南水北調(diào)豐沛縣水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

唐 偉 馬衣峰 劉華平

南水北調(diào)豐沛縣水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

唐 偉 馬衣峰 劉華平

一、引言

水質(zhì)在線自動(dòng)檢測系統(tǒng)是一套以在線自動(dòng)分析儀器為核心，運(yùn)用自動(dòng)控制技術(shù)、自動(dòng)測量技術(shù)、現(xiàn)代傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)以及相關(guān)的專用分析軟件和通信網(wǎng)絡(luò)所組成的一個(gè)綜合性的在線自動(dòng)檢測系統(tǒng)。隨著國家對環(huán)境保護(hù)的日益重視，自動(dòng)在線監(jiān)測技術(shù)也得到了廣泛的推廣，水質(zhì)實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測也逐漸被水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測站所替代。水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測站的運(yùn)用，使整個(gè)監(jiān)測流程自動(dòng)完成，實(shí)現(xiàn)了“有人值班，無人值守”，大大提高了水質(zhì)監(jiān)測的效率及質(zhì)量。

二、水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展

隨著地球水質(zhì)的日益惡化和人類環(huán)保意識(shí)的不斷提高，人類對水質(zhì)包括地表水、工業(yè)廢水、市政污水、海水的監(jiān)測日益加強(qiáng)，對水環(huán)境檢測工作的要求越來越高。在國外，水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測起步較早。1959年，美國開始對俄亥俄河進(jìn)行水質(zhì)自動(dòng)檢測；1975年，全美各州共有13000個(gè)檢測站建成水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測網(wǎng)；20世紀(jì)60年代初，英國在泰晤士河沿岸建設(shè)了60個(gè)自動(dòng)水質(zhì)在線監(jiān)測站，對水域進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，監(jiān)測項(xiàng)目包括水溫、

溶解氧、濁度、氨氮等，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)掌握入河的水質(zhì)變化，監(jiān)督入河污水的合法排放。我國的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測起步較晚，首先是在江河流域進(jìn)行應(yīng)用。1988年在天津建立了第一個(gè)水質(zhì)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)；2004年廈門近岸海域建設(shè)了一套多參數(shù)水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)；2005年全國主要流域重點(diǎn)斷面均設(shè)立了水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站。水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測能反映監(jiān)測斷面的水質(zhì)連續(xù)動(dòng)態(tài)變化，有極強(qiáng)的時(shí)效性，可為環(huán)境檢測工作帶來更加確切有效的數(shù)據(jù)。

三、水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的控制要求

水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的控制要求如表1所示，包括系統(tǒng)控制要求、故障報(bào)警及保護(hù)、操作方式等。

表1 水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)控制要求

四、水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成、管理及質(zhì)量控制保障

水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)由水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)及相應(yīng)的管理后臺(tái)組成。每個(gè)水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)由若干各子系統(tǒng)構(gòu)成，一般包括采樣系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)、監(jiān)測儀器系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理與傳輸系統(tǒng)及室外支撐系統(tǒng)等。

采樣系統(tǒng)：采樣系統(tǒng)包括水泵、管路、供電及安裝結(jié)構(gòu)部分。在設(shè)計(jì)上必須對各種氣候、地形、水位變化及水中泥沙等提出相應(yīng)解決措施，能夠自動(dòng)連續(xù)地與整個(gè)系統(tǒng)同步工作，向系統(tǒng)提供可靠、有效水樣。

預(yù)處理系統(tǒng)：預(yù)處理系統(tǒng)包括水樣預(yù)處理裝置、自動(dòng)清洗裝置及輔助部分。配水單元直接向自動(dòng)監(jiān)測儀器供水，具有在線除泥沙和在線過濾，手動(dòng)和自動(dòng)管道反沖洗和除藻裝置；其水質(zhì)、水壓和水量應(yīng)滿足自動(dòng)監(jiān)測儀器的需要。

監(jiān)測儀器系統(tǒng)：由一系列水質(zhì)自動(dòng)分析和測量儀器組成，根據(jù)監(jiān)測目標(biāo)的不同，現(xiàn)在開發(fā)的測量儀器可分析的項(xiàng)目包括水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、氨氮、化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、總氮、全鹽量、總磷等。

