水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)在長距離輸配水工程中的應(yīng)用

孫本勝

(遼寧潤中供水有限責任公司， 遼寧 沈陽 110166)

水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)在長距離輸配水工程中的應(yīng)用

孫本勝

(遼寧潤中供水有限責任公司， 遼寧 沈陽 110166)

本文以遼寧省內(nèi)一重點輸配水工程為例，系統(tǒng)介紹了水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)，著重闡述了采集站監(jiān)測參數(shù)的選擇及水樣的自動化提取、預(yù)處理等功能單元的設(shè)計方案，值得類似工程借鑒。

輸配水工程； 水質(zhì)監(jiān)測； 水樣處理

大伙房水庫輸水工程是遼寧省重要的輸配水工程，分兩期建設(shè)，工程自2010年11月投入運行，至今已累計向遼寧中南部七城市供水17億m3，目前日供水230萬m3，其中居民生活用水占到80%以上。雖然原水的凈化處理主要由各地市凈水廠完成，但根據(jù)2002年國家發(fā)布的《地面水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)，江河、湖泊、水庫等具有使用功能的地表水均須進行水質(zhì)監(jiān)測，同時輸水工程管道內(nèi)滋生的藻類對管壁有較強的腐蝕作用，可以通過水質(zhì)監(jiān)測判斷管內(nèi)水質(zhì)狀況并通過加氯系統(tǒng)控制藻類的增長，從而達到延長輸水管線使用年限的目的，此外，建設(shè)水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)水質(zhì)的實時連續(xù)監(jiān)測和遠程監(jiān)控，及時掌握主要流域重點斷面水體的水質(zhì)狀況，預(yù)警預(yù)報重大或流域性水質(zhì)污染事故。因此水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)項目列入2015年計劃，并于2015年10月完成主體施工。

1 測站分布

大伙房水庫輸水工程水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)計劃建設(shè)1個監(jiān)控中心，4個監(jiān)測子站。

監(jiān)控中心，顧名思義，通過有線或無線通信網(wǎng)絡(luò)實施對監(jiān)測子站的工作狀態(tài)監(jiān)視控制。定期收集子站的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)和水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，實時反映被測水體的水質(zhì)現(xiàn)狀和變化趨勢。

監(jiān)測子站是能夠獨立完成水質(zhì)在線監(jiān)測任務(wù)的最小單元，建立在有代表性監(jiān)測斷面上，全天候的工作采集并監(jiān)測被測水體的水質(zhì)。

大伙房水庫輸水工程水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)站點分布見表1。

表1 大伙房水庫輸水工程水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)站點分布

“超級站”“標準站”主要由監(jiān)測參數(shù)的數(shù)量來區(qū)分，大伙房站位于大伙房水庫南岸，二期工程的取水口，其地理位置的重要性不言而喻，大伙房站共監(jiān)測17項參數(shù)，沈陽二站和營盤站進行常規(guī)監(jiān)測，一期站監(jiān)測13個參數(shù)，沈陽二站、營盤站監(jiān)測8個參數(shù)。所有水質(zhì)數(shù)據(jù)最后匯總到位于沈陽市內(nèi)的主監(jiān)測中心。

2 監(jiān)測參數(shù)的選擇

由于大伙房站監(jiān)測項目最多且最具有代表性，因此下文均以大伙房站為例進行闡述。大伙房站17項監(jiān)測項目為水溫、pH值、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總氮、總磷、鐵、錳、水中油、葉綠素、藍綠藻、生物毒性、氟化物、硫化物。前5項為水質(zhì)監(jiān)測最常用的參數(shù)，俗稱五參數(shù)，其中濁度是凈水廠調(diào)度最關(guān)注的指標；高錳酸鹽指數(shù)雖然不能真實反映COD值(化學(xué)需氧量)，但對于水庫內(nèi)水質(zhì)的測量來說還是比較有效、實用的方法；通過氨氮和總氮可以分別判斷水質(zhì)pH值變化趨勢以及水體的富營養(yǎng)化程度；通過葉綠素、藍綠藻可以判斷藻類滋生情況；由于該工程絕大部分的供水是生活用水，因此對重金屬鹽、油脂、毒性等參數(shù)更為關(guān)注。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作流程

