大興新鳳河流域地表水水質(zhì)自動監(jiān)測站的建設(shè)

張火鋒，肖晶，林棟

（北京北華中清環(huán)境工程技術(shù)有限公司，北京 100176）

大興區(qū)在北京城市總體規(guī)劃中被賦予“三區(qū)一門戶”的功能定位，其域內(nèi)重要河道——新鳳河——流域生態(tài)環(huán)境的重要性不言而喻。為了對大興新鳳河流域內(nèi)水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行有效監(jiān)測，并為河道運維提供預(yù)警預(yù)測分析數(shù)據(jù)，大興新鳳河流域綜合治理工程在工程范圍內(nèi)的河道、功能濕地、初雨調(diào)蓄池新建19 套水質(zhì)自動監(jiān)測站。新鳳河流域干流為新鳳河，主要支溝包括老鳳河、南苑灌渠、新西鳳渠、涼鳳灌渠、新建排溝、安南支流、姜鳳支流、四海支流等[1]。

干流新鳳河是1955 年開挖的減河工程，是涼水河的主要支流[1]。源頭在立垡紅閘，向東流到狼垡村西，過京山鐵路向南，與鐵路平行2km 折向東流，過李營滯洪區(qū)，經(jīng)高米店，在西黃村以東到黃村一街過京開公路，折向南流，到海子角村北折向東流，沿京塘高速公路大興支線左側(cè)，與公路平行東流11km，過南大紅門到馬駒橋閘前匯入涼水河。其中大興區(qū)（不含開發(fā)區(qū)）境內(nèi)新鳳河河道全長28.8km，總流域面積為166.4km2[1]。

新鳳河在綜合治理前，生活、養(yǎng)殖、工業(yè)污染直排入河，流域內(nèi)多條河道黑臭，部分支渠排水不暢、水污染嚴(yán)重、景觀環(huán)境差，不能保障水安全及民眾對水環(huán)境的要求，嚴(yán)重影響區(qū)域人居環(huán)境質(zhì)量[2]。

根據(jù)《城市黑臭水體整治工作指南》及《北京市黑臭水體判定工作方案》,北京市水務(wù)局組織了全市黑臭水體的判定工作。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查及實驗室監(jiān)測，按照黑臭水體判定級別標(biāo)準(zhǔn)，大興區(qū)黑臭水體判定結(jié)果為：大興區(qū)達(dá)到黑臭水體的共有18 條河流19個河段[2]，其中屬于新鳳河治理范圍內(nèi)的共有8 條河流9 個河段，包括葆李溝、北小龍河、新鳳河、老鳳河、新建排溝、南苑灌渠、四海支流上段、四海支流下段。

為貫徹落實《水污染防治行動計劃》及《北京市進(jìn)一步加快推進(jìn)污水治理和再生水利用工作三年行動方案（2016 年7 月—2019 年6 月）》，根據(jù)《大興區(qū)污水處理和再生水利用設(shè)施建設(shè)三年行動方案（2016 年7 月—2019 年6 月）》和相關(guān)會議要求，大興區(qū)政府將通過綜合治理工程措施改善大興新鳳河流域內(nèi)水環(huán)境質(zhì)量及周邊環(huán)境效果。

大興新鳳河流域綜合治理工程建設(shè)內(nèi)容主要包括對新鳳河實施截流污水2.8 萬m3/d、引調(diào)再生水4 萬m3/d 補給河道、新建慢行系統(tǒng)21km、新增綠化面積880 000m2、水生植物恢復(fù)面積300 000m2，通過3 年多的綜合治理，新鳳河現(xiàn)已穩(wěn)定實現(xiàn)地表水Ⅴ類水功能區(qū)劃要求，河水清澈，水草豐盛，沿河健康步道通暢，市民親水設(shè)施完整。2019 年新鳳河出境斷面燒餅莊閘主要水質(zhì)指標(biāo)重鉻酸鹽指數(shù)（CODCr）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）年平均值相比2016 年分別下降了48.75%、92.61%和85.68%，流域水環(huán)境質(zhì)量從治理前的劣Ⅴ類提升到了地表水Ⅳ類[3]，并于2020 年被評選為北京市優(yōu)美河湖[4]。

