江蘇省通榆河北延送水工程連云港水質(zhì)水量自動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

雷志祥

(江蘇省水文水資源勘測局連云港分局 222001)

通榆河是江蘇省實(shí)施南水北調(diào)的骨干河道，是沿線地區(qū)城鄉(xiāng)居民的主要飲用水源，也是江蘇省沿海開發(fā)的重要戰(zhàn)略性資源。通榆河北延送水工程利用已經(jīng)建成的通榆河中段工程，結(jié)合實(shí)施連云港市疏港航道，增做部分調(diào)水工程，增加一條向連云港市輸送水源的新通道。為監(jiān)測調(diào)引水進(jìn)入連云港境內(nèi)沿線水質(zhì)水量實(shí)況，在連云港境內(nèi)建設(shè)了水質(zhì)水量自動監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測系統(tǒng)由灌河泵站水質(zhì)水量自動監(jiān)測站、鹽河北閘水量自動監(jiān)測站、劉頂水質(zhì)水量自動監(jiān)測站及鳳凰嘴水質(zhì)水量自動監(jiān)測站、江蘇省水文水資源勘測局中心站和連云港分中心等組成。

1 系統(tǒng)概況

灌河泵站水質(zhì)水量自動監(jiān)測站位于鹽城、連云港兩市接壤處，水質(zhì)監(jiān)測按一類站設(shè)站標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，用于監(jiān)控進(jìn)入連云港市境內(nèi)的調(diào)水水質(zhì)水量實(shí)況。鹽河北閘水量自動監(jiān)測站為灌南、灌云兩縣控制斷面，用于監(jiān)控調(diào)水經(jīng)灌南縣后能夠入灌云縣內(nèi)的水量實(shí)況。劉頂水質(zhì)水量自動監(jiān)測站臨近連云港市薔薇河飲用水源區(qū)，水質(zhì)監(jiān)測按一類站設(shè)站標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，用于監(jiān)控調(diào)水最終能夠補(bǔ)給連云港市飲用水源區(qū)及入贛榆縣域內(nèi)水質(zhì)水量實(shí)況。鳳凰嘴水質(zhì)水量自動監(jiān)測站位于連云港疏港航道末端，水質(zhì)監(jiān)測按一類站設(shè)站標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，用于監(jiān)控疏港航道末端水質(zhì)水量實(shí)況。

各個監(jiān)測子站以GPRS 通訊方式，利用現(xiàn)有公用網(wǎng)絡(luò)資源，將各個監(jiān)測子站水質(zhì)水量實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)、站內(nèi)實(shí)時視頻以及水質(zhì)水量系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)傳輸至省中心站和連云港分中心。省中心站和分中心均可對各水質(zhì)自動監(jiān)測站進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

2 水質(zhì)水量監(jiān)測子站建設(shè)

監(jiān)測子站主要布設(shè)于市界、縣界控制斷面，每個監(jiān)測子站的站點(diǎn)選址，必須保證水樣的代表性。

監(jiān)測子站的設(shè)計包括以下內(nèi)容。

2.1 水質(zhì)系統(tǒng)工藝流程(采水、預(yù)處理、清洗反沖、控制、數(shù)據(jù)傳輸、環(huán)境控制等單元)

采水單元采用的是取水浮筒和自吸水泵配合的方式。

預(yù)處理單元采用的是兩級過濾的方式，取水口處進(jìn)行粗過濾。在預(yù)處理單元的沉沙池內(nèi)，利用過濾膜進(jìn)行精過濾，過濾孔徑需要參照水質(zhì)儀表的要求。

清洗反沖采用的是無油空壓機(jī)和電動球閥配合的方式，保證每個水質(zhì)自動流程結(jié)束后，管路中沒有殘余的水樣，保證了下個流程中不會用到上個流程的水樣，同時保證了冬天管路內(nèi)部不會結(jié)冰。

控制單元采用的是PLC 和觸摸屏，PLC 保證了整個水質(zhì)流程的準(zhǔn)確性、可靠性，觸摸屏提供更加貼近用戶的操作界面。

數(shù)據(jù)傳輸單元采用的是基于1inux 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集傳輸服務(wù)器，可長時間穩(wěn)定運(yùn)行。

環(huán)境控制單元主要包含空調(diào)、溫濕度控制設(shè)備，控制監(jiān)測子站站內(nèi)的溫濕度，為水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備的正常運(yùn)行提供保證，延長監(jiān)測子站內(nèi)設(shè)備的使用壽命。

2.2 水量系統(tǒng)工藝流程

水量系統(tǒng)采用的是超聲波流量計等設(shè)備，用于實(shí)時監(jiān)測河流的流量、流速、水位，水量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)也是通過數(shù)據(jù)傳輸單元實(shí)時傳輸至中心站。

2.3 水質(zhì)水量監(jiān)測部分的配套設(shè)施建設(shè)

