地下水微站在线监测解决方案

一、引言

地下水原位监测受限于监测井的条件，只能实时监测基础的水质参数，如pH、电导率、溶解氧、浊度等，适用于进行地下水污染预警。在工业园区、垃圾填埋场、危险废物处置场、尾矿库等重点污染源以及饮用水源等环境敏感区域，地下水污染的指标相对复杂，无法通过原位监测实现，手工采样的时效性不足、监测范围有限，难以满足对此类敏感区域地下水污染实时监测和预警的需求。欧仕科技自研的OSWZ-50A地下水微站在线监测系统的出现，为解决这些问题提供了有效的手段。该系统能够实时、连续地监测地下水中的各种污染物指标，及时发现水质变化情况，为地下水污染防治和水资源管理提供科学依据。

二、监测指标及相关标准

根据不同污染源或饮用水源地下水污染风险的情况，可以采用不同的微站分析模块，针对性的监测地下水污染因子。以下为地下水污染常见的分析模块。

2.1 总氮模块

总氮是衡量水体富营养化程度的重要指标之一。在地下水中，总氮主要来源于工业废水、生活污水、农业面源污染等。根据《地下水质量标准》（GB/T 14848-2017），地下水总氮的标准限值根据不同的水质类别有所不同，其中 Ⅰ 类水总氮限值为≤0.5mg/L，Ⅱ 类水为≤1.0mg/L，Ⅲ 类水为≤1.5mg/L，Ⅳ 类水为≤3.0mg/L，Ⅴ 类水为 > 3.0mg/L。

2.2 总磷模块

总磷同样是反映水体富营养化的关键指标。其污染源主要包括工业废水、农业化肥和农药的使用以及生活污水排放等。《地下水质量标准》规定，Ⅰ 类水总磷限值为≤0.02mg/L，Ⅱ 类水为≤0.1mg/L，Ⅲ 类水为≤0.2mg/L，Ⅳ 类水为≤0.3mg/L，Ⅴ 类水为 > 0.3mg/L。

2.3 高锰酸盐指数模块

高锰酸盐指数是衡量水中有机物和还原性无机物含量的综合性指标。它主要受工业废水、生活污水以及农业生产中有机物排放的影响。在《地下水质量标准》中，Ⅰ 类水高锰酸盐指数限值为≤1.0mg/L，Ⅱ 类水为≤2.0mg/L，Ⅲ 类水为≤3.0mg/L，Ⅳ 类水为≤10mg/L，Ⅴ 类水为 > 10mg/L。

2.4 COD（化学需氧量）模块

COD 能够更全面地反映水中受还原性物质污染的程度，包括有机物、亚硝酸盐、亚铁盐、硫化物等。工业废水和生活污水中大量的有机物排放是导致地下水中 COD 升高的主要原因。相关标准中，Ⅰ 类水 COD 限值为≤15mg/L，Ⅱ 类水为≤15mg/L，Ⅲ 类水为≤20mg/L，Ⅳ 类水为≤30mg/L，Ⅴ 类水为 > 30mg/L。

2.5 挥发酚分析仪

挥发酚是一类具有毒性和特殊气味的有机污染物，主要来源于石油化工、炼焦、煤气制造等行业的废水排放。根据《地下水质量标准》，Ⅰ 类水挥发酚限值为≤0.001mg/L，Ⅱ 类水为≤0.001mg/L，Ⅲ 类水为≤0.002mg/L，Ⅳ 类水为≤0.01mg/L，Ⅴ 类水为 > 0.01mg/L。

2.6 重金属模块

重金属如汞、镉、铅、铬、砷等具有毒性大、难降解、易在生物体内富集等特点，对地下水环境和人体健康危害极大。这些重金属主要来自工业生产过程中的废渣、废水排放以及矿山开采等活动。根据《地下水质量标准》的限制要求，选择合适的重金属监测模块。