1 概況

水質(zhì)自動監(jiān)測站是以在線分析儀器為核心，運用自動控制技術(shù)、現(xiàn)代自動監(jiān)測技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，以及相關(guān)的專用分析軟件和通訊網(wǎng)絡(luò)組成的一個綜合性在線自動監(jiān)測系統(tǒng)，能夠在線連續(xù)監(jiān)測、存儲，并遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)。新鳳河流域水質(zhì)考核要求：項目范圍內(nèi)所有河道的透明度、溶解氧、氧化還原電位、氨氮指標(biāo)應(yīng)優(yōu)于《城市黑臭水體整治工作指南》中輕度黑臭的標(biāo)準(zhǔn)，確保新鳳河干流水質(zhì)滿足監(jiān)測斷面劃要求（地表水Ⅴ類）；出境斷面燒餅莊閘主要水質(zhì)指標(biāo)（CODCr、NH3-N、TP）滿足地表水Ⅳ類要求。

2 現(xiàn)存問題

由于新鳳河流域周邊及上游人類活動密集，在新鳳河流域治理之前水質(zhì)以手工采樣監(jiān)測為主，缺失水環(huán)境監(jiān)測設(shè)施[5]。嚴(yán)防死守、人力防治的傳統(tǒng)河道水質(zhì)管理方法不能滿足復(fù)雜多變的管理需求，不能及時全面掌握流域水質(zhì)現(xiàn)狀和變化趨勢，無法達(dá)到實時、全面覆蓋管理，管理難度大。需要對境內(nèi)河道進(jìn)行統(tǒng)籌管理，尋找管理新模式，用先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)手段為管理工作提供支撐。

3 監(jiān)測站建設(shè)方案

3.1 建設(shè)規(guī)模

根據(jù)流域內(nèi)河道匯入流出情況、水體功能、現(xiàn)場水文的情況，結(jié)合河道區(qū)、鎮(zhèn)級各考核斷面的分布情況，最終確定在新鳳河流域建設(shè)19 座地表水水質(zhì)站。其中河道地表水水質(zhì)站10 座、調(diào)蓄池進(jìn)出水監(jiān)測站4 座、新西鳳渠濕地地表水水質(zhì)站2 座、安南支流濕地地表水水質(zhì)站3 座。

3.2 主要監(jiān)測指標(biāo)

根據(jù)新鳳河流域各處地表水現(xiàn)狀、工藝要求及規(guī)范等，現(xiàn)場自動監(jiān)測站分為河道水質(zhì)站、初雨調(diào)蓄池水質(zhì)站、濕地水質(zhì)站三類。河道水質(zhì)站監(jiān)測指標(biāo)為：CODCr、NH3-N、TP、總氮（TN）、pH 值、溫度、溶解氧、濁度、電導(dǎo)率、硝氮、葉綠素a。初雨調(diào)蓄池水質(zhì)站監(jiān)測指標(biāo)為：CODCr、NH3-N、pH 值、溫度、溶解氧、濁度、電導(dǎo)率。濕地水質(zhì)站的監(jiān)測指標(biāo)為：CODCr、NH3-N、TP、TN、pH 值、溫度、溶解氧、濁度、氧化還原電位（ORP）[6]。

3.3 站房要求

監(jiān)測站地面建設(shè)高程按照抵御新鳳河50 年一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，并盡可能靠近采樣點；站房密閉性較好并安裝了空調(diào)，保證室內(nèi)清潔、環(huán)境溫度、相對濕度和大氣壓等符合分析儀表工作要求。外立面與現(xiàn)場景觀相協(xié)調(diào)，站房內(nèi)采取合格的給排水設(shè)施。根據(jù)新鳳河各站點現(xiàn)場實際情況，采用河道采樣水作為管路、容器的清洗水。建設(shè)實物外觀見圖1。

圖1 新鳳河水質(zhì)自動監(jiān)測站實物

3.4 采水單元

采水系統(tǒng)是整個水質(zhì)自動監(jiān)測站的重要組成部分，是自動監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)連續(xù)性、可靠性和準(zhǔn)確性的重要保障[7]。

采水單元由取水泵、取水管路、電動閥及壓力表等部件組成，可實現(xiàn)自動切換取水泵、管路故障報警及消除、管路自動清洗等功能。

本項目根據(jù)采水點的實際情況，采用潛水泵或自吸泵，雙泵雙管路設(shè)計，滿足實時不間斷監(jiān)測要求，所有取水管路配有管道清洗、防堵塞、反沖洗等設(shè)施。不銹鋼取水浮筒安裝示意見圖2。