自動(dòng)控制系統(tǒng)：自動(dòng)控制系統(tǒng)包括系統(tǒng)控制柜和系統(tǒng)控制軟件，具有監(jiān)測項(xiàng)目超標(biāo)及支站狀態(tài)信號顯示、報(bào)警功能；自動(dòng)運(yùn)行、停電保護(hù)、來電自動(dòng)回復(fù)功能；狀態(tài)測試和維護(hù)，便于例行維修和應(yīng)急故障處理等功能。

數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集一般有兩種方案：一是定期到現(xiàn)場取回?cái)?shù)據(jù)；二是對支站進(jìn)行有線或無線遙控，將數(shù)據(jù)傳輸至中控站。前者優(yōu)勢在于資金投入較少；劣勢在于數(shù)據(jù)的滯后性，不能及時(shí)反映水質(zhì)變化情況，不利于做預(yù)先控制和采取措施減少污染事件造成的損失。后者劣勢在于經(jīng)費(fèi)多于前者；優(yōu)勢在于能夠及時(shí)了解水質(zhì)變化情況，根據(jù)數(shù)據(jù)和圖表進(jìn)行預(yù)測，采取必要措施減少污染災(zāi)害帶來的影響。中控站通過有線和無線兩種通信方式實(shí)現(xiàn)對各支站的實(shí)時(shí)監(jiān)視、遠(yuǎn)程控制及數(shù)據(jù)傳輸功能。中控站的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可長期存儲(chǔ)指定的監(jiān)測數(shù)據(jù)及各種運(yùn)行資料、環(huán)境資料備檢索，專用的分析軟件可以處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出日、周、月、季、年平均值、最大值、最小值等各種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和圖標(biāo)，可以掌握環(huán)境要素的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)變化情況，預(yù)測變化趨勢。

室外站支撐系統(tǒng)：野外站支撐系統(tǒng)主要包括檢測站房、電力供應(yīng)及其他配套設(shè)施。安裝在岸邊的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，其監(jiān)測站房一般采用監(jiān)測小屋的形式，以放置各種配套設(shè)施，電力供應(yīng)一般直接采用市電。如果自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)安裝在離岸水域，一般采用浮標(biāo)形式監(jiān)測儀器通過重錘固定。

對于水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行管理，在操作規(guī)程上需制定系統(tǒng)日常運(yùn)

行的操作規(guī)程和報(bào)告制度，在日常的運(yùn)行管理中嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)程，對日常的運(yùn)行管理進(jìn)行記錄，實(shí)行日報(bào)、周報(bào)、月報(bào)、年報(bào)的報(bào)告制度；水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)由建設(shè)成本和年運(yùn)行經(jīng)費(fèi)組成。建設(shè)成本主要有設(shè)備采購、土建、系統(tǒng)集成、現(xiàn)場安裝調(diào)試等費(fèi)用；年運(yùn)行經(jīng)費(fèi)是長期的開支，主要有儀器的維護(hù)與維修，購買試劑、耗材與備品備件，以及交通費(fèi)用、電費(fèi)、水費(fèi)、比對試驗(yàn)費(fèi)和人員費(fèi)用等。

水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的質(zhì)量保證是確保監(jiān)測系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的必要措施。對水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站內(nèi)的儀器，必須按照儀器使用說明書的要求和國家《環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測質(zhì)量保證手冊》中的規(guī)定，定期進(jìn)行校準(zhǔn)；在每次更換試劑時(shí)進(jìn)行一次校準(zhǔn)，并用質(zhì)控標(biāo)樣進(jìn)行檢定；對實(shí)驗(yàn)用水、試劑、校準(zhǔn)溶液，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行《國家環(huán)境檢測技術(shù)規(guī)范》中的質(zhì)量保證要求，并認(rèn)真做好質(zhì)控實(shí)驗(yàn)情況的各項(xiàng)記錄。建立完備、嚴(yán)格、適用的質(zhì)量管理體系是自動(dòng)化水質(zhì)監(jiān)測站成功建設(shè)、長期應(yīng)用、水環(huán)境檢測參數(shù)達(dá)標(biāo)的重要考量指標(biāo)。

五、水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的控制流程設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)取配水設(shè)計(jì)

