淺談水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)及應(yīng)用

朱玉東，顏婷莉，徐建秋

（1. 太湖流域水文水資源監(jiān)測中心，江蘇 無錫 214024；2. 太湖局水文局（信息中心），上海 200434）

淺談水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)及應(yīng)用

朱玉東1，顏婷莉2，徐建秋1

（1. 太湖流域水文水資源監(jiān)測中心，江蘇 無錫 214024；2. 太湖局水文局（信息中心），上海 200434）

介紹濕化學(xué)法、電極法和光譜法水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，概述 3 種系統(tǒng)的基本組成、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，比較不同架構(gòu)的主要技術(shù)指標(biāo)和性能，分析其優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用情況，并指出適用領(lǐng)域和范圍。

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測；系統(tǒng)架構(gòu)；應(yīng)用

0 引言

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)是一套以在線水質(zhì)分析儀為核心，運(yùn)用現(xiàn)代傳感、自動(dòng)測量、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等技術(shù)及監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)連續(xù)、實(shí)時(shí)的監(jiān)測[1]。水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測在國外起步較早，國內(nèi)引進(jìn)使用始于 20 世紀(jì)末。黃河水利委員會(huì)在水利行業(yè)中引進(jìn)建設(shè)自動(dòng)站較早，2000 年黃河水利委員通過“948”項(xiàng)目在黃河花園口建設(shè)了一座適應(yīng)多泥沙河流的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站，測站采用集裝箱式的結(jié)構(gòu)。

經(jīng)過 10 多年發(fā)展，水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)在國內(nèi)得到了長足的進(jìn)步，在線分析儀檢測指標(biāo)更廣，準(zhǔn)確性更高，監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)更穩(wěn)定、可靠。作為水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站組成基礎(chǔ)，自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)發(fā)展為濕化學(xué)法、電極法及光譜法水質(zhì)自動(dòng)分析系統(tǒng)。

1 濕化學(xué)法水質(zhì)自動(dòng)分析系統(tǒng)

濕化學(xué)法水質(zhì)自動(dòng)分析系統(tǒng)是基于實(shí)驗(yàn)室經(jīng)典化學(xué)法的水質(zhì)在線分析系統(tǒng)，檢測原理是將實(shí)驗(yàn)室常規(guī)化學(xué)分析流程自動(dòng)化，采用了電磁閥、滴定泵、電加熱器、自動(dòng)比色計(jì)、電磁攪拌器等自動(dòng)化設(shè)備來代替人工分析設(shè)備，并由嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整合整個(gè)分析流程，實(shí)現(xiàn)在線分析，檢測精度可與實(shí)驗(yàn)室相當(dāng)。

系統(tǒng)主要由取水、預(yù)處理、監(jiān)測分析、控制及運(yùn)行環(huán)境支持等單元組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。系統(tǒng)核心部件是一套以化學(xué)法為測量原理的在線水質(zhì)分析儀，可以在線檢測水溫、pH 值、電導(dǎo)、溶解氧、濁度、氧化還原電位、高錳酸鹽指數(shù)、總氮、氨氮、總磷等常見 10 多項(xiàng)指標(biāo)。系統(tǒng)按照各子單元功能和設(shè)備用途劃分，將水質(zhì)分析儀和配套設(shè)施設(shè)備分別裝配至一組機(jī)柜中，并在機(jī)柜組上端安裝電纜和控制線路，下端布置取排水管路。監(jiān)測流程依次為采配水、預(yù)處理、檢測分析、數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)發(fā)及反沖洗。

圖1 濕化學(xué)法水質(zhì)自動(dòng)分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

濕化學(xué)法水質(zhì)自動(dòng)分析系統(tǒng)是目前使用最廣泛、技術(shù)最成熟的架構(gòu)體系，以水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所 NSY 型水質(zhì)自動(dòng)分析系統(tǒng)為例，主要設(shè)施設(shè)備包括取水浮臺(tái)、水泵、管路、壓力傳感器、多參數(shù)測量池、分析儀表、控制器、嵌入式工控機(jī)、應(yīng)用軟件、空壓機(jī)、水質(zhì)分瓶采樣器及各類閥門等，系統(tǒng)主要設(shè)備如圖 2 所示。各機(jī)柜按功能可分為控制柜、高錳酸鹽指數(shù)分析儀表柜、總氮儀表柜、氨氮儀表柜、總磷儀表柜、TOC 儀表柜、多參數(shù)/采樣器柜、預(yù)處理柜等，單次測量周期為 2 h。

圖2 NSY型水質(zhì)自動(dòng)分析儀系統(tǒng)主要設(shè)備

NSY 型水質(zhì)自動(dòng)分析系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1）整體結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。機(jī)柜頂部布置各類電線路、控制線路，底部排設(shè)采配水和排水管路，內(nèi)部安裝水質(zhì)分析儀和控制系統(tǒng)，各子系統(tǒng)劃分清晰、結(jié)構(gòu)簡單、功能齊全，充分保證了系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

