大量有錯誤的信息進入國家水資源管理系統，則將會導致無法對用水戶實施考核。

4．3水質實驗室監測數據

目前，所有水功能區的水質監測數據全部來源于各省、各流域機構的水質室驗室，因此水質實驗室的儀器設備應全部采用國家認可的水質監測儀器，以確保精度能夠滿足有關標準的要求。各水質實驗室應每隔一定時間開展一次水質計量認證，對正在使用的各類儀器采用盲樣測驗檢驗，做到不達標準就不讓投入運行。同時，對于水質實驗室的各類儀器應按要求定期率定，對提供的數據應校審手續齊全，確保監測數據正確。

4．4水質自動監測數據

水質自動監測采用的儀器、方式、數據質量檢查與審核等方面與水質實驗室之間有較大的差異。為了保證水質自動監測數據的準確、可靠，需要構建完善的質量控制體系，才能保證水質自動監測系統運行穩定可靠，數據準確完整。無論對于托管站還是水文、環境部門自已運行的水質自動站，實驗室技術人員均應實時跟蹤檢查數據，對發現的異常數據及時予以判斷和處理，并做好記錄。有條件的應建立計算機數據審核系統，將不合理的數據進行自動剔除或修正，以確保監測數據的準確性。水質自動監測數據要執行三級審核制度，按周報告監測結果。應定期檢查各種儀器輸出量程與軟件控制輸出量程的一致性、數據采集系統下載的數據和現場實時顯示的數據與儀器表頭顯示的數據的一致性。當自動站意外斷電且再度上電時，應能自動排出斷電前正在測定的試樣和試劑、自動清洗各通道、自動復位到重新開始測定的狀態。應將自動站運行的故障信息和監測數據同步傳輸至監測部門，由實驗室人員對其數據的正確性進行評判。應確保所有使用的試劑均在有效期內，而且應為分析純或優級純級別;標準溶液貯存期除有明確的規定外，一般不得超過3個月。應定期對實驗室標準分析方法與水質自動監測儀器方法的分析結果進行比對，定期對各種化學試劑或標準溶液進行抽查，一旦發現試劑或標準溶液變質，應及時予以更換。每次更換試劑后均應對儀器進行校準，將其與實驗室的結果進行對比試驗，并保留水樣，建立關系。

5結論

(1)依靠現有水文站的水量監測數據，雖然其數據質量較高，但流量監測的頻次不能滿足水資源監測的實時性要求。采用水位流量插值推求的流量過程，雖然滿足了實時性的要求，但存在著較大的誤差，與能用于水量考核的水文整編數據之間存在著一定的偏差。水文站只需按照有關規范開展測驗，并保證測驗儀器處于有效期，其精度就能得到保證。對于考核，只需將監測數據進行整編即可。(2)取水用戶在線水量監測數據大多數具有較高的精度。但是在線監測設備的種類眾多、采用的方法各不相同，現有取用水戶的技術力量不能滿足或不愿開展日常的代表性率定、計量認證及定期儀器送檢鑒定工作。同時，還存在著利益博弈的關系，對于突然出現的諸如斷電、儀器故障等問題解決的積極性不高。因此，為了保證數據的正確性，應盡快建立取用水戶在線水量監測數據質量保證體系，由取水用戶監督管理單位負責監控所管取用水戶在線數據的校驗，并監督取用水戶進行儀器定期送檢、代表點線率定、計量認證。(3)水質自動監測光電法采集的數據誤差較大，化學試劑法的數據較為接近實驗室的數據，但即使這樣，仍應經常性地開展儀器的重新校準和實驗室數據的比對工作。對于化學試劑法，每次在更換試劑時都必須與實驗室的數據進行比對，避免出現數據不連續等問題。水質自動監測站應建立嚴格的質量管理辦法，由實驗室技術人員或委托有資質和經驗的第三方單位進行實時跟蹤檢查數據，發現異常數據應及時予以判斷和處理。(4)水質實驗室數據受到嚴格的質量控制，只要保證所有儀器均處于有效期，并嚴格地經過校審程序，其數據是能夠用于各類考核的。

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作者:熊明 梅軍亞 杜耀東 吳瓊 單位:長江水利委員會水文局