倉山龍津陽岐水系預裝式監(jiān)測站房設計要點

王萍 楊帆 李鵬程

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司 上海 200092）

隨著社會經濟、科技的不斷發(fā)展，水資源短缺、水環(huán)境污染的問題也日趨嚴重。地表水水質狀況及水質變化的趨勢是當前水污染防治和水環(huán)境保護工作的基礎，科學有效的監(jiān)測方法和監(jiān)測設備能夠及時掌握水質的變化情況，合理科學地調控工程的運行［1-3］。

倉山龍津陽岐水系綜合治理及運營維護PPP 工程是在消除倉山龍津陽岐水系黑臭水體的基礎上將其提升至地表Ⅴ類水的治理工程。本項目包括了2 個流域片區(qū)，分別是：①龍津陽岐片區(qū)：包括陽岐河、躍進河、躍進支河、半洋亭河、龍津河、龍津一支河、龍津躍進連通河；②白湖亭片區(qū)：包括港頭河、吳山河、竹欖河、白湖亭河、馬洲河、馬洲支河。

倉山龍津陽岐水系水質自動監(jiān)測系統(tǒng)通過在龍津陽岐片區(qū)及白湖亭片區(qū)設置在線預裝式監(jiān)測站房，借助計算機通訊技術實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動傳輸，為工程管理提供實時水位、水質信息。

站房式監(jiān)測水站在發(fā)揮重要作用的同時，也存在諸多不足之處，例如站房用地規(guī)劃困難、投資巨大、建設周期較長等情況。近年來，一種占地面積小、投資少、方便移動、可以整體吊裝的站房——預裝式監(jiān)測站房應運而生，并正成為智慧化水質水文監(jiān)測網絡建設中一個重要的組成部分［4-9］。

本文以倉山龍津陽岐水系為例，對于如何設計黑臭河道的水質水文監(jiān)測站房進行了研究和分析。

1 站房主要設計原則

預裝式監(jiān)測站房設計內容包括站房和外部保障條件。站房外部由覆鋁鋅板組成，使用組件嵌裝式方法安裝，形態(tài)設計美觀，占地面積小；站房側壁由優(yōu)質保溫棉充分填充，以求達到在任何天氣中都能為內部水質監(jiān)測設備提供機械和環(huán)境保護的功能。為了應對各種氣候影響，外部箱體側壁由優(yōu)質保溫棉填充，為站房內部各水質監(jiān)測設備提供機械和環(huán)境保護；站房設計方便操作人員進出開展安裝及數(shù)據(jù)采集、維護等活動。站房外部保障條件有：引入清潔水，通電、安裝通訊線路及開通道路，平整、綠化和固化站房用地范圍內的土地。

預裝式監(jiān)測站房外部組裝材料選用防火、防水的鋼板與木條式景區(qū)型監(jiān)測箱體，形態(tài)簡潔美觀，占地面積小（6 m2～7 m2）。預裝式監(jiān)測站房可以移動，設計理念基于吊裝式集裝箱，所以站房可實現(xiàn)整體吊裝，站房安裝容易、吊裝方便的特點對將來城建、防洪、堤岸改造等提供了便利。其使用面積以滿足儀器設備安裝及保證操作人員方便操作和維修儀器設備為原則，本項目配置站房根據(jù)站點情況配置大小，滿足用戶進行水質五參數(shù)（水溫、pH 值、溶解氧、電導率、濁度）、氨氮、COD、流速、水位、淤泥溶度等水質參數(shù)及水文參數(shù)監(jiān)測的水質自動監(jiān)測系統(tǒng)布置要求，并預留空間便于增加監(jiān)測因子。同時站房設計規(guī)格尺寸考慮了整體運輸方便性及經濟性。

預裝式監(jiān)測站房內分析監(jiān)測儀器的選擇，首先應滿足監(jiān)測水質的測量要求，其次考慮儀器的先進性、使用功能、日常維護和運行成本等因素。

（1）五參數(shù)水質自動分析儀。在線多參數(shù)監(jiān)測儀采用模塊化設計，1 臺儀器上同時連接pH/溫度、DO（溶解氧）、電導率和濁度4 支傳感器，并可根據(jù)需要擴展模塊或更換不同傳感器探頭［1］。

