小型移動(dòng)式水站在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用及后續(xù)展望

夏 京，李春玉，吳禮裕，張奇磊，李 璐

(常州市環(huán)境監(jiān)測中心， 江蘇　常州　213001)

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小型移動(dòng)式水站在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用及后續(xù)展望

夏 京，李春玉，吳禮裕，張奇磊，李 璐

(常州市環(huán)境監(jiān)測中心， 江蘇常州213001)

相比目前大量的站房式水質(zhì)自動(dòng)站，小型移動(dòng)式水站具備占地小、投資少、站房可整體吊裝靈活移動(dòng)等特點(diǎn)，正成為水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要組成部分。小型移動(dòng)式水站特別適用于城市內(nèi)小型河流、景觀河流和部分典型污染因子的河流。通過科學(xué)構(gòu)建、合理組合，其優(yōu)化的儀器設(shè)備和供電、采配水系統(tǒng)能滿足水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測監(jiān)控、預(yù)警預(yù)報(bào)、評(píng)價(jià)考核等多方面工作。為拓展應(yīng)用領(lǐng)域，小型移動(dòng)式水站今后還應(yīng)該進(jìn)一步在研發(fā)組合式新儀器、優(yōu)化儀器測試方法、降低設(shè)備能耗、提高國產(chǎn)化率等方面努力。

環(huán)境監(jiān)測；小型移動(dòng)式水站；監(jiān)控預(yù)警；優(yōu)化方法

“十一五”至“十二五”期間，江蘇省在太湖流域重要河流交界斷面建設(shè)了數(shù)百個(gè)站房式水站，僅以江蘇省環(huán)保廳為主要投資單位建設(shè)的水站就超過115個(gè)。這些水站的建設(shè)及運(yùn)行，為太湖流域水質(zhì)監(jiān)控預(yù)警、區(qū)域補(bǔ)償、斷面考核等工作發(fā)揮了重要作用，也逐步成為水質(zhì)監(jiān)測的發(fā)展趨勢并成為重要手段[1]。《國家生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案》中指出“加強(qiáng)重要水體、水源地、源頭區(qū)、水源涵養(yǎng)區(qū)等水質(zhì)監(jiān)測與預(yù)報(bào)預(yù)警”。切實(shí)提高水環(huán)境監(jiān)測預(yù)警能力建設(shè)[2]，優(yōu)化整合水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布局將是“十三五”期間環(huán)境保護(hù)的重要工作之一。

站房式水站在發(fā)揮重要作用的同時(shí)，也存在諸多不足，如站房征地困難、投資巨大、建設(shè)周期較長等情況，特別是當(dāng)部分河道疏浚、斷流時(shí)，水站被迫長期停運(yùn)，導(dǎo)致儀器設(shè)備受損報(bào)廢的情況時(shí)有發(fā)生。近幾年來，小型移動(dòng)式水站應(yīng)運(yùn)而生，其占地小、投資少、站房可整體吊裝靈活移動(dòng)的特點(diǎn)，正成為水站網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中一個(gè)重要的組成部分。特別在寸土寸金的城市中心區(qū)域，具備大量建設(shè)的可能，其通過分布式技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算服務(wù)技術(shù)為水環(huán)境監(jiān)測、管理、規(guī)劃、污染防治、生態(tài)預(yù)警等方面提供更及時(shí)全面的科學(xué)依據(jù)[3]。

1　移動(dòng)式水站的優(yōu)勢

小型移動(dòng)式水站相對(duì)于站房式水站，更適合于城市內(nèi)小型河流、景觀河流和部分典型污染因子的河流(表1)。

表1　移動(dòng)式水站與站房式水站的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表

2　小型移動(dòng)式水站的構(gòu)成

小型移動(dòng)式水站是一套以水質(zhì)在線自動(dòng)分析儀為核心，運(yùn)用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、自動(dòng)測量技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、分布式低功耗傳感器網(wǎng)絡(luò)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)所組成的一個(gè)綜合性的在線自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)。水站主要由戶外箱體、采配水單元、水質(zhì)分析單元、數(shù)據(jù)采控單元、視頻監(jiān)控單元、供電單元、數(shù)據(jù)分析預(yù)警單元構(gòu)成[4](圖1)。

