淺談水質在線自動監測系統的建設

姜 宇 蔡曉鈺

淺談水質在線自動監測系統的建設

姜 宇 蔡曉鈺

水質在線自動監測系統是一套以在線自動分析儀器為核心，運用現代傳感器技術、自動測量技術、自動控制技術、計算機應用技術以及相關的專用分析軟件和通訊網絡所組成的，從水樣采集、水樣預處理、水樣測量到數據處理及存貯的綜合性系統。實施水質自動監測，可以實現水質實時連續監測和遠程監控，達到及時掌握主要流域重點斷面水體的水質狀況、預警預報、重大或流域性水質污染事故、解決跨行政區域的水污染事故糾紛、監督總量控制制度落實情況、排放達標情況等目的，同時，還可為水環境保護、管理及水污染防止提供主要監測信息。

水質自動監測系統一般包括監測站房、采樣系統、預處理系統、在線自動分析儀表系統、控制和管理系統、通訊系統及遠程監控管理中心等。

1 監測站點的選擇及站房的選址

站點選擇直接關系到所監測的水樣在時間和空間上是否具有代表性，是否真實地反映所監測水體的質量狀況。斷面應選擇在平直河段設置，水文條件比較穩定；距上游支流匯合處或排污口有足夠的距離以保證水質的均勻性；在不影響航道運行的前提下，取水點盡量遠離河岸；取水口處應有良好的水交換能力，河流取水口不能設在死水區、緩流區及回流區；取水點設在水下0.5～1m范圍內，并防止底質淤泥對采水水質的影響；在確定點位時要對取水口處的水質與斷面的水質做實際分析對比，當兩者水質指標存在較大差異時，應考慮變更點位。

監測站房的選址應合理并兼顧配電、通訊、給水（自來水）、通風等條件以及防雷擊、防洪、防盜竊、防潮濕、廢液排放處理、交通方便。監測站房的設計應該把分析儀表室、輔助設備間及其他功能用房區分開。采用把不同功能類別的設備分別布置在不同工作室內的方式。如果打井供水的話，站房頂部要設高位水箱。為防止電噪聲的相互干擾，站房采用三相五線制的分相使用方式供電，并在站房內獨立走線。

2 采樣系統的布設

采水單元要實現任何情況下確保將采樣點的水樣引至站房，配水單元應根據所選用的儀器和設備對水樣流量和壓力的具體要求進行調配，并采用相應的清洗、過濾等措施為自動監測儀器提供能滿足監測需要的水樣。在設計采水單元時，要綜合考慮站點地理環境、水文狀況和水位變化以及取水管道長度、管徑等因素，根據這些因素采取相應的保溫、防凍、防壓等措施，減少水質指標在傳輸中發生變化。

采樣裝置一般為豎棧橋式、豎井式、浮筒式、懸臂式、吊臂式等方式。采樣系統一般由采樣水泵、采樣浮筏和粗隔離柵、水樣分配單元、壓力流量監控及采水管道等組成，主要是向系統提供可靠、有效水樣。采樣系統的取水量應確保高于現有儀器的總需水量并考慮后續擬增加儀器的需水量。應考慮輸水管線對水質的影響，如避免過長過細及考慮對管線的保溫等，使水樣具有代表性。

3 水樣預處理系統

水樣預處理系統主要是保證進行自動分析儀的水樣能滿足儀器的分析要求。水樣預處理系統一般分為兩級處理措施，第一級是一個包含粗過濾器取水頭的沉砂分離裝置，主要是通過粗過濾芯和靜置除去水樣中的直徑較大的顆粒物，避免在取水過程中水樣中大的顆粒物質進入在線自動分析儀器。第二級是高效低維護過濾器，過濾芯根據不同儀表的具體要求進行選配。水樣的濁度對采用電極方法進行測量的儀器的影響較小，對過濾芯的孔徑要求也就可以相應地放寬，這樣可以降低過濾芯的維護頻率；而采用比色法進行測量的儀器，對水樣透明度的要求較高，這時過濾芯的選擇就應根據儀器測量原理事先對水樣提出過濾要求，避免對測量結果的準確性產生影響。水樣預處理系統一般應具備氣水混合清洗的功能。

