大浪淀水庫多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張麗莉,武中強(qiáng),張 卓

(1.河北省滄州市水務(wù)局,河北滄州 061000;2、河北省滄州市水利科學(xué)研究所,河北 滄州 061000;3、河北省南運(yùn)河河務(wù)管理處,河北 滄州 061001)

大浪淀水庫多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張麗莉1,武中強(qiáng)2,張 卓3

(1.河北省滄州市水務(wù)局,河北滄州 061000;2、河北省滄州市水利科學(xué)研究所,河北 滄州 061000;3、河北省南運(yùn)河河務(wù)管理處,河北 滄州 061001)

介紹水質(zhì)在線監(jiān)測技術(shù),重點(diǎn)介紹了大浪淀水庫水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過建設(shè)大浪淀水庫多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對大浪淀水庫水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測,主要監(jiān)測項(xiàng)目包括:PH值、氨氮、溶解性總固體、濁度、藍(lán)綠澡等八項(xiàng)指標(biāo),為保護(hù)供水水源地提供了技術(shù)支持。

多參數(shù);水質(zhì);GPRS;在線監(jiān)測

大浪淀水庫是滄州市主要的飲用水水源地,承擔(dān)著向滄州市區(qū)三大水廠、黃驊、南皮等市縣提供生活飲用水的任務(wù)。大浪淀水庫屬于外源性水庫,所蓄水全部來源于黃河水,在引調(diào)與供水的水資源調(diào)配過程中,需要及時(shí)的了解水庫水質(zhì)的情況,以確保水源地的飲用水水質(zhì)安全。利用多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的水庫水質(zhì)監(jiān)測,大大提高水質(zhì)檢測速度,對水庫的水質(zhì)狀況起到早發(fā)現(xiàn)、早調(diào)查、及時(shí)處理的重要作用,同時(shí)也可以為水資源的合理調(diào)配及水污染的防治提供必要的技術(shù)支持。

1 多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測技術(shù)

1.1 多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成

多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)是一套以在線自動分析儀器為核心,運(yùn)用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、自動測量技術(shù),自動控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)以及相關(guān)的專用分析軟件和通訊網(wǎng)絡(luò)所組成的一個(gè)綜合性的在線自動監(jiān)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)。多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)一般由一個(gè)中心控制主站和若干個(gè)監(jiān)測子站構(gòu)成,隨時(shí)對某一地區(qū)和某一地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)連續(xù)的自動監(jiān)測,形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)。系統(tǒng)由監(jiān)測站、傳輸網(wǎng)絡(luò)、控制中心及設(shè)備和供電保護(hù)等幾個(gè)子系統(tǒng)組成。

監(jiān)測站子系統(tǒng)包括樣品采集、采樣控制器、傳感器、樣品保存處理、分析儀器、數(shù)據(jù)記錄器及通信傳輸設(shè)備,其主要作用是根據(jù)需求實(shí)時(shí)的采集水樣,通過傳感器和現(xiàn)場分析儀器,采集記錄各種水質(zhì)監(jiān)測參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)參數(shù),并通過通信傳輸設(shè)備向遠(yuǎn)程控制中心發(fā)送所采集數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸子系統(tǒng)由前端傳輸設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)、中心接收設(shè)備組成。通信網(wǎng)絡(luò)根據(jù)本地的實(shí)際情況,采用中國移動的 GPRS通用分組業(yè)務(wù)網(wǎng),保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性。

監(jiān)控中心子系統(tǒng)包括服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、通信設(shè)備、系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)庫軟件、數(shù)據(jù)分析處理軟件、操作臺等部分。監(jiān)控中心可以實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測站采集終端的控制,包括水樣的采集、設(shè)備的啟停等?？梢噪S時(shí)或定時(shí)從監(jiān)測站采集終端索要實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。后臺建立數(shù)據(jù)庫,對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合對比分析,形成各種所需的圖表,并具有打印輸出功能?？梢约皶r(shí)接收到監(jiān)測站終端的設(shè)備運(yùn)行信息及各種報(bào)警信息并進(jìn)行及時(shí)顯示與處理。

