江蘇省通榆河北延送水工程連云港水質水量自動監(jiān)測系統(tǒng)設計

雷志祥

(江蘇省水文水資源勘測局連云港分局 222001)

通榆河是江蘇省實施南水北調的骨干河道，是沿線地區(qū)城鄉(xiāng)居民的主要飲用水源，也是江蘇省沿海開發(fā)的重要戰(zhàn)略性資源。通榆河北延送水工程利用已經(jīng)建成的通榆河中段工程，結合實施連云港市疏港航道，增做部分調水工程，增加一條向連云港市輸送水源的新通道。為監(jiān)測調引水進入連云港境內沿線水質水量實況，在連云港境內建設了水質水量自動監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測系統(tǒng)由灌河泵站水質水量自動監(jiān)測站、鹽河北閘水量自動監(jiān)測站、劉頂水質水量自動監(jiān)測站及鳳凰嘴水質水量自動監(jiān)測站、江蘇省水文水資源勘測局中心站和連云港分中心等組成。

1 系統(tǒng)概況

灌河泵站水質水量自動監(jiān)測站位于鹽城、連云港兩市接壤處，水質監(jiān)測按一類站設站標準建設，用于監(jiān)控進入連云港市境內的調水水質水量實況。鹽河北閘水量自動監(jiān)測站為灌南、灌云兩縣控制斷面，用于監(jiān)控調水經(jīng)灌南縣后能夠入灌云縣內的水量實況。劉頂水質水量自動監(jiān)測站臨近連云港市薔薇河飲用水源區(qū)，水質監(jiān)測按一類站設站標準建設，用于監(jiān)控調水最終能夠補給連云港市飲用水源區(qū)及入贛榆縣域內水質水量實況。鳳凰嘴水質水量自動監(jiān)測站位于連云港疏港航道末端，水質監(jiān)測按一類站設站標準建設，用于監(jiān)控疏港航道末端水質水量實況。

各個監(jiān)測子站以GPRS 通訊方式，利用現(xiàn)有公用網(wǎng)絡資源，將各個監(jiān)測子站水質水量實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、站內實時視頻以及水質水量系統(tǒng)運行狀態(tài)傳輸至省中心站和連云港分中心。省中心站和分中心均可對各水質自動監(jiān)測站進行遠程監(jiān)控和管理。

2 水質水量監(jiān)測子站建設

監(jiān)測子站主要布設于市界、縣界控制斷面，每個監(jiān)測子站的站點選址，必須保證水樣的代表性。

監(jiān)測子站的設計包括以下內容。

2.1 水質系統(tǒng)工藝流程(采水、預處理、清洗反沖、控制、數(shù)據(jù)傳輸、環(huán)境控制等單元)

采水單元采用的是取水浮筒和自吸水泵配合的方式。

預處理單元采用的是兩級過濾的方式，取水口處進行粗過濾。在預處理單元的沉沙池內，利用過濾膜進行精過濾，過濾孔徑需要參照水質儀表的要求。

清洗反沖采用的是無油空壓機和電動球閥配合的方式，保證每個水質自動流程結束后，管路中沒有殘余的水樣，保證了下個流程中不會用到上個流程的水樣，同時保證了冬天管路內部不會結冰。

控制單元采用的是PLC 和觸摸屏，PLC 保證了整個水質流程的準確性、可靠性，觸摸屏提供更加貼近用戶的操作界面。

數(shù)據(jù)傳輸單元采用的是基于1inux 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集傳輸服務器，可長時間穩(wěn)定運行。

環(huán)境控制單元主要包含空調、溫濕度控制設備，控制監(jiān)測子站站內的溫濕度，為水質監(jiān)測設備的正常運行提供保證，延長監(jiān)測子站內設備的使用壽命。

2.2 水量系統(tǒng)工藝流程

水量系統(tǒng)采用的是超聲波流量計等設備，用于實時監(jiān)測河流的流量、流速、水位，水量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)也是通過數(shù)據(jù)傳輸單元實時傳輸至中心站。

2.3 水質水量監(jiān)測部分的配套設施建設

水質監(jiān)測部分的配套設施主要是取水單元部分，包含取水浮筒的支架和棧橋，保證了無論是在枯水期還是豐水期，均可正常進行水樣采集。

水量監(jiān)測部分的配套設施主要指的是超聲波流量計的安裝支架，保證超聲波流量計安裝的方便。

2.4 監(jiān)測子站監(jiān)測的水質參數(shù)