2.7 毒性分析仪

对于饮用水源，毒性监测至关重要。OS-TOX-301水质毒性在线监测仪，采用发光细菌生物毒性检测方法。发光细菌的发光过程是菌体内一种新陈代谢的生理过程，是光呼吸进程，这种发光过程极易受到外界条件的影响，凡是干扰或损害细菌呼吸或生理过程的任何因素都能使细菌发光强度发生变化，利用这一特点来判断水质是否发生异常。发光菌可以作为毒性的判断指标，根据发光细菌发光度的变化，量度被测水样中由微生物、重金属和有机污染物所造成的急性生物毒性。与传统的鱼、水蚤 和其它水生生物作为生物监测方法相比，发光细菌法简便、快速、灵敏、 适应性强、重复性好。OS-TOX-301广泛用于饮用水水源安全、应急评估及多种污染物毒性测定，能对水污染事件进行预警，同时可预警一般性污染事件以及慢性中毒事件。

2.8 大肠杆菌分析仪

对于饮用水源，大肠杆菌是基础的分析指标。OS-EC-301大肠菌群在线监测站，采用酶底物法荧光检测技术，可实现一机多用，测试饮用水菌群指标，“大肠菌群”、“粪大肠菌群”、“大肠埃希氏菌”可以进行自由切换。仪器采用非一次性试剂，使用及维护成本低，支持15天免维护周期。仪器采用一体式机柜设计，可以单独使用，也可接入地表水站、地下水站、污水监测站等综合站房。

三、地下水微站在线监测系统构成

                             地下水监测微站总体架构图

3.1 低速洗井采样系统

地下水水质自动监测站采、配水单元的建设在自动站建设中占有**重要的地位，采、配水是保证整个系统正常运转、获取正确数据的关键部分，设计及建造一套运行可靠的地下水水样采集单元非常重要。采、配水单元必须保证向整个系统提供可靠、有效的地下水水样。

依据对各个现场的考察情况，针对各现场地下水水质的调查了解，结合公司在以往类似项目中的经验，特设计出一套满足当前项目要求、能够自动连续地与整个系统同步工作的低流速洗井采水单元，向系统提供可靠、有效的地下水水样。

地下水微型站采水系统根据监测井的情况及分析参数的要求采用气囊式采样泵或潜水泵作为采样主机，

以下分别针对这几种采水方式的组成、特点和应用范围进行介绍。

气囊泵采水方式

智能化地下水低速洗井采样气囊泵系统，采用带有泄降控制单元的气囊泵，固定在地下水中，通过地面站房或机柜内的控制器内的空压机提供气源动力，对泵体内气囊进行挤压，将气囊中的水样提升至地面，通过对pH、温度、电导率、氧化还原电位、溶解氧和浊度等6个参数进行实时监测（水质单元不包含在气囊泵系统中，需要另配便携式水质单元或与微站中水质单元集成），当6个参数的变化符合HJ1019-2019的技术要求时，水样自动流入水样收集器（需系统集成）。采样过程中，地下水位的变化由泄降控制单元进行监控，当水位下降超过250px时，控制器自动停止工作，当水位恢复到250px以内时，控制器自动启动采样。水样与空气全过程无接触，气囊和水样管路均采用特定材料，对VOC没有化学吸附，*大程度地保留水样的原始状态。

智能化低速洗井采样气囊泵系统主要包括：气囊泵，采样控制系统、水位泄降控制单元及管路系统。水质以及自动留样单元需系统集成。

（1）气囊泵

图1 气囊泵示意图 图2 控制界面 图3 控制器

气囊泵（图1）是一种低流速、无扰动式地下水洗井及采样设备，适合于各类地下水尤其是VOC类污染物样品的采集，适于各种大小监测井。泵体内有气囊，上端连接进气管和出水管，分别与控制器和水质智能监测单元（另配或集成）连接，全过程空气与水样无接触。气囊泵的应用，可以大大减少洗井水量，与传统的抽水泵洗井采样方式相比，具有低流量、低速率、无扰动的优势。

（2）泄降控制单元

泄降控制单元用于地下水采样中的水位降幅监测，通过地面的智能控制器内大气压力补偿，获取精准的地下水动态水位。泄降控制单元集成于气囊泵泵体，采用一体化设计，完全实现水位变化与泄降控制的协同自动化。