2）檢測精度高，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確好。由于采用了標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜，機(jī)柜內(nèi)部空間充足，各類高性能的在線水質(zhì)分析儀均可安裝至其中，同時(shí)各類輔助運(yùn)行設(shè)施設(shè)備也有足夠的安裝空間，可以為分析儀提供一個(gè)良好的運(yùn)行環(huán)境，保證檢測精度高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確好。

3）兼容性好，系統(tǒng)易擴(kuò)展。在線水質(zhì)分析儀和控制單元是相對(duì)獨(dú)立的，各廠商的水質(zhì)分析儀通信協(xié)議均是開放的，新增監(jiān)測指標(biāo)時(shí)，只需要增加分析儀和通信接口。

4）組合靈活，美觀大方。機(jī)柜采用標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)方式，可以根據(jù)現(xiàn)場場地條件、監(jiān)測要求等，合理布置各機(jī)柜，靈活搭建系統(tǒng)。一體機(jī)柜也美觀大方，能起到防塵、防蟲、防干擾的作用，提高了設(shè)備的使用壽命。

但是濕化學(xué)法水質(zhì)自動(dòng)分析系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行環(huán)境有一定要求，后期運(yùn)行維護(hù)成本也較高。通常站房面積需要 40 m3以上，水質(zhì)在線分析儀要運(yùn)行在適宜的溫濕度條件下；儀表后期要定期進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，更換易損耗材，因此要投入一定的人力和物力，才能保證監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。

2 電極法水質(zhì)自動(dòng)分析系統(tǒng)

電極法水質(zhì)分析儀是通常運(yùn)用離子交換、電位、光電感應(yīng)、熱脹冷縮、極譜、壓差等原理做成各種探頭，針對(duì)水體中某種物質(zhì)或物化特性所產(chǎn)生的電或光信號(hào)，測定其信號(hào)強(qiáng)度，把信號(hào)根據(jù)率定的模型參數(shù)轉(zhuǎn)換成該物質(zhì)的濃度（水的化學(xué)特性）或水的物理特性。分析儀具有結(jié)構(gòu)簡單、檢測快速，無需試劑、維護(hù)簡單，以及價(jià)格便宜、安裝方便等諸多特點(diǎn)。

電極法水質(zhì)自動(dòng)分析系統(tǒng)是采用電極法多參數(shù)水質(zhì)在線分析儀做為測量部件，并將預(yù)處理、監(jiān)測分析及控制等單元進(jìn)行小型化、模塊化處理，將整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)壓縮至一個(gè)整體機(jī)柜（箱體）中，通過在線監(jiān)測個(gè)別關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水體水質(zhì)變化過程和趨勢的監(jiān)測和預(yù)警。系統(tǒng)在測量過程中無需化學(xué)試劑，但檢測指標(biāo)數(shù)量有限；取水、預(yù)處理單元和管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單而耐用，取消了環(huán)境保障設(shè)備，只進(jìn)行箱體的隔熱保溫處理；采用太陽能供電，可在無市電、自來水的野外長期工作；控制系統(tǒng)采用低能耗的 RTU（數(shù)據(jù)采集器），通過 GPRS，3G 方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)核心設(shè)備是 1 臺(tái)電極法多參數(shù)水質(zhì)分析儀，其他主要設(shè)施設(shè)備有測量池、數(shù)據(jù)采集器、管路及電磁閥、通信設(shè)備、蓄電池、箱體及取水棧橋等。

電極法水質(zhì)自動(dòng)分析系統(tǒng)體積小、無需站房、建設(shè)周期短、造價(jià)低，同時(shí)檢測周期短，可高頻次、連續(xù)在線監(jiān)測，但也存在個(gè)別指標(biāo)檢測精度不高（如氨氮和藍(lán)綠藻）的問題，故一般用于水質(zhì)預(yù)警監(jiān)測，也常被稱為水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警站或哨兵站。電極法水質(zhì)自動(dòng)分析系統(tǒng)最常見的是安裝于河道邊的箱式預(yù)警站，浮標(biāo)站另一種安裝方式，主要用于湖體水質(zhì)監(jiān)測。

3 光譜法水質(zhì)自動(dòng)分析系統(tǒng)

水質(zhì)有機(jī)物綜合指標(biāo)在線分析技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了第一代在線化學(xué)分析儀表、第二代在線紫外（UV）吸收光譜分析儀表，目前 2 代技術(shù)的儀表在市場共存。光譜法水質(zhì)自動(dòng)分析系統(tǒng)測量原理是基于第二代的光譜分析技術(shù)。