設(shè)備及供電保護(hù)子系統(tǒng)設(shè)置在監(jiān)測站終端和監(jiān)控中心機(jī)房,由避雷器、抗電磁干擾、防靜電及 UPS、蓄電池供電保證系統(tǒng)組成。可以最大限度的對監(jiān)測設(shè)備、現(xiàn)場通信設(shè)備起到保護(hù)作用,并可以實(shí)現(xiàn)斷電后 48小時(shí)的供電保證,保證水質(zhì)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)。

多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí),為電腦的自動化控制,完全不需要人工參與,其工作系統(tǒng)由信息采集傳輸、信息管理及信息服務(wù)等部分組成。各組成部分在系統(tǒng)中的位置和相互關(guān)系如圖 1所示。

圖 1 多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)測站子系統(tǒng)負(fù)責(zé)水庫水樣的采集與分析處理,并通過數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸子系統(tǒng)把各類水質(zhì)信息傳送至監(jiān)測中心子系統(tǒng),使決策部門及時(shí)了解水質(zhì)狀況,發(fā)布水質(zhì)的相關(guān)信息,為控制水質(zhì)與確定飲水安全提供科學(xué)依據(jù)。數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸子系統(tǒng)利用成熟的 VPN通訊手段,建立實(shí)時(shí)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)水庫水質(zhì)信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸和資源共享,為合理、充分利用水資源提供有效服務(wù)。

1.2 多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵

(1)采水單元

包括采水閥、采水管道,節(jié)氣安全閥等。根據(jù)大浪淀水庫的監(jiān)測要求,采水單元設(shè)計(jì)成流水采樣,通過采水管道與水庫的供水管道相聯(lián)通,保持了水樣的即時(shí)更新,可以隨時(shí)向監(jiān)測系統(tǒng)提供有代表性的水樣。

(2)配水單元

包括水樣預(yù)處理裝置、自動清潔裝置及高可靠性管路。配水單元直接向自動監(jiān)測儀器供水,具有在線除泥沙和在線過濾功能、水位超限自動調(diào)整功能、手動和自動管道反沖洗和除藻裝置等,其水質(zhì)、水壓、水量可滿足分析儀器的需要。

(3)分析單元

由一系列水質(zhì)自動分析和測量儀器組成,包括水溫、PH值、氨氮等傳感器件及自動采樣器。具有精度高,長壽命,易于維護(hù)與管理的特點(diǎn)?？梢员ＷC分析單元設(shè)備的高可靠性和穩(wěn)定性,平均無故障工作時(shí)間大于 12 000小時(shí),具有 24小時(shí)數(shù)據(jù)自動存儲功能,并可保存六個(gè)月以上的運(yùn)行數(shù)據(jù)。分析單元設(shè)備可以輸出標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號,內(nèi)置防雷、防靜電及具有一定的抗電磁干擾裝置。

(4)控制單元

包括現(xiàn)場和遠(yuǎn)程控制部分?？梢詫?shí)現(xiàn)各種監(jiān)測設(shè)備的多種信號的連接和數(shù)據(jù)傳輸,實(shí)現(xiàn)各種控制功能,如設(shè)備的開關(guān)、切換、標(biāo)定、調(diào)節(jié)、清洗、保護(hù)、報(bào)警等,并可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)多路切換。各種功能都具備自動/手動兩種控制方式。主要控制功能可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

(5)數(shù)據(jù)傳輸單元

包括監(jiān)測站通信設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心通信設(shè)備?？梢詫?shí)現(xiàn)監(jiān)測站與監(jiān)測中心的雙向數(shù)據(jù)傳輸。

(6)監(jiān)控中心單元

監(jiān)控中心單元具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能,能定時(shí)自動或人工采集不同時(shí)間段的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)表統(tǒng)計(jì)和圖形曲線分析,自動打印,自動生成日報(bào)、周報(bào)、月報(bào)、年報(bào)等功能,能主動判斷水質(zhì)類別和各指標(biāo)的超標(biāo)情況。