水質(zhì)自動監(jiān)測站系統(tǒng)主要由監(jiān)測站房、儀表分析、輔助分析、測控、運行環(huán)境支持四部分組成。其中，儀表分析包括取水、配水、傳輸、預(yù)處理和分析儀表，輔助分析包括反吹清洗單元、除藻清洗單元和純水制備單元，測控包括控制器、主控計算機、通信設(shè)備和應(yīng)用軟件，運行環(huán)境支持包括電源、防雷、安全、超標報警等設(shè)備。

水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的工作流程可以分為四步：采集水樣、預(yù)處理、儀表分析、數(shù)據(jù)匯總(見圖1)。

圖1 系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)

3.1 采水單元

3.1.1 采水環(huán)境

采水點一般選取在水流平緩、水質(zhì)穩(wěn)定且方便取水的位置，取水處需采取防淤積、防雜物、防堵塞、防凍結(jié)、防冰凌、防曬等措施；為保證采水管路暢通，采水周期結(jié)束后應(yīng)自動沖洗取樣管道，并定期清除管道內(nèi)的藻類。該項目中，因輸水工程進口位置采用三層閘門取水的方式，針對這種情況，在三層閘門的高程上各設(shè)置一個采水點，春、夏、秋三季使用，以便監(jiān)測三個高度的水質(zhì)情況，指導(dǎo)不同閘門的開啟，取不同高程的優(yōu)質(zhì)水。

3.1.2 采水設(shè)備與特點

采用雙泵(雙管路)交替式采水方式，可以滿足實時不間斷監(jiān)測的要求，交替工作時間可以為周，也可以為天，同時可以保證站房的進水壓力和流速流量達到整個系統(tǒng)全部儀器的要求；并且當一路出現(xiàn)故障時，通過在采水單元中設(shè)置的壓力流量監(jiān)控裝置PLC及時切斷該水泵的電源以避免電機空轉(zhuǎn)而損壞，同時在此次采水過程中能夠自動切換到另一路進行工作，保證整個系統(tǒng)的正常運行。從取樣泵到儀器間的水管視其長度選用合適管徑以減少管路阻力。采樣管前端水面部分采用磐石膠管。后端采水管道采用UPVC管，彎曲部分安裝導(dǎo)向部件避免軟管彎折影響水流。采水管路安裝保溫套管進行絕熱處理，減少環(huán)境溫度等因素對水樣的影響，并使對測定項目監(jiān)測結(jié)果的影響最小。

3.2 預(yù)處理單元

根據(jù)儀器對水樣的要求，水樣進入站房后分為兩部分：一部分水樣按照最短取水距離原則不經(jīng)過任何預(yù)處理，直接送入五參數(shù)自動監(jiān)測儀測量池中；五參數(shù)測量的安裝遵循與水體距離最近的原則，池內(nèi)保證水流穩(wěn)定持續(xù)，水位恒定。系統(tǒng)停止時流通池內(nèi)存有余水，保持電極濕潤。水樣的其余部分被送入沉沙池，靜置沉淀后對水樣進行預(yù)處理，使各儀器可以從各自專門的過濾裝置中取樣，且過濾后的水質(zhì)不改變水樣的代表性。

預(yù)處理單元的主要設(shè)備有多級精密過濾器、清洗裝置和鈦合金過濾棒。

3.2.1 多級精密過濾器

多級精密過濾器為內(nèi)外嵌套式安裝的兩個不銹鋼水箱，采用多級過濾與相對自然沉降(超聲波換能器保證水樣相對自然沉降)河流水樣沿采水管路從底部直接進入不銹鋼水箱，水箱上方有直徑60mm溢流管，水樣中的表面懸浮雜質(zhì)直接通過溢流管溢流出水箱，水樣通過除油除雜的油水分離濾膜滲透到內(nèi)部小型不銹鋼水箱內(nèi)，通過蠕動泵工作直接將過濾后的水樣吸出，直接供給分析儀器使用，保證水樣的實時性。