監(jiān)測的水質參數(shù)主要包含溶解氧、pH 值、電導率、濁度、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、總氮。

3 中心站建設

中心站的硬件設備主要為:IBM-X3650M2 服務器。

軟件采用的是HNS2000 水質水量自動監(jiān)測系統(tǒng)中心站軟件。

3.1 數(shù)據(jù)傳輸模式

中心站和監(jiān)測子站的通訊采用平衡式傳輸方式，采用3 級鏈路服務級別的數(shù)據(jù)模式。

a.發(fā)送/無回答。由中心站向子站發(fā)送廣播報文。

b.發(fā)送/確認。由中心站向監(jiān)測子站發(fā)送控制命令、設置參數(shù)。

c.請求/響應。由中心站向子站召喚采樣數(shù)據(jù)或事件信息。

通過以上數(shù)據(jù)模式，完善了中心站和監(jiān)測子站信息數(shù)據(jù)的交互。

3.2 水質水量自動監(jiān)測系統(tǒng)中心站軟件功能

a.數(shù)據(jù)自動傳輸。中心站和監(jiān)測子站的數(shù)據(jù)自動雙向交互傳輸。

b.全方位報警。報警內容包括子站測值越限，試劑缺量，設備故障，通訊故障。報警的方式為語音、文字、日志、短信。

c.系統(tǒng)診斷。監(jiān)測子站每個周期初進行自診斷，確認系統(tǒng)完好。監(jiān)測子站的主泵發(fā)生故障時，自動切換備用泵。監(jiān)測子站斷電自動切換到UPS 不間斷電源，來電自動恢復。

d.中心站遠程監(jiān)控。在中心站軟件系統(tǒng)上，實時顯示各個子站的地理信息和實時水質、水量數(shù)據(jù)，顯示各個監(jiān)測子站設備狀態(tài)，以及遠程啟動監(jiān)測子站的水質測試流程。

e.數(shù)據(jù)管理。數(shù)據(jù)管理功能包括數(shù)據(jù)統(tǒng)計(日報表、月報表、年報表)、數(shù)據(jù)查詢(按時間段、按站名站號、按監(jiān)測項目)和數(shù)據(jù)備份。

f.數(shù)據(jù)分析。自動對數(shù)據(jù)的有效性進行判斷，能判斷水質類別，首要污染物、污染指數(shù)和各指標的超標情況，能根據(jù)業(yè)主要求進行數(shù)據(jù)處理，可以進行不同時段的數(shù)據(jù)對比。

具有對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行自動統(tǒng)計、分析、合理性檢查，對異常數(shù)據(jù)進行提醒的功能。具有數(shù)據(jù)接收、監(jiān)控、信息查詢服務的功能。

根據(jù)《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)協(xié)議，對水樣進行等級分析。

g.配置下載。監(jiān)測子站采樣間隔設置:中心站根據(jù)監(jiān)測子站水質數(shù)據(jù)的實際情況，決定是否加大或者降低監(jiān)測頻率。

報警限值設置:中心站根據(jù)需求，設置水質分析儀的報警上下限。

h.權限設置。根據(jù)業(yè)主要求，對登錄系統(tǒng)的人員進行分類，以滿足各種不同需求。

4 水質水量儀表選型

4.1 多參數(shù)分析儀

a.設備選型。選用的是多參數(shù)分析儀(含電極)，對溶解氧、pH 值、電導率、濁度等四個參數(shù)進行實時監(jiān)測。

b.監(jiān)測參數(shù):

溶解氧(DO):代表溶解于水中的分子態(tài)氧。水中溶解氧是反映水體質量的重要指標之一，含有有機物污染的地表水，在細菌的作用下有機污染物質分解時，會消耗水中的溶解氧，使水體發(fā)黑發(fā)臭，會造成魚類、蝦類等水生生物死亡。在流動性好(與空氣交換好)的自然水體中，溶解氧飽和濃度與溫度、氣壓有關，0℃時水中飽和氧氣含量為14.6mg/L，25℃時為8.25 mg/L。水體中藻類生長時由于光合作用產(chǎn)生氧氣，會造成表層溶解氧異常升高而超過飽和值。

pH 值:表征水體酸堿性的指標，pH 值為7 時表示為中性，小于7 為酸性，大于7 為堿性。天然地表水的pH 值一般在6～9 之間，水體中藻類生長時由于光合作用吸收二氧化碳，會造成表層pH 值升高。