圖1　移動(dòng)式水站整體外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.1水質(zhì)分析單元

水質(zhì)分析單元所用在線監(jiān)測儀器的測量原理及方法符合國家標(biāo)準(zhǔn)分析方法(表2)。儀器選型原則主要著眼于標(biāo)準(zhǔn)化、穩(wěn)定性、小型化和易維護(hù)[2](圖2)。

圖2　 水質(zhì)分析單元典型儀器圖

序號(hào)項(xiàng)目方法參照標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范1水溫溫度傳感器法《水質(zhì)水溫的測定》(GB13195-91)2pH值玻璃電極法《pH水質(zhì)自動(dòng)分析儀技術(shù)要求》(HJ/T96-2003)3溶解氧熒光法《溶解氧(DO)水質(zhì)自動(dòng)分析儀技術(shù)要求》(HJ/T99-2003)4電導(dǎo)率電極法或電導(dǎo)池法《電導(dǎo)率水質(zhì)自動(dòng)分析儀技術(shù)要求》(HJ/T97-2003)5濁度光散射法或近紅外雙光束散射法《濁度水質(zhì)自動(dòng)分析儀技術(shù)要求》(HJ/T98-2003)6氨氮離子選擇電極法、水楊酸分光光度法、紫外線吸收法?！栋钡|(zhì)自動(dòng)分析儀技術(shù)要求》(HJ/T101-2003)7高錳酸鹽指數(shù)鉻法、錳法、紫外吸收連續(xù)光譜法或254nm紫外光吸收法,紫外吸收連續(xù)光譜法《高錳酸鹽指數(shù)水質(zhì)自動(dòng)分析儀技術(shù)要求》(HJ/T100-2003),《紫外(UV)吸收水質(zhì)自動(dòng)在線監(jiān)測儀技術(shù)要求》(HJ/T191-2005)8總磷鉬酸銨分光光度法《總磷水質(zhì)自動(dòng)分析儀技術(shù)要求》(HJ/T103-2003)

2.2采配水單元

采配水單元(圖3、表3)使用Geomagic Studio 完成精準(zhǔn)建模。通過計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)，我們可詳細(xì)檢查方案，針對(duì)性的進(jìn)行實(shí)施，避免施工不規(guī)范帶來的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、安全性等問題。

圖3　采配水單元結(jié)構(gòu)圖

分項(xiàng)參數(shù)說明設(shè)計(jì)工具GeomagicStudio3D精準(zhǔn)建模安裝方式垂直坡面安裝、緩斜度坡面安裝異常報(bào)警多種傳感器聯(lián)動(dòng)式報(bào)警雙備份輪換設(shè)計(jì)采水管道、泵一用一備或輪換沖洗采水警示高反光標(biāo)示牌基于照度傳感器的LED燈(亮度低于10LUX開啟警示燈)流通池有機(jī)玻璃材質(zhì),最小死體積設(shè)計(jì),頂部具有出氣孔防止氣泡,內(nèi)置水位傳感器和超聲波發(fā)生器凈水系統(tǒng)20升基礎(chǔ)過濾自動(dòng)化清洗凈水沖洗流通池超聲波清洗采水管道高壓反吹采水口溫度傳感器高精度PT1000

2.3供電單元

小型移動(dòng)式水站的機(jī)動(dòng)性需要按需配備多種電力供應(yīng)系統(tǒng)(圖4)，可實(shí)現(xiàn)市電、太陽能和蓄電池、UPS三者供電控制。在市電長時(shí)間中斷時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)轉(zhuǎn)入低功耗模式，采用太陽能供電系統(tǒng)。

每個(gè)站點(diǎn)配置備用UPS供電系統(tǒng)，該備用電源系統(tǒng)具備在外界電源因異常情況停止供電之后，能無縫連接到UPS供電系統(tǒng)上，保證儀器儀表仍能正常運(yùn)行，并保存斷電前的相關(guān)參數(shù)和恢復(fù)后的相關(guān)參數(shù)一致。

