涑水河水量水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

李國棟

（山西省水利發(fā)展中心，山西 太原 030002）

進(jìn)入21 世紀(jì)，隨著我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對水資源需求的日益增長，加之水資源利用效率低下，部分地區(qū)水生態(tài)持續(xù)惡化，水生態(tài)保護(hù)遭到嚴(yán)重挑戰(zhàn)。水量水質(zhì)監(jiān)測是水資源保護(hù)一項(xiàng)基礎(chǔ)工作，準(zhǔn)確可靠的水量水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)是水資源監(jiān)管與保護(hù)的重要證據(jù)[1-3]。2017 年8 月，為壓實(shí)相關(guān)涉水部門水生態(tài)管理職責(zé)，不斷改善優(yōu)化水量水質(zhì)，進(jìn)一步完善水環(huán)境管理手段，山西省河道與水庫技術(shù)中心擬對涑水河建設(shè)河流水量水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站。在此基礎(chǔ)上，為加強(qiáng)地表水河流在線水環(huán)境監(jiān)測硬件設(shè)施建設(shè)，強(qiáng)化水量水質(zhì)監(jiān)測智能化水平，建設(shè)在線水量水質(zhì)監(jiān)測站是提高水環(huán)境監(jiān)測能力的重要抓手[4]。在線水量水質(zhì)監(jiān)測站建成后，能夠在線采集水量水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)信息，為水環(huán)境污染防治提供重要的基礎(chǔ)支撐。

1 建設(shè)背景

涑水河發(fā)源于山西省運(yùn)城市絳縣陳村鎮(zhèn)陳村峪，于山西省永濟(jì)市韓陽鎮(zhèn)獨(dú)頭村流入黃河，屬于黃河重要支流，干流總長196.6 km，流域面積577.4 km2。作為山西省主要納污河流，污染嚴(yán)重，在2016 年水功能區(qū)評價(jià)中，7個(gè)參評水功能區(qū)有6個(gè)屬地表水劣Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。2016 年全省入河排污口調(diào)查結(jié)果顯示，涑水河干流主要入河排污口有8 個(gè)，廢污水入河總量35 Mt，占山西省全年入河污水總量的3.01%。涑水河上有入河排污口及大于100 km2支流口共9 個(gè)，經(jīng)實(shí)地初步調(diào)查，目前可建6 座在線水量水質(zhì)監(jiān)測站。監(jiān)測站監(jiān)測指標(biāo)包括流量、水溫、pH、電導(dǎo)率、溶解氧、濁度、COD、氨氮，總磷、總氮[5]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和主要功能

2.1 總體設(shè)計(jì)

涑水河水量水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路是現(xiàn)場自動(dòng)采集水量水質(zhì)信息，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至山西省水利數(shù)字中心，實(shí)現(xiàn)對涑水河的水量水質(zhì)監(jiān)測。該系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)思路是在涑水河上設(shè)置水量水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)位，對涑水河各支流入河口、入涑水河排污口及涑水河入黃河斷面的水量水質(zhì)進(jìn)行在線自動(dòng)監(jiān)測。

該系統(tǒng)由工作站房、儀表分析單元、采水系統(tǒng)、配水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、輔助設(shè)備、動(dòng)力設(shè)備、防雷擊設(shè)備等組成[6]。其中，儀表分析單元由五參數(shù)分析儀、氨氮分析儀、CODMn分析儀、總磷分析儀和總氮分析儀等組成；采水系統(tǒng)將采集的樣品預(yù)處理后供各分析儀表使用；系統(tǒng)泵閥和輔助設(shè)備由PLC 控制系統(tǒng)共同操作；各儀表數(shù)據(jù)通過RS232/485 接口由數(shù)采工控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸采用光纖和無線傳輸2種方式。

2.2 主要功能

涑水河水量水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)主要具有水量和水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測功能。

