南水北調豐沛縣水質在線自動監測系統設計與應用

唐 偉 馬衣峰 劉華平

南水北調豐沛縣水質在線自動監測系統設計與應用

唐 偉 馬衣峰 劉華平

一、引言

水質在線自動檢測系統是一套以在線自動分析儀器為核心，運用自動控制技術、自動測量技術、現代傳感器技術、計算機應用技術以及相關的專用分析軟件和通信網絡所組成的一個綜合性的在線自動檢測系統。隨著國家對環境保護的日益重視，自動在線監測技術也得到了廣泛的推廣，水質實驗室監測也逐漸被水質在線自動監測站所替代。水質在線自動監測站的運用，使整個監測流程自動完成，實現了“有人值班，無人值守”，大大提高了水質監測的效率及質量。

二、水質在線自動監測系統的發展

隨著地球水質的日益惡化和人類環保意識的不斷提高，人類對水質包括地表水、工業廢水、市政污水、海水的監測日益加強，對水環境檢測工作的要求越來越高。在國外，水質自動監測起步較早。1959年，美國開始對俄亥俄河進行水質自動檢測；1975年，全美各州共有13000個檢測站建成水質自動監測網；20世紀60年代初，英國在泰晤士河沿岸建設了60個自動水質在線監測站，對水域進行實時在線監測，監測項目包括水溫、

溶解氧、濁度、氨氮等，根據實時數據掌握入河的水質變化，監督入河污水的合法排放。我國的水質自動監測起步較晚，首先是在江河流域進行應用。1988年在天津建立了第一個水質連續自動監測系統；2004年廈門近岸海域建設了一套多參數水質在線自動監測系統；2005年全國主要流域重點斷面均設立了水質自動監測站。水質自動監測能反映監測斷面的水質連續動態變化，有極強的時效性，可為環境檢測工作帶來更加確切有效的數據。

三、水質在線自動監測系統的控制要求

水質在線自動監測系統的控制要求如表1所示，包括系統控制要求、故障報警及保護、操作方式等。

表1 水質在線自動監測系統控制要求

四、水質在線自動監測系統的構成、管理及質量控制保障

水質在線自動監測系統由水質自動監測點及相應的管理后臺組成。每個水質在線自動監測點由若干各子系統構成，一般包括采樣系統、預處理系統、監測儀器系統、自動控制系統、數據采集處理與傳輸系統及室外支撐系統等。

采樣系統：采樣系統包括水泵、管路、供電及安裝結構部分。在設計上必須對各種氣候、地形、水位變化及水中泥沙等提出相應解決措施，能夠自動連續地與整個系統同步工作，向系統提供可靠、有效水樣。

預處理系統：預處理系統包括水樣預處理裝置、自動清洗裝置及輔助部分。配水單元直接向自動監測儀器供水，具有在線除泥沙和在線過濾，手動和自動管道反沖洗和除藻裝置；其水質、水壓和水量應滿足自動監測儀器的需要。

監測儀器系統：由一系列水質自動分析和測量儀器組成，根據監測目標的不同，現在開發的測量儀器可分析的項目包括水溫、pH、溶解氧、電導率、濁度、氨氮、化學需氧量、高錳酸鹽指數、總氮、全鹽量、總磷等。

自動控制系統：自動控制系統包括系統控制柜和系統控制軟件，具有監測項目超標及支站狀態信號顯示、報警功能；自動運行、停電保護、來電自動回復功能；狀態測試和維護，便于例行維修和應急故障處理等功能。

數據采集、處理與傳輸系統：數據采集一般有兩種方案：一是定期到現場取回數據；二是對支站進行有線或無線遙控，將數據傳輸至中控站。前者優勢在于資金投入較少；劣勢在于數據的滯后性，不能及時反映水質變化情況，不利于做預先控制和采取措施減少污染事件造成的損失。后者劣勢在于經費多于前者；優勢在于能夠及時了解水質變化情況，根據數據和圖表進行預測，采取必要措施減少污染災害帶來的影響。中控站通過有線和無線兩種通信方式實現對各支站的實時監視、遠程控制及數據傳輸功能。中控站的數據處理系統可長期存儲指定的監測數據及各種運行資料、環境資料備檢索，專用的分析軟件可以處理監測數據，自動統計出日、周、月、季、年平均值、最大值、最小值等各種統計數據和圖標，可以掌握環境要素的動態實時變化情況，預測變化趨勢。

室外站支撐系統：野外站支撐系統主要包括檢測站房、電力供應及其他配套設施。安裝在岸邊的水質自動監測系統，其監測站房一般采用監測小屋的形式，以放置各種配套設施，電力供應一般直接采用市電。如果自動監測系統安裝在離岸水域，一般采用浮標形式監測儀器通過重錘固定。