（4）采样控制系统

智能控制器是整个采样系统的中控枢纽。内含空压机和智能控制系统，可以实现对气囊泵提供气源、泄降控制启停、

采样间隔设置等多个功能。控制器及空压机集成一体化，无需单独外接。

（5）管路系统

管路系统包括气路、水路和电路。其中，水路与气路相互独立，样品全程不与外源气体接触，确保样品的真实性。

水路采用PE包裹的特氟龙内衬式设计，气路为PE材料，采用独有的双排管式工艺，兼顾管路的柔软韧性的前提下，保证了采样的真实性。

3.2监测分析模块

针对上述监测指标，选用高精度、高灵敏度的传感器。例如，总氮和总磷可采用分光光度法传感器，通过检测特定波长下光线的吸收程度来确定物质浓度；高锰酸盐指数和 COD 可使用电化学传感器，利用电化学反应原理测量水中还原性物质的含量；挥发酚采用荧光法传感器，根据荧光强度与挥发酚浓度的关系进行检测；重金属则运用原子吸收光谱传感器或电感耦合等离子体质谱传感器，能够**测定各种重金属元素的含量。这些传感器具备良好的稳定性和抗干扰能力，能够适应复杂的地下水环境。

3.3 数据采集与传输单元

数据采集模块负责收集传感器监测到的各种数据，并对其进行初步处理和存储。传输单元采用无线通信技术，如 GPRS、4G 或 NB-IoT，将采集到的数据实时传输至监测中心。这些通信技术具有覆盖范围广、数据传输速率高、稳定性好等优点，能够确保数据及时、准确地送达。同时，为了保证数据传输的安全性，采用加密传输协议，防止数据被窃取或篡改。

3.4质控模块：OSWZ-50A微站配有质控模块。

为保证监测数据更具有真实性以及有效性，结合地表水自动监测技术规范市场需求，微型地表水环境质量自动监测站质控模块与化学监测模块采用联用设计，通过现场工控机上的子站控制软件协同控制水质监测仪实现对CODmn、氨氮、总磷等水质自动监测仪进行平行测试、标样核查、水样加标和漂移测试等质控测试，并支持远程反控启动以上质控任务。

质控监测模块包含：标样瓶、制冷杯、滴定泵、蠕动泵、排风扇、液位计、电动球阀和控制模块等组成。

质控要求：系统配备完善的质量控制手段，实现水质在线分析仪的平行样测试、标样核查、加标回收率、24小时零点漂移和跨度漂移、跨度核查、水质超标留样复测等功能。
配备独立的配样模块，系统可全自动的实现质控。
液体计量准确度：≤±1%。
液体计量重复性：≤±1%

3.5 监测中心软件平台

监测中心软件平台是整个在线监测系统的核心。它具有以下功能：数据接收与存储，能够实时接收来自各个监测站点的数据，并将其存储在数据库中，以便后续查询和分析；数据展示与可视化，通过直观的图表、地图等形式展示监测数据，使管理人员能够清晰地了解地下水水质状况及其变化趋势；报警功能，当监测数据超过设定的阈值时，系统能够及时发出报警信息，通知相关人员采取措施；数据分析与统计，对历史数据进行统计分析，生成各种报表，为地下水污染防治决策提供科学依据；远程控制，可对监测站点的设备进行远程控制和参数调整，实现智能化管理。

四、不同环境下的应用方案

4.1 工业园区

在工业园区内，根据企业分布和生产特点，合理布设地下水微站监测点。对于化工、电镀、印染等污染风险较高的企业周边，加密监测点的设置。监测系统实时监测地下水中的各种污染物指标，一旦发现水质异常，立即发出报警信号，通知园区管理部门和相关企业采取应急措施，防止污染扩散。同时，通过对监测数据的长期分析，评估工业园区整体的地下水污染状况，为园区的环境管理和产业布局调整提供参考。

4.2 垃圾填埋场

垃圾填埋场是地下水污染的重要源头之一。在垃圾填埋场周边及内部设置地下水微站监测点，重点监测总氮、总磷、COD、重金属等指标，以及垃圾渗滤液中的特征污染物。监测系统能够实时掌握垃圾渗滤液对地下水的污染情况，及时发现渗漏等问题。当监测数据出现异常时，可通过数据分析确定污染范围和扩散方向，为采取修复措施提供依据。此外，通过长期监测数据，评估垃圾填埋场对地下水环境的长期影响，为垃圾填埋场的运营管理和封场后的生态修复提供支持。

