寒冷地區某平原水庫管道供水水質在線監測

阿布都沙拉木·托爾遜,馬立平,劉曉茹,張盼偉

(1.新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

1 水庫概況

該水庫位于我國西北高寒干旱地區，是尾部調節平原水庫，屬大(2)型水庫，是四面筑壩而成的典型平原水庫，壩軸線全長17.7km、最大壩高28m、水庫正常蓄水位500.00m，總庫容2.81億m3，水庫水面面積24km2。該水庫不僅是周邊重要工業園區企業供水水源，而且還是烏魯木齊市飲用地表水水源地之一，承擔部分烏魯木齊市城市生活供水任務，現每年水庫供水量約1.5億m3。

水庫屬地氣候寒冷四季分明。從11月到次年3月屬于低溫天氣，冬季氣溫最低達-30℃，常有積雪覆蓋，連凍日在120—130d之間，最大凍土深度為1.5m。春季隨著上游來水，魚苗進入水庫，夏季水溫升高，魚苗迅速生長繁殖，造成水庫魚類增多，給供水管路帶來較大負荷。

近年來，隨著水庫周邊工業園區大小企業工廠的陸續投產開工，工業生產已對水庫大氣及水環境產生潛在影響[1]，并且水庫水循環較慢，內源污染也會對水環境帶來不良影響。水庫管理單位每月對進出庫水質采樣監測，并建立了水質在線監測系統，實現實時監控水庫供水水質狀況，分析水庫目前水質變化趨勢，對保障和提高水環境質量、保障水庫供水安全具有重要意義。

2 水質在線監測系統概述

2.1 我國水質在線監測系統現狀

水質在線監測系統以水質在線分析儀器為核心，運用自動控制技術、計算機技術以及相關的專用分析軟件和通訊網絡，組成從水樣采集、預處理、監測到數據處理及存貯的綜合性系統，從而實現水質在線監測站的自動運行[2]。

我國水質在線監測技術較成熟[3]，但主要關注監測儀器的技術性和環境適應性，對儀器外圍配套設施的設計技術和結構特點較少涉及，有些在線監測站采水管路較短，受氣候影響較小，有些站點由于缺少特殊防凍設計，冬季寒冷季節停止運行，造成在線監測不連續。一般情況采水管路堵塞由淤泥或藻類引起的較多，魚苗堵塞管路較少發生，本文針對采水管路防凍、防止魚苗堵塞和藻類產生等問題給出了解決方案。

2.2 本水庫水質在線監測站概況

水質在線監測站房位于水庫出口，配備系統供電和供水設備、電源和信號防雷設備、配電設備、UPS不間斷電源、室內空調和滅火系統等，滿足水質在線監測系統“無人職守，自主運行”的要求。

監測系統由采水單元、預處理和配水單元、分析儀器單元、控制單元和通訊單元五部分組成，系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構示意圖

(1)采水單元：完成水樣的采集和輸送，包括水泵、管路、樣品前置過濾系統。由控制單元定時向系統發送指令，提供可靠有效的水質樣品。

(2)預處理和配水單元：完成水樣沉淀、靜置和過濾等預處理，包括水樣沉砂池和水質儀器采樣杯及清洗除藻系統，使采集的水樣能夠滿足水質分析儀器的要求。

(3)分析儀器單元：完成自動水質分析，由五參數、氨氮NH3-N、高錳酸鹽指數CODMn和六價鉻Cr6+分析儀器組成，五參數分析儀包括水溫T、pH、電導EC、濁度TB、溶解氧DO五項常規水質參數。

(4)控制單元：對采樣、預處理、分析測定、數據處理和傳輸等設備進行自動監控，由可編程控制器(PLC)、輸入輸出I0模件、通信模件、電氣執行組件及相關控制軟件組成。

(5)通訊單元：完成監測數據傳輸工作，將監測站的有關控制命令下行到PLC控制系統。本站采用數據采集器+無線GPRS數據傳輸方式，保證數據無丟失和損壞。

3 水質在線監測系統結構特點

3.1 采水系統設計

(1)取水方式

目前我國水質在線監測系統的取水方式主要有棧橋式取水、浮船(筒)式取水、豎井式取水、吊臂取水、多級平臺式取水、自吸泵取水等方式[4- 5]。由于本水庫的在線監測采樣點設在供水管道上，供水管道為壓力管道，不適合采用上述取水方式，本水庫采用供水管道直接取水方式，不需增加水泵，保證了采集水樣的原始性[6]，尤其對于溶解氧的測定不產生干擾。