1）在線 UV 吸收光譜分析儀。在線 UV 吸收光譜分析儀是利用紫外—可見（UV）波段（200～800 nm）通過測量光束接收端的 UV 吸收光譜強(qiáng)度，再由復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型計(jì)算獲得水體中有機(jī)物綜合指標(biāo)的測量值。具有分析速度快、無試劑，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、免維護(hù)，以及投資和運(yùn)維成本低的優(yōu)點(diǎn)，適用無人值守的在線水質(zhì)分析、環(huán)境污染監(jiān)測。

2005 年國家環(huán)保總局發(fā)布了 HJ-T191-2005《紫外（UV）吸收水質(zhì)自動(dòng)在線監(jiān)測儀技術(shù)要求》。基于該原理的分析儀主要有美國哈希 UVASsc 型有機(jī)物（COD，BOD，TOC）在線分析儀、奧地利是能nano：：station 型在線分析儀、日本島津 UVM-4020型在線分析儀等。在實(shí)際檢測過程中，在線 UV 吸收光譜分析儀存在 2 個(gè)重要缺陷：a. 水體濁度對(duì)測量干擾很大，儀表的測量精度較低；b. 當(dāng)水體中有機(jī)物濃度較低時(shí)，測量時(shí)性能明顯惡化。

2）新型 UV+FL 光譜融合分析儀。UV+FL 光譜融合分析技術(shù)關(guān)鍵是引入了現(xiàn)場熒光（FL）分析技術(shù)，現(xiàn)場 FL 光譜分析技術(shù)[2]是在 20 世紀(jì)初開始大量發(fā)展起來的一種新型光譜分析技術(shù)，采用單個(gè)或多個(gè)特定波長的高功率密度激發(fā)光源照射待分析的樣品，使其中的有機(jī)化合物和生物物質(zhì)分子吸收能量后由基態(tài)躍遷至高能級(jí)。激發(fā)光源撤除后，有機(jī)分子躍遷至原有能級(jí)，將在一定波長下發(fā)射出光子，構(gòu)成的 FL 發(fā)射光譜波長和強(qiáng)度分布與有機(jī)物質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)特性相關(guān)。采用高靈敏度的光電轉(zhuǎn)換器件將此 FL 發(fā)射光譜轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并輸入計(jì)算機(jī)，即可獲得被測樣品中有機(jī)物分子構(gòu)成種類及其含量的相關(guān)信息。

為了克服第二代 UV 吸收光譜分析技術(shù)的上述重要缺陷，同時(shí)保留其各項(xiàng)顯著優(yōu)點(diǎn)，近幾年市場出現(xiàn)了基于 UV+FL 光譜融合分析技術(shù)的在線水質(zhì)分析儀，測量原理仍屬于光譜分析技術(shù)。UV+FL 光譜融合分析儀表在保留了第二代技術(shù)的 UV 吸收光譜測量部分，增加了水體有機(jī)物的熒光發(fā)射光譜測量部件，然后通過復(fù)雜的嵌入式在線計(jì)算將 2 種不同性質(zhì)的水體有機(jī)物光譜進(jìn)行信息融合，從而得出水質(zhì)有機(jī)物綜合指標(biāo)的在線分析值[3]，檢測技術(shù)分析流程如圖 3 所示?，F(xiàn)場熒光分析與 UV 吸收光譜分析技術(shù)有機(jī)融合，顯著提升了水體有機(jī)物綜合指標(biāo)的在線分析性能。

圖3 UV+FL 光譜融合分析技術(shù)示意圖

UV+FL光譜融合在線水質(zhì)監(jiān)測儀集測量、傳輸、自清洗多種功能于一體，并具有防雷防水、低能耗、安裝簡易等特性，UV+FL 光譜融合在線水質(zhì)監(jiān)測儀如圖 4 所示。分析儀體積僅為（470×220 ×760）mm3，高度集成了水質(zhì)檢測、系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)通信等單元模塊，可直接安裝在水體中（也可增加取水設(shè)備和水箱，采用抽水的安裝方式），實(shí)現(xiàn)24 h 連續(xù)監(jiān)測水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮、生物需氧量等指標(biāo)，并自動(dòng)采集、轉(zhuǎn)發(fā)水質(zhì)數(shù)據(jù)[4]。分析儀具備以下技術(shù)特點(diǎn)：a. 體積小、集成度高，測量系統(tǒng)采用一體化的集成構(gòu)造，可同時(shí)完成 10 余項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的自動(dòng)測量和傳輸；b. 測量實(shí)時(shí)性好，2 min 內(nèi)完成所有水質(zhì)指標(biāo)的測量；c. 監(jiān)測精度高，在適用水域檢測準(zhǔn)確度可以達(dá)到相關(guān)規(guī)范要求；d. 無試劑消耗、免維護(hù)，運(yùn)行成本低。但是該分析儀也存在著測量精度不穩(wěn)定、系統(tǒng)擴(kuò)展性差等問題。