取配水系統(tǒng)作為整個(gè)水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，在實(shí)際應(yīng)用中已成為整個(gè)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)成功運(yùn)行的關(guān)鍵。在該項(xiàng)目中，采用雙泵進(jìn)行取水，兩泵互為備用。系統(tǒng)通過配水管路將所有水質(zhì)分析儀器連接起來，水樣取至配水管路后，經(jīng)由預(yù)處理裝置，分別送到各監(jiān)測儀器處，測定數(shù)據(jù)后上傳至PLC中。

南水北調(diào)豐沛縣水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)中，監(jiān)測參數(shù)包括：水溫、pH、溶解氧、濁度、電導(dǎo)率、全鹽量、氨氮、化學(xué)需氧量等參數(shù)。系統(tǒng)通過對采樣泵、電磁閥的控制來實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測、管路清洗、傳感器噴淋等流程。取配水管路包括：源水進(jìn)水管路、清水清洗管路、熱水清洗管路、空氣反沖管路和排水管路。系統(tǒng)管線圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)管線圖

2.系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

南水北調(diào)豐沛縣水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)主要由監(jiān)測和清洗兩部分組成。在監(jiān)測流程中，系統(tǒng)通過水泵將水樣抽取到配水管路中，經(jīng)過一系列預(yù)處理后，由水質(zhì)分析儀器對水樣進(jìn)行分析，然后將數(shù)據(jù)傳送到PLC中，PLC通過RS485通信方式與數(shù)據(jù)采集器連接，數(shù)據(jù)采集器接收到水質(zhì)數(shù)據(jù)后，通過GPRS方式將數(shù)據(jù)傳至中心站。監(jiān)測流程結(jié)束后，立即開始清洗流程。系統(tǒng)通過清水清洗，將管路中的泥沙沖洗干凈；然后經(jīng)熱水沖洗，防止管路中藻類及微生物的滋生；最后經(jīng)空氣反吹，吹凈管路中殘留水樣后，結(jié)束整個(gè)清洗流程。由于常規(guī)五參數(shù)傳感器中的pH探頭不能長時(shí)間暴露于干燥環(huán)境中，因此除監(jiān)測、清洗流程外，還加入了噴淋流程。當(dāng)系統(tǒng)處于監(jiān)測周期間隙時(shí)，每小時(shí)運(yùn)行一次噴淋流程，以確保傳感器探頭長期處于濕潤環(huán)境中。

六、水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的意義和應(yīng)用

該水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測工程在豐沛縣導(dǎo)流干線上設(shè)置6座水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測站，分別對2個(gè)縣區(qū)邊界水質(zhì)及4個(gè)縣區(qū)污水處理廠水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，水質(zhì)監(jiān)測站可實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測項(xiàng)目包括：常規(guī)無參數(shù)（溫度、pH值、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度）、化學(xué)需氧量、氨氮、總磷、全鹽等，同時(shí)預(yù)留接口以供數(shù)據(jù)擴(kuò)展。利用無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞剑M(jìn)行水質(zhì)在線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳送，在市區(qū)截污導(dǎo)流工程運(yùn)行養(yǎng)護(hù)處的中央控制系統(tǒng)，對水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，再根據(jù)實(shí)際的水質(zhì)監(jiān)測情況和要求設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間間隔，以達(dá)到截污導(dǎo)流的目標(biāo)。

本文針對南水北調(diào)豐沛縣水質(zhì)監(jiān)測站的需求特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套水質(zhì)監(jiān)測自動(dòng)控制系統(tǒng)。水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)的自動(dòng)、連續(xù)監(jiān)測和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程自動(dòng)傳輸，發(fā)揮了監(jiān)測活動(dòng)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測站的建設(shè)和運(yùn)行，雖然克服了定時(shí)監(jiān)測的缺陷，但建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用較高，水質(zhì)在線自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測與定時(shí)現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合仍是必要。水質(zhì)發(fā)生異常時(shí)，在線系統(tǒng)能自動(dòng)響應(yīng)報(bào)警，進(jìn)行連續(xù)跟蹤監(jiān)測，掌握污染事件的發(fā)生、發(fā)展并及時(shí)總結(jié)，對定時(shí)現(xiàn)場監(jiān)測予以確認(rèn)，對預(yù)防和預(yù)報(bào)污染事件的發(fā)生和發(fā)展具有積極作用。因此，水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用推廣前景■

（作者單位：江蘇省徐州市國家南水北調(diào)工程建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室 221000徐州市豐縣水利局 221700 徐州市水利建筑設(shè)計(jì)研究院 221000）