(2)防凍設計

水庫位于新疆寒冷地區，冬季氣溫最低達-30℃，并且由于水庫供水管道的設計結構較特殊，采水管路較長，需跨退水渠道采樣(如圖2所示)，針對該類問題，采水管路進行了特殊防凍設計：①采水管路外包保溫棉、加熱帶，再串入保護套管；②采水管路在跨渠道后深埋在凍土層下；③跨渠道段的采樣管路有保溫彩鋼板覆蓋，跨渠道采樣管路布設示意圖見圖2。

圖2 采水管路布設示意圖

經過保溫和深埋的特殊處理后，保護了采水管路，確保水質在線監測系統在北疆低溫條件下也可正常工作，并使環境溫度對水樣溫度的影響降到最低。

(3)樣品前置過濾系統

由于水庫夏季上游來水，有大量魚苗進入管路，為了防止魚苗及淤泥堵塞管路，在采水管路中加裝了樣品前置過濾系統，對管路暢通起到保障作用，并保證水樣的原始性和真實性。

(4)管路材質

為滿足水樣真實性和管路壓力的要求，選取了dn25的ts型鋼簧膠管，其具有良好的耐腐蝕的化學穩定性，不會對水樣產生污染，并具有較強的抗壓、耐磨、防裂等機械性能，滿足管道壓力的要求。

(5)自動控制

為確保自動站連續穩定地完成采水任務，采用雙泵雙管路采水方式，為了避免系統頻繁啟動對水泵造成的破壞，采用一備一用的方式，對采水通道出現故障提供備選方案。采用連續或間歇方式工作，并根據監測要求現場或遠程設置監測頻次、控制曝氣反沖采水管路，防止管路中泥沙沉積，降低滋生藻類的可能性。

3.2 水樣預處理單元

預處理單元由常規五參數測量池、一級沉沙池、水壓調節裝置、過濾器分流器及控制部件等內容組成。

采用桶式沉沙一級預處理系統，過濾部分泥沙和雜物，具有自動清沙、排沙、清洗功能。經過沉沙過濾30min后的源水再經過豎式過濾器、分流器及水壓調節裝置，進入水質分析儀，以防雜質進入儀表。采用不銹鋼濾網式精細過濾芯，保留小于100μm的物質，保證水樣的真實性。過濾芯耐酸堿性范圍滿足pH∶2～12，并具有全自動切換的功能，實現過濾→分析→清洗的工藝流程。過濾器濾芯目數的大小，可根據需要而定，最小不低于50μm。

為保證常規五參數儀器的正確測量，水樣不需進行預處理，在源水進入桶式沉沙池前設計旁路裝置，直接進入常規五參數采樣杯。

3.3 管路清洗除藻系統

在系統長期使用后，管路內易滋生藻類，需定期進行除藻處理。

(1)采用Dn25的管徑尺寸，使管道內部水樣對管壁形成一定的沖刷作用，有利于防淤和除藻；

(2)在測量結束時，對所有管路自動熱沖洗，剩水全部排空；

(3)采用壓縮空氣將管路反吹，保持管路內干燥；

(4)在室內配水管路的關鍵部位設計一段透明管路，用于監測管路中的積藻狀況。

該系統有效地防止藻類滋生。監測系統的廢液進入專用廢液收集裝置中，以防止污染周圍環境和影響源水的水質。

4 水質在線監測結果比對

4.1 比對儀器及方法

水質在線監測儀器生產廠家為美國哈希公司，包括五參數、氨氮、高錳酸鹽指數和六價鉻共4套在線分析儀器，其中五參數在線分析儀包括水溫、pH、電導率、溶解氧和濁度五部分內容，技術參數見表1。

