涑水河水量水質在線監測系統研究

李國棟

（山西省水利發展中心，山西 太原 030002）

進入21 世紀，隨著我國經濟社會發展對水資源需求的日益增長，加之水資源利用效率低下，部分地區水生態持續惡化，水生態保護遭到嚴重挑戰。水量水質監測是水資源保護一項基礎工作，準確可靠的水量水質監測數據是水資源監管與保護的重要證據[1-3]。2017 年8 月，為壓實相關涉水部門水生態管理職責，不斷改善優化水量水質，進一步完善水環境管理手段，山西省河道與水庫技術中心擬對涑水河建設河流水量水質自動監測站。在此基礎上，為加強地表水河流在線水環境監測硬件設施建設，強化水量水質監測智能化水平，建設在線水量水質監測站是提高水環境監測能力的重要抓手[4]。在線水量水質監測站建成后，能夠在線采集水量水質指標相關信息，為水環境污染防治提供重要的基礎支撐。

1 建設背景

涑水河發源于山西省運城市絳縣陳村鎮陳村峪，于山西省永濟市韓陽鎮獨頭村流入黃河，屬于黃河重要支流，干流總長196.6 km，流域面積577.4 km2。作為山西省主要納污河流，污染嚴重，在2016 年水功能區評價中，7個參評水功能區有6個屬地表水劣Ⅴ類標準。2016 年全省入河排污口調查結果顯示，涑水河干流主要入河排污口有8 個，廢污水入河總量35 Mt，占山西省全年入河污水總量的3.01%。涑水河上有入河排污口及大于100 km2支流口共9 個，經實地初步調查，目前可建6 座在線水量水質監測站。監測站監測指標包括流量、水溫、pH、電導率、溶解氧、濁度、COD、氨氮，總磷、總氮[5]。

2 系統總體設計和主要功能

2.1 總體設計

涑水河水量水質在線監測系統總體設計思路是現場自動采集水量水質信息，通過網絡傳輸至山西省水利數字中心，實現對涑水河的水量水質監測。該系統具體設計思路是在涑水河上設置水量水質監測點位，對涑水河各支流入河口、入涑水河排污口及涑水河入黃河斷面的水量水質進行在線自動監測。

該系統由工作站房、儀表分析單元、采水系統、配水系統、控制系統、輔助設備、動力設備、防雷擊設備等組成[6]。其中，儀表分析單元由五參數分析儀、氨氮分析儀、CODMn分析儀、總磷分析儀和總氮分析儀等組成；采水系統將采集的樣品預處理后供各分析儀表使用；系統泵閥和輔助設備由PLC 控制系統共同操作；各儀表數據通過RS232/485 接口由數采工控系統進行數據分析；監測數據傳輸采用光纖和無線傳輸2種方式。

2.2 主要功能

涑水河水量水質在線監測系統主要具有水量和水質自動監測功能。

（1）水量自動監測。采用雷達液位計對涑水河進行水位測定，通過水位流量關系率定來確定水量。

（2）水質自動監測。按照地表水水質監測相關規范要求，結合山西省水質評價標準，涑水河水質在線監測指標包括水溫、pH、電導率、溶解氧、濁度、COD、氨氮、總磷及總氮。各監測站點水質監測項目，詳見表1。

表1 各監測站點水質監測項目

3 系統組成及其功能

涑水河水量水質在線監測系統主要包括采水系統、配水系統、預處理系統、自潔系統、PLC 自控系統、數據采集系統。

3.1 采水系統

根據現場情況，設計選用不銹鋼浮筒采水系統。該系統由不銹鋼浮筒、前級過濾設備、太陽能航標燈、固定點和錨組成，設備簡單、安裝方便、成本低且易養護，能夠根據河道河勢情況自由選擇適用的方位，但是其抗河流沖擊能力較差。該系統選用國內先進的液位傳感器，根據取水點液位來判斷是否符合系統正常運行的取水條件，若不滿足取水條件則停止采水并發出報警信號，以保護系統的穩定可靠。

3.2 配水系統

配水系統主要實現整個系統的采集水樣分配功能及管路清洗功能，它將采水系統采集到的水樣根據整個系統配置的各種分析儀器要求的水質、水壓、水量條件，采取相應的處理措施后分配給各分析儀，同時對整個系統管路進行定期清理，以保證系統穩定安全的工作。該系統主要由總體配水子單元、五參數配水子單元、自動清洗子單元等組成，各子單元主要由配水管路、控制閥門、預處理部件、輔助設備等組成。