2.4戶外箱體

小型移動(dòng)式水站的箱體采用一體化設(shè)計(jì)，頂端設(shè)置掛鉤，以便于整體移動(dòng)及運(yùn)輸，這也是該類水站最大的優(yōu)勢特點(diǎn)。由于長期放置于戶外，箱體需采用不銹鋼、SMC等材質(zhì)以適應(yīng)野外惡劣環(huán)境條件，并具有良好的控溫設(shè)備，確保儀器設(shè)備能全天候正常運(yùn)行。箱體應(yīng)采用保險(xiǎn)箱防盜設(shè)計(jì)，設(shè)置開門短信或報(bào)警喇叭，或配以視頻監(jiān)控探頭(表4)。

為滿足使用需要，可以進(jìn)行2個(gè)以上的站房箱體組合，以搭載更多的儀器設(shè)備。

表4　小型移動(dòng)式水站箱體構(gòu)成一覽表

續(xù)表4

2.5數(shù)據(jù)采集/控制單元

功能指標(biāo)上，數(shù)據(jù)采集/控制單元包括系統(tǒng)自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集、通訊及中心站控制；非功能指標(biāo)上，則著重考慮可靠性、可維護(hù)性、可擴(kuò)展性、低功耗、兼容性等因素。

數(shù)據(jù)采集/控制單元由工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、控制器、通信模塊四部分組成。數(shù)據(jù)采集/控制單元與服務(wù)器的通信，物理層采用無線通信(4G/3G/GPRS)，傳輸層采用TCP/IP協(xié)議(圖5)。根據(jù)《水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)規(guī)范》，應(yīng)用層采用HTTP協(xié)議，利用服務(wù)器的WebService服務(wù)，傳輸數(shù)據(jù)采用標(biāo)準(zhǔn)的SOAP規(guī)范。通信模塊作為局域網(wǎng)(LAN)路由，控制器和工控機(jī)加入LAN，便于與服務(wù)器進(jìn)行通信。工控機(jī)、控制器和數(shù)據(jù)采集器通過串口RS485進(jìn)行通信。

圖4　供電單元圖

圖5　數(shù)據(jù)采集/控制單元設(shè)計(jì)圖

3　實(shí)例應(yīng)用

2015年，常州市在市區(qū)清水工程河道上建設(shè)了多個(gè)小型移動(dòng)式水站(圖6)，用于及時(shí)監(jiān)測監(jiān)控水質(zhì)狀況、科學(xué)評(píng)價(jià)水質(zhì)變化、科學(xué)引導(dǎo)換水作業(yè)。

圖6　小型移動(dòng)式水站實(shí)景圖

常州市環(huán)境監(jiān)測中心在全市已建的近50個(gè)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站基礎(chǔ)上，構(gòu)建了以“小型分布式”、“大數(shù)據(jù)”、“云服務(wù)”等新技術(shù)為基礎(chǔ)的信息綜合管理平臺(tái)[5]。該平臺(tái)基于云技術(shù)應(yīng)用，融合水質(zhì)、水文、氣象等多種數(shù)據(jù)，通過智能分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)及時(shí)的預(yù)警推送。地理信息系統(tǒng)GIS中間件提供專業(yè)、詳細(xì)的GIS服務(wù)，可對(duì)監(jiān)測點(diǎn)位進(jìn)行精確定位，同時(shí)可對(duì)地形、河流、周邊建筑分布情況進(jìn)行查詢。信息出口通過顯示屏軟件、手機(jī)APP軟件、網(wǎng)站、警報(bào)器、短信實(shí)現(xiàn)全方位的信息實(shí)時(shí)覆蓋，可做到信息發(fā)布無死角。整個(gè)平臺(tái)位于云盾、分布式云服務(wù)保護(hù)下，領(lǐng)先于傳統(tǒng)軟硬件防火墻系統(tǒng)，確保系統(tǒng)安全性、連通率達(dá)到99.99%(圖7)。

圖7　數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件

4　存在的問題

4.1監(jiān)測方法的適用性

紫外吸收連續(xù)光譜法是水質(zhì)在線儀的標(biāo)準(zhǔn)方法，但目前紫外(UV)吸收水質(zhì)在線分析儀普遍在零點(diǎn)漂移、穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)偏差方面存在問題[6]。水體中有機(jī)物的組分不同，最大吸收波長也并不相同，它們的紫外全波段吸收光譜有顯著差異，不同類型的水樣存在不同的紫外光譜吸收特性，導(dǎo)致監(jiān)測儀器在投入使用初期存在較大的數(shù)據(jù)偏差、無法有效標(biāo)定的問題。

