太平溝水質自動監測站優化設計

劉陽明，滿春香，張 蕾

（1.松遼委水文局黑龍江上游水文局，黑龍江 黑河 164300；2.松遼流域水資源保護局，吉林 長春 130021）

為有效對黑龍江干流的水質狀況進行實時監控和預測預警，收集和掌握黑龍江干流的水量水質狀況，更好的滿足黑龍江干流水資源開發利用管理、水事活動以及經濟社會發展的需求，并為妥善解決黑龍江干流可能發生的水事糾紛提供技術依據，規劃在黑龍江干流中游段新建一處水質自動監測站。為能夠順利完成建設施工任務，通過現場勘查和測量，結合當地實際情況和規范要求，做好水質自動監測站優化設計。

1 建設概況

擬建太平溝水質自動監測站位于黑龍江省蘿北縣興東村，黑龍江干流中游段。水質自動監測站與太平溝水文站屬于同期建設內容，并同在一處。太平溝水質自動監測站建設內容包括監測生產用房、給排水設施在內的土建工程和水質在線自動監測系統。水質自動監測系統主要以在線自動分析儀器為核心，運用現代傳感器技術、自動測量技術、自動控制技術、計算機應用技術、相關的專用分析軟件和通訊網絡，所組成的一個綜合性的在線自動監測系統。實時、快速監測斷面的水質變化情況、規律及變化趨勢，及時發現水環境污染事件，為黑龍江干流污染防治決策、監督、水環境管理提供科學依據。

2 氣象水文要素

2.1 氣象要素

太平溝水文和水質站屬北溫帶大陸季風氣候區，四季分明，冬季嚴寒、干燥而漫長，夏季濕熱而短暫。年平均氣溫為-0.5℃，最低氣溫為-50.0℃，最高氣溫為40.0℃。春季流冰多年平均開始日期為4月27日，終冰日期為5月4日；秋季流冰多年平均開始日期為10月30日，穩定封凍日期為11月20日。最大平均冰厚為1.33 m，最大冰厚為1.96 m。

2.2 水文要素

太平溝水質站監測斷面處河段順直，河床穩定，河床為沙卵石組成。兩岸植被茂密，生長著樺、柳、榆、楊等多種闊葉樹木。基本斷面控制面積為86.3萬km2，枯水期江面寬約600 m，平水期江面寬約800 m，洪水期江面寬約1 000 m。水深流急，洪水期最大水深15 m。站址附近無較大支流匯入，距上游布列亞河匯入口281 km，距入海口約1 407 km。

3 土建工程

3.1 生產用房

水質站與太平溝水文站的生產用房共同建設，水質站免去建設用地征地、站房建設規劃等相關手續辦理。在滿足水文站生產和生活面積情況下，保證水質站的前處理室及儀器監測室使用面積應不小于40 m2。儀器監測室施工過程中，預留自來水入口接口、水樣處理后排水接口、樣品水進樣接口、監測室地漏口、通風口。

3.2 供水供電及通訊設施

受興東村自來水單位限時供水的影響，采取接入自來水支管道和深井自吸泵兩種方式供水，在監測室懸掛容積為2 m3水箱，滿足水質監測系統取水單元補水管道的需求。水質站周圍為村居民用電，電壓不夠穩定，電路敷設雜亂。為保證水質自動監測儀器能夠安全穩定運行，將通過當地電業部門設計，獨立敷設電路，接入電網主供線路，電源電壓為380 V。通過接入公共電話線路，采用ADSL撥號上網方式連接遠程水質網絡中心，通過專有軟件和VPN設備，在公網上建立端對端的專有虛擬網提供數據傳輸和遠程操作服務，保證數據傳輸的穩定性和保密性。

4 水質監測集成系統

太平溝水質自動監測站項目，擬采用技術相當成熟、運行穩定的SENTECH水質自動監測系統。該系統包括采水單元、配水單元、分析單元、控制單元（包括通訊）以及輔助單元等，采用現場監控組態軟件及中心站軟件，實現現場及遠程的通訊和控制功能。

4.1 采水單元

采水單元包括采水泵、采水頭、采水管路、供電電纜及安裝結構部分。

1）室內采水單元。室內部分采水管路設計采用雙泵、雙管路模式，做到一備一用，采水管路采用U-PVC管材。在管路的適當位置安置流量調節裝置，使進入每一臺儀器的樣品水的水壓水量都符合儀器要求，而每次采樣完成后系統進行管道的反沖洗，當反沖洗時，由于采用自來水和壓縮空氣的混合體，在清洗管路的同時不會對環境造成二次污染。為方便對比實驗，采水管路采出樣品，保證進入儀器的為同一批次水樣。

2）室外采水單元。由于水質站地處北方的嚴寒地區，冬季水面嚴重封凍，冰層較厚，同時河岸為自然條件。通過搜集斷面水位資料，現場勘查測量，確定水質站生產用房到采水頭水平距離80 m，取水落差45 m，確定采水方式為井置自吸泵式。水質站生產用房到采水頭間建一處防水泵井，防水泵井應更靠近采水頭處，泵與采水頭間的落差小于6 m。防水泵井應密實無滲水現象，做好防水泵井上下管道連接處防滲部件。采水管道工程需采取安裝保溫材料并穿入保護套管、埋在凍土層下。采水頭端管路沿河岸敷設，超過枯水位的部分，管路沿河底敷設，采用打樁方式將管路和采水頭固定在河底，并在水面做好標記。而放于水中的采水裝置配合取水處特制的相關設施，可以防止淤積、堵塞、凍結、冰凌等現象，始終保持采集水面下0.5～1.0 m處樣品水。

