水質監測系統在長距離輸配水工程中的應用

孫本勝

(遼寧潤中供水有限責任公司， 遼寧 沈陽 110166)

水質監測系統在長距離輸配水工程中的應用

孫本勝

(遼寧潤中供水有限責任公司， 遼寧 沈陽 110166)

本文以遼寧省內一重點輸配水工程為例，系統介紹了水質監測系統的建設，著重闡述了采集站監測參數的選擇及水樣的自動化提取、預處理等功能單元的設計方案，值得類似工程借鑒。

輸配水工程； 水質監測； 水樣處理

大伙房水庫輸水工程是遼寧省重要的輸配水工程，分兩期建設，工程自2010年11月投入運行，至今已累計向遼寧中南部七城市供水17億m3，目前日供水230萬m3，其中居民生活用水占到80%以上。雖然原水的凈化處理主要由各地市凈水廠完成，但根據2002年國家發布的《地面水環境質量標準》(GB 3838—2002)，江河、湖泊、水庫等具有使用功能的地表水均須進行水質監測，同時輸水工程管道內滋生的藻類對管壁有較強的腐蝕作用，可以通過水質監測判斷管內水質狀況并通過加氯系統控制藻類的增長，從而達到延長輸水管線使用年限的目的，此外，建設水質自動監測系統，可以實現水質的實時連續監測和遠程監控，及時掌握主要流域重點斷面水體的水質狀況，預警預報重大或流域性水質污染事故。因此水質監測系統建設項目列入2015年計劃，并于2015年10月完成主體施工。

1 測站分布

大伙房水庫輸水工程水質自動監測系統計劃建設1個監控中心，4個監測子站。

監控中心，顧名思義，通過有線或無線通信網絡實施對監測子站的工作狀態監視控制。定期收集子站的工作狀態數據和水質監測數據，實時反映被測水體的水質現狀和變化趨勢。

監測子站是能夠獨立完成水質在線監測任務的最小單元，建立在有代表性監測斷面上，全天候的工作采集并監測被測水體的水質。

大伙房水庫輸水工程水質監測系統建設站點分布見表1。

表1 大伙房水庫輸水工程水質監測系統建設站點分布

“超級站”“標準站”主要由監測參數的數量來區分，大伙房站位于大伙房水庫南岸，二期工程的取水口，其地理位置的重要性不言而喻，大伙房站共監測17項參數，沈陽二站和營盤站進行常規監測，一期站監測13個參數，沈陽二站、營盤站監測8個參數。所有水質數據最后匯總到位于沈陽市內的主監測中心。

2 監測參數的選擇

由于大伙房站監測項目最多且最具有代表性，因此下文均以大伙房站為例進行闡述。大伙房站17項監測項目為水溫、pH值、溶解氧、電導率、濁度、高錳酸鹽指數、氨氮、總氮、總磷、鐵、錳、水中油、葉綠素、藍綠藻、生物毒性、氟化物、硫化物。前5項為水質監測最常用的參數，俗稱五參數，其中濁度是凈水廠調度最關注的指標；高錳酸鹽指數雖然不能真實反映COD值(化學需氧量)，但對于水庫內水質的測量來說還是比較有效、實用的方法；通過氨氮和總氮可以分別判斷水質pH值變化趨勢以及水體的富營養化程度；通過葉綠素、藍綠藻可以判斷藻類滋生情況；由于該工程絕大部分的供水是生活用水，因此對重金屬鹽、油脂、毒性等參數更為關注。

3 系統結構及工作流程

水質自動監測站系統主要由監測站房、儀表分析、輔助分析、測控、運行環境支持四部分組成。其中，儀表分析包括取水、配水、傳輸、預處理和分析儀表，輔助分析包括反吹清洗單元、除藻清洗單元和純水制備單元，測控包括控制器、主控計算機、通信設備和應用軟件，運行環境支持包括電源、防雷、安全、超標報警等設備。

