岳城水庫水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)探討

高迪

（水利部海委漳衛(wèi)南運(yùn)河管理局 山東 德州 253009）

岳城水庫是海河流域漳衛(wèi)南運(yùn)河水系漳河上的大型控制性水利工程，擔(dān)負(fù)著向河北邯鄲市、河南安陽市的城市供水和保證下游地區(qū)灌溉用水的任務(wù)，已列入《全國重要飲用水水源地名錄》。近年來，由于漳河上游地區(qū)工礦企業(yè)的發(fā)展造成突發(fā)性水污染事件發(fā)生概率增加，水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)急劇上升，岳城水庫庫區(qū)水體水質(zhì)面臨的威脅日益嚴(yán)重。岳城水庫壩前水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站位于岳城水庫大壩前，它的建設(shè)有效地對(duì)庫區(qū)來水和出水水質(zhì)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測，彌補(bǔ)了自動(dòng)化監(jiān)測手段缺失的技術(shù)短板，提高了漳衛(wèi)南局履行監(jiān)測職能的水平，對(duì)保障水源地供水安全，保障周邊群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全和周邊地區(qū)的社會(huì)穩(wěn)定具有重要意義。

1 水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)是一個(gè)以在線分析儀表和實(shí)驗(yàn)室研究需求為服務(wù)目標(biāo)，以提供具有代表性、及時(shí)性和可靠性的樣品信息為核心任務(wù)，運(yùn)用自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)并配以專業(yè)軟件，組成一個(gè)從取樣、預(yù)處理、分析到數(shù)據(jù)處理及存貯的完整系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的在線自動(dòng)監(jiān)測。

2 系統(tǒng)組成

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測主要包括取水單元、預(yù)處理單元、檢測分析單元、數(shù)據(jù)采集與傳輸單元。

2.1 水樣采集單元。岳城水庫水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站配置常規(guī)五參數(shù)分析儀、全光譜在線分析儀、總磷分析儀、葉綠素在線測定儀，其中，總磷分析儀必須采用取水至站房檢測的方式。因此，岳城水庫站采用取水至站房檢測的方式。取水單元主要負(fù)責(zé)完成水樣從水體中采集及輸送至站房的功能。取水單元主要包括取水泵、取水管路及加熱保溫裝置、樣品前置過濾系統(tǒng)、取水支架和浮臺(tái)。在壩前水面上設(shè)置浮臺(tái)，采用套管取水方式，取水泵放置于套管內(nèi)，通過浮臺(tái)保證取水口位于水面以下。岳城水庫站歷年水位變幅達(dá)到25m，取水深度根據(jù)現(xiàn)場水位變幅自動(dòng)調(diào)整，考慮水位變幅和施工影響，取水管路按100m計(jì)。取水單元主要包括取水浮臺(tái)、取水泵、取水管路及加熱保溫裝置、樣品前置過濾系統(tǒng)及地錨、取水支架和泵井等。自動(dòng)調(diào)節(jié)取樣水位，確保取水位置為0.5～1m；取水平臺(tái)采用圓形設(shè)計(jì)，有效減少水阻；取水管采用磐石增強(qiáng)水管，盡量使用整管，避免過多接頭；采用手動(dòng)閥流速調(diào)節(jié)；排空設(shè)計(jì)，避免管路內(nèi)部產(chǎn)生冰凍或藻類；取水管路外敷加熱帶，保證管路不產(chǎn)生冰凍；取水管路前段安裝溢流裝置，避免管路因壓力過高崩裂；管路分析間隙采用排空設(shè)計(jì)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示供水水壓。

2.2 預(yù)處理單元

2.2.1 簡約化流程。預(yù)處理單元合理的安裝于水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)屏柜內(nèi)，被測水樣直接由取水水泵提取，進(jìn)入固液分離器，固液分離后進(jìn)入沉沙箱，沉淀15min后提取上清液，存儲(chǔ)到取樣泵中，待儀器分析處理。固液分離器分離大的顆粒，水樣沉淀箱內(nèi)分離浮游物質(zhì)及細(xì)小物質(zhì)，取樣泵裝配金屬過濾膜，進(jìn)一步分離懸浮物質(zhì)。整個(gè)流程不會(huì)改變整個(gè)水樣成分。根據(jù)其它儀器對(duì)水樣的要求，對(duì)水樣進(jìn)行預(yù)處理，使儀器從其各自的過濾裝置中取樣。