3.2.2 清洗裝置

清洗裝置內(nèi)部配有進口空氣泵，在水樣進入箱體的同時對過濾膜進行不間斷的氣吹，使附著在濾膜表面的雜質(zhì)脫離濾膜，一部分小密度的雜質(zhì)會漂浮起來隨水流直接從溢流口排出，而一部分大密度的雜質(zhì)則直接沉積在箱體的底部，通過箱體底部定時自動打開的電磁閥門排出箱體。

3.2.3 鈦合金過濾棒

根據(jù)不同地區(qū)、不同水質(zhì)情況，充分考慮系統(tǒng)維護的方便，在膜法精密過濾器的基礎(chǔ)之上，標準配備兩個鈦合金過濾棒，兩個過濾棒的過濾目數(shù)不同，可以充分適應(yīng)不同的水質(zhì)情況，而且過濾膜、鈦合金過濾棒的螺紋旋接處為同一口徑，可以方便更換。

3.3 功能輔助單元

功能輔助單元可為水樣的采集和預(yù)處理在功能實現(xiàn)上提供必要的輔助，也是不可缺少的一部分。其中包括清洗除藻、空氣壓縮、反沖洗水、廢液處理四個單元。

3.3.1 清洗除藻

取水系統(tǒng)長期使用過程中管路中會有藻類等滋生，從而對測試參數(shù)產(chǎn)生影響，系統(tǒng)運行時會自動利用脈沖高壓水氣混合液完成對管道的沖刷，能夠有效殺死管道中的藻類，減少管壁積藻現(xiàn)象。此外系統(tǒng)設(shè)計了專門的手動控制除藻旋鈕，以便于添加除藻劑除藻。開啟手動除藻按鈕，系統(tǒng)會按設(shè)定好的程序抽取除藻劑開始執(zhí)行除藻過程，除藻完成后用清水清洗系統(tǒng)，防止除藻劑殘留。

除了采用高壓清潔水反沖洗之外，還要定期對在線系統(tǒng)殺菌除藻。為此配置在線除泥沙裝置和滅藻清洗裝置。系統(tǒng)將定時用硼酸(適用于pH大于7的水體)或次氯酸鈉(適用于pH小于7的水體)對采水管路進行清洗，殺菌除藻，有效防止輸水管路中的藻類滋生。在多個自動站的使用表明，采用可靠高效的自動殺菌除藻裝置、經(jīng)濟實用的除藻劑，定期對在線系統(tǒng)進行殺菌除藻非常有效。系統(tǒng)用化學(xué)試劑清洗管道后還使用大量清水對管道進行漂洗，采水時管道中沒有殘存藥液，不會影響項目的監(jiān)測。

系統(tǒng)反沖清洗操作，可根據(jù)季節(jié)不同，藻類滋生情況不同，通過現(xiàn)場或遠程進行自動或手動控制。保證每個測量周期對整體系統(tǒng)進行清洗。沖洗水不會對監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生影響且不對環(huán)境造成二次污染，設(shè)計中不使用對環(huán)境產(chǎn)生污染的清洗方法。

3.3.2 空氣壓縮

空壓機為無油型，不會對分析結(jié)果造成影響，且體積小，噪聲小，工作穩(wěn)定可靠，能夠屏蔽噪聲(<55db)?？諝鈮嚎s單元的氣源主要依靠設(shè)備中的空氣壓縮機及減壓過濾二聯(lián)件等設(shè)備來提供。

a.清洗單元的供氣。在清洗水流中自動加入壓縮空氣，可以在水中產(chǎn)生大量的氣泡，氣泡破裂的沖擊和剝離效應(yīng)，可以提高對管壁積藻的清除效果。

b.輸送過程的供氣。由于電磁閥在一定條件下會出現(xiàn)密封性不良的狀況，因此系統(tǒng)在一些關(guān)鍵部分采用氣動閥來替代電磁閥，由空氣單元提供氣動閥的驅(qū)動，提高了系統(tǒng)的可靠性，并保證水站系統(tǒng)自動控制的正常運行。

c.其他單元的供氣?？諝鈫卧蔡峁┫到y(tǒng)其他重要組件的一些氣動部件的驅(qū)動。

3.3.3 反沖洗水

反沖洗水系統(tǒng)，需保證反沖洗水系統(tǒng)達到飲用水水質(zhì)標準，有足夠的流量(1t/h)，且壓力可長期維持在0.2MPa以上，用于系統(tǒng)的正常清洗及冷卻、制水，且自來水系統(tǒng)應(yīng)保證可連續(xù)供應(yīng)。由于現(xiàn)場沒有自來水，又不具備打井條件，只能采用取水點的水。采用井水供水要設(shè)計水箱和水箱液位自動控制裝置；采用淺層地表水或井水供水水質(zhì)不合格的要另外設(shè)計水質(zhì)凈化裝置。