圖4 UV+FL 光譜融合在線水質(zhì)監(jiān)測儀

4 應(yīng)用分析

經(jīng)過 10 多年的發(fā)展，濕化學(xué)法水質(zhì)自動(dòng)分析系統(tǒng)是目前市場上最主流架構(gòu)，具備檢測指標(biāo)豐富，運(yùn)行穩(wěn)定，精度高，系統(tǒng)兼容性、擴(kuò)展性好等特性，但建設(shè)投資高，需有站房環(huán)境，后期也要定期維護(hù)，所以一般適用于對(duì)測量精度有較高要求的場合，例如水質(zhì)達(dá)標(biāo)考核、水資源調(diào)度等。太湖局在引江濟(jì)太水資源調(diào)度沿線建設(shè)的水質(zhì)自動(dòng)站均采用了濕化學(xué)法水質(zhì)自動(dòng)分析系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、監(jiān)測可靠，滿足了引江濟(jì)太水資源調(diào)度的精細(xì)要求。

電極法水質(zhì)自動(dòng)分析系統(tǒng)具有體量小、運(yùn)行穩(wěn)定、投資低、建設(shè)周期短、無站房和市電要求等優(yōu)點(diǎn)，但測量精度不高。濕化學(xué)法水質(zhì)自動(dòng)分析系統(tǒng)造價(jià)高、需征地，并不宜大批建站，對(duì)于水質(zhì)較好或僅需關(guān)注水質(zhì)變化過程和趨勢時(shí)，更宜建設(shè)電極法水質(zhì)自動(dòng)分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)連續(xù)預(yù)警監(jiān)測。近幾年太湖局在主要入太湖河道建設(shè)了一批電極法水質(zhì)自動(dòng)分析系統(tǒng)，除水溫、pH 值、電導(dǎo)和溶解氧常規(guī)指標(biāo)外，增加銨離子預(yù)警監(jiān)測，并配備了在線流量監(jiān)測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)出入湖水質(zhì)、水量的通量監(jiān)測和預(yù)警。

光譜法水質(zhì)自動(dòng)分析系統(tǒng)采用了新型檢測技術(shù)，特別是 UV+FL 光譜融合水質(zhì)自動(dòng)分析系統(tǒng)具有技術(shù)理念較先進(jìn)、實(shí)時(shí)性好、體量小、投資成本較低及后期免維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)。水利部科技推廣中心也專門發(fā)函推廣應(yīng)用該系統(tǒng)，廣西等省已有應(yīng)用案列，并取得不錯(cuò)的效果?？紤] UV+FL 光譜融合為新型檢測技術(shù)，檢測精度尚存在不穩(wěn)定問題，建議在購買使用前開展相關(guān)調(diào)研，特別是現(xiàn)場比測驗(yàn)證工作，保證分析儀適用于待測水環(huán)境，系統(tǒng)的可靠性、檢測精度也能滿足監(jiān)測需求。

濕化學(xué)法、電極法和光譜法水質(zhì)自動(dòng)分析系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)及適用領(lǐng)域，只有從實(shí)際監(jiān)測需求出發(fā)，綜合考慮設(shè)站現(xiàn)場條件，選擇合適的系統(tǒng)架構(gòu)，才能發(fā)揮自動(dòng)監(jiān)測的優(yōu)勢和效益，利用好國家的投資。3 種監(jiān)測系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)比較詳如表1 所示。

表1 3 種自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比表

5 結(jié)語

3 種水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)在日常水資源監(jiān)測工作中得到了很好的應(yīng)用，發(fā)揮出了良好的效益。隨著水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)不斷完善和發(fā)展，自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)也將會(huì)逐步演進(jìn)。作為常規(guī)實(shí)驗(yàn)室檢測的重要補(bǔ)充手段，水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測必將在落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理制度、水源地安全保障、水資源可持續(xù)利用等方面發(fā)揮更為顯著的作用。

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Architecture and Application of Automatic Water Quality Monitoring System

ZHU Yudong1, YAN Tingli2, XU Jianqiu1

(1. Monitoring Center of Hydrology and Water Resources of Taihu Basin，Wuxi 214024, China；2. Burean of Hydrology(Information Centre) of Taihu Basin Authoity，Shanghai 200434, China)

This article describes wet chemical method, electrode method and spectrum method of water quality automatic monitoring system, summarizes the basic composition, system structure and characteristics of the three systems, compares the main technical indexes and performance of the different system architecture, analyzes the advantages and disadvantages and situation of application, and points out the field of application and scope

automatic water quality monitoring; system architecture; application

X832

A

1674-9405(2015)02-0040-05

2014-09-16

朱玉東（1980－），男，江蘇鹽城人，工程師，從事水利信息化和水質(zhì)監(jiān)測方面工作。