水質監測系統的工作流程可以分為四步：采集水樣、預處理、儀表分析、數據匯總(見圖1)。

圖1 系統集成結構

3.1 采水單元

3.1.1 采水環境

采水點一般選取在水流平緩、水質穩定且方便取水的位置，取水處需采取防淤積、防雜物、防堵塞、防凍結、防冰凌、防曬等措施；為保證采水管路暢通，采水周期結束后應自動沖洗取樣管道，并定期清除管道內的藻類。該項目中，因輸水工程進口位置采用三層閘門取水的方式，針對這種情況，在三層閘門的高程上各設置一個采水點，春、夏、秋三季使用，以便監測三個高度的水質情況，指導不同閘門的開啟，取不同高程的優質水。

3.1.2 采水設備與特點

采用雙泵(雙管路)交替式采水方式，可以滿足實時不間斷監測的要求，交替工作時間可以為周，也可以為天，同時可以保證站房的進水壓力和流速流量達到整個系統全部儀器的要求；并且當一路出現故障時，通過在采水單元中設置的壓力流量監控裝置PLC及時切斷該水泵的電源以避免電機空轉而損壞，同時在此次采水過程中能夠自動切換到另一路進行工作，保證整個系統的正常運行。從取樣泵到儀器間的水管視其長度選用合適管徑以減少管路阻力。采樣管前端水面部分采用磐石膠管。后端采水管道采用UPVC管，彎曲部分安裝導向部件避免軟管彎折影響水流。采水管路安裝保溫套管進行絕熱處理，減少環境溫度等因素對水樣的影響，并使對測定項目監測結果的影響最小。

3.2 預處理單元

根據儀器對水樣的要求，水樣進入站房后分為兩部分：一部分水樣按照最短取水距離原則不經過任何預處理，直接送入五參數自動監測儀測量池中；五參數測量的安裝遵循與水體距離最近的原則，池內保證水流穩定持續，水位恒定。系統停止時流通池內存有余水，保持電極濕潤。水樣的其余部分被送入沉沙池，靜置沉淀后對水樣進行預處理，使各儀器可以從各自專門的過濾裝置中取樣，且過濾后的水質不改變水樣的代表性。

預處理單元的主要設備有多級精密過濾器、清洗裝置和鈦合金過濾棒。

3.2.1 多級精密過濾器

多級精密過濾器為內外嵌套式安裝的兩個不銹鋼水箱，采用多級過濾與相對自然沉降(超聲波換能器保證水樣相對自然沉降)河流水樣沿采水管路從底部直接進入不銹鋼水箱，水箱上方有直徑60mm溢流管，水樣中的表面懸浮雜質直接通過溢流管溢流出水箱，水樣通過除油除雜的油水分離濾膜滲透到內部小型不銹鋼水箱內，通過蠕動泵工作直接將過濾后的水樣吸出，直接供給分析儀器使用，保證水樣的實時性。

3.2.2 清洗裝置

清洗裝置內部配有進口空氣泵，在水樣進入箱體的同時對過濾膜進行不間斷的氣吹，使附著在濾膜表面的雜質脫離濾膜，一部分小密度的雜質會漂浮起來隨水流直接從溢流口排出，而一部分大密度的雜質則直接沉積在箱體的底部，通過箱體底部定時自動打開的電磁閥門排出箱體。

3.2.3 鈦合金過濾棒

根據不同地區、不同水質情況，充分考慮系統維護的方便，在膜法精密過濾器的基礎之上，標準配備兩個鈦合金過濾棒，兩個過濾棒的過濾目數不同，可以充分適應不同的水質情況，而且過濾膜、鈦合金過濾棒的螺紋旋接處為同一口徑，可以方便更換。

3.3 功能輔助單元

功能輔助單元可為水樣的采集和預處理在功能實現上提供必要的輔助，也是不可缺少的一部分。其中包括清洗除藻、空氣壓縮、反沖洗水、廢液處理四個單元。

3.3.1 清洗除藻

取水系統長期使用過程中管路中會有藻類等滋生，從而對測試參數產生影響，系統運行時會自動利用脈沖高壓水氣混合液完成對管道的沖刷，能夠有效殺死管道中的藻類，減少管壁積藻現象。此外系統設計了專門的手動控制除藻旋鈕，以便于添加除藻劑除藻。開啟手動除藻按鈕，系統會按設定好的程序抽取除藻劑開始執行除藻過程，除藻完成后用清水清洗系統，防止除藻劑殘留。

