水質自動監測站建設和運行中冬季抗寒技術研究

李歆琰饒凱鋒孫麗羅毅李治國韓麗君

(1.河北省生態環境保護技術服務中心，河北 石家莊 050000；2.中國科學院生態環境研究中心，北京100000；3.河北省生態環境監測中心，河北 石家莊 050037；4.石家莊市環境監控中心,河北 石家莊 050000)

引言

河北省地處我國東部沿海，氣候屬于溫帶大陸性季風氣候，四季分明。長城是河北省氣溫分布的重要界限，長城以南地區年平均氣溫高于10℃，長城以北低于10℃。長城以北冬季(11月—第2年2月)濕冷，冷空氣影響頻繁，普遍低溫，極端天氣情況下氣溫可低至-30℃。因此河北省北部地區水質自動站尤其是極寒地區的水質自動站，普遍面臨冬季停站的問題，對冬季水環境質量管理造成了現實挑戰與困難。針對水質自動監測站在建設和運行過程中抗寒的技術瓶頸問題，采用溫控動環智能監控系統、綠色智慧太陽能供暖，結合采排水設施防凍等先進技術和措施，保證了河北省北部極寒地區水質自動監測站有效業務化運行，解決了河北省北部地區冬季水站抗寒運行的難題。該技術為我國北方冬季水質自動監測站運行提供了有效示范，保證了水質自動監測站在冬季極寒條件下正常穩定有效運行，提升了北方地區冬季水環境質量管理水平，保障了北方地區冬季水環境安全。

1 優化水質自動監測站建設期的抗寒技術

為應對河北省北部地區冬季極寒條件，水質自動監測站在建設期應針對站房保溫、采排水保溫采取有效保障措施，從而保證水質自動監測站在冬季極寒條件下正常穩定有效運行。

1.1 優化站房建設的保溫措施

河北省北部極寒地區水質自動站站房一般為固定式水質自動監測站站房和一體式水質自動監測站站房2種類型。

1.1.1 固定式水質自動監測站站房保溫措施

固定式站房建設一般采用磚混結構，為應對北方冬季低溫，站房通過結構設計，外墻布設保溫層；站房儀器間內配備空調和暖氣等采暖設備，進行室內加熱保暖。按照《地表水自動監測技術規范(試行)》(HJ 915-2017)，站房內溫度控制在18～28℃，濕度控制在60%以內，滿足儀器設備運行要求，保證冬季低溫條件下在線監測儀器設備和系統的正常運行。空調應具有來電自動復位功能，以保證來電后儀器設備的及時啟動。

1.1.2 一體式水質自動監測站站房保溫措施

1.1.2.1 優化站房材質和結構

一體式水質自動監測站站房由于站房內部只有儀器室和質控室功能區，結構簡單，更需嚴格的保溫措施保證穩定的室內溫度。一體式站房采用一體化設計，應優化用材標準、提高材質厚度和內置保溫芯材等措施，結合室內加熱裝置(空調、暖氣)綜合達到保溫、隔熱效果。

為消除河北省北部地區冬季極寒天氣期間(最低氣溫-30oC)對在線監測儀器設備和系統運行的不良影響，一體式水質自動監測站站房的墻體材料推薦用樹脂基玻璃纖維保溫板或其他新型復合材料，總厚度不小于70mm，具備保溫、隔熱、防風、防雨、防曬、防腐、防滲漏、防火、節能等功能。

結構可采取隔層雙重加厚工藝，將雙層新型保溫芯材置于主結構H型鋼兩側，使H型鋼中間形成足夠厚度與體積的空氣夾層增加冬季保暖功能；站房內配置超低溫運行空調與電熱暖氣片結合供暖的方式有效降低溫度損耗，使之與站房的智能化環境溫控結合實現自動控溫，以上措施達到保暖保溫的效果，保證冬季低溫條件下站房內部環境工況(溫度在18～28℃，濕度在60%以內)能夠滿足監測儀器設備和系統的正常運行。

1.1.2.2 溫控動環智能監控系統

站房保溫可通過外延保溫設施集成暖通安防、供電照明、給排水、環境參數傳感器，將站房溫控、安防等功能集成一體化，建設實現站房內環境參數統一自動控制動環智能監控系統。

1.1.2.3 綠色智慧太陽能供暖

河北省北部地區是太陽能較豐富的地區，可采用綠色智慧太陽能電輔供暖系統進行站房供暖。綠色智慧太陽能電輔供暖系統主要由太陽能集熱器、儲熱水箱、連接管路、散熱部件及電輔助熱源、控制系統組成。通過智能集成軟件集成自動控制動環智能監控系統，統一控制環境參數，自動啟用太陽能或電加熱供暖系統。