（1）水量自動(dòng)監(jiān)測。采用雷達(dá)液位計(jì)對涑水河進(jìn)行水位測定，通過水位流量關(guān)系率定來確定水量。

（2）水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測。按照地表水水質(zhì)監(jiān)測相關(guān)規(guī)范要求，結(jié)合山西省水質(zhì)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，涑水河水質(zhì)在線監(jiān)測指標(biāo)包括水溫、pH、電導(dǎo)率、溶解氧、濁度、COD、氨氮、總磷及總氮。各監(jiān)測站點(diǎn)水質(zhì)監(jiān)測項(xiàng)目，詳見表1。

表1 各監(jiān)測站點(diǎn)水質(zhì)監(jiān)測項(xiàng)目

3 系統(tǒng)組成及其功能

涑水河水量水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)主要包括采水系統(tǒng)、配水系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)、自潔系統(tǒng)、PLC 自控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3.1 采水系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)場情況，設(shè)計(jì)選用不銹鋼浮筒采水系統(tǒng)。該系統(tǒng)由不銹鋼浮筒、前級過濾設(shè)備、太陽能航標(biāo)燈、固定點(diǎn)和錨組成，設(shè)備簡單、安裝方便、成本低且易養(yǎng)護(hù)，能夠根據(jù)河道河勢情況自由選擇適用的方位，但是其抗河流沖擊能力較差。該系統(tǒng)選用國內(nèi)先進(jìn)的液位傳感器，根據(jù)取水點(diǎn)液位來判斷是否符合系統(tǒng)正常運(yùn)行的取水條件，若不滿足取水條件則停止采水并發(fā)出報(bào)警信號，以保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

3.2 配水系統(tǒng)

配水系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的采集水樣分配功能及管路清洗功能，它將采水系統(tǒng)采集到的水樣根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)配置的各種分析儀器要求的水質(zhì)、水壓、水量條件，采取相應(yīng)的處理措施后分配給各分析儀，同時(shí)對整個(gè)系統(tǒng)管路進(jìn)行定期清理，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定安全的工作。該系統(tǒng)主要由總體配水子單元、五參數(shù)配水子單元、自動(dòng)清洗子單元等組成，各子單元主要由配水管路、控制閥門、預(yù)處理部件、輔助設(shè)備等組成。

該系統(tǒng)整體上遵循了主管路之間相互串聯(lián)、各儀器單元之間并聯(lián)的設(shè)計(jì)思路，對管路干路設(shè)計(jì)有自由式充分過濾系統(tǒng)，對各儀器單元設(shè)計(jì)了相互獨(dú)立的預(yù)處理功能，一旦一個(gè)儀器單元發(fā)生問題，其余儀器單元仍然可以運(yùn)行。該系統(tǒng)具備智能化鑒別沖洗去除雜物功能，一個(gè)監(jiān)測工作周期完成后，可以自行將取水管線和配水管線清洗干凈。

3.3 預(yù)處理系統(tǒng)

預(yù)處理系統(tǒng)包含沉砂預(yù)處理及預(yù)過濾設(shè)備，具有自潔凈、自運(yùn)行功能。根據(jù)涑水河水質(zhì)監(jiān)測情況，專門安置沉砂預(yù)處理及預(yù)過濾設(shè)備，以降低水樣含有的泥沙對于水質(zhì)監(jiān)測的干擾和防止水樣中的泥沙對管路控制閥造成的損壞等。沉砂池整體設(shè)計(jì)為立方體，材質(zhì)選用PVC 板。精密過濾預(yù)處理單元與氨氮、總氮等分析儀配合使用，粗過濾預(yù)處理單元與鉛、鎘等重金屬檢測儀器和高錳酸鹽指數(shù)儀器組合使用。該系統(tǒng)根據(jù)每個(gè)儀表安裝有一一對應(yīng)的預(yù)處理單元，每個(gè)儀表從單獨(dú)對應(yīng)的預(yù)處理設(shè)施取樣，當(dāng)其中一個(gè)儀表無法運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其余儀表仍然可以穩(wěn)定運(yùn)行，不影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行。

