淺談水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)

姜 宇 蔡曉鈺

淺談水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)

姜 宇 蔡曉鈺

水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一套以在線自動(dòng)分析儀器為核心，運(yùn)用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、自動(dòng)測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)以及相關(guān)的專用分析軟件和通訊網(wǎng)絡(luò)所組成的，從水樣采集、水樣預(yù)處理、水樣測(cè)量到數(shù)據(jù)處理及存貯的綜合性系統(tǒng)。實(shí)施水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)水質(zhì)實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)控，達(dá)到及時(shí)掌握主要流域重點(diǎn)斷面水體的水質(zhì)狀況、預(yù)警預(yù)報(bào)、重大或流域性水質(zhì)污染事故、解決跨行政區(qū)域的水污染事故糾紛、監(jiān)督總量控制制度落實(shí)情況、排放達(dá)標(biāo)情況等目的，同時(shí)，還可為水環(huán)境保護(hù)、管理及水污染防止提供主要監(jiān)測(cè)信息。

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般包括監(jiān)測(cè)站房、采樣系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)、在線自動(dòng)分析儀表系統(tǒng)、控制和管理系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)及遠(yuǎn)程監(jiān)控管理中心等。

1 監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的選擇及站房的選址

站點(diǎn)選擇直接關(guān)系到所監(jiān)測(cè)的水樣在時(shí)間和空間上是否具有代表性，是否真實(shí)地反映所監(jiān)測(cè)水體的質(zhì)量狀況。斷面應(yīng)選擇在平直河段設(shè)置，水文條件比較穩(wěn)定；距上游支流匯合處或排污口有足夠的距離以保證水質(zhì)的均勻性；在不影響航道運(yùn)行的前提下，取水點(diǎn)盡量遠(yuǎn)離河岸；取水口處應(yīng)有良好的水交換能力，河流取水口不能設(shè)在死水區(qū)、緩流區(qū)及回流區(qū)；取水點(diǎn)設(shè)在水下0.5～1m范圍內(nèi)，并防止底質(zhì)淤泥對(duì)采水水質(zhì)的影響；在確定點(diǎn)位時(shí)要對(duì)取水口處的水質(zhì)與斷面的水質(zhì)做實(shí)際分析對(duì)比，當(dāng)兩者水質(zhì)指標(biāo)存在較大差異時(shí)，應(yīng)考慮變更點(diǎn)位。

監(jiān)測(cè)站房的選址應(yīng)合理并兼顧配電、通訊、給水（自來水）、通風(fēng)等條件以及防雷擊、防洪、防盜竊、防潮濕、廢液排放處理、交通方便。監(jiān)測(cè)站房的設(shè)計(jì)應(yīng)該把分析儀表室、輔助設(shè)備間及其他功能用房區(qū)分開。采用把不同功能類別的設(shè)備分別布置在不同工作室內(nèi)的方式。如果打井供水的話，站房頂部要設(shè)高位水箱。為防止電噪聲的相互干擾，站房采用三相五線制的分相使用方式供電，并在站房?jī)?nèi)獨(dú)立走線。

2 采樣系統(tǒng)的布設(shè)

采水單元要實(shí)現(xiàn)任何情況下確保將采樣點(diǎn)的水樣引至站房，配水單元應(yīng)根據(jù)所選用的儀器和設(shè)備對(duì)水樣流量和壓力的具體要求進(jìn)行調(diào)配，并采用相應(yīng)的清洗、過濾等措施為自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器提供能滿足監(jiān)測(cè)需要的水樣。在設(shè)計(jì)采水單元時(shí)，要綜合考慮站點(diǎn)地理環(huán)境、水文狀況和水位變化以及取水管道長(zhǎng)度、管徑等因素，根據(jù)這些因素采取相應(yīng)的保溫、防凍、防壓等措施，減少水質(zhì)指標(biāo)在傳輸中發(fā)生變化。