1.2 優化采排水單元建設的保溫措施

1.2.1 優化管路材質

采排水管路應有足夠的強度，耐-5～60℃的溫度范圍，有良好的耐惡劣氣候性，不裂縫，高耐壓，可以承受內壓和外載荷，具有極好的化學穩定性，耐磨耗和耐油性強，內徑不小于25mm，外徑不小于33mm，可采用軟質聚氯乙烯或更優材質，加強材料采用聚酯絲或更優材質。可根據保溫層材料、保護層材料以及不同環境條件和要求，選擇不同的保溫結構。保溫結構應結構簡單、施工方便、易于維修，應具有足夠的機械強度以防止壓力損壞，并擁有良好的防水性能等。

1.2.2 采排水防凍措施

水質自動監測站的采排水管路位于站房外，分為過水段管路和陸上段管路，管路應盡量設在冰凍線以下，同時管路應加大坡度[1]，利于采排水管路排空，減少管路內凍結風險。

1.2.2.1 采水管路過水段防凍措施

河北省北部地區地表水冬季冰凍層可達80cm左右，凍土層可達75cm左右，采水泵或采水頭布設在水面冰凍層以下，采水管道經過水體段也應在冰凍層以下。采水浮臺增設加溫裝置，防止浮臺處水體結冰，保證冬季結冰期采水浮臺及采水泵的正常運行；在采水管道經過水面冰凍層的一段，應安裝伴熱帶(自限熱14mm)。

1.2.2.2 采排水管路陸上段防凍措施

采排水管路陸上段布設分為地面段和埋地段。地面段管路通過外層敷設伴熱帶(自限熱14mm)和保溫棉(橡塑保溫管)實現保溫和防凍功能；埋地段管路通過將采排水管、線等預埋地段管路敷設于凍土層之下，確保采排水管路中的水不會產生凍結狀況[2]，從而對管路起到防凍作用。也可采用排空方式，同時安裝具有良好防水性能的電加熱保溫層，以有效解決采排水管路陸上段凍結的問題。

2 優化水質自動監測站運行期冬季抗寒技術

在極寒條件下開展水質自動監測站運行維護，對站房保溫、采排水保溫提供有效保障措施，是保證水質自動監測站在河北省北部地區冬季極寒條件下正常穩定有效運行的必要條件之一。

2.1 加強冬季站房保溫設施維護

2.1.1 加強采暖保溫設施運維力度

冬季來臨前開展專項的站房保溫系統的隱患排查，對空調、加熱設備等運行不正常的設施及時維修更換。同時關注站房動環系統的溫控情況，一旦出現低于18oC的情況，應及時響應，迅速排查低溫原因，解決隱患問題，確保站房保溫設施運行安全。

2.1.2 完善冬季應急預案，提高應急處置能力

運維單位應針對冬季水質自動監測站運行特點，做好應急預案，提前準備冬季凍結應急搶修物資及材料，提高水質自動監測站恢復運行搶修的反應速度，對出現的站房低溫情況，做到快速響應、及時搶修，保證監測數據的連續性。

2.2 加強采排水保溫設施維護

水質自動監測站采排水建設環節的保溫措施固然十分重要，但采排水維護也是不容忽視的，關系到整個系統的安全、保溫效果以及使用壽命等問題，因此對采排水應進行定期檢查。

其中，生物預警水質自動監測站為連續性采排水，管道中的水是連續性流動的，由于散熱損失的存在，水的溫度沿流程逐漸降低。在有限的管道長度內，在正常的散熱損失情況下，通常水的溫度不至于降低到水的凝固點或冰點，相對常規水質自動監測站的采排水不易凍結。

常規水質自動監測站為間歇式采排水，采排水管道中水停止流動時，由于水得不到熱量的補充，溫度就有可能降至凝固點或冰點，甚至更低，從而發生凍結，輕則堵塞管道，重則導致管道破裂。通常管內水凍結時，緊靠管內壁的水開始凍結，圓形管道中凍結的冰沿管壁呈環狀，然后逐漸增加凍結層厚度，直至凍結到管中心而堵塞管道。此時，就需要考慮在水停止流動期間管道是否會凍結，并采取相應措施[3]。水管泄空是防凍的最好措施，但是水質自動監測站為間歇式采排水，無法做到全部持續泄空，當氣溫低至保溫措施仍然解決不了防凍問題時，可以考慮采排水管路維持管內微小流速，其開啟程度與管徑、氣溫及水溫有關，水不至于凍結即可。

