水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站建設(shè)和運(yùn)行中冬季抗寒技術(shù)研究

李歆琰饒凱鋒孫麗羅毅李治國(guó)韓麗君

(1.河北省生態(tài)環(huán)境保護(hù)技術(shù)服務(wù)中心，河北 石家莊 050000；2.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京100000；3.河北省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，河北 石家莊 050037；4.石家莊市環(huán)境監(jiān)控中心,河北 石家莊 050000)

引言

河北省地處我國(guó)東部沿海，氣候?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明。長(zhǎng)城是河北省氣溫分布的重要界限，長(zhǎng)城以南地區(qū)年平均氣溫高于10℃，長(zhǎng)城以北低于10℃。長(zhǎng)城以北冬季(11月—第2年2月)濕冷，冷空氣影響頻繁，普遍低溫，極端天氣情況下氣溫可低至-30℃。因此河北省北部地區(qū)水質(zhì)自動(dòng)站尤其是極寒地區(qū)的水質(zhì)自動(dòng)站，普遍面臨冬季停站的問題，對(duì)冬季水環(huán)境質(zhì)量管理造成了現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)與困難。針對(duì)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站在建設(shè)和運(yùn)行過程中抗寒的技術(shù)瓶頸問題，采用溫控動(dòng)環(huán)智能監(jiān)控系統(tǒng)、綠色智慧太陽(yáng)能供暖，結(jié)合采排水設(shè)施防凍等先進(jìn)技術(shù)和措施，保證了河北省北部極寒地區(qū)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站有效業(yè)務(wù)化運(yùn)行，解決了河北省北部地區(qū)冬季水站抗寒運(yùn)行的難題。該技術(shù)為我國(guó)北方冬季水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站運(yùn)行提供了有效示范，保證了水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站在冬季極寒條件下正常穩(wěn)定有效運(yùn)行，提升了北方地區(qū)冬季水環(huán)境質(zhì)量管理水平，保障了北方地區(qū)冬季水環(huán)境安全。

1 優(yōu)化水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站建設(shè)期的抗寒技術(shù)

為應(yīng)對(duì)河北省北部地區(qū)冬季極寒條件，水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站在建設(shè)期應(yīng)針對(duì)站房保溫、采排水保溫采取有效保障措施，從而保證水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站在冬季極寒條件下正常穩(wěn)定有效運(yùn)行。

1.1 優(yōu)化站房建設(shè)的保溫措施

河北省北部極寒地區(qū)水質(zhì)自動(dòng)站站房一般為固定式水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站站房和一體式水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站站房2種類型。

1.1.1 固定式水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站站房保溫措施

固定式站房建設(shè)一般采用磚混結(jié)構(gòu)，為應(yīng)對(duì)北方冬季低溫，站房通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，外墻布設(shè)保溫層；站房?jī)x器間內(nèi)配備空調(diào)和暖氣等采暖設(shè)備，進(jìn)行室內(nèi)加熱保暖。按照《地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ 915-2017)，站房?jī)?nèi)溫度控制在18～28℃，濕度控制在60%以內(nèi)，滿足儀器設(shè)備運(yùn)行要求，保證冬季低溫條件下在線監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備和系統(tǒng)的正常運(yùn)行?？照{(diào)應(yīng)具有來電自動(dòng)復(fù)位功能，以保證來電后儀器設(shè)備的及時(shí)啟動(dòng)。

1.1.2 一體式水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站站房保溫措施

1.1.2.1 優(yōu)化站房材質(zhì)和結(jié)構(gòu)

一體式水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站站房由于站房?jī)?nèi)部只有儀器室和質(zhì)控室功能區(qū)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，更需嚴(yán)格的保溫措施保證穩(wěn)定的室內(nèi)溫度。一體式站房采用一體化設(shè)計(jì)，應(yīng)優(yōu)化用材標(biāo)準(zhǔn)、提高材質(zhì)厚度和內(nèi)置保溫芯材等措施，結(jié)合室內(nèi)加熱裝置(空調(diào)、暖氣)綜合達(dá)到保溫、隔熱效果。

為消除河北省北部地區(qū)冬季極寒天氣期間(最低氣溫-30oC)對(duì)在線監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備和系統(tǒng)運(yùn)行的不良影響，一體式水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站站房的墻體材料推薦用樹脂基玻璃纖維保溫板或其他新型復(fù)合材料，總厚度不小于70mm，具備保溫、隔熱、防風(fēng)、防雨、防曬、防腐、防滲漏、防火、節(jié)能等功能。