（2）COD 在線分析儀。COD 在線分析儀通過光度法測量樣品吸光度，比對吸光度與水樣COD 值的線性關系進行分析測定。

（3）氨氮在線分析儀。測量原理：水楊酸-靛酚藍法。使用雙光束、雙濾光片光度計設計，消除樣品濁度、電源波動引起的干擾。支持中文操作界面，可選中文、英文語言。

站房設計周圍有疏通雨水渠道，充分考慮了防雨、防蟲、防塵、防火、防雷、抗震、防盜、防電磁干擾等措施，配置照明、通風等設施；安裝來電自啟動冷暖空調，使站房內溫度保持在8 ℃～30 ℃；站房設有工作臺，并配有洗手池，方便工作人員的安裝、維護和測試工作。站房配置齊全，遵循《地表水自動監(jiān)測技術規(guī)范》［10］，無人值守全天候自動監(jiān)測，裝置設備噪音低，無噪聲污染。站房內部設計如圖1 所示，外部實景如圖2 所示。

圖1 預裝式監(jiān)測站房內部設計圖

圖2 預裝式監(jiān)測站房外部實景圖

2 儀器管路布置

站房內部空間根據(jù)選用的水質分析儀器尺寸及布局進行設計，儀器安裝采用壁掛式和落地式，有效利用空間。各部件及設備安裝位置易于維護、牢固可靠，同時應注意固定帶電部件的絕緣材料以及提供防觸電保護的絕緣材料應耐燃燒和防明火；所有線纜穿PVC 管或線槽加以防護，動力線纜與控制及信號線纜相互獨立，實現(xiàn)強弱電隔離；水電采用隔斷進行隔離布置；站房內部整潔美觀、設備布置有序。站房內部實景見圖3。

圖3 預裝式監(jiān)測站房內部實景圖

3 水質水文在線監(jiān)測系統(tǒng)

水質水文在線監(jiān)測系統(tǒng)采用預裝式站房結構安裝在河道或湖庫岸邊，采用自動取水系統(tǒng)抽取水樣并進行儀器分析檢測。系統(tǒng)采用外接交流220V/380V 供電，監(jiān)測數(shù)據(jù)采用光纖網絡進行傳輸。

水質水文在線監(jiān)測系統(tǒng)結合遠程通訊技術，將儀器的測量結果、系統(tǒng)運行狀況、各臺儀器的運行狀況等信息實時傳送至中心管理平臺。并根據(jù)中心管理平臺返回的各種指令，實時對整個系統(tǒng)進行遠程緊急監(jiān)測、遠程設置、遠程校準、遠程門禁系統(tǒng)等控制。

水質水文在線監(jiān)測系統(tǒng)的在線自動運行是以現(xiàn)場控制系統(tǒng)中的MPU（Microprocessor Unit）為控制中樞，管理核心為已安裝配套基站管理系統(tǒng)軟件的工業(yè)控制計算機，配以所需單元組成［11］。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和狀態(tài)反饋，由現(xiàn)場工控機根據(jù)現(xiàn)場情況或中心管理平臺發(fā)出控制指令。控制指令分為兩種：一種是在保證取到滿足儀器要求的水樣并維持系統(tǒng)平穩(wěn)運行的MPU 控制指令，這些指令由工控機發(fā)給MPU 系統(tǒng)，MPU 系統(tǒng)根據(jù)接收的指令進行相應操作；另一種是儀器控制指令，通過RS232/485 對儀器進行控制，儀器根據(jù)收到的指令進行相應的操作（儀器可接收指令是實現(xiàn)儀器遠程操作的必要條件）。

水質水文在線監(jiān)測系統(tǒng)包括以下功能：

（1）可調節(jié)取樣方式（連續(xù)或間歇），可根據(jù)監(jiān)測頻次取水；

（2）現(xiàn)場兩級合理結構的自動控制運行方式；

（3）系統(tǒng)多級授權監(jiān)控功能（包括中心管理平臺遠程監(jiān)控與授權的維護端遠程監(jiān)控），為長期運行提供技術支持；

（4）系統(tǒng)具有自動診斷異常狀況的功能，并在出現(xiàn)故障時進行報警與記錄；

（5）數(shù)據(jù)自動采集、處理、存儲及傳輸；

（6）根據(jù)用戶要求進行數(shù)據(jù)的有效判別，同時測試數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息數(shù)據(jù)自動采集與遠程傳輸；