采樣裝置一般為豎棧橋式、豎井式、浮筒式、懸臂式、吊臂式等方式。采樣系統(tǒng)一般由采樣水泵、采樣浮筏和粗隔離柵、水樣分配單元、壓力流量監(jiān)控及采水管道等組成，主要是向系統(tǒng)提供可靠、有效水樣。采樣系統(tǒng)的取水量應(yīng)確保高于現(xiàn)有儀器的總需水量并考慮后續(xù)擬增加儀器的需水量。應(yīng)考慮輸水管線對(duì)水質(zhì)的影響，如避免過長(zhǎng)過細(xì)及考慮對(duì)管線的保溫等，使水樣具有代表性。

3 水樣預(yù)處理系統(tǒng)

水樣預(yù)處理系統(tǒng)主要是保證進(jìn)行自動(dòng)分析儀的水樣能滿足儀器的分析要求。水樣預(yù)處理系統(tǒng)一般分為兩級(jí)處理措施，第一級(jí)是一個(gè)包含粗過濾器取水頭的沉砂分離裝置，主要是通過粗過濾芯和靜置除去水樣中的直徑較大的顆粒物，避免在取水過程中水樣中大的顆粒物質(zhì)進(jìn)入在線自動(dòng)分析儀器。第二級(jí)是高效低維護(hù)過濾器，過濾芯根據(jù)不同儀表的具體要求進(jìn)行選配。水樣的濁度對(duì)采用電極方法進(jìn)行測(cè)量的儀器的影響較小，對(duì)過濾芯的孔徑要求也就可以相應(yīng)地放寬，這樣可以降低過濾芯的維護(hù)頻率；而采用比色法進(jìn)行測(cè)量的儀器，對(duì)水樣透明度的要求較高，這時(shí)過濾芯的選擇就應(yīng)根據(jù)儀器測(cè)量原理事先對(duì)水樣提出過濾要求，避免對(duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。水樣預(yù)處理系統(tǒng)一般應(yīng)具備氣水混合清洗的功能。

4 在線自動(dòng)分析儀器

在線自動(dòng)分析儀器是水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心。在選擇在線自動(dòng)分析儀器時(shí)應(yīng)該首先考慮環(huán)境管理的需要和水質(zhì)監(jiān)測(cè)的目的，確定監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，從而根據(jù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目選擇監(jiān)測(cè)儀器。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的在線自動(dòng)分析儀器有常規(guī)5參數(shù)（水溫、pH值、電導(dǎo)率、溶解氧、濁度）分析儀、化學(xué)需氧量（COD）分析儀、高錳酸鹽指數(shù)分析儀、總有機(jī)碳（TOC）分析儀、氨氮分析儀、總氮分析儀以及總磷分析儀。在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器測(cè)定原理應(yīng)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法一致，如果不一致應(yīng)該與實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn),并與實(shí)驗(yàn)室比對(duì)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)具有相關(guān)性。

目前的在線自動(dòng)分析儀器一般應(yīng)具有如下功能：數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)，自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換，遙控、標(biāo)準(zhǔn)輸出接口和數(shù)字顯示，自動(dòng)清洗、狀態(tài)自檢和報(bào)警功能（如：液體泄漏、管路堵塞、異常值、儀器內(nèi)部溫度過高、試劑用完、高/低濃度、斷電等），干運(yùn)轉(zhuǎn)和斷電保護(hù)，來電自動(dòng)恢復(fù)，COD、氨氮、TOC、總磷、總氮等儀器具有自動(dòng)標(biāo)定校正功能。

5 控制和管理系統(tǒng)