圖2 不銹鋼取水浮筒安裝示意圖

3.4.1 取水泵

選用2 臺自吸泵或潛水泵并聯(lián)安裝，各自獨立布設(shè)取樣管連接至取水口的不銹鋼取水浮箱。不銹鋼取水浮箱通過不銹鋼濾網(wǎng)對水樣進(jìn)行粗濾，避免水中大的浮草或者雜物進(jìn)入泵體損壞采樣泵。

選擇的潛水泵流量為5m3/h，而本系統(tǒng)一次分析流程需水總量約為2m3/h，故取水量能滿足本系統(tǒng)需求，并有足夠的余量。

3.4.2 取水管路

正常工作時，取水管路從浮筒處取水，在下一次分析流程開始后，打開排空電動閥排出剩余水。配置清洗管路接口，加入沖洗水和壓縮空氣，通過控制總管路及配水管路的電動閥，可分別對外部采水管路和內(nèi)部配水進(jìn)行反沖洗，以防止管路堵塞,并實現(xiàn)對管路的除藻作用。

3.4.3 管路保溫

對站房至取水泵之間的管線加保護(hù)套管，并深埋于地面凍土層以下或者鋪設(shè)在溝槽內(nèi)。電源線路和室外管路等經(jīng)軋帶或管箍固定后，用保溫材料及套管進(jìn)行保溫處理，并通過外層敷設(shè)保溫棉和電伴熱纏繞方式實現(xiàn)進(jìn)一步的保溫和防凍，以適應(yīng)北京冬季的低溫環(huán)境。

站房和河流中間部分管路護(hù)套管上加0.8m 厚的覆土，如經(jīng)過路面則需鋼管套護(hù)。

3.5 配水單元

配水單元將采水單元采集到的樣品根據(jù)所有分析儀器，以及設(shè)備的用水水質(zhì)、水壓和水量的要求分配到各個分析單元和相應(yīng)設(shè)備，并采取必要的清洗、保障措施以確保系統(tǒng)長周期運轉(zhuǎn)。

配水單元包括流量和壓力調(diào)節(jié)、預(yù)處理、系統(tǒng)清洗三個部分。流量和壓力調(diào)節(jié)部分可以保證各分析儀表進(jìn)水壓力和流量滿足其分析要求；預(yù)處理單元可以保證各分析儀表對進(jìn)水水質(zhì)的要求；系統(tǒng)清洗單元可以保證系統(tǒng)長周期穩(wěn)定可靠運行。

配水單元將系統(tǒng)采集的源水分為兩路：第一路直接進(jìn)入多參數(shù)（溫度、pH 值、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、氧化還原電位、葉綠素α、硝酸鹽）流通槽；第二路經(jīng)沉淀池過濾沉淀后供給氨氮分析儀、總磷總氮分析儀、COD 分析儀等分析儀器進(jìn)行分析。多余的源水和樣水溢流到總排水管道排出。兩路源水的不同預(yù)處理方式能保證各分析儀表對測量水質(zhì)的要求，既不失水樣的代表性，又能對各類分析儀表起到保護(hù)作用。

3.6 分析單元

選取美國哈希公司的sc200、sc1000 多參數(shù)自動分析儀，CODmax II 鉻法COD 自動分析儀，NA8000氨氮自動分析儀，NPW-160H 總磷總氮自動分析儀；德國TriOS 硝酸鹽自動分析儀、德國TriOS 葉綠素自動分析儀。所選的水質(zhì)在線分析儀，具有藥劑消耗量少、使用壽命長、準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好、運行可靠等突出優(yōu)點。

3.7 控制單元

控制單元由可編程序邏輯控制器（PLC）、觸摸屏工控機(jī)、上位軟件、繼電器、接觸器、斷路器、直流電源、隔離器等組成。PLC 包括中央處理器（CPU）、模擬量模塊、數(shù)字量模塊、RS485 模塊等子模塊。PLC 采用德國西門子公司S7-1200 系列，具有體積小巧、功能強(qiáng)大的特點，可完全滿足自動監(jiān)測站的應(yīng)用需求，同時具備高擴(kuò)展能力的RS485 和以太網(wǎng)接口能力，剛好滿足水質(zhì)分析儀表的通訊和監(jiān)測站對外通信的需求。

