地下水污染物遷移自動化監測系統設計

仝兆景，張 科，時俊嶺，賈元亨

(1.河南理工大學 電氣工程與自動化學院；2.河南理工大學 化學與化工學院，河南 焦作 454000)

0 引言

地下水質量與人類身體健康關系密切[1]。隨著人口數量的增多和工農業生產的發展，產生了大量工業污水與生活垃圾，其未經處理直接排放，滲透入地下水導致地下水污染[2-5]。目前，全國水利(水文)部門共有地下水監測站24 515處，其中基本監測站12 859處(10%左右兼有水質監測任務)[6-8]。當前地下水監測工作雖然已取得了一定進展，但我國地下水監測與管理總體仍比較薄弱，隨著全球氣候的頻繁變化，水資源條件也不斷變化，導致地下水監測工作遇到很多新問題，如地下水監測站網布局不合理且站網密度總體偏低、農村城鎮等地區監管不足、監測技術手段落后、信息分析服務能力弱、法規保障機制不健全等[9-11]。同時，傳統地下水污染監測采用單點抽測方法，投入了較多人力與時間成本，自動化程度低下，無法迅速進行直觀、連續的地下污染物遷移趨勢分析[12]。因此，在基本掌握地下水儲存與分布特征的基礎上，建立地下水長期監測網絡，以提高系統的自動監測能力，加強信息服務。同時，開展基礎理論與應用技術研究，對地下水資源進行保護與合理利用，以實現水資源的可持續利用，從而促進經濟社會的可持續發展[13-14]。

針對以上問題，本文基于虛擬儀器技術，以數據采集卡為核心，設計地下水污染物遷移自動化監測系統，通過多點實時監測多種污染物離子濃度，分析得出污染物遷移規律，從而實現地下水污染物的自動化監測與預警。

1 系統總體設計

圖1 系統總體框架

1.1 硬件系統設計

系統硬件設計主要包括3部分：傳感器選型、調理電路設計、采集卡選型。選用的離子選擇性電極[15]參數如表1所示。系統以OP07芯片作為運算放大核心，設計信號調理電路[16]。監測系統連續采集多路電極電信號，考慮到未來的擴展，設計選擇研華PCI-1711U數據采集卡[17]，其具有PCI總線，以及轉換速度為100KHz的12位A/D轉換器，可實現高速、高效的數據采集與處理[18-20]。

表1 離子選擇性電極參數

1.2 系統軟件設計

監測系統軟件設計整體結構如圖2所示。系統設計包括操作界面、監測顯示區域、后臺管理3部分，根據采集卡自動連續采集到的污染物離子濃度，通過上位機實現數據存儲、信號處理、監測系統分析以及報告輸出功能。

圖2 系統軟件整體結構

監測系統上下限監控系統報警程序如圖3所示，本軟件模塊可實現對采集數據上下限的判斷，出現超過閾值的數據時則報警燈開始閃爍，并對采集到的數據信息增加報警備注，便于后期查詢，從而為污染物的遷移趨勢分析提供數據支持。

圖3 上下限報警模塊設計

監測系統各通道數據報表打印部分模塊程序如圖4所示，當按下打印按鈕時，通過布爾判斷獲取某通道報表輸出信號。報表的打印輸出包含了離子深度數據與波形。各通道數據采用局部變量節點，以方便引用與輸出。

圖4 通道數據報表輸出

2 系統實際運行測試

監測系統的數據波形顯示如圖5所示，左側是參數設置界面，包括采樣時間及間隔、通道數、離子類型選擇，右側顯示濃度曲線、離子濃度上下限、監測控制按鈕、打印報表輸出與退出系統按鈕。測試系統用布爾燈形式設計報警開關，當離子濃度高于上限、低于下限時報警亮燈，并在系統中作出數字標記。本系統設置10個通道的波形顯示，便于后期擴展。

圖5 數據顯示

系統可實現多點網絡采集，將同一時刻離子濃度相同的點連接起來，擬合成圓滑曲線，根據時間變化能清晰描繪出污染物濃度變化趨勢，從而推測出污染物濃度分布，區域濃度如圖6所示。其中，超過上限的區域為中間深色區域，低于下限的區域為邊緣淺灰色區域。

圖6 區域濃度分布

3 結語

在國家對地下水污染日益重視的背景下，為更好地實施水污染物監測預警，針對傳統地下水污染監測采用單點抽測方法、自動化程度低下等不足，設計并實現了基于LabVIEW的地下水污染物遷移自動化監測系統。測試結果表明：該系統能自動、高效地監測某一區域地下水污染物離子濃度，并作出污染物遷移趨勢分析，功能豐富且易于擴展，在地下水監測與環境監測保護等領域具有廣闊的應用前景。