2.2.2 自動(dòng)清洗。預(yù)處理單元每次測量前、測量后均進(jìn)行自動(dòng)清洗流程，測量水樣流程前首先對(duì)固液分離器、沉沙箱、取樣泵、取樣杯進(jìn)行排空處理，取樣水泵運(yùn)行5min，對(duì)取水管路進(jìn)行沖洗，5min后進(jìn)行取樣，通過固液分離器、沉沙箱、取樣泵輸送最終進(jìn)入取樣杯中(五參數(shù)儀器水樣不進(jìn)行任何處理)，測量完畢后通過自來水反沖洗，空壓機(jī)反吹金屬過濾膜，排凈清洗液，最后再將各系統(tǒng)中注入自來水，等待下次測量流程啟動(dòng)。

2.2.3 除藻清洗。清洗單元配置除藻加藥泵，當(dāng)系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行后，可根據(jù)需求，定期不定期往系統(tǒng)中添加除藻劑，以防止管路中藻類及其它浮游物質(zhì)的滋生。清洗完后對(duì)沉沙桶進(jìn)行反沖洗處理操作，清洗可以自動(dòng)或手動(dòng)操作。進(jìn)樣過濾器可通過自來水對(duì)其進(jìn)行反沖清洗，也可用壓縮空氣進(jìn)行反沖清洗。

2.3 配水單元

2.3.1 旁路設(shè)計(jì)。為了保證常規(guī)五項(xiàng)參數(shù)、全光譜COD、電極法氨氮的測量環(huán)境，需在源水進(jìn)入過濾器前預(yù)留一旁路，旁路取樣裝置后端安裝常規(guī)五項(xiàng)參數(shù)、全光譜COD、電極法氨氮固定箱，測量固定性原則上采用密封設(shè)計(jì)，流速保持恒定，避免產(chǎn)生曝氣、攪拌水體等情況產(chǎn)生。為方便系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，在主管路上，每臺(tái)儀器都設(shè)有旁路系統(tǒng)，通過手動(dòng)球閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)某臺(tái)儀器、過濾器損壞或者需要維護(hù)時(shí)，可以打開旁路，關(guān)閉主管路，這樣既不影響其他儀器的正常工作，又達(dá)到了維護(hù)維修的目的。

2.3.2 輔助用水設(shè)計(jì)。由于部分儀器需要輔助用水，擬采用自來水。特殊儀器如毒性分析儀器，需要測量輔助水，如營養(yǎng)液、測量鹽水等，該系統(tǒng)配置儲(chǔ)液箱，內(nèi)部液位開關(guān)可以實(shí)時(shí)讀取液位值，便于系統(tǒng)維護(hù)、管理。

2.3.3 水壓、水量分配設(shè)計(jì)。在進(jìn)樣管路的進(jìn)口和出口處，均安裝壓力傳感器、溫濕度傳感器和自力式調(diào)節(jié)閥，使管道中的樣品按預(yù)設(shè)的壓力和流量分配[1]，同時(shí)可以觀察室內(nèi)溫濕度狀態(tài)和調(diào)節(jié)總進(jìn)樣量。在各儀器的進(jìn)樣管路上增加一條旁路，由手動(dòng)球閥控制，當(dāng)水樣壓力過大時(shí)，可以通過手動(dòng)球閥來調(diào)節(jié)進(jìn)入儀器中水樣的壓力。在機(jī)柜正面還安裝了人工取水龍頭，方便現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行人工提取水樣。

2.4 反沖清洗單元。反沖清洗單元的作用在于用自來水或者清水正向或者反向沖洗管道，防止長時(shí)間由于泥沙沉淀導(dǎo)致管道堵塞。為了防止自來水水壓過小而影響清洗效果，可根據(jù)需要在系統(tǒng)中設(shè)一個(gè)自來水儲(chǔ)水箱，由增壓泵將自來水泵入管路。自來水桶水池底部設(shè)有排水管道，用于定期清洗桶內(nèi)。清洗操作在控制系統(tǒng)的控制下定時(shí)自動(dòng)或者根據(jù)用戶的需要啟動(dòng)，分別對(duì)室內(nèi)進(jìn)樣管路、五參數(shù)管路及過濾器進(jìn)行清洗。結(jié)合空氣壓縮機(jī)，將空氣和清水混合，實(shí)現(xiàn)高壓氣泡擦洗，可以將管壁附著的泥沙、藻類等清洗掉。