控制單元按照程序邏輯可完成系統(tǒng)采水配水、各儀器測試、標(biāo)定、超標(biāo)自動留樣、清洗、除藻、反沖洗等一系列的動作，并可根據(jù)系統(tǒng)反饋狀態(tài)做出相應(yīng)的調(diào)整動作，確保水質(zhì)自動站自身的穩(wěn)定運行。

監(jiān)測儀器和PLC 之間應(yīng)采用RS485 Modbus 通訊協(xié)議，實現(xiàn)各監(jiān)測儀器的分析數(shù)據(jù)、異常信息、工作狀態(tài)、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、控制指令的交互等。

控制單元支持自動模式、手動模式。自動模式下系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)的程序自動運行，無需人工干預(yù)，自動運行時系統(tǒng)的測試頻次、反沖洗頻次等都可以在現(xiàn)場或者遠(yuǎn)程進(jìn)行設(shè)置。手動模式下可對各水泵、閥門進(jìn)行單獨操作，一般用于現(xiàn)場調(diào)試和故障排查。

上位機(jī)系統(tǒng)通過控制讀取PLC 采集的現(xiàn)場設(shè)備的模擬、開關(guān)、通信等信號，可實時顯示在觸摸屏工控機(jī)上位軟件運行畫面上，準(zhǔn)確反映當(dāng)前各變量的數(shù)值，并且動態(tài)顯示系統(tǒng)的實時狀態(tài)、實時數(shù)據(jù)、歷史報表和歷史報警；可實現(xiàn)改變控制參數(shù)、發(fā)送控制命令、瀏覽控制狀態(tài)等人機(jī)交互功能；能對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、統(tǒng)計，并能對數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)導(dǎo)入、導(dǎo)出方便，而且有數(shù)據(jù)及參數(shù)自動備份、恢復(fù)功能；可實現(xiàn)超標(biāo)自動報警。

因控制單元采用適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化的設(shè)計，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可以很好實現(xiàn)各站與信息中心之間無線和有線數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享、遠(yuǎn)程控制及遠(yuǎn)程診斷功能。通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)及新鳳河河道光纜，將數(shù)據(jù)接入到信息中心工控服務(wù)器。

3.8 清洗單元

清洗單元的作用是利用水、氣、臭氧沖洗管道，將管壁附著的泥沙、藻類等清洗掉，防止淤泥結(jié)塊堵塞管路及藻類孳生現(xiàn)象產(chǎn)生。清洗的內(nèi)容包括室內(nèi)進(jìn)樣管路、測量池管路、沉淀池管路、室外取水管路、沉沙分離過濾器及過濾裝置。

針對河道站點自來水取水困難的情況，系統(tǒng)采用原水反清洗的方式，制作一套不銹鋼蓄水槽及清水增壓泵。當(dāng)系統(tǒng)采水啟動時，從進(jìn)樣總管上分一旁路給清洗水箱注水，達(dá)到高液位后關(guān)閉對應(yīng)的電動球閥。當(dāng)系統(tǒng)反清洗程序開啟時，啟動清水增壓泵并打開管路中對應(yīng)的電動球閥、電磁閥，混入壓縮空氣，對管路及采水口進(jìn)行沖洗。系統(tǒng)完成一個測試周期后，將自動啟動系統(tǒng)自清洗程序。

3.9 輔助設(shè)備

3.9.1 供配電系統(tǒng)

監(jiān)測站房內(nèi)應(yīng)有安全合格的配電設(shè)備，能提供足夠的電力負(fù)荷（不小于10kW），并配置穩(wěn)壓電源及在線式不間斷電源設(shè)備（UPS）。當(dāng)交流電正常時，使用市供交流電；當(dāng)停電時，UPS 可保證關(guān)鍵設(shè)備（如數(shù)據(jù)采集通訊設(shè)備）的運行，重新來電后，系統(tǒng)能自動切換到交流電源工作。