2 大浪淀水庫水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測站子系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)大浪淀水庫的現(xiàn)狀條件,在庫區(qū)設(shè)置一個(gè)水質(zhì)自動監(jiān)測站,設(shè)置在水庫供水泵站的泵房內(nèi)。監(jiān)測站子系統(tǒng)包括采水單元、預(yù)處理單元、水質(zhì)分析單元、廢水處理單元及水質(zhì)采集單元構(gòu)成,除采水單元外,其它的現(xiàn)場單元全部集成在水質(zhì)柜中。取水單元與泵房內(nèi)的輸水管線相連接,水樣為實(shí)時(shí)流動狀態(tài),水樣通過管路進(jìn)入現(xiàn)場水質(zhì)柜中,先進(jìn)入預(yù)處理單元進(jìn)行緩沖處理,再進(jìn)入水質(zhì)分析單元,經(jīng)過多參數(shù)水質(zhì)分析儀器進(jìn)行實(shí)時(shí)分析后,進(jìn)入廢水處理單元排入泵房外的截滲溝。多參數(shù)水質(zhì)分析儀得到的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)入水質(zhì)采集單元,通過數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、存儲模塊、顯示模塊等完成水質(zhì)數(shù)據(jù)的自動采集、處理,并通過前端 GPRS模塊將水質(zhì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳送至監(jiān)測中心子系統(tǒng)。水質(zhì)采集單元還可以通過遙測終端 RTU和網(wǎng)絡(luò)傳輸子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的檢測、通信與數(shù)據(jù)交換。

監(jiān)測站子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖 2。

圖 2 監(jiān)測站子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

大浪淀水庫水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)依托河北移動的 GPRS業(yè)務(wù)平臺構(gòu)建水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信專網(wǎng)。包括數(shù)據(jù)采集及接收系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信處理軟件,通過專用的 GPRS終端和應(yīng)用程序系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對大浪淀水庫水質(zhì)監(jiān)測站 PH值、溫度、溶解氧等數(shù)據(jù)的采集和存儲,并通過 GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸,充分利用現(xiàn)有公用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信資源,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸與控制。

以 GPRS方式作為數(shù)據(jù)的主要承載傳輸方式,GPRS通信是基于 IP的數(shù)據(jù)分組通信網(wǎng)絡(luò),運(yùn)用點(diǎn)對點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)模式,GPRS(靜態(tài) IP)數(shù)據(jù)傳輸采用水務(wù)局專網(wǎng) APN接入方式,間隔 30分鐘傳輸一次數(shù)據(jù),適合于每次通信數(shù)據(jù)量小,通信頻次高的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí),為保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性,采用 SMS方式作為備用數(shù)據(jù)傳輸方式,數(shù)據(jù)中心分配專用短信端口,并通過點(diǎn)對多點(diǎn)方式直連短信網(wǎng)關(guān),監(jiān)測站采集點(diǎn)可以通過 SMS模塊和數(shù)據(jù)中心通信。

監(jiān)測站采集點(diǎn)通過數(shù)據(jù)采集模塊采集到水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),通過移動通信公司統(tǒng)一的 STK卡,實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的 24小時(shí)傳送。數(shù)據(jù)通過 GPRS/SMS透明數(shù)據(jù)傳輸終端內(nèi)置嵌入式處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,按照自動應(yīng)答 UDP的數(shù)據(jù)包格式,進(jìn)行協(xié)議封裝后發(fā)送到移動 GPRS/SMS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線傳輸,進(jìn)入移動網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心,安全有效的控制了 GPRS流量,并保證通信資費(fèi)可以按非常低的包月方式支付,滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)流費(fèi)用的要求。

監(jiān)測站現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集通訊裝置的數(shù)據(jù)經(jīng)中國移動 GPRS無線網(wǎng)絡(luò)的 GGSN通道,送入 Internet網(wǎng)絡(luò),采用光纖專線接入模式,接入監(jiān)測中心子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2.3 水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備

通過對多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測設(shè)備的性能指標(biāo)、性價(jià)比、穩(wěn)定性及擴(kuò)展性的分析比較,選用了美國哈希 (HACH)公司研發(fā)的 Hyd rolab 5系列多參數(shù)水質(zhì)分析儀。Hydrolab 5系列多參數(shù)水質(zhì)分析儀是一款新型多參數(shù)、寬量程、免維護(hù)的先進(jìn)水質(zhì)監(jiān)測儀器,具有如下特點(diǎn):

1)具有儀器基本參數(shù)存儲、斷電保護(hù)、自動清洗和自動恢復(fù)功能;