結(jié)構(gòu)可采取隔層雙重加厚工藝，將雙層新型保溫芯材置于主結(jié)構(gòu)H型鋼兩側(cè)，使H型鋼中間形成足夠厚度與體積的空氣夾層增加冬季保暖功能；站房?jī)?nèi)配置超低溫運(yùn)行空調(diào)與電熱暖氣片結(jié)合供暖的方式有效降低溫度損耗，使之與站房的智能化環(huán)境溫控結(jié)合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控溫，以上措施達(dá)到保暖保溫的效果，保證冬季低溫條件下站房?jī)?nèi)部環(huán)境工況(溫度在18～28℃，濕度在60%以內(nèi))能夠滿足監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備和系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1.1.2.2 溫控動(dòng)環(huán)智能監(jiān)控系統(tǒng)

站房保溫可通過外延保溫設(shè)施集成暖通安防、供電照明、給排水、環(huán)境參數(shù)傳感器，將站房溫控、安防等功能集成一體化，建設(shè)實(shí)現(xiàn)站房?jī)?nèi)環(huán)境參數(shù)統(tǒng)一自動(dòng)控制動(dòng)環(huán)智能監(jiān)控系統(tǒng)。

1.1.2.3 綠色智慧太陽(yáng)能供暖

河北省北部地區(qū)是太陽(yáng)能較豐富的地區(qū)，可采用綠色智慧太陽(yáng)能電輔供暖系統(tǒng)進(jìn)行站房供暖。綠色智慧太陽(yáng)能電輔供暖系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱器、儲(chǔ)熱水箱、連接管路、散熱部件及電輔助熱源、控制系統(tǒng)組成。通過智能集成軟件集成自動(dòng)控制動(dòng)環(huán)智能監(jiān)控系統(tǒng)，統(tǒng)一控制環(huán)境參數(shù)，自動(dòng)啟用太陽(yáng)能或電加熱供暖系統(tǒng)。

1.2 優(yōu)化采排水單元建設(shè)的保溫措施

1.2.1 優(yōu)化管路材質(zhì)

采排水管路應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，耐-5～60℃的溫度范圍，有良好的耐惡劣氣候性，不裂縫，高耐壓，可以承受內(nèi)壓和外載荷，具有極好的化學(xué)穩(wěn)定性，耐磨耗和耐油性強(qiáng)，內(nèi)徑不小于25mm，外徑不小于33mm，可采用軟質(zhì)聚氯乙烯或更優(yōu)材質(zhì)，加強(qiáng)材料采用聚酯絲或更優(yōu)材質(zhì)?？筛鶕?jù)保溫層材料、保護(hù)層材料以及不同環(huán)境條件和要求，選擇不同的保溫結(jié)構(gòu)。保溫結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、易于維修，應(yīng)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度以防止壓力損壞，并擁有良好的防水性能等。

1.2.2 采排水防凍措施

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的采排水管路位于站房外，分為過水段管路和陸上段管路，管路應(yīng)盡量設(shè)在冰凍線以下，同時(shí)管路應(yīng)加大坡度[1]，利于采排水管路排空，減少管路內(nèi)凍結(jié)風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.2.1 采水管路過水段防凍措施

河北省北部地區(qū)地表水冬季冰凍層可達(dá)80cm左右，凍土層可達(dá)75cm左右，采水泵或采水頭布設(shè)在水面冰凍層以下，采水管道經(jīng)過水體段也應(yīng)在冰凍層以下。采水浮臺(tái)增設(shè)加溫裝置，防止浮臺(tái)處水體結(jié)冰，保證冬季結(jié)冰期采水浮臺(tái)及采水泵的正常運(yùn)行；在采水管道經(jīng)過水面冰凍層的一段，應(yīng)安裝伴熱帶(自限熱14mm)。

1.2.2.2 采排水管路陸上段防凍措施

采排水管路陸上段布設(shè)分為地面段和埋地段。地面段管路通過外層敷設(shè)伴熱帶(自限熱14mm)和保溫棉(橡塑保溫管)實(shí)現(xiàn)保溫和防凍功能；埋地段管路通過將采排水管、線等預(yù)埋地段管路敷設(shè)于凍土層之下，確保采排水管路中的水不會(huì)產(chǎn)生凍結(jié)狀況[2]，從而對(duì)管路起到防凍作用。也可采用排空方式，同時(shí)安裝具有良好防水性能的電加熱保溫層，以有效解決采排水管路陸上段凍結(jié)的問題。

2 優(yōu)化水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站運(yùn)行期冬季抗寒技術(shù)

在極寒條件下開展水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站運(yùn)行維護(hù)，對(duì)站房保溫、采排水保溫提供有效保障措施，是保證水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站在河北省北部地區(qū)冬季極寒條件下正常穩(wěn)定有效運(yùn)行的必要條件之一。