（7）自動分析過程中有完整的質量控制手段及數(shù)據(jù)報告，可以對發(fā)現(xiàn)的重要數(shù)據(jù)實施相應的標記；

（8）系統(tǒng)具有日志記錄功能，對系統(tǒng)和設備的運行狀況信息進行實時存儲和傳輸，方便查詢；

（9）系統(tǒng)具有停電保護及來電分級自動恢復功能；

（10）系統(tǒng)設置具有開放性，用戶可根據(jù)自身需要進行有關參數(shù)的設置，具有良好的擴展性；

水質水文在線監(jiān)測系統(tǒng)是一套高度集成的一體化在線監(jiān)測系統(tǒng)，由檢測模塊、采樣模塊、取配水及預處理單元、自動控制模塊、供電系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、防雷單元等組成。其中，采樣模塊、自動控制模塊的設計在站房設計中尤為重要［12］。

4 采樣模塊

作為水質水文在線監(jiān)測系統(tǒng)中重要的一環(huán)，采樣模塊影響了預裝式監(jiān)測站房的設計。水樣的采集直接關系到測試結果的準確性，水樣總量和獲得的有效待測物的不準確，將造成最終結果的失準，而且水質變化因水層也不相同，所以采得樣品必須具有代表性，且樣品在傳輸過程中不會發(fā)生物理或化學變化［4］，檢測數(shù)據(jù)才有可靠性。

采樣模塊由取水泵組件、采樣浮筒、隔離柵、探頭流通池及采水管道等部分組成。為了適應不同河道，分別設計了上下自由擺動懸臂浮筒取水及懸臂浮筒取水方法，見圖4 及圖5。上下自由擺動懸臂浮筒取水方法適用于生態(tài)護坡型河道，懸臂浮筒取水方法適用于直立式駁岸型河道。

圖4 上下自由擺動懸臂浮筒取水設計圖

圖5 懸臂浮筒取水設計圖

5 自動控制模塊

自動控制模塊包含了整個水質水文在線監(jiān)測系統(tǒng)的全部過程控制，是整個系統(tǒng)的大腦，是儀器實現(xiàn)自動監(jiān)測的重要核心［13］。

自動控制模塊具備實時監(jiān)控功能，動態(tài)顯示監(jiān)測儀器和外部設備的運行狀況，同時能夠顯示各種參數(shù)（水壓、電壓、水位、溫濕度等）的變化值，具備預警和報警功能，便于實時監(jiān)控，各種參數(shù)值自動寫入數(shù)據(jù)庫待后續(xù)查驗。

針對預裝式監(jiān)測站房，如果現(xiàn)場儀器設備提供了相關的狀態(tài)參量（如通訊狀態(tài)、故障、報警等信息）輸出，自控控制模塊則每30 s 采集現(xiàn)場儀器設備運行狀態(tài)信息，并對異常情況進行跟蹤記錄。如在某一測試周期內出現(xiàn)了異常情況，則對該周期內的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行標記之后再上傳，以保證上級監(jiān)控中心可以通過數(shù)據(jù)標記直觀明了的判別數(shù)據(jù)的有效性。

自動控制模塊控制合并了數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊，和其它儀器的通信方式可采用模擬信號采集的方式，亦可采用數(shù)字信號采集的方式。與遠程的通信方式采用Internet 方式或專網，支持ADSL/GPRS/CDMA/3G/4G/NB-IoT 等多種有線及無線方式，用來完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與網絡通信等功能。

自動控制模塊采用高度系統(tǒng)集成智能化設計方式，具備遠程監(jiān)控功能、系統(tǒng)故障報警及記錄、停電保護及來電自動恢復。整個集成系統(tǒng)增加聯(lián)網防盜預警，針對偏遠地區(qū)實現(xiàn)了保護，從而達到無人值守的目的。系統(tǒng)集成設置具有開放性和擴展性，方便增加監(jiān)測儀器和進行系統(tǒng)升級。

6 結語

倉山龍津陽岐水系綜合治理及運營維護PPP 工程是水環(huán)境治理工程，水質監(jiān)測在工程中具有重要的作用。作為倉山龍津陽岐水系水質水文的監(jiān)測手段，預裝式監(jiān)測站房的布置能連續(xù)反映被測河流斷面的水質變化情況，及時捕捉污染物排放事故并準確發(fā)出預警信號；預裝式監(jiān)測站房內儀器設備分類安裝，布置合理美觀，管線布置通暢合理，管材選擇確保系統(tǒng)能長期有效運行；預裝式監(jiān)測站房自動化程度高，能夠做到自動采樣、自動反吹清洗、自動分析和自動清洗以及數(shù)據(jù)記錄和輸出等環(huán)節(jié)的可靠有效運行，可實現(xiàn)遠程啟停主要自動分析儀。