4.2監(jiān)測儀器的局限性

由于移動(dòng)式水站內(nèi)部空間的限制，目前在用的儀器以能采用電極法或光度法的常規(guī)五參數(shù)、氨氮和COD為主，其它需前處理和較多試劑的儀器則無法順利添置。

4.3破壞與偷盜的安全隱患

由于移動(dòng)式水站或建于鬧市區(qū)，或建于野外，其新穎別致的外觀造型極易引起他人注意，導(dǎo)致隨意觸碰或故意損壞，甚至偷盜事件的發(fā)生。

5　后續(xù)發(fā)展展望

5.1紫外(UV)吸收法儀器性能的提高

水體的UV吸光度與TOC、COD等指標(biāo)具有很好的相關(guān)性,可間接反映水中有機(jī)物的污染程度，而水體中的有機(jī)物含量是評(píng)價(jià)水質(zhì)情況的重要標(biāo)準(zhǔn)。使用UV吸收特性綜合評(píng)定水體中的有機(jī)物含量，具有快速、無二次污染的特點(diǎn)，優(yōu)于傳統(tǒng)的化學(xué)方法[7]。

水體中有機(jī)物的組分不同，最大吸收波長也并不相同，它們的紫外全波段吸收光譜有顯著差異，不同類型的廢水存在不同的紫外光譜吸收特性，固定式COD通過氘燈-UV-VIS光纖光譜儀系統(tǒng)，完成對(duì)紫外-可見全波段的光譜掃描，針對(duì)每一種不同類型的水樣進(jìn)行單獨(dú)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模，并通過光譜濁度補(bǔ)償技術(shù)，最終可精確換算出COD等參數(shù)。

5.2儀器類型的拓展及國產(chǎn)化率提升

結(jié)合小型水站的機(jī)動(dòng)靈活性，應(yīng)研發(fā)更多的電極法或光度法等新方法儀器，以完善水質(zhì)測量參數(shù)配置。同時(shí)，目前水質(zhì)傳感器、分析儀主要以進(jìn)口儀器為主，在綜合考慮測量精度，穩(wěn)定性等因素基礎(chǔ)上，通過適用性檢驗(yàn)后可盡量選配國產(chǎn)儀器，進(jìn)一步提高設(shè)備集成度及智能化水平，并降低建設(shè)和維護(hù)成本。

目前國內(nèi)多個(gè)技術(shù)公司正不斷研發(fā)組合式新型儀器并開始逐步應(yīng)用，如將總磷和氨氮在線分析儀合二為一，其中總磷監(jiān)測采用鉬酸鹽分光光度法、氨氮監(jiān)測采用鄰苯二甲醛熒光法，進(jìn)一步提高了氨氮監(jiān)測的精度和可靠性。

5.3科學(xué)設(shè)計(jì)，提升采配水單元的合理化構(gòu)架

采配水單元是小型水站的關(guān)鍵組成，在設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)任何一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)不確定性，影響測量結(jié)果，所以應(yīng)高度重視采配水單元的構(gòu)架，進(jìn)一步優(yōu)化采配水結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，降低維護(hù)量。

5.4水站功耗與供電方式的匹配

小型水站的儀器設(shè)備本身功耗較低，但由于還有采水和溫控設(shè)備，整體功耗就較大。目前水站主要供電方式還是以市電為主，太陽能為輔。如需在無法提供市電的地區(qū)建設(shè)水站，則需實(shí)現(xiàn)低成本下的太陽能、風(fēng)能等清潔能源的整合供電方案；同時(shí)應(yīng)進(jìn)一步提升儀器設(shè)備的工業(yè)化設(shè)計(jì)，以降低功耗。

5.5加強(qiáng)安全防范措施

為防止出現(xiàn)損壞、偷盜事件的發(fā)生，除了設(shè)置開關(guān)門短信和鳴笛報(bào)警外，還可張貼醒目警示標