地下水污染物遷移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

仝兆景，張 科，時(shí)俊嶺，賈元亨

(1.河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院；2.河南理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，河南 焦作 454000)

0 引言

地下水質(zhì)量與人類身體健康關(guān)系密切[1]。隨著人口數(shù)量的增多和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，產(chǎn)生了大量工業(yè)污水與生活垃圾，其未經(jīng)處理直接排放，滲透入地下水導(dǎo)致地下水污染[2-5]。目前，全國(guó)水利(水文)部門共有地下水監(jiān)測(cè)站24 515處，其中基本監(jiān)測(cè)站12 859處(10%左右兼有水質(zhì)監(jiān)測(cè)任務(wù))[6-8]。當(dāng)前地下水監(jiān)測(cè)工作雖然已取得了一定進(jìn)展，但我國(guó)地下水監(jiān)測(cè)與管理總體仍比較薄弱，隨著全球氣候的頻繁變化，水資源條件也不斷變化，導(dǎo)致地下水監(jiān)測(cè)工作遇到很多新問(wèn)題，如地下水監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布局不合理且站網(wǎng)密度總體偏低、農(nóng)村城鎮(zhèn)等地區(qū)監(jiān)管不足、監(jiān)測(cè)技術(shù)手段落后、信息分析服務(wù)能力弱、法規(guī)保障機(jī)制不健全等[9-11]。同時(shí)，傳統(tǒng)地下水污染監(jiān)測(cè)采用單點(diǎn)抽測(cè)方法，投入了較多人力與時(shí)間成本，自動(dòng)化程度低下，無(wú)法迅速進(jìn)行直觀、連續(xù)的地下污染物遷移趨勢(shì)分析[12]。因此，在基本掌握地下水儲(chǔ)存與分布特征的基礎(chǔ)上，建立地下水長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，以提高系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)能力，加強(qiáng)信息服務(wù)。同時(shí)，開(kāi)展基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)研究，對(duì)地下水資源進(jìn)行保護(hù)與合理利用，以實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用，從而促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[13-14]。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文基于虛擬儀器技術(shù)，以數(shù)據(jù)采集卡為核心，設(shè)計(jì)地下水污染物遷移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)多點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)多種污染物離子濃度，分析得出污染物遷移規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)地下水污染物的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與預(yù)警。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)總體框架

1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括3部分：傳感器選型、調(diào)理電路設(shè)計(jì)、采集卡選型。選用的離子選擇性電極[15]參數(shù)如表1所示。系統(tǒng)以O(shè)P07芯片作為運(yùn)算放大核心，設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路[16]。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連續(xù)采集多路電極電信號(hào)，考慮到未來(lái)的擴(kuò)展，設(shè)計(jì)選擇研華PCI-1711U數(shù)據(jù)采集卡[17]，其具有PCI總線，以及轉(zhuǎn)換速度為100KHz的12位A/D轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)高速、高效的數(shù)據(jù)采集與處理[18-20]。

表1 離子選擇性電極參數(shù)

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括操作界面、監(jiān)測(cè)顯示區(qū)域、后臺(tái)管理3部分，根據(jù)采集卡自動(dòng)連續(xù)采集到的污染物離子濃度，通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信號(hào)處理、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析以及報(bào)告輸出功能。

圖2 系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上下限監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警程序如圖3所示，本軟件模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)上下限的判斷，出現(xiàn)超過(guò)閾值的數(shù)據(jù)時(shí)則報(bào)警燈開(kāi)始閃爍，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)信息增加報(bào)警備注，便于后期查詢，從而為污染物的遷移趨勢(shì)分析提供數(shù)據(jù)支持。

圖3 上下限報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各通道數(shù)據(jù)報(bào)表打印部分模塊程序如圖4所示，當(dāng)按下打印按鈕時(shí)，通過(guò)布爾判斷獲取某通道報(bào)表輸出信號(hào)。報(bào)表的打印輸出包含了離子深度數(shù)據(jù)與波形。各通道數(shù)據(jù)采用局部變量節(jié)點(diǎn)，以方便引用與輸出。

圖4 通道數(shù)據(jù)報(bào)表輸出

2 系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)波形顯示如圖5所示，左側(cè)是參數(shù)設(shè)置界面，包括采樣時(shí)間及間隔、通道數(shù)、離子類型選擇，右側(cè)顯示濃度曲線、離子濃度上下限、監(jiān)測(cè)控制按鈕、打印報(bào)表輸出與退出系統(tǒng)按鈕。測(cè)試系統(tǒng)用布爾燈形式設(shè)計(jì)報(bào)警開(kāi)關(guān)，當(dāng)離子濃度高于上限、低于下限時(shí)報(bào)警亮燈，并在系統(tǒng)中作出數(shù)字標(biāo)記。本系統(tǒng)設(shè)置10個(gè)通道的波形顯示，便于后期擴(kuò)展。

圖5 數(shù)據(jù)顯示

系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)采集，將同一時(shí)刻離子濃度相同的點(diǎn)連接起來(lái)，擬合成圓滑曲線，根據(jù)時(shí)間變化能清晰描繪出污染物濃度變化趨勢(shì)，從而推測(cè)出污染物濃度分布，區(qū)域濃度如圖6所示。其中，超過(guò)上限的區(qū)域?yàn)橹虚g深色區(qū)域，低于下限的區(qū)域?yàn)檫吘墱\灰色區(qū)域。

圖6 區(qū)域濃度分布

3 結(jié)語(yǔ)

在國(guó)家對(duì)地下水污染日益重視的背景下，為更好地實(shí)施水污染物監(jiān)測(cè)預(yù)警，針對(duì)傳統(tǒng)地下水污染監(jiān)測(cè)采用單點(diǎn)抽測(cè)方法、自動(dòng)化程度低下等不足，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于LabVIEW的地下水污染物遷移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)能自動(dòng)、高效地監(jiān)測(cè)某一區(qū)域地下水污染物離子濃度，并作出污染物遷移趨勢(shì)分析，功能豐富且易于擴(kuò)展，在地下水監(jiān)測(cè)與環(huán)境監(jiān)測(cè)保護(hù)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。