水質(zhì)監(jiān)測部分的配套設(shè)施主要是取水單元部分，包含取水浮筒的支架和棧橋，保證了無論是在枯水期還是豐水期，均可正常進(jìn)行水樣采集。

水量監(jiān)測部分的配套設(shè)施主要指的是超聲波流量計的安裝支架，保證超聲波流量計安裝的方便。

2.4 監(jiān)測子站監(jiān)測的水質(zhì)參數(shù)

監(jiān)測的水質(zhì)參數(shù)主要包含溶解氧、pH 值、電導(dǎo)率、濁度、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、總氮。

3 中心站建設(shè)

中心站的硬件設(shè)備主要為:IBM-X3650M2 服務(wù)器。

軟件采用的是HNS2000 水質(zhì)水量自動監(jiān)測系統(tǒng)中心站軟件。

3.1 數(shù)據(jù)傳輸模式

中心站和監(jiān)測子站的通訊采用平衡式傳輸方式，采用3 級鏈路服務(wù)級別的數(shù)據(jù)模式。

a.發(fā)送/無回答。由中心站向子站發(fā)送廣播報文。

b.發(fā)送/確認(rèn)。由中心站向監(jiān)測子站發(fā)送控制命令、設(shè)置參數(shù)。

c.請求/響應(yīng)。由中心站向子站召喚采樣數(shù)據(jù)或事件信息。

通過以上數(shù)據(jù)模式，完善了中心站和監(jiān)測子站信息數(shù)據(jù)的交互。

3.2 水質(zhì)水量自動監(jiān)測系統(tǒng)中心站軟件功能

a.數(shù)據(jù)自動傳輸。中心站和監(jiān)測子站的數(shù)據(jù)自動雙向交互傳輸。

b.全方位報警。報警內(nèi)容包括子站測值越限，試劑缺量，設(shè)備故障，通訊故障。報警的方式為語音、文字、日志、短信。

c.系統(tǒng)診斷。監(jiān)測子站每個周期初進(jìn)行自診斷，確認(rèn)系統(tǒng)完好。監(jiān)測子站的主泵發(fā)生故障時，自動切換備用泵。監(jiān)測子站斷電自動切換到UPS 不間斷電源，來電自動恢復(fù)。

d.中心站遠(yuǎn)程監(jiān)控。在中心站軟件系統(tǒng)上，實(shí)時顯示各個子站的地理信息和實(shí)時水質(zhì)、水量數(shù)據(jù)，顯示各個監(jiān)測子站設(shè)備狀態(tài)，以及遠(yuǎn)程啟動監(jiān)測子站的水質(zhì)測試流程。

e.數(shù)據(jù)管理。數(shù)據(jù)管理功能包括數(shù)據(jù)統(tǒng)計(日報表、月報表、年報表)、數(shù)據(jù)查詢(按時間段、按站名站號、按監(jiān)測項(xiàng)目)和數(shù)據(jù)備份。

f.數(shù)據(jù)分析。自動對數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行判斷，能判斷水質(zhì)類別，首要污染物、污染指數(shù)和各指標(biāo)的超標(biāo)情況，能根據(jù)業(yè)主要求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以進(jìn)行不同時段的數(shù)據(jù)對比。

具有對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行自動統(tǒng)計、分析、合理性檢查，對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行提醒的功能。具有數(shù)據(jù)接收、監(jiān)控、信息查詢服務(wù)的功能。

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)協(xié)議，對水樣進(jìn)行等級分析。

g.配置下載。監(jiān)測子站采樣間隔設(shè)置:中心站根據(jù)監(jiān)測子站水質(zhì)數(shù)據(jù)的實(shí)際情況，決定是否加大或者降低監(jiān)測頻率。

報警限值設(shè)置:中心站根據(jù)需求，設(shè)置水質(zhì)分析儀的報警上下限。

h.權(quán)限設(shè)置。根據(jù)業(yè)主要求，對登錄系統(tǒng)的人員進(jìn)行分類，以滿足各種不同需求。

4 水質(zhì)水量儀表選型

4.1 多參數(shù)分析儀

a.設(shè)備選型。選用的是多參數(shù)分析儀(含電極)，對溶解氧、pH 值、電導(dǎo)率、濁度等四個參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

b.監(jiān)測參數(shù):

溶解氧(DO):代表溶解于水中的分子態(tài)氧。水中溶解氧是反映水體質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，含有有機(jī)物污染的地表水，在細(xì)菌的作用下有機(jī)污染物質(zhì)分解時，會消耗水中的溶解氧，使水體發(fā)黑發(fā)臭，會造成魚類、蝦類等水生生物死亡。在流動性好(與空氣交換好)的自然水體中，溶解氧飽和濃度與溫度、氣壓有關(guān)，0℃時水中飽和氧氣含量為14.6mg/L，25℃時為8.25 mg/L。水體中藻類生長時由于光合作用產(chǎn)生氧氣，會造成表層溶解氧異常升高而超過飽和值。

pH 值:表征水體酸堿性的指標(biāo)，pH 值為7 時表示為中性，小于7 為酸性，大于7 為堿性。天然地表水的pH 值一般在6～9 之間，水體中藻類生長時由于光合作用吸收二氧化碳，會造成表層pH 值升高。

