小型水質在線監測系統建設與應用

桂躍武

摘 要：隨著城市化進程的加快，大量的工業廢水和生活污水排入河道中，使城市水環境受到嚴重污染。為保護我們日益嚴峻的生存環境，需要加強對河道水體質量的監測，及時地掌握水質狀況和變化趨勢。傳統的人工采測模式和大型的水質自動監測系統都無法滿足城市河道分布式水質監測點的建設要求。

關鍵詞：水質監測站；COD；分光光度法；連續光譜法

中圖分類號：X832 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）14-0056-02

隨著城市經濟的快速發展和人口激增，大量的工業廢水和生活污水未經處理就排入城市河道，讓曾經的“清泉”變為現在的“臭河”。2016年初，住建、環保、水利、農業等四部委聯合摸底排查結果顯示，全國295座地級及以上城市中有218座城市存在黑臭水體，其中黑臭河流超過1500條。

2018年伊始，我國修改后的《中華人民共和國水污染防治法》正式實施，嚴格規范了國家未來的水質保護工作。新法提出“建設水質監測并進行監測”，表明水質監測與水質保護工作是基本并行的。新成立的生態環境部要求在2018年7月底，全國各地必須完成2050個國家水質監測站的建設，全面掌控大江大河的水質狀況，為國家監測、考核、評價提供準確數據。

1 需求分析

水質在線監測系統是了解水環境質量狀況的“眼睛”， 除在大江大河上建設的國家水質監測站外，在我們城市河道上有一些重點排污口、截流井、區域敏感點、河道交匯點和行政分界斷面亦需建設水質在線監測站，及時預警河道水質變化情況并追溯污染源，避免發生更大范圍的污染。

目前傳統的人工采測模式和采測頻率（一個月一次）很難及時真實地反映河道水質的變化情況。國家水質監測站建設的大型水質自動監測系統，由于其系統復雜，建設成本高，占地面積大、運維成本高等原因進行大量布點建設也存在困難。

在城市河道治理工程中亟需一種經濟、方便、小型的水質監測系統，滿足快速響應水質變化、測量精度較高的需求，且與大型水站同樣具有較強的野外適應能力。此類水質監測系統需要具備以下特點：（1）建設成本要低；（2）數據實時快捷；（3）占地面積要小；（4）易于運維和管理。

2 建設要求

分析城市河道水質監測的實際需求，推出小型水質在線監測系統應用方案，利用先進的高度集成的多參數水質分析儀，配合數據采集遙測技術及管理監控平臺，實現分布式點位的水質在線監測，及時、準確地掌握水質狀況和動態變化趨勢，為水生態、水環境、水安全的有效管理提供可靠的基礎。小型監測站占地面積小（一般不大于1.5平方米），可根據監測點場地條件，靈活選擇安裝位置。以同樣監測常規五參數和COD、氨氮7個參數監測站進行簡單比較如表1。

小型監測系統建設從分析儀器的選型與安裝、取水配水、電源供應、安全與防盜、數據采集與傳輸、控制中心管理平臺與現場站監測軟件的無縫對接等多方面考慮。系統能夠做到自動采樣、自動分析和自動清洗以及數據記錄和輸出等環節的可靠有效，并可實現遠程監控、異常報警和來電自啟等功能。

3 分析方法與標準

水質分析儀器是小型水質監測系統的核心部分，選用的儀器要求可靠性強，測量精度較高，操作維護簡單，可以長時間穩定運行。高度集成的多參數水質分析儀器占地小、響應速度快，沿城市河道分布式建設，能夠及時預警水質變化情況，達到追溯污染源，避免發生更大范圍的污染。

監測的項目和指標可根據水體需求靈活配置，涵蓋pH、溫度、溶解氧、電導、濁度、COD、氨氮、總磷、總氮等。分析儀器的測量原理必須符合我國國家標準分析方法或環保行業分析方法，具體參照的規范、標準見表2。

4 系統構成

小型水質在線監測系統由水質分析儀器、控制單元、相應的管理軟件、柜體及附屬設施等組成，采用固定基站形式。系統配置水質分析單元、取水配水單元、控制單元、管理平臺單元、箱體、供電和安防單元。為保障數據傳輸的可靠性，統一采用光纖傳輸為主信道、4G網絡為備用信道的通訊方式。

4.1 水質分析單元

隨著分析測試技術的不斷發展，多參數水質分析儀在水環境監測領域得到了越來越多的應用。分析儀器主機是帶有通用接口可裝配不同探頭的平臺，各種智能探頭可在不同主機間交換，亦可在同一臺主機的不同接口間轉移。儀器具有數據存儲功能，可自動識別、設置探頭（傳感器），校準后的探頭安裝時無需再校準。儀器具有以下功能：

（1）低能耗、維護量小。基本參數自動貯存，斷電、斷水自動保護。（2）能同時連接SS、氨氮、COD等不同類型的探頭，同時測量并顯示所需監測參數，探頭可現場拆卸更換，可進行濕拔插，可自動關閉未使用或故障探頭。（3）采用數字信號進行通訊，有雙向數據傳輸功能和工作狀態輸出功能，輸出信號采用4-20mA、RS-485/232標準接口。（4）故障能夠自動檢測和自動報警。（5）光學探頭能夠自動清洗。