除了采用高壓清潔水反沖洗之外，還要定期對在線系統殺菌除藻。為此配置在線除泥沙裝置和滅藻清洗裝置。系統將定時用硼酸(適用于pH大于7的水體)或次氯酸鈉(適用于pH小于7的水體)對采水管路進行清洗，殺菌除藻，有效防止輸水管路中的藻類滋生。在多個自動站的使用表明，采用可靠高效的自動殺菌除藻裝置、經濟實用的除藻劑，定期對在線系統進行殺菌除藻非常有效。系統用化學試劑清洗管道后還使用大量清水對管道進行漂洗，采水時管道中沒有殘存藥液，不會影響項目的監測。

系統反沖清洗操作，可根據季節不同，藻類滋生情況不同，通過現場或遠程進行自動或手動控制。保證每個測量周期對整體系統進行清洗。沖洗水不會對監測結果產生影響且不對環境造成二次污染，設計中不使用對環境產生污染的清洗方法。

3.3.2 空氣壓縮

空壓機為無油型，不會對分析結果造成影響，且體積小，噪聲小，工作穩定可靠，能夠屏蔽噪聲(<55db)。空氣壓縮單元的氣源主要依靠設備中的空氣壓縮機及減壓過濾二聯件等設備來提供。

a.清洗單元的供氣。在清洗水流中自動加入壓縮空氣，可以在水中產生大量的氣泡，氣泡破裂的沖擊和剝離效應，可以提高對管壁積藻的清除效果。

b.輸送過程的供氣。由于電磁閥在一定條件下會出現密封性不良的狀況，因此系統在一些關鍵部分采用氣動閥來替代電磁閥，由空氣單元提供氣動閥的驅動，提高了系統的可靠性，并保證水站系統自動控制的正常運行。

c.其他單元的供氣。空氣單元也提供系統其他重要組件的一些氣動部件的驅動。

3.3.3 反沖洗水

反沖洗水系統，需保證反沖洗水系統達到飲用水水質標準，有足夠的流量(1t/h)，且壓力可長期維持在0.2MPa以上，用于系統的正常清洗及冷卻、制水，且自來水系統應保證可連續供應。由于現場沒有自來水，又不具備打井條件，只能采用取水點的水。采用井水供水要設計水箱和水箱液位自動控制裝置；采用淺層地表水或井水供水水質不合格的要另外設計水質凈化裝置。

3.3.4 廢液處理

為了控制水源水的水質良好狀態，保障人體健康，保護水源地生態環境，經過預處理所產生的廢液不能隨意排放，該項目中以《污水綜合排放標準》(GB 8978—88)為基礎，對此項目儀器分析過程中產生的廢液進行合理的處理和回收。具體廢液處理方案如下：對儀器測量過程中產生的廢液設計獨立的收集系統，配備專用的廢液收集桶兩只，其中一只作備用。根據各儀器的監測原理，設計專用的防腐蝕管路，通過三通閥與儀器廢液管路連接。在廢液收集桶均清空的情況下，儀器分析過程中產生的廢液將由系統廢液管路，通過防腐蝕管路，流入1號廢液桶中。1號廢液桶內安裝液位感測器，當廢液到達一定液面后，液位感測器產生一個反饋信號，傳送給PLC，同時報警。若1號廢液桶的廢液無法及時排空，此時，PLC系統將在預設時間內，控制2號廢液桶閥門打開，自動轉用備用廢液收集桶收集廢液，以防止廢液過滿溢出桶外，造成污染。