3.4 自潔系統(tǒng)

自潔系統(tǒng)由采水、配水、五參數(shù)傳感器、儀表預(yù)處理等單元組成，清潔方法有臭氧去藻和水氣混洗2 種方式。水質(zhì)監(jiān)測所用的五參數(shù)監(jiān)測傳感器與分析儀表直接連接，用于隔開內(nèi)部自潔的水、氣體與分析儀表，以確保儀表正常運(yùn)轉(zhuǎn)。取水管道和系統(tǒng)清潔必須參照水氣-臭氧-水氣循環(huán)清洗的次序?qū)嵤?，便于臭氧氣體快速排出管道和系統(tǒng)，保證臭氧不會對儀表分析數(shù)據(jù)造成影響。各單元的采水管線和零部件實(shí)施臭氧去藻和水氣混洗，以降低涑水河水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)測誤差，保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

3.5 PLC自控系統(tǒng)

PLC 自控系統(tǒng)由工控機(jī)、可編程邏輯控制器、空氣開關(guān)、繼電器、接觸器、電源等組成。該系統(tǒng)利用可編程邏輯控制器，借助繼電器、接觸器，實(shí)現(xiàn)操作外部閥門設(shè)備功能；同時(shí)，利用工控機(jī)對整個(gè)系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)各類工作任務(wù)的控制和信息傳輸。各智能儀表利用模擬量的輸入、輸出與自控系統(tǒng)進(jìn)行相互信息的傳輸處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與儀表反控的功能。該系統(tǒng)根據(jù)提前設(shè)計(jì)的工作流程進(jìn)行系統(tǒng)采水配水操作，能夠監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行情況，同時(shí)按照整個(gè)系統(tǒng)工況條件修正系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平穩(wěn)安全運(yùn)行。

3.6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)采集傳感器搜集各類信息和數(shù)據(jù)，具備各類信息和數(shù)據(jù)在線整理、分析和計(jì)算的功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)各類采集傳感器或采集模塊操作。具體而言，該系統(tǒng)可以在要求的時(shí)間內(nèi)接收上級數(shù)據(jù)控制中心下發(fā)的工作指令完成各相關(guān)設(shè)備儀器的操作，如下發(fā)指令指揮傳感器采集信息的具體時(shí)間、信息傳輸方式、信息傳輸目的地。同時(shí)，該系統(tǒng)按照工作需要可以在線隨時(shí)監(jiān)視各類采集傳感器或采集模塊工作狀態(tài)，并將信息和數(shù)據(jù)傳輸給相關(guān)系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)使用效果

涑水河水量水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)以著力于提高水量水質(zhì)監(jiān)測信息化管理水平為目的，以精確量測、數(shù)據(jù)采集加工為基礎(chǔ)功能，結(jié)合實(shí)際業(yè)務(wù)需要和管理制度，堅(jiān)持實(shí)用化為導(dǎo)向，利用成熟、先進(jìn)的技術(shù)，采用可視化數(shù)據(jù)分析軟件，既可以監(jiān)測系統(tǒng)各項(xiàng)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，又可以幫助管理人員快速發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。通過系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工實(shí)際觀測數(shù)據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn)，兩者一致性達(dá)到99.5%，實(shí)踐證明系統(tǒng)監(jiān)測效果良好。

5 結(jié)語

涑水河水量水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)于2017 年建成并投入運(yùn)行，經(jīng)過6 a的運(yùn)行，證明系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、工作高效，達(dá)到了預(yù)設(shè)目的。該系統(tǒng)作為一項(xiàng)非工程措施，通過信息化和自動(dòng)化的方式可以快速準(zhǔn)確地掌握涑水河各斷面的水量水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，科學(xué)分析水體污染物含量的變化狀況，推測水體污染變化趨勢，為涑水河水生態(tài)修復(fù)和水環(huán)境治理提供真實(shí)、可靠的決策數(shù)據(jù)。