2.1 加強(qiáng)冬季站房保溫設(shè)施維護(hù)

2.1.1 加強(qiáng)采暖保溫設(shè)施運(yùn)維力度

冬季來臨前開展專項(xiàng)的站房保溫系統(tǒng)的隱患排查，對(duì)空調(diào)、加熱設(shè)備等運(yùn)行不正常的設(shè)施及時(shí)維修更換。同時(shí)關(guān)注站房動(dòng)環(huán)系統(tǒng)的溫控情況，一旦出現(xiàn)低于18oC的情況，應(yīng)及時(shí)響應(yīng)，迅速排查低溫原因，解決隱患問題，確保站房保溫設(shè)施運(yùn)行安全。

2.1.2 完善冬季應(yīng)急預(yù)案，提高應(yīng)急處置能力

運(yùn)維單位應(yīng)針對(duì)冬季水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站運(yùn)行特點(diǎn)，做好應(yīng)急預(yù)案，提前準(zhǔn)備冬季凍結(jié)應(yīng)急搶修物資及材料，提高水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站恢復(fù)運(yùn)行搶修的反應(yīng)速度，對(duì)出現(xiàn)的站房低溫情況，做到快速響應(yīng)、及時(shí)搶修，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

2.2 加強(qiáng)采排水保溫設(shè)施維護(hù)

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站采排水建設(shè)環(huán)節(jié)的保溫措施固然十分重要，但采排水維護(hù)也是不容忽視的，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的安全、保溫效果以及使用壽命等問題，因此對(duì)采排水應(yīng)進(jìn)行定期檢查。

其中，生物預(yù)警水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站為連續(xù)性采排水，管道中的水是連續(xù)性流動(dòng)的，由于散熱損失的存在，水的溫度沿流程逐漸降低。在有限的管道長(zhǎng)度內(nèi)，在正常的散熱損失情況下，通常水的溫度不至于降低到水的凝固點(diǎn)或冰點(diǎn)，相對(duì)常規(guī)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的采排水不易凍結(jié)。

常規(guī)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站為間歇式采排水，采排水管道中水停止流動(dòng)時(shí)，由于水得不到熱量的補(bǔ)充，溫度就有可能降至凝固點(diǎn)或冰點(diǎn)，甚至更低，從而發(fā)生凍結(jié)，輕則堵塞管道，重則導(dǎo)致管道破裂。通常管內(nèi)水凍結(jié)時(shí)，緊靠管內(nèi)壁的水開始凍結(jié)，圓形管道中凍結(jié)的冰沿管壁呈環(huán)狀，然后逐漸增加凍結(jié)層厚度，直至凍結(jié)到管中心而堵塞管道。此時(shí)，就需要考慮在水停止流動(dòng)期間管道是否會(huì)凍結(jié)，并采取相應(yīng)措施[3]。水管泄空是防凍的最好措施，但是水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站為間歇式采排水，無法做到全部持續(xù)泄空，當(dāng)氣溫低至保溫措施仍然解決不了防凍問題時(shí)，可以考慮采排水管路維持管內(nèi)微小流速，其開啟程度與管徑、氣溫及水溫有關(guān)，水不至于凍結(jié)即可。

同時(shí)，每年應(yīng)對(duì)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站采排水進(jìn)行定期檢查，特別在冬季來臨前開展專項(xiàng)隱患排查，主要針對(duì)采水設(shè)施和采排水管線保溫系統(tǒng)，特別是加強(qiáng)采配水保溫電伴熱的維護(hù)，及時(shí)更換運(yùn)行不正常的伴熱帶，對(duì)保溫層缺失的外露管路完成防腐和保溫等防護(hù)措施，保障管路采配水能力。在每次排除故障修復(fù)之后對(duì)故障回路進(jìn)行預(yù)防性檢查。檢查的內(nèi)容主要包括：防護(hù)層，檢查所有伴熱帶保溫材料外部的防護(hù)層有無損傷，防護(hù)鋁皮接縫處的密封硅膠是否完好，保溫層有無松動(dòng)和脫落，當(dāng)有以上情況發(fā)生時(shí)，需進(jìn)行修理和換新，因?yàn)楸夭牧系奈軓?qiáng)，受潮時(shí)會(huì)使伴熱帶接線盒處的絕緣性降低，使維持溫度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，因此一定要保證保溫層的干燥，如果發(fā)現(xiàn)保溫層有損壞，要及時(shí)檢查其附近伴熱帶的情況，更換受潮的保溫材料，敷好保溫層，并加上密封；電源接線盒，檢查所有的接線盒，同時(shí)檢查撬內(nèi)各套管上的接線點(diǎn)和溫控器是否受到腐蝕和潮氣的侵蝕[4]。