同時，每年應對水質自動監測站采排水進行定期檢查，特別在冬季來臨前開展專項隱患排查，主要針對采水設施和采排水管線保溫系統，特別是加強采配水保溫電伴熱的維護，及時更換運行不正常的伴熱帶，對保溫層缺失的外露管路完成防腐和保溫等防護措施，保障管路采配水能力。在每次排除故障修復之后對故障回路進行預防性檢查。檢查的內容主要包括：防護層，檢查所有伴熱帶保溫材料外部的防護層有無損傷，防護鋁皮接縫處的密封硅膠是否完好，保溫層有無松動和脫落，當有以上情況發生時，需進行修理和換新，因為保溫材料的吸水力很強，受潮時會使伴熱帶接線盒處的絕緣性降低，使維持溫度達不到設計要求，因此一定要保證保溫層的干燥，如果發現保溫層有損壞，要及時檢查其附近伴熱帶的情況，更換受潮的保溫材料，敷好保溫層，并加上密封；電源接線盒，檢查所有的接線盒，同時檢查撬內各套管上的接線點和溫控器是否受到腐蝕和潮氣的侵蝕[4]。

3 案例分析

2022年，河北省在冬奧會賽區水源地建成云州水庫水質自動監測多層級生物預警智能監測站，有效保障了冬奧會賽區水質安全，進一步完善了冬奧會賽區及周邊水環境預警及應急監測能力，高質量推進了冬奧會籌辦工作。

冬奧會期間奧運賽區氣溫可低至-20℃，保證在冬季極寒條件下云州水庫水質自動監測多層級生物預警智能監測站的正常運行，是保障冬奧會水環境安全重要條件之一。因此，生物預警智能監測站在冬季極寒條件下保溫技術的工程化研究應用具有迫切的現實需求和重要的政治意義。

3.1 一體式水質自動監測站智能方艙站房

云州水庫位于赤城縣縣城以北20km遠的云州鄉舍身崖山峽處，壩址以上河流分為2支，東支發源于沽源縣九龍泉，西支發源于崇禮區威遠門，水庫總庫容1.02億m3。該水站位于赤城縣云州水庫一號泵站院內。站房整體采用鋼結構焊接，內部為凈化彩鋼結構，材質為Q235B鋼材，外部采用金屬雕花板裝飾，滿足《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》(GB 51022)的要求。凈化彩鋼板采用厚度不小于0.5mm彩鋼板，板材傳熱系數為0.38kcal·m-2·h-1·℃-1，保溫層采用阻燃保溫材料(中間保溫層為巖棉),保溫效果優良；保溫層厚度不小于10cm，采用保溫防火材質，窗戶為雙層密封結構，確保站房內溫度控制在18～28℃。

3.2 采排水單元保溫研究與工程化措施

3.2.1 采樣泵

該水站取水采用潛水泵，雙泵雙管路設計，一用一備、交替使用。在控制系統中設置自動診斷泵、管路故障以及自動切換泵、管路功能，滿足實時不間斷監測的要求。

3.2.2 采水管路布設

為了防止冬季潛水泵停止抽水后采水管路中有水樣存留，采水管設置具有一定比降利于自動排空。存留在管路中的水可利用自身的比降自動排空，在一定程度上起到防凍的作用。同時為了防止泥沙和水草等阻塞水泵和管路，在抽水泵的外部套上一個格柵防護網。采用加壓自來水對管道和潛水泵中積淀的泥沙和滋生的水藻定時進行逆向沖洗，必要時投放殺藻劑。采水管全程采用優質PE管，避免對水樣產生污染。管路與泵連接處采用強壓蝶式卡頭固定，不易脫落；同時易于維修拆卸和更換。采水管線縱切面示意圖、橫切面示意圖見圖1、圖2。

圖1 采水管線縱切面示意圖

圖2 采水管線橫切面示意圖

在云州水庫水質自動監測多層級生物預警站的建設和運行過程中，采用了具有智能動環系統的一體化方艙站房，結合采排水設施防凍等先進技術和措施，保證了該水站的有效業務化運行，解決了河北省北部地區冬天水站被動停站難題，為我國北方冬季水質生物預警站及常規水質自動監測站運行提供了有效示范。

4 結論和建議

在節能環保的前提下，針對站房保溫、采排水保溫提出的有效保障措施，可有效保證水質自動監測站在冬季極寒條件下正常穩定有效運行；提出的冬季抗寒技術可有效提高冬季水質自動監測站的抗寒能力，為我國北方各地水質自動監測站在冬季極寒條件下的運行維護提供積極的示范性指導建議。