控制和管理系統(tǒng)為整個(gè)水質(zhì)自動(dòng)站的控制中心，安裝專用的管理軟件系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的所有儀器、設(shè)備進(jìn)行控制，并實(shí)時(shí)地顯示出儀器與設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。它不僅要對(duì)系統(tǒng)參數(shù)（流量、液位、壓力、流速、水位、氣體流量、純水流量、水泵狀態(tài)、子站供電電壓和電流狀態(tài)等）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，還應(yīng)可以根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)設(shè)置和修改系統(tǒng)參數(shù)（空氣反吹頻率、采樣頻率、讀取數(shù)據(jù)頻率、子站的運(yùn)行方式等）。每個(gè)分析單元的4-20mA輸出信號(hào)直接輸入到控制系統(tǒng)中的模擬量輸入模塊，通過控制程序和上層軟件與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)了多路分析結(jié)果的數(shù)據(jù)采集。同時(shí)，每個(gè)分析單元也可以通過RS232或RS485和MODBUS與子站計(jì)算機(jī)進(jìn)行雙向通訊，既可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集也可以反饋控制，既可以實(shí)時(shí)掌握分析儀表的狀態(tài)，也可以進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控。

6 通訊系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)能支持各種通訊方式。目前主要的網(wǎng)絡(luò)接入方式有：PSTN、GPRS、CDMA、ADSL、微波、無線數(shù)字通信網(wǎng)等。GPRS的通訊方式對(duì)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)條件的要求較低，使用和維護(hù)都很方便，但在通訊速率和通訊成本費(fèi)用上有一定的局限性。ADSL的通訊方案在通訊速率、可靠性、系統(tǒng)的擴(kuò)展性、性能價(jià)格比、前景等方面優(yōu)于GPRS，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻傳輸。

7 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控管理中心

數(shù)據(jù)監(jiān)控管理中心位于整個(gè)在線水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的中心層面，其資源配置包括一套計(jì)算機(jī)設(shè)備和中心層數(shù)據(jù)監(jiān)控管理軟件，同時(shí)配置一套中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和多連接途徑的通訊系統(tǒng)。數(shù)據(jù)監(jiān)控管理中心在權(quán)限約束下可以實(shí)時(shí)或定時(shí)地把各個(gè)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)子站“數(shù)據(jù)庫”中的數(shù)據(jù)調(diào)入到管理中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，其目的是在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)子站可靠運(yùn)行的前提下，數(shù)據(jù)監(jiān)控管理中心通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠真正得到有效可靠的數(shù)據(jù)，這樣不僅能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的共享，對(duì)監(jiān)控管理實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一規(guī)范的依據(jù)，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)在不同權(quán)限下的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化管理。

數(shù)據(jù)監(jiān)控管理中心應(yīng)具備統(tǒng)計(jì)、查詢、編輯和顯示功能。可生成各種用戶所要求的年、月、日、周、季報(bào)表；可根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)繪制出測(cè)量參數(shù)的年、月、日、周、季曲線；可以動(dòng)態(tài)地按照用戶的要求對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢；可實(shí)現(xiàn)特殊數(shù)據(jù)查詢和對(duì)異常數(shù)據(jù)編輯存儲(chǔ)；可實(shí)現(xiàn)歷史報(bào)警和儀器設(shè)備日志信息的查詢；可用圖形、曲線或棒圖等多種形式顯示設(shè)備和儀器的報(bào)警和狀態(tài)信息，實(shí)際反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)運(yùn)行情況；用戶可將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出成ACCESS、EXCEL、FOXPRO 等格式，方便用戶進(jìn)行管理和備份；可進(jìn)行水質(zhì)的評(píng)定，查定出首要污染物，并根據(jù)一定資料進(jìn)行水質(zhì)評(píng)估。

除了上述組成部分外，空氣裝置（空氣壓縮機(jī)）、純水系統(tǒng)、UPS備用電源、交流穩(wěn)壓電源、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、防雷系統(tǒng)、防電磁干擾裝置、除藻裝置、管道反沖洗裝置、化學(xué)試劑清洗裝置等也是水質(zhì)自動(dòng)站系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分

江蘇省水文水資源勘測(cè)局蘇州分局 215000）