表1 監測系統參數統計

為了確認在線監測結果的準確性，與實驗室水質監測標準方法比對[7- 9]，實驗室采用的標準方法及儀器見表2。

表2 比對實驗標準方法和儀器

4.2 比對結果

4.2.1比對數據統計

水質在線監測方法和實驗室標準方法進行了實際樣品比對，每批樣品平行測定6次，實際樣品比對參數包括水溫、pH、電導率、濁度、高錳酸鹽指數、六價鉻6項指標。因氨氮在線設備測量范圍為0.05～20mg/L，比對測試期間在線監測值均在0.05mg/L以下，低于測量范圍下限，無法判定比對結果，故實驗室配制質控樣品，供在線監測儀器和實驗室共同測試，氨氮質控樣品標準值及不確定度為0.480±0.024mg/L。7項指標測試數據的統計結果見表3。

表3 水質在線監測與實驗監測比對數據統計表

4.2.2方法精密度

通過比對數據可見，在線監測方法精密度(相對標準偏差)在0.6%～19.1%之間，實驗室監測方法精密度在0.6%～20.8%之間，兩種監測方法的精密度趨于一致。兩種方法的濁度和六價鉻相對標準偏差較大，均超過10%，精密度較差(如圖3所示)。因水樣的濁度不穩定，故測定過程中波動較大，六價鉻含量較低，相對標準偏差較大。其他五項監測項目，兩種方法的相對標準偏差均低于10%，精密度良好。

圖3 兩種方法相對標準偏差對比圖

4.2.3兩種方法間偏差

7項監測指標的在線監測與實驗室測定方法間的相對偏差在0.21%～12.1%之間(如圖4所示)，氨氮偏差最小為0.21%，由于氨氮樣品是標準樣品，介質較單一且較穩定，故兩種方法偏差較小，在線監測值與實驗室監測值接近，都在氨氮標樣的標準值不確定度范圍內。6項監測指標的相對偏差低于10%，只有高錳酸鹽指數偏差較大為12.1%，由于該方法涉及加熱和滴定過程，易帶來實驗偏差，但在20%的范圍內，均屬正常。因此各項監測項目的在線監測均滿足監測要求。

圖4 兩種方法相對偏差分布圖

綜上所述，在線監測與實驗室監測比對結果在正常范圍內，效果良好，個別指標由于測定過程因素波動大和樣品濃度值較低，造成精密度較差，或偏差較大，皆屬正常實驗現象，在線監測滿足水環境安全監測的需要。

5 在線監測系統數據采集狀況

水質在線監測系統于2015年建設并投運，對運行狀況進行了統計[10- 11]，統計時間為2020年7月1日至12月31日，共計184d，統計指標為水溫、pH、高錳酸鹽指數、電導率、溶解氧和六價鉻共6項指標，氨氮濃度較低，未檢出較多，故不參與統計。半年時間總計應采集數據4416條，因系統故障等問題，實際采集4241條，總體采集率約96.0%，各監測項目數據采集率詳見表4。本水庫定期對采集數據進行實驗比對分析，數據有效率見表5。6項指標的數據采集率和有效率均值分布圖如圖5所示。

圖5 六項指標的數據采集率和有效率分布圖

表4 水質在線監測站數據采集率 單位：%

表5 水質在線監測站數據有效率 單位：%

數據采集率平均值為96.0%，各數據缺失天數總計26d。數據采集的有效率平均為94.6%。各項指標的采集率較高，均在90%以上，有效率只有高錳酸鹽指數略低于90%，為88.1%，其他5項指標有效率均達到90%以上。因此應加強高錳酸鹽指數在線監測儀的維護保養，特別是加熱系統的維護應引起重視。

6 結語

采水系統采取了外包保溫棉、加熱帶、串入保護套管和深埋等防凍措施，加裝樣品前置過濾系統，采用Dn25管徑、熱水沖洗、壓縮空氣反吹及加設藻類監控管等措施，有效防止了管路堵塞和藻類滋生。

在線監測法與實驗室標準方法精密度趨于一致，兩種方法間相對偏差除高錳酸鹽指數大于10%外，其他指標皆在10%以內。水質在線監測系統的數據采集率和有效率大部分在90%以上，只有高錳酸鹽指數有效率略低于90%。

水質在線監測系統總體運行狀況良好，但應加強高錳酸鹽指數在線監測儀器的維護和監測，為保障水庫供水安全發揮重要作用。