3 案例分析

2022年，河北省在冬奧會(huì)賽區(qū)水源地建成云州水庫(kù)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)多層級(jí)生物預(yù)警智能監(jiān)測(cè)站，有效保障了冬奧會(huì)賽區(qū)水質(zhì)安全，進(jìn)一步完善了冬奧會(huì)賽區(qū)及周邊水環(huán)境預(yù)警及應(yīng)急監(jiān)測(cè)能力，高質(zhì)量推進(jìn)了冬奧會(huì)籌辦工作。

冬奧會(huì)期間奧運(yùn)賽區(qū)氣溫可低至-20℃，保證在冬季極寒條件下云州水庫(kù)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)多層級(jí)生物預(yù)警智能監(jiān)測(cè)站的正常運(yùn)行，是保障冬奧會(huì)水環(huán)境安全重要條件之一。因此，生物預(yù)警智能監(jiān)測(cè)站在冬季極寒條件下保溫技術(shù)的工程化研究應(yīng)用具有迫切的現(xiàn)實(shí)需求和重要的政治意義。

3.1 一體式水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站智能方艙站房

云州水庫(kù)位于赤城縣縣城以北20km遠(yuǎn)的云州鄉(xiāng)舍身崖山峽處，壩址以上河流分為2支，東支發(fā)源于沽源縣九龍泉，西支發(fā)源于崇禮區(qū)威遠(yuǎn)門，水庫(kù)總庫(kù)容1.02億m3。該水站位于赤城縣云州水庫(kù)一號(hào)泵站院內(nèi)。站房整體采用鋼結(jié)構(gòu)焊接，內(nèi)部為凈化彩鋼結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為Q235B鋼材，外部采用金屬雕花板裝飾，滿足《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB 51022)的要求。凈化彩鋼板采用厚度不小于0.5mm彩鋼板，板材傳熱系數(shù)為0.38kcal·m-2·h-1·℃-1，保溫層采用阻燃保溫材料(中間保溫層為巖棉),保溫效果優(yōu)良；保溫層厚度不小于10cm，采用保溫防火材質(zhì)，窗戶為雙層密封結(jié)構(gòu)，確保站房?jī)?nèi)溫度控制在18～28℃。

3.2 采排水單元保溫研究與工程化措施

3.2.1 采樣泵

該水站取水采用潛水泵，雙泵雙管路設(shè)計(jì)，一用一備、交替使用。在控制系統(tǒng)中設(shè)置自動(dòng)診斷泵、管路故障以及自動(dòng)切換泵、管路功能，滿足實(shí)時(shí)不間斷監(jiān)測(cè)的要求。

3.2.2 采水管路布設(shè)

為了防止冬季潛水泵停止抽水后采水管路中有水樣存留，采水管設(shè)置具有一定比降利于自動(dòng)排空。存留在管路中的水可利用自身的比降自動(dòng)排空，在一定程度上起到防凍的作用。同時(shí)為了防止泥沙和水草等阻塞水泵和管路，在抽水泵的外部套上一個(gè)格柵防護(hù)網(wǎng)。采用加壓自來水對(duì)管道和潛水泵中積淀的泥沙和滋生的水藻定時(shí)進(jìn)行逆向沖洗，必要時(shí)投放殺藻劑。采水管全程采用優(yōu)質(zhì)PE管，避免對(duì)水樣產(chǎn)生污染。管路與泵連接處采用強(qiáng)壓蝶式卡頭固定，不易脫落；同時(shí)易于維修拆卸和更換。采水管線縱切面示意圖、橫切面示意圖見圖1、圖2。

圖1 采水管線縱切面示意圖

圖2 采水管線橫切面示意圖

在云州水庫(kù)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)多層級(jí)生物預(yù)警站的建設(shè)和運(yùn)行過程中，采用了具有智能動(dòng)環(huán)系統(tǒng)的一體化方艙站房，結(jié)合采排水設(shè)施防凍等先進(jìn)技術(shù)和措施，保證了該水站的有效業(yè)務(wù)化運(yùn)行，解決了河北省北部地區(qū)冬天水站被動(dòng)停站難題，為我國(guó)北方冬季水質(zhì)生物預(yù)警站及常規(guī)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站運(yùn)行提供了有效示范。

4 結(jié)論和建議

在節(jié)能環(huán)保的前提下，針對(duì)站房保溫、采排水保溫提出的有效保障措施，可有效保證水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站在冬季極寒條件下正常穩(wěn)定有效運(yùn)行；提出的冬季抗寒技術(shù)可有效提高冬季水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的抗寒能力，為我國(guó)北方各地水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站在冬季極寒條件下的運(yùn)行維護(hù)提供積極的示范性指導(dǎo)建議。