整個水站系統(tǒng)都是按供電恢復(fù)正常后可以自動啟動系統(tǒng)運行來設(shè)計的。針對水質(zhì)站現(xiàn)場用電的實際情況，當(dāng)供電恢復(fù)正常后，先由控制系統(tǒng)給出一個滯后信號，等待一段時間后（時間長短由該地區(qū)電力啟停頻率經(jīng)驗決定）再進(jìn)行系統(tǒng)初始化，以防止因重啟頻率過高而造成系統(tǒng)使用壽命縮短，然后再檢測相關(guān)輔助設(shè)備單元的條件，按程序逐一啟動供電、供水、供氣、取水單元、分析單元、控制單元等，從而實現(xiàn)停電恢復(fù)后自動啟動的功能。

3.9.2 防雷系統(tǒng)

本方案設(shè)計的防雷措施包括：

（1）外部直擊雷防護(hù)。因站房一般位于河道、水庫及湖邊，地勢開闊，極易受到雷擊[11]，所以采用獨立避雷針保護(hù)站房，避雷針裝設(shè)于站房頂部。

（2）供電線路雷擊電磁脈沖防護(hù)。為防止雷擊電磁脈沖沿輸電線路侵入損壞設(shè)備，在站房配電箱內(nèi)安裝電源防雷器。

（3）信號線路雷擊電磁脈沖防護(hù)。為防止雷擊電磁脈沖沿信號線路侵入損壞設(shè)備，在信號線路上安裝信號防雷器。

（4）等電位聯(lián)結(jié)。在站房內(nèi)設(shè)等電位聯(lián)結(jié)匯集排，將設(shè)備、機(jī)柜與匯集排聯(lián)結(jié)。

（5）接地。接地電阻不大于1Ω。

3.9.3 廢液收集裝置

系統(tǒng)中設(shè)置廢液回收桶，對各在線分析儀測量、排放的有害化學(xué)殘液進(jìn)行集中回收，廢液桶由抗腐蝕材料制成，運行維護(hù)人員嚴(yán)格按照有關(guān)廢化學(xué)品收集管理方法定期檢查、回收。

3.9.4 精密空調(diào)

室內(nèi)合理的溫度、濕度環(huán)境對保障分析儀器的正常運行、延長分析儀器的使用壽命、保障水質(zhì)分析的準(zhǔn)確性有較大影響[9,10]。因此，配置了精密空調(diào)來維持環(huán)境空氣的溫度、濕度，空調(diào)內(nèi)部裝有溫度、濕度傳感器，對室內(nèi)溫度、濕度進(jìn)行監(jiān)控。

3.9.5 系統(tǒng)視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控單元用于確保水質(zhì)自動站的安全運行。攝像頭采用戶外型帶云臺的高清攝像頭，并具有自動對焦功能。視頻采集后保存至本地視頻采集器內(nèi)，并通過網(wǎng)絡(luò)上傳至監(jiān)控中心。

3.9.6 門禁系統(tǒng)

除配置B 級以上安防要求的機(jī)械鎖之外，還配置了密碼門禁系統(tǒng)。加強(qiáng)了對身處偏僻地區(qū)或郊野的水質(zhì)站的防護(hù)。

4 數(shù)據(jù)檢驗

建成投運后，對現(xiàn)場實際水樣進(jìn)行平行檢驗，分別由現(xiàn)場水質(zhì)自動監(jiān)測站測量、化驗室人工測量，比對測試情況見表1、表2。實際水樣比對相對偏差值和相對偏差率按公式①、②計算。

表1 TN、TP 比對數(shù)據(jù)

表2 NH3-N、CODCr 比對數(shù)據(jù)

式中：Δ——相對偏差值；

RE——相對偏差率；

x2——自動監(jiān)測儀表檢測數(shù)據(jù)；

x1——化驗室檢測數(shù)據(jù)。

現(xiàn)場儀表自動測量的結(jié)果與化驗室人工測量的結(jié)果偏差小于10%，符合儀表技術(shù)參數(shù)及使用要求。

5 結(jié)語

水質(zhì)自動監(jiān)測站實現(xiàn)了水環(huán)境數(shù)據(jù)實時動態(tài)監(jiān)測，提高了水質(zhì)信息的時效性、準(zhǔn)確性，增強(qiáng)了水環(huán)境的監(jiān)測、預(yù)測能力，為新鳳河智慧水務(wù)平臺水質(zhì)仿真模型提供了可靠的數(shù)據(jù)，完善了水質(zhì)水量同步監(jiān)測體系，為污染物入河總量控制、生態(tài)補償和控制目標(biāo)考核等提供了技術(shù)支撐。