3 儀器設(shè)備參數(shù)的設(shè)置

3.1 全常規(guī)五參數(shù)分析儀。溶解氧分析儀是一種光學(xué)多參數(shù)探頭，可直接測量水中溶解氧濃度和溫度[2]，沒有最低流速要求，始終保持精確讀數(shù)，可通過溫度測量進(jìn)行在線校正，傳感元件采用了用于溶解氧測量的熒光淬滅原理，不受陽光直射影響，也不會(huì)被損壞。電導(dǎo)率分析儀是一種直接測量水中電導(dǎo)率和溫度的多參數(shù)探頭，沒有最低流速要求，始終精確讀數(shù)，可測量溫度和在線校正電導(dǎo)。濁度分析儀是一種測量樣品室的水的濁度和溫度的光學(xué)多參數(shù)探頭，通過使用濁度散射光測定原理來測量濁度，可對(duì)水中極低的懸浮顆粒濃度進(jìn)行監(jiān)測。pH分析儀是一種直接測量水中pH值和溫度的多參數(shù)探頭，pH分析儀測量溫度并在線校正pH測量的結(jié)果。

3.2 光譜在線分析儀。UV-VIS在線紫外可見光譜分析儀是世界上第一個(gè)，也是唯一一個(gè)可以在液體介質(zhì)中直接進(jìn)行連續(xù)光譜測量(220～720nm波段)的水質(zhì)分析儀器。其采用紫外-可見光的陣列感光器和差分光譜分析軟件，可以同時(shí)測量BOD、COD、TOC、DOC、UV254、SAC、NO3、NO2、NH4、總懸浮固體物(TSS)、濁度(NTU/FTU)、BTX(苯、甲苯、二甲苯總稱)、pH值、電導(dǎo)率、氧化還原電位、溫度等，具備污染物報(bào)警的強(qiáng)大功能，并可分析單個(gè)參數(shù)或多種參數(shù)；它可對(duì)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行吸收譜分析，通過分析吸收譜的變化，可以衡量水質(zhì)的變化，辨別是哪類物質(zhì)造成的水體污染。

3.3 總磷自動(dòng)測定儀。是最新一代的基于Linux操作系統(tǒng)的在線分析儀，超高靈敏度的檢測器件充分保證儀表具有超低的檢出極限，內(nèi)置的高精度雙光束分光光度計(jì)充分保證了分析值的穩(wěn)定和精確，高精度進(jìn)樣反應(yīng)系統(tǒng)保證分析值具有極高的穩(wěn)定性，內(nèi)置紫外加熱消解裝置，保證總磷測量的可靠性。

3.4 葉綠素在線測定儀。葉綠素在線分析儀通過直接檢測被測水體中葉綠素α的釋放熒光量來在線監(jiān)測葉綠素α的濃度。葉綠素在外加光源的激發(fā)下，在某個(gè)可見光譜區(qū)域吸收光線(主要在紅藍(lán)色光區(qū)域)，并以熒光的方式在較長波長680nm附近重新釋放一小部分吸收能量。葉綠素在線分析儀使用超亮藍(lán)色脈沖LED作為激發(fā)光源。一個(gè)二色分光鏡被用來阻擋LED燈發(fā)出的小部分紅光。很小部分藍(lán)光被二色分光鏡反射，作為評(píng)價(jià)光源能量變化的參考信號(hào)。

4 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要是完成水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理等工作。能實(shí)現(xiàn)對(duì)取配水單元、預(yù)處理單元、水質(zhì)監(jiān)測分析單元、輔助分析單元、通信單元、運(yùn)行環(huán)境支持單元等子系統(tǒng)管路、電路的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)站內(nèi)各類分析儀表的操作和監(jiān)控。系統(tǒng)控制支持自動(dòng)模式、手動(dòng)模式和遠(yuǎn)程模式。

5 通信單元

通信單元負(fù)責(zé)完成將監(jiān)測數(shù)據(jù)從現(xiàn)場水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站傳輸至監(jiān)控中心，并將監(jiān)控中心的控制命令發(fā)送回現(xiàn)場監(jiān)測站。系統(tǒng)控制單元采集的各儀表監(jiān)測數(shù)據(jù)、各儀表以及閥門的狀態(tài)信息、測站環(huán)境狀態(tài)信息等通過GPRS終端發(fā)送到監(jiān)控中心。也可通過GPRS終端接收來自監(jiān)控中心的控制命令，并反饋給系統(tǒng)控制單元，由系統(tǒng)控制單元執(zhí)行監(jiān)控中心的控制命令。

岳城水庫水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)，可以實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測和遠(yuǎn)程監(jiān)控，及時(shí)掌握水源地水體的水質(zhì)狀況，為防止下游水質(zhì)污染迅速做出預(yù)警預(yù)報(bào)，及時(shí)追蹤污染源，保障飲用水源地的水質(zhì)安全。