4.3 危险废物处置场

危险废物处置场的地下水监测至关重要。在危险废物处置场的边界、可能的渗漏点以及周边敏感区域设置监测点，安装地下水微站在线监测系统。该系统对地下水中的重金属、挥发酚、有机污染物等进行实时监测，确保危险废物不会对地下水造成污染。一旦监测数据超出标准限值，系统立即报警，启动应急预案，防止危险废物渗漏对地下水环境造成严重破坏。同时，利用监测数据对危险废物处置场的环境风险进行评估，为优化处置工艺和加强环境管理提供科学依据。

4.4 饮用水源

对于饮用水源地，地下水微站在线监测系统主要监测总氮、总磷、高锰酸盐指数、COD、重金属以及微生物等指标，确保饮用水源的水质安全。在饮用水源地的取水口周边及上游设置监测点，实时监测水质变化情况。监测系统与供水部门的水质监测系统联动，当监测数据出现异常时，及时通知供水部门采取相应措施，如调整水处理工艺、启动备用水源等，保障居民饮用水安全。此外，通过对长期监测数据的分析，评估饮用水源地的水质变化趋势，为水源地的保护和管理提供科学依据。

五、地下水在线监测的价值和意义

5.1 实时掌握水质状况

与传统的人工采样监测方式相比，地下水微站在线监测系统能够实时、连续地监测地下水中的各种污染物指标，管理人员可以随时了解地下水的水质状况，及时发现水质变化情况。这种实时性能够为及时采取污染防治措施提供有力支持，避免污染的进一步扩散。

5.2 早期预警与应急响应

通过设置合理的报警阈值，当监测数据超出正常范围时，系统能够立即发出报警信息，实现对地下水污染的早期预警。这使得相关部门能够在**时间启动应急响应机制，采取有效的污染控制和修复措施，降低污染对环境和人类健康的危害。

5.3 科学决策依据

长期积累的监测数据能够为地下水污染防治和水资源管理提供科学决策依据。通过对数据的分析，可以了解地下水污染的来源、途径和规律，评估不同污染防治措施的效果，从而制定更加科学、合理的地下水保护和管理策略。

5.4 提升环境管理水平

地下水微站在线监测系统的应用有助于提升环境管理部门的信息化、智能化水平。通过监测中心软件平台，实现对多个监测站点的集中管理和远程控制，提高工作效率，降低管理成本。同时，监测数据的共享和公开也能够促进公众参与和社会监督，推动环境管理工作的透明化和规范化。

六、与原位监测的互补作用

6.1 原位监测的特点

原位监测是指在不扰动地下水环境的前提下，在现场对地下水的物理、化学和生物参数进行直接测量。原位监测具有能够反映地下水真实状态、减少样品采集和运输过程中的误差等优点。例如，通过原位传感器可以实时测量地下水的水位、水温、溶解氧等参数，这些数据对于了解地下水的动态变化和水文地质条件非常重要。

6.2 在线监测与原位监测的互补

地下水微站在线监测系统与原位监测相互补充，共同为地下水环境监测提供全面、准确的数据。在线监测系统侧重于对地下水中各种污染物指标的实时监测和长期趋势分析，能够及时发现水质变化情况并发出预警；而原位监测则更注重对地下水的物理和化学性质的实时测量，以及对地下水环境的原位修复效果监测。例如，在进行地下水污染修复工程时，可以利用原位监测设备实时监测修复过程中地下水中污染物浓度的变化以及修复药剂的分布情况，同时结合在线监测系统对修复区域周边地下水水质的长期监测，评估修复工程的效果。两者结合，能够为地下水环境监测和污染防治提供更全面、更准确的信息，提高地下水保护和管理的科学性和有效性。

七、结语

地下水微站在线监测系统在工业园区、垃圾填埋场、危险废物处置场以及饮用水源等环境下的应用，对于保障地下水水质安全、防治地下水污染具有重要意义。通过实时、准确地监测地下水中的总氮、总磷、高锰酸盐指数、COD、挥发酚、重金属等指标，能够及时掌握水质状况，实现早期预警和应急响应，为地下水污染防治和水资源管理提供科学决策依据。同时，与原位监测相互补充，共同提升地下水环境监测的水平。随着技术的不断发展和完善，地下水微站在线监测系统将在地下水保护领域发挥更加重要的作用，为实现可持续发展的目标提供有力支持。