4 在線自動分析儀器

在線自動分析儀器是水質在線自動監測系統的核心。在選擇在線自動分析儀器時應該首先考慮環境管理的需要和水質監測的目的，確定監測項目，從而根據監測項目選擇監測儀器。目前國內應用比較廣泛的在線自動分析儀器有常規5參數（水溫、pH值、電導率、溶解氧、濁度）分析儀、化學需氧量（COD）分析儀、高錳酸鹽指數分析儀、總有機碳（TOC）分析儀、氨氮分析儀、總氮分析儀以及總磷分析儀。在線自動監測儀器測定原理應與國家標準方法或行業標準方法一致，如果不一致應該與實驗室進行比對實驗,并與實驗室比對實驗的數據具有相關性。

目前的在線自動分析儀器一般應具有如下功能：數據自動存儲，自動量程轉換，遙控、標準輸出接口和數字顯示，自動清洗、狀態自檢和報警功能（如：液體泄漏、管路堵塞、異常值、儀器內部溫度過高、試劑用完、高/低濃度、斷電等），干運轉和斷電保護，來電自動恢復，COD、氨氮、TOC、總磷、總氮等儀器具有自動標定校正功能。

5 控制和管理系統

控制和管理系統為整個水質自動站的控制中心，安裝專用的管理軟件系統的現場工控機，可對現場的所有儀器、設備進行控制，并實時地顯示出儀器與設備的運行狀態。它不僅要對系統參數（流量、液位、壓力、流速、水位、氣體流量、純水流量、水泵狀態、子站供電電壓和電流狀態等）進行實時監控，還應可以根據系統運行狀態設置和修改系統參數（空氣反吹頻率、采樣頻率、讀取數據頻率、子站的運行方式等）。每個分析單元的4-20mA輸出信號直接輸入到控制系統中的模擬量輸入模塊，通過控制程序和上層軟件與數據庫的數據采集和存儲，從而實現了多路分析結果的數據采集。同時，每個分析單元也可以通過RS232或RS485和MODBUS與子站計算機進行雙向通訊，既可以進行數據采集也可以反饋控制，既可以實時掌握分析儀表的狀態，也可以進行遠程遙控。

6 通訊系統

整個系統應能支持各種通訊方式。目前主要的網絡接入方式有：PSTN、GPRS、CDMA、ADSL、微波、無線數字通信網等。GPRS的通訊方式對監控現場條件的要求較低，使用和維護都很方便，但在通訊速率和通訊成本費用上有一定的局限性。ADSL的通訊方案在通訊速率、可靠性、系統的擴展性、性能價格比、前景等方面優于GPRS，同時可以實現實時視頻傳輸。

7 遠程數據監控管理中心

數據監控管理中心位于整個在線水質自動監測系統總體結構的中心層面，其資源配置包括一套計算機設備和中心層數據監控管理軟件，同時配置一套中心數據庫服務器和多連接途徑的通訊系統。數據監控管理中心在權限約束下可以實時或定時地把各個水質自動監測子站“數據庫”中的數據調入到管理中心數據庫服務器中，其目的是在現場監測子站可靠運行的前提下，數據監控管理中心通過計算機網絡技術能夠真正得到有效可靠的數據，這樣不僅能實現數據資源的共享，對監控管理實現了統一規范的依據，同時也可以實現在不同權限下的在線實時監測、監控和網絡化管理。

數據監控管理中心應具備統計、查詢、編輯和顯示功能。可生成各種用戶所要求的年、月、日、周、季報表；可根據數據庫中的數據統計繪制出測量參數的年、月、日、周、季曲線；可以動態地按照用戶的要求對歷史數據進行查詢；可實現特殊數據查詢和對異常數據編輯存儲；可實現歷史報警和儀器設備日志信息的查詢；可用圖形、曲線或棒圖等多種形式顯示設備和儀器的報警和狀態信息，實際反應現場的系統運行情況；用戶可將數據庫中的數據導入導出成ACCESS、EXCEL、FOXPRO 等格式，方便用戶進行管理和備份；可進行水質的評定，查定出首要污染物，并根據一定資料進行水質評估。

除了上述組成部分外，空氣裝置（空氣壓縮機）、純水系統、UPS備用電源、交流穩壓電源、視頻監控系統、防雷系統、防電磁干擾裝置、除藻裝置、管道反沖洗裝置、化學試劑清洗裝置等也是水質自動站系統中不可缺少的重要組成部分

江蘇省水文水資源勘測局蘇州分局 215000）