2)防水性能良好,具有內(nèi)置式擴(kuò)展端口,可以為將來增加監(jiān)測項(xiàng)目留有必要接口;

3)具有時(shí)間設(shè)置功能,可根據(jù)需要任意設(shè)定監(jiān)測頻率;

4)具有故障自動報(bào)警、異常值自動報(bào)警及試劑液位報(bào)警功能;

5)具有定期自動校驗(yàn)和雙向數(shù)據(jù)及信號信號傳輸功能,傳輸信號方式為 RS-485;

6)易于清洗和維護(hù),可靠耐用,可以通過外部通訊命令啟動清洗周期;其基本技術(shù)指標(biāo)見表 1。

表 1 多參數(shù)水質(zhì)分析儀技術(shù)指標(biāo)

2.4 水質(zhì)采集管理軟件體系結(jié)構(gòu)與功能

大浪淀水庫水質(zhì)采集管理軟件的管理目標(biāo)是前端的監(jiān)測站,管理內(nèi)容為:水溫、PH值、溶解氧、氨氮等水質(zhì)參數(shù)的自動在線監(jiān)測。

大浪淀水庫水質(zhì)采集管理軟件系統(tǒng)采用 J2EE、JSP、VISUAL C++等程序開發(fā),完成水庫水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、采樣時(shí)間遠(yuǎn)程設(shè)定、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)校核與修改、統(tǒng)計(jì)分析、水質(zhì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查詢評價(jià)、故障斷電報(bào)警、報(bào)表輸出等功能,同時(shí)支持遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)調(diào)用。系統(tǒng)管理軟件的結(jié)構(gòu)見圖 3。

3 建設(shè)運(yùn)行情況

根據(jù)大浪淀水庫的現(xiàn)場考察條件,建設(shè)單位做了完善的施工組織設(shè)計(jì),確定了詳細(xì)的施工工藝和方案,并繪制了多張施工圖,做到了現(xiàn)場施工的規(guī)范性和科學(xué)性。

大浪淀水庫多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)于 2008年 7月初開始進(jìn)場施工,至 31日施工結(jié)束,共完成包括取、排水管的改造安裝、機(jī)柜安裝、現(xiàn)場設(shè)備調(diào)試、機(jī)房裝修、機(jī)房設(shè)備調(diào)試、試運(yùn)行等工作,至 31日,整體系統(tǒng)基本調(diào)試完成,具備運(yùn)行條件。經(jīng)過專家驗(yàn)收測試,一年來,系統(tǒng)運(yùn)行良好,數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理準(zhǔn)確及時(shí),可以做為保障大浪淀水庫飲用水安全的重要參考信息。

2008年 11月氨氮曲線見圖 4,2008年 11月溶解氧曲線見圖 5。

圖 3 多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

圖 4 2008年 11月氨氮變化曲線圖

圖 5 2008年 11月溶解氧變化曲線圖

4 結(jié)語

多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)具有高度自動化、操作簡便、維護(hù)方便等特點(diǎn),并且整體運(yùn)行費(fèi)用較低,整個(gè)系統(tǒng)可以無人值守連續(xù)工作,自動對大浪淀水庫的水溫、PH值、溶解氧、氨氮等常規(guī)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行多時(shí)段、定時(shí)或者 24小時(shí)不間斷連續(xù)監(jiān)測,能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、全面的反映水庫水質(zhì)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。系統(tǒng)利用 GPRS網(wǎng)絡(luò)、GGSN通道、光纖等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向遠(yuǎn)程傳輸,水質(zhì)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送至監(jiān)測中心系統(tǒng),進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、分析后輸出,并實(shí)時(shí)存儲在數(shù)據(jù)庫中。多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)用,大大的提高了大浪淀水庫水質(zhì)監(jiān)測、水資源調(diào)配及水生態(tài)保護(hù)的工作水平,為水庫的管理提供了必要的數(shù)字信息,保障了人民生活飲用水安全,使有限水資源的合理利用和保護(hù)更加有的放矢。

[1]吳邦燦、費(fèi)龍 .現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測技術(shù)[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,1999.

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P332.7

B

1004-1184(2010)03-0068-03

2009-10-21

張麗莉(1979—),女,河北滄州人,工程師,主要從事水利工程管理工作。