4.2 取水配水單元

取水單元要根據河道實際水文狀況進行實地查看后設計合適的采水方案，確保水樣有代表性。取樣頭的設置應考慮盡量減少堵塞，需采取過濾措施去除水樣中的細泥沙等大顆粒固體物質。取樣泵是根據取樣流量、取水單元的水頭損失及水位差合理選擇，能夠及時完成在線監測系統所需足量水樣的采集，并為后續擴展預留所需的用水量。取水單元可采用連續或間歇方式工作，并能夠根據監測要求現場或遠程設置監測頻次、靈活配置泵的啟動和取水量。

水樣分配單元根據自動分析儀的用水水質、水壓和水量的要求進行分配，能保證水樣的時效性，且配水時間滿足測量周期的需要。

4.3 控制單元

控制單元實現監測站內所有設備的自動控制、數據采集以及與區域監控中心的通訊等。它可以實現各種控制功能，如取水和采樣頻率、時間、泵速、排水及報警等，并能診斷和校正儀器。同時具備電量動態監控、斷電報警、水質超標報警、通信中斷報警、儀器異常報警（含被盜）等控制功能，并保存上述信息及處理情況的歷史記錄。現場監測站和控制中心之間實現雙向的數據傳輸，可遠程控制、監測設備的啟停，閥門的開關等和主要設備的狀態。

4.4 管理平臺單元

小型水質在線監測系統在網絡拓撲上包括現場監測站點、通信網絡和監控中心的管理平臺三部分組成。系統利用前端監控設備完成數據采集，通過光纖或4G網絡發送到監控中心，實現分布式水質參數的實時監測和統一管理，并且以WEB方式發布，管理人員通過瀏覽器和手機APP可以實時查看數據。管理平臺主要完成以下功能：

（1）實時監控：將前端監測站的設備運行狀況、水質參數、現場實景等信息一覽無余。通過監控畫面，可以修改控制參數，進行實時控制與調整。（2）報警與預警：水質監測指標超過預定值，系統將自動生成報警信息，以聲音、動畫等形式提供直觀的報警信號。同時系統精確地給出具體的超標數值、時間、地點和可能的污染介質、排放量等，并啟動相應的應急處理措施。（3）統計與查詢：將水質在線監測數據和報警信息進行分類匯總與統計分析，方便用戶按指標、測點、時間、藥耗等多種方式進行查詢，也可轉化成報表打印。（4）趨勢預測：根據所選日期和時間段，動態顯示任意時間內的趨勢曲線，便于操作人員和警戒線對照，及時對將要出現的事故進行處理。（5）GIS定位：利用GIS軟件管理空間數據的功能，將監測點或采樣點在管理平臺上進行地理位置定位。（6）安全管理：管理授權用戶的登錄，設置不同的操作權限，并可對每個登陸系統的操作人員的操作過程進行記錄，并可隨時查詢，保證水質監測數據的保密性和安全性。（7）WEB發布：平臺具有WEB發布功能，允許經過授權的遠程用戶，隨時登陸系統查看實時數據，并且支持智能手機、平板電腦等智能移動終端的遠程瀏覽。

4.5 箱體、供電和安防單元

4.5.1 箱體

城市河道是城市景觀生態系統的重要組成部分，要求固定式小型水質監測站箱體美觀大方，與安裝點環境相協調。同時由于現場監測站容積非常有限，箱體內安裝的分析儀器、流通池、數據采集和控制設備、蓄電池等需要高度集成，并且箱體內環境要能滿足儀器設備長期穩定運行和維護的空間要求。由于長期放置于戶外，監測站箱體能經受野外嚴苛環境條件，要求擁有良好的控溫能力，確保儀器設備在高溫天氣能夠正常運行。

4.5.2 電源供應

水質監測站設置交流電源和蓄電池備用電源。其中，交流電源就近引自市政電源，備用電源采用自帶的UPS裝置，每個站配置電度計量表一只。電源供應單元包括電源穩定裝置、保護裝置和蓄電池。

4.5.3 安防監控

固定監測站位于河道岸邊，露天安裝（如圖1），為有效地保護自動監測系統中的儀器設備和監控設備均需安裝防雷保護器。箱體采用保險箱防盜設計，要求配置開門聲響報警和開門短信報警功能，防止非法入侵。視頻監控可以在箱體開門的瞬間激發傳感器發送無線信號，引導視頻對準箱體，達到更好的安防效果。

視頻監控具有遠程智能監控功能，終端內置高清CMOS全天候攝像頭，圖像采用光纖傳輸。另外，攝像頭配有多顆高性能紅外燈，即使在全黑無光的深夜也可以拍出清晰可辨的畫面，可清楚監視水質監測站設備和附近水面等狀況。

5 結語

小型水質在線監測系統綜合智能監測、自動控制、計算機應用和通訊網絡等技術，配備視頻監控、UPS電源、綜合防雷等輔助系統，具備充分的穩定性，能夠及時反映水質變化趨勢，實現城市河道水質在線監測運行。該系統已在浙江、江蘇、安徽等省份應用。系統現場安裝便捷快速，外觀與周圍景觀相融，長期運行穩定，得到了客戶高度評價。

參考文獻

[1]黃金屏.（CJ252T-2011）.城鎮排水水質水量在線監測系統技術要求[J].水務世界，2012，（2）：11.

[2]樊幸福，邳志.（GB18918-2002）.水綜合排放標準[J].港口經濟，2012，（4）：21-23.