對于水質在線自動監測系統的運行管理，在操作規程上需制定系統日常運

行的操作規程和報告制度，在日常的運行管理中嚴格執行規程，對日常的運行管理進行記錄，實行日報、周報、月報、年報的報告制度；水質自動監測站的運行經濟技術指標由建設成本和年運行經費組成。建設成本主要有設備采購、土建、系統集成、現場安裝調試等費用；年運行經費是長期的開支，主要有儀器的維護與維修，購買試劑、耗材與備品備件，以及交通費用、電費、水費、比對試驗費和人員費用等。

水質在線自動監測系統的質量保證是確保監測系統安全可靠運行的必要措施。對水質自動監測站內的儀器，必須按照儀器使用說明書的要求和國家《環境水質監測質量保證手冊》中的規定，定期進行校準；在每次更換試劑時進行一次校準，并用質控標樣進行檢定；對實驗用水、試劑、校準溶液，應嚴格執行《國家環境檢測技術規范》中的質量保證要求，并認真做好質控實驗情況的各項記錄。建立完備、嚴格、適用的質量管理體系是自動化水質監測站成功建設、長期應用、水環境檢測參數達標的重要考量指標。

五、水質在線自動監測系統的控制流程設計

1.系統取配水設計

取配水系統作為整個水質在線監測系統的首要環節，在實際應用中已成為整個自動監測系統成功運行的關鍵。在該項目中，采用雙泵進行取水，兩泵互為備用。系統通過配水管路將所有水質分析儀器連接起來，水樣取至配水管路后，經由預處理裝置，分別送到各監測儀器處，測定數據后上傳至PLC中。

南水北調豐沛縣水質自動監測系統中，監測參數包括：水溫、pH、溶解氧、濁度、電導率、全鹽量、氨氮、化學需氧量等參數。系統通過對采樣泵、電磁閥的控制來實現水質監測、管路清洗、傳感器噴淋等流程。取配水管路包括：源水進水管路、清水清洗管路、熱水清洗管路、空氣反沖管路和排水管路。系統管線圖見圖1。

圖1 系統管線圖

2.系統流程設計

南水北調豐沛縣水質監測系統主要由監測和清洗兩部分組成。在監測流程中，系統通過水泵將水樣抽取到配水管路中，經過一系列預處理后，由水質分析儀器對水樣進行分析，然后將數據傳送到PLC中，PLC通過RS485通信方式與數據采集器連接，數據采集器接收到水質數據后，通過GPRS方式將數據傳至中心站。監測流程結束后，立即開始清洗流程。系統通過清水清洗，將管路中的泥沙沖洗干凈；然后經熱水沖洗，防止管路中藻類及微生物的滋生；最后經空氣反吹，吹凈管路中殘留水樣后，結束整個清洗流程。由于常規五參數傳感器中的pH探頭不能長時間暴露于干燥環境中，因此除監測、清洗流程外，還加入了噴淋流程。當系統處于監測周期間隙時，每小時運行一次噴淋流程，以確保傳感器探頭長期處于濕潤環境中。

六、水質在線自動監測系統的意義和應用

該水質在線自動監測工程在豐沛縣導流干線上設置6座水質在線自動監測站，分別對2個縣區邊界水質及4個縣區污水處理廠水質進行監測，水質監測站可實現水質監測項目包括：常規無參數（溫度、pH值、溶解氧、電導率、濁度）、化學需氧量、氨氮、總磷、全鹽等，同時預留接口以供數據擴展。利用無線數據傳輸的方式，進行水質在線實時數據的傳送，在市區截污導流工程運行養護處的中央控制系統，對水質數據進行相應處理，再根據實際的水質監測情況和要求設定數據傳輸的時間間隔，以達到截污導流的目標。

本文針對南水北調豐沛縣水質監測站的需求特點，設計了一套水質監測自動控制系統。水質在線自動監測系統實現了水質的自動、連續監測和數據遠程自動傳輸，發揮了監測活動的社會效益和經濟效益。水質在線自動監測站的建設和運行，雖然克服了定時監測的缺陷，但建設和維護費用較高，水質在線自動實時監測與定時現場監測相結合仍是必要。水質發生異常時，在線系統能自動響應報警，進行連續跟蹤監測，掌握污染事件的發生、發展并及時總結，對定時現場監測予以確認，對預防和預報污染事件的發生和發展具有積極作用。因此，水質在線自動監測系統具有良好的應用推廣前景■

（作者單位：江蘇省徐州市國家南水北調工程建設領導小組辦公室 221000徐州市豐縣水利局 221700 徐州市水利建筑設計研究院 221000）