3.3.4 廢液處理

為了控制水源水的水質(zhì)良好狀態(tài)，保障人體健康，保護水源地生態(tài)環(huán)境，經(jīng)過預(yù)處理所產(chǎn)生的廢液不能隨意排放，該項目中以《污水綜合排放標準》(GB 8978—88)為基礎(chǔ)，對此項目儀器分析過程中產(chǎn)生的廢液進行合理的處理和回收。具體廢液處理方案如下：對儀器測量過程中產(chǎn)生的廢液設(shè)計獨立的收集系統(tǒng)，配備專用的廢液收集桶兩只，其中一只作備用。根據(jù)各儀器的監(jiān)測原理，設(shè)計專用的防腐蝕管路，通過三通閥與儀器廢液管路連接。在廢液收集桶均清空的情況下，儀器分析過程中產(chǎn)生的廢液將由系統(tǒng)廢液管路，通過防腐蝕管路，流入1號廢液桶中。1號廢液桶內(nèi)安裝液位感測器，當廢液到達一定液面后，液位感測器產(chǎn)生一個反饋信號，傳送給PLC，同時報警。若1號廢液桶的廢液無法及時排空，此時，PLC系統(tǒng)將在預(yù)設(shè)時間內(nèi)，控制2號廢液桶閥門打開，自動轉(zhuǎn)用備用廢液收集桶收集廢液，以防止廢液過滿溢出桶外，造成污染。

儀器分析產(chǎn)生的廢液收集完畢后，將有專人定期將廢液送往有關(guān)部門進行集中處理，確保不對水源水產(chǎn)生任何影響。有毒有害廢液將用專用收集裝置，收集后集中處理。

各站廢液排放量見表2。

表2 各站廢液排放量

4 水質(zhì)參數(shù)分析系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)儀器基本功能

a.應(yīng)具有儀器基本參數(shù)貯存、斷電保護與自動恢復(fù)功能。

b.應(yīng)具有時間設(shè)置功能，可根據(jù)需要任意設(shè)定監(jiān)測頻次。

c.應(yīng)具有儀器故障自動報警、異常值自動報警及試劑液位報警功能。

d.應(yīng)具有自動清洗功能。

e.應(yīng)具有密封防護箱體及防潮功能。

f.輸出信號采用4-20mA、RS485和MODBUS標準接口，并提供接口協(xié)議。

g.儀器能存儲3個月以上分析數(shù)據(jù)。

4.2 系統(tǒng)儀器具體參數(shù)

經(jīng)預(yù)處理后的合格水樣被送至各類分析儀表的測量池進行分析，該項目大伙房站主要采用的分析設(shè)備見表3。

表3 水質(zhì)分析儀及測量參數(shù)

上述分析儀表均配有I/O輸出或通信接口，參數(shù)測量完畢后直接傳輸至工業(yè)控制計算機，經(jīng)輸水工程原有的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至主監(jiān)控中心，網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)庫、軟件系統(tǒng)均為常規(guī)配置，本文不再贅述。

5 數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)由一臺工業(yè)控制計算機、觸摸液晶顯示器、環(huán)保在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及必要的電源、運傳模塊等組成。

數(shù)據(jù)采集與傳輸如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集及傳輸拓撲示意圖

6 控制單元

水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)采用可編程控制器(PLC)執(zhí)行現(xiàn)場取水配水等控制動作過程，可以方便地實施對取水配水管路系統(tǒng)、開關(guān)量等的控制，通過與現(xiàn)場數(shù)據(jù)終端之間的通訊，接收相應(yīng)指令，控制相關(guān)的水質(zhì)監(jiān)測儀表對水質(zhì)參數(shù)的采樣頻率及輔助清洗校正等，具有很高的可靠性。