電導率:以數(shù)字表示溶液傳導電流的能力。電導率越小，水體越干凈，電導率越大，水體越臟。

濁度:是指水中懸浮物對光線透過時所發(fā)生的阻礙程度。水中的懸浮物一般是泥土、砂粒、微細的有機物和無機物、浮游生物、微生物和膠體物質等。水的濁度不僅與水中懸浮物質的含量有關，而且與它們的大小、形狀及折射系數(shù)等有關。

4.2 氨氮分析儀

a.設備選型。選用的是Amtax inter 2 設備，測量范圍是0.1～20mg/L。

b.監(jiān)測氨氮參數(shù)。通榆河水中氨氮的來源主要為經(jīng)過縣城的生活污水以及地表徑流(主要指使農(nóng)田使用的肥料通過地表徑流進入河流、湖庫等)。氨氮是水體中的營養(yǎng)素，可導致水富營養(yǎng)化現(xiàn)象產(chǎn)生，是水體中的主要耗氧污染物，對魚類及某些水生生物有毒害。

4.3 高錳酸鹽指數(shù)分析儀

a.設備選型。選用的是COD-203 設備，測量的范圍為0～20mg/L。

b.監(jiān)測高錳酸鹽指數(shù)。高錳酸鹽指數(shù)是衡量水中有機物質含量多少的指標?；瘜W需氧量越大，說明水體受有機物的污染越嚴重。高錳酸鉀(KMnO4)法，氧化率較低，但比較簡便，在測定水樣中有機物含量的相對比較值及清潔地表水和地下水水樣時，可以采用。重鉻酸鉀(K2Cr2O7)法，氧化率高，再現(xiàn)性好，適用于廢水監(jiān)測中測定水樣中有機物的總量。

4.4 總磷總氮分析儀

a.設備選型。選用的是NPW-150 設備，總磷的測量范圍為0～2mg/L，總氮的測量范圍為0～5mg/L。

b.監(jiān)測總磷。水中磷可以元素磷、正磷酸鹽、縮合硫酸鹽、焦磷酸鹽、偏磷酸鹽和有機團結合的磷酸鹽等形式存在。其主要來源為生活污水、化肥、有機磷農(nóng)藥及近代洗滌劑所用的磷酸鹽增潔劑等。磷酸鹽會干擾水廠中的混凝過程。水體中的磷是藻類生長需要的一種關鍵元素，過量磷是造成水體污穢異臭，使湖泊發(fā)生富營養(yǎng)化和海灣出現(xiàn)赤潮的主要原因。

c.監(jiān)測總氮。水中的總氮含量是衡量水質的重要指標之一。其測定有助于評價水體被污染和自凈狀況。地表水中氮、磷物質超標時，微生物大量繁殖，浮游生物生長旺盛，出現(xiàn)富營養(yǎng)化狀態(tài)。

4.5 水量分析儀

a.設備選型。選用的是Channe1 Master 型H-ADCP 設備，用于河流和明渠流速、流量實時監(jiān)測的聲學多普勒儀器。

b.測量的參數(shù)。有流量、累計流量、流速、平均流速、水位、水溫等。

5 結 語

江蘇省通榆河北延送水工程鳳凰嘴等水文站水質水量自動監(jiān)測系統(tǒng)建設項目是一個以在線水質自動分析儀器為核心，運用現(xiàn)代自動監(jiān)測技術、自動控制技術、計算機應用技術以及相關的專用分析軟件和現(xiàn)代通信網(wǎng)絡所組成的綜合性的在線自動監(jiān)測系統(tǒng)。該項目作為一個綜合數(shù)據(jù)平臺，對我國今后在生態(tài)建設、水資源調度、洪水控制、水庫調度、水質保護、水量水質同步在線監(jiān)測等方面的研究都將起到積極有效的建設作用。

1 《水質在線自動監(jiān)測技術與運營管理實務》編委會.水質在線自動監(jiān)測技術與運營管理實務［M］.北京:中國標準出版社，2009.

2 曾永，等.水質監(jiān)測新技術與實踐［M］.鄭州:黃河水利出版社，2006.