電導(dǎo)率:以數(shù)字表示溶液傳導(dǎo)電流的能力。電導(dǎo)率越小，水體越干凈，電導(dǎo)率越大，水體越臟。

濁度:是指水中懸浮物對光線透過時所發(fā)生的阻礙程度。水中的懸浮物一般是泥土、砂粒、微細(xì)的有機(jī)物和無機(jī)物、浮游生物、微生物和膠體物質(zhì)等。水的濁度不僅與水中懸浮物質(zhì)的含量有關(guān)，而且與它們的大小、形狀及折射系數(shù)等有關(guān)。

4.2 氨氮分析儀

a.設(shè)備選型。選用的是Amtax inter 2 設(shè)備，測量范圍是0.1～20mg/L。

b.監(jiān)測氨氮參數(shù)。通榆河水中氨氮的來源主要為經(jīng)過縣城的生活污水以及地表徑流(主要指使農(nóng)田使用的肥料通過地表徑流進(jìn)入河流、湖庫等)。氨氮是水體中的營養(yǎng)素，可導(dǎo)致水富營養(yǎng)化現(xiàn)象產(chǎn)生，是水體中的主要耗氧污染物，對魚類及某些水生生物有毒害。

4.3 高錳酸鹽指數(shù)分析儀

a.設(shè)備選型。選用的是COD-203 設(shè)備，測量的范圍為0～20mg/L。

b.監(jiān)測高錳酸鹽指數(shù)。高錳酸鹽指數(shù)是衡量水中有機(jī)物質(zhì)含量多少的指標(biāo)。化學(xué)需氧量越大，說明水體受有機(jī)物的污染越嚴(yán)重。高錳酸鉀(KMnO4)法，氧化率較低，但比較簡便，在測定水樣中有機(jī)物含量的相對比較值及清潔地表水和地下水水樣時，可以采用。重鉻酸鉀(K2Cr2O7)法，氧化率高，再現(xiàn)性好，適用于廢水監(jiān)測中測定水樣中有機(jī)物的總量。

4.4 總磷總氮分析儀

a.設(shè)備選型。選用的是NPW-150 設(shè)備，總磷的測量范圍為0～2mg/L，總氮的測量范圍為0～5mg/L。

b.監(jiān)測總磷。水中磷可以元素磷、正磷酸鹽、縮合硫酸鹽、焦磷酸鹽、偏磷酸鹽和有機(jī)團(tuán)結(jié)合的磷酸鹽等形式存在。其主要來源為生活污水、化肥、有機(jī)磷農(nóng)藥及近代洗滌劑所用的磷酸鹽增潔劑等。磷酸鹽會干擾水廠中的混凝過程。水體中的磷是藻類生長需要的一種關(guān)鍵元素，過量磷是造成水體污穢異臭，使湖泊發(fā)生富營養(yǎng)化和海灣出現(xiàn)赤潮的主要原因。

c.監(jiān)測總氮。水中的總氮含量是衡量水質(zhì)的重要指標(biāo)之一。其測定有助于評價水體被污染和自凈狀況。地表水中氮、磷物質(zhì)超標(biāo)時，微生物大量繁殖，浮游生物生長旺盛，出現(xiàn)富營養(yǎng)化狀態(tài)。

4.5 水量分析儀

a.設(shè)備選型。選用的是Channe1 Master 型H-ADCP 設(shè)備，用于河流和明渠流速、流量實(shí)時監(jiān)測的聲學(xué)多普勒儀器。

b.測量的參數(shù)。有流量、累計流量、流速、平均流速、水位、水溫等。

5 結(jié) 語

江蘇省通榆河北延送水工程鳳凰嘴等水文站水質(zhì)水量自動監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目是一個以在線水質(zhì)自動分析儀器為核心，運(yùn)用現(xiàn)代自動監(jiān)測技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)以及相關(guān)的專用分析軟件和現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)所組成的綜合性的在線自動監(jiān)測系統(tǒng)。該項(xiàng)目作為一個綜合數(shù)據(jù)平臺，對我國今后在生態(tài)建設(shè)、水資源調(diào)度、洪水控制、水庫調(diào)度、水質(zhì)保護(hù)、水量水質(zhì)同步在線監(jiān)測等方面的研究都將起到積極有效的建設(shè)作用。

1 《水質(zhì)在線自動監(jiān)測技術(shù)與運(yùn)營管理實(shí)務(wù)》編委會.水質(zhì)在線自動監(jiān)測技術(shù)與運(yùn)營管理實(shí)務(wù)［M］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

2 曾永，等.水質(zhì)監(jiān)測新技術(shù)與實(shí)踐［M］.鄭州:黃河水利出版社，2006.