監(jiān)測基站管理軟件主要以各監(jiān)測站的水質(zhì)、系統(tǒng)狀態(tài)等采集數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，以數(shù)據(jù)有效性分析處理、遠程監(jiān)控及綜合信息化管理等為目標，提高和改善水環(huán)境監(jiān)測信息化管理水平，進而推進水環(huán)境監(jiān)測管理信息化、現(xiàn)代化，并可為未來構(gòu)建水域環(huán)境監(jiān)測信息網(wǎng)絡(luò)提供基礎(chǔ)平臺。

7 輔助設(shè)備設(shè)施

7.1 輔助設(shè)備

輔助設(shè)備包括交流穩(wěn)壓電源、電源系統(tǒng)、除濕機、空調(diào)、電暖器、無油空壓機、電鍋爐、溫濕度傳感器、辦公桌椅等。

7.2 機柜

采用一體式標準工業(yè)機柜式安裝方式，每個儀表單獨一個機柜，數(shù)據(jù)采集單元與控制單元單獨為一個機柜。正面設(shè)計成單開鋼化玻璃門，并且在每個柜子的后面設(shè)置了雙開門，為儀器以后的安裝調(diào)試及運行維護提供方便。

7.3 防雷單元

采用四級電源防雷設(shè)計，一級防雷在電源外線引入處(進戶主配電箱)，二級防雷在各分配電箱處，三級防雷在穩(wěn)壓電源輸出處，四級防雷在UPS輸出處。

8 結(jié) 語

隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，近些年國內(nèi)長距離輸配水工程逐漸增多。從引黃工程開始該類工程的建設(shè)距今只有二三十年的時間，還遠未達到成熟應(yīng)用的階段。由于輸送的是原水且無水凈化處理工藝，對水質(zhì)參數(shù)的關(guān)注度不高，通常水質(zhì)在Ⅱ類以上很少進行水質(zhì)監(jiān)測，大型的水質(zhì)監(jiān)測站更是鳳毛麟角。大伙房水庫輸水工程水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)全自動實時采集水質(zhì)數(shù)據(jù)，除供監(jiān)控中心分析、凈水廠調(diào)度參考外，還為工程管理人員了解管道內(nèi)藻類滋生情況、加氯系統(tǒng)加藥量的控制提供了重要的科學(xué)依據(jù)。

9 建 議

為了水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)能準確及時的監(jiān)測數(shù)據(jù)，應(yīng)做好以下幾個方面：

a.專業(yè)技術(shù)人員的保證。要有能隨時解決發(fā)現(xiàn)的問題的專業(yè)技術(shù)人員，能保證自動監(jiān)測系統(tǒng)的正常運行。

b.質(zhì)量保證與質(zhì)量控制。日常采取的質(zhì)量控制措施包括定期校準、質(zhì)控樣檢查、比對實驗驗證、試劑有效性檢查及數(shù)據(jù)審核等方法，保證數(shù)據(jù)的有效性。

[1] 陳家軍,楊衛(wèi)國,尹洧.水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代儀器,2007(6):62-65.

[2] 匡科,袁永欽,胡躍華.西江水源水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建[J].中國給水排水,2011(9)：1-4.

[3] 鄭丹萍,張峰,梁亮.水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)在大型飲用水庫中的應(yīng)用[J].水資源保護,2009(10):145-147.

[4] 王佐漢，賈輝，許佳.水質(zhì)在線自動監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能、應(yīng)用過程中遇到的難題及解決方案，在河流域水域監(jiān)測方面重大意義[J].水利建設(shè)與管理,2010,30(8):51-52.

Application of water quality monitoring system in long-distance water delivery and distribution projects

SUN Bensheng

(LiaoningRunzhongWaterSupplyCo.,Ltd.,Shenyang110166,China)

In the paper, a key water delivery and distribution project in Liaoning Province is adopted as an example.The construction of water quality monitoring system is introduced systematically.The selection of monitoring parameters in collection stations and design plans of functional units are mainly described, including automatic extraction, pretreatment of water samples, etc.They are worthy of reference for similar projects.

water delivery and distribution project; water quality monitoring; water sample treatment

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2017.05.016

TU991.3

B

1005-4774(2017)05-0058-06