儀器分析產生的廢液收集完畢后，將有專人定期將廢液送往有關部門進行集中處理，確保不對水源水產生任何影響。有毒有害廢液將用專用收集裝置，收集后集中處理。

各站廢液排放量見表2。

表2 各站廢液排放量

4 水質參數分析系統

4.1 系統儀器基本功能

a.應具有儀器基本參數貯存、斷電保護與自動恢復功能。

b.應具有時間設置功能，可根據需要任意設定監測頻次。

c.應具有儀器故障自動報警、異常值自動報警及試劑液位報警功能。

d.應具有自動清洗功能。

e.應具有密封防護箱體及防潮功能。

f.輸出信號采用4-20mA、RS485和MODBUS標準接口，并提供接口協議。

g.儀器能存儲3個月以上分析數據。

4.2 系統儀器具體參數

經預處理后的合格水樣被送至各類分析儀表的測量池進行分析，該項目大伙房站主要采用的分析設備見表3。

表3 水質分析儀及測量參數

上述分析儀表均配有I/O輸出或通信接口，參數測量完畢后直接傳輸至工業控制計算機，經輸水工程原有的內部網絡發送至主監控中心，網絡通信、數據庫、軟件系統均為常規配置，本文不再贅述。

5 數據采集與傳輸系統

數據采集與傳輸系統由一臺工業控制計算機、觸摸液晶顯示器、環保在線監測系統軟件、數據采集系統及必要的電源、運傳模塊等組成。

數據采集與傳輸如圖2所示。

圖2 數據采集及傳輸拓撲示意圖

6 控制單元

水質自動監測系統采用可編程控制器(PLC)執行現場取水配水等控制動作過程，可以方便地實施對取水配水管路系統、開關量等的控制，通過與現場數據終端之間的通訊，接收相應指令，控制相關的水質監測儀表對水質參數的采樣頻率及輔助清洗校正等，具有很高的可靠性。

監測基站管理軟件主要以各監測站的水質、系統狀態等采集數據為數據源，以數據有效性分析處理、遠程監控及綜合信息化管理等為目標，提高和改善水環境監測信息化管理水平，進而推進水環境監測管理信息化、現代化，并可為未來構建水域環境監測信息網絡提供基礎平臺。

7 輔助設備設施

7.1 輔助設備

輔助設備包括交流穩壓電源、電源系統、除濕機、空調、電暖器、無油空壓機、電鍋爐、溫濕度傳感器、辦公桌椅等。

7.2 機柜

采用一體式標準工業機柜式安裝方式，每個儀表單獨一個機柜，數據采集單元與控制單元單獨為一個機柜。正面設計成單開鋼化玻璃門，并且在每個柜子的后面設置了雙開門，為儀器以后的安裝調試及運行維護提供方便。

7.3 防雷單元

采用四級電源防雷設計，一級防雷在電源外線引入處(進戶主配電箱)，二級防雷在各分配電箱處，三級防雷在穩壓電源輸出處，四級防雷在UPS輸出處。

8 結 語

隨著中國經濟的高速發展，近些年國內長距離輸配水工程逐漸增多。從引黃工程開始該類工程的建設距今只有二三十年的時間，還遠未達到成熟應用的階段。由于輸送的是原水且無水凈化處理工藝，對水質參數的關注度不高，通常水質在Ⅱ類以上很少進行水質監測，大型的水質監測站更是鳳毛麟角。大伙房水庫輸水工程水質監測系統全自動實時采集水質數據，除供監控中心分析、凈水廠調度參考外，還為工程管理人員了解管道內藻類滋生情況、加氯系統加藥量的控制提供了重要的科學依據。

9 建 議

為了水質自動監測系統能準確及時的監測數據，應做好以下幾個方面：

a.專業技術人員的保證。要有能隨時解決發現的問題的專業技術人員，能保證自動監測系統的正常運行。

b.質量保證與質量控制。日常采取的質量控制措施包括定期校準、質控樣檢查、比對實驗驗證、試劑有效性檢查及數據審核等方法，保證數據的有效性。

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Application of water quality monitoring system in long-distance water delivery and distribution projects

SUN Bensheng

(LiaoningRunzhongWaterSupplyCo.,Ltd.,Shenyang110166,China)

In the paper, a key water delivery and distribution project in Liaoning Province is adopted as an example.The construction of water quality monitoring system is introduced systematically.The selection of monitoring parameters in collection stations and design plans of functional units are mainly described, including automatic extraction, pretreatment of water samples, etc.They are worthy of reference for similar projects.

water delivery and distribution project; water quality monitoring; water sample treatment

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2017.05.016

TU991.3

B

1005-4774(2017)05-0058-06