3）管路處理。將管路用保溫材料（壁厚為2 cm的聚乙烯保溫套管）包裹，并且穿入保護套管中，直接埋入河灘、河岸的凍土層下面（管道處凍層為2.5～3.0 m），從水下直至站房，既減小了環境對水溫的影響，又達到了防止管路被凍的目的。在管路的保護套管外再用硼巖棉保溫材料進行保溫，并且管路從站房出來后就要保持一個穩定的、向下的坡度直到河水中，以便在系統待機的情況下管路中的水全部退回到河里，使管路在絕大多數時間保持為中空，最大限度減小管路被冰凍的可能性。當管路需要從水面直接進入水中時，管路與水面的接觸點成了防止冰凍的關鍵。使用加熱帶單獨為管路進入水面處進行加熱，同時進行防水保溫措施，保證采水管路不結冰。

4.2 配水及預處理單元

配水及預處理單元由配水系統、水樣預處理系統、清洗系統三部分組成，系統管路采用的是串聯方式、模塊化設計。

1）配水系統。配水系統基本結構基于系統采用了幾臺完全獨立的在線分析儀器，采用串聯結構管路，干路使用無阻攔式沉淀裝置，各自動分析儀器都從獨立的沉淀裝置中取水。為方便系統進行維護，全部儀器的取水管路設有旁路系統，設置手動球閥進行調節。

2）水樣預處理系統。根據各監測儀器配備專門設計的預處理裝置，以滿足分析儀器對水樣的過濾精度、沉降時間、稀釋等要求。根據儀器分析所需要的水樣量，用多少，過濾多少，減輕過濾裝置的負荷。在處理系統中采用具有自動清洗功能和無攔截式流路設計的過濾器。過濾裝置采用無攔截式流路結構，過濾裝置的安裝位置與水流同向，并采取開放式管路，減少了水樣過濾量，同時，在裝置中配備曝氣反吹的自清洗設備，從而降低堵塞機率。

3）清洗系統。為防止泥沙或藻類堵塞管路、影響監測結果，在配水系統中設置自動清洗功能。由于整個系統采用間歇式取水，當系統停止時，該系統使用清水來清洗所有管路和部分儀器內部需要清洗的管路。管道反沖洗裝置采用曝氣沖洗加臭氧抑藻殺菌的方式，清洗配置輸出功率0.75 kW的增壓泵、工作壓力0.6 MPa的電動球閥等設備。通過空壓機向清洗水中鼓入壓縮空氣，產生大量連續的氣泡，形成曝氣剝離效應。同時清洗系統設置斷電保護和來電恢復功能。

4.3 控制單元

控制單元由PLC控制單元、嵌入式中心單元、繼電器驅動單元、直流電源供電單元組成。

PLC控制單元是一個基于PCBased PLC控制器。該單元采用電源、RS485通訊接口以及信號輸出三端分別隔離設計；單元提供16組輸入、輸出信號，整個控制單元主體設備功率小于10 W；單元設有16路模擬采集通道，數據采集精度為16 bit，采集頻率10 Hz，同時存儲560組數據；同時單元采用FLASH存儲程序，來更改和升級監控軟件，當斷電時能夠自動保存歷史數據和參數設置；采用電話線、衛星、GSM、GPRS等多種通訊方式與現場監控設備聯接。控制單元實現采水、配水、清洗、反沖洗等控制，能夠采集并且存儲分析儀器的輸出信號與部分智能儀器通訊，將現場的控制器工作狀態，智能儀器的參數設置等信息，傳遞給現場或遠程的監控系統。

嵌入式系統中心單元由中心單元硬件、嵌入式操作系統、現場監控軟件三部分組成。其中，中心單元硬件為12英寸觸屏式平板計算機，計算機處理器為Transmeta Crusoe 5400，工作頻率為500 MHz，配備2.5G硬盤，并提供一個PC/104-Plus擴展槽；采用WinCE.net 4.2版本的操作系統作為嵌入式操作系統。監控軟件用于在控制現場對整個控制系統的實時監控，采用嵌入式軟件在WinCE平臺上運行，采用CF卡為存儲介質，采用工業控制標準的Modbus RTU協議和PLC控制器與遠程中心站進行通訊。

4.4 電源保障系統

水質自動監測系統供電除采水水泵外，全部使用220 V單相交流電源，系統結構供電設計如圖1。由于采水水泵屬于大功率感性電器，不適用穩壓電源；系統采用2臺大容量UPS作為備用電源，其中1臺給系統供電，1臺給大功率儀器TOC使用。24 V直流后備電源供電為MODEM和中心單元提供電源，可以保證當停電時，系統具有自動保護功能和報警功能；穩壓電源采用磁合成電源，電源功率3 KVA；所有設備的電源提供前端都由各自的空氣開關控制。

圖1 系統供電結構

5 自動監測分析儀器

通過以往水質自動站建設經驗，及此次水質自動監測站系統監測項目及任務，優選分析方法和儀器設備，合理搭配組合，達到經濟高效。具體監測項目、方法及備選儀器見表1。

表1 太平溝水質自動監測站監測項目和備選儀器表

6 結論

從實際工作入手，通過勘察建設現場及實際測量，研究探索、醞釀設計先進、實用、節約、安全并能夠發揮最大經濟效益和社會效益的水質自動監測站。

前期設計既為建設管理單位管理、施工單位建設和指導生產經營活動的重要文件，也是工程預結算的重要依據，更是項目管理的總體規劃，它要順應時代的潮流，真正做到與時俱進。因此，前期設計不僅具有理論意義，更具有實踐意義。所以，編好前期設計是提高建設管理單位經濟效益的有效途徑，也是提高自動水質監測站社會效益的重要手段。

該項目的實施，可以進一步加強黑龍江干流中游段水環境監測能力，提高水環境監測水平和水污染事故的預警能力，做到及時、準確地反映黑龍江干流水環境質量狀況。