該系統整體上遵循了主管路之間相互串聯、各儀器單元之間并聯的設計思路，對管路干路設計有自由式充分過濾系統，對各儀器單元設計了相互獨立的預處理功能，一旦一個儀器單元發生問題，其余儀器單元仍然可以運行。該系統具備智能化鑒別沖洗去除雜物功能，一個監測工作周期完成后，可以自行將取水管線和配水管線清洗干凈。

3.3 預處理系統

預處理系統包含沉砂預處理及預過濾設備，具有自潔凈、自運行功能。根據涑水河水質監測情況，專門安置沉砂預處理及預過濾設備，以降低水樣含有的泥沙對于水質監測的干擾和防止水樣中的泥沙對管路控制閥造成的損壞等。沉砂池整體設計為立方體，材質選用PVC 板。精密過濾預處理單元與氨氮、總氮等分析儀配合使用，粗過濾預處理單元與鉛、鎘等重金屬檢測儀器和高錳酸鹽指數儀器組合使用。該系統根據每個儀表安裝有一一對應的預處理單元，每個儀表從單獨對應的預處理設施取樣，當其中一個儀表無法運轉時，其余儀表仍然可以穩定運行，不影響整個系統運行。

3.4 自潔系統

自潔系統由采水、配水、五參數傳感器、儀表預處理等單元組成，清潔方法有臭氧去藻和水氣混洗2 種方式。水質監測所用的五參數監測傳感器與分析儀表直接連接，用于隔開內部自潔的水、氣體與分析儀表，以確保儀表正常運轉。取水管道和系統清潔必須參照水氣-臭氧-水氣循環清洗的次序實施，便于臭氧氣體快速排出管道和系統，保證臭氧不會對儀表分析數據造成影響。各單元的采水管線和零部件實施臭氧去藻和水氣混洗，以降低涑水河水質各項指標監測誤差，保證整個系統穩定工作。

3.5 PLC自控系統

PLC 自控系統由工控機、可編程邏輯控制器、空氣開關、繼電器、接觸器、電源等組成。該系統利用可編程邏輯控制器，借助繼電器、接觸器，實現操作外部閥門設備功能；同時，利用工控機對整個系統實施監管，實現各類工作任務的控制和信息傳輸。各智能儀表利用模擬量的輸入、輸出與自控系統進行相互信息的傳輸處理，實現數據采集與儀表反控的功能。該系統根據提前設計的工作流程進行系統采水配水操作，能夠監視整個系統運行情況，同時按照整個系統工況條件修正系統運行狀態，實現系統平穩安全運行。

3.6 數據采集系統

數據采集系統利用數據采集傳感器搜集各類信息和數據，具備各類信息和數據在線整理、分析和計算的功能，同時實現各類采集傳感器或采集模塊操作。具體而言，該系統可以在要求的時間內接收上級數據控制中心下發的工作指令完成各相關設備儀器的操作，如下發指令指揮傳感器采集信息的具體時間、信息傳輸方式、信息傳輸目的地。同時，該系統按照工作需要可以在線隨時監視各類采集傳感器或采集模塊工作狀態，并將信息和數據傳輸給相關系統。

4 系統使用效果

涑水河水量水質在線監測系統以著力于提高水量水質監測信息化管理水平為目的，以精確量測、數據采集加工為基礎功能，結合實際業務需要和管理制度，堅持實用化為導向，利用成熟、先進的技術，采用可視化數據分析軟件，既可以監測系統各項設備運行參數，又可以幫助管理人員快速發現問題、解決問題。通過系統運行監測數據與人工實際觀測數據對比分析發現，兩者一致性達到99.5%，實踐證明系統監測效果良好。

5 結語

涑水河水量水質在線監測系統于2017 年建成并投入運行，經過6 a的運行，證明系統設計合理、工作高效，達到了預設目的。該系統作為一項非工程措施，通過信息化和自動化的方式可以快速準確地掌握涑水河各斷面的水量水質監測數據，科學分析水體污染物含量的變化狀況，推測水體污染變化趨勢，為涑水河水生態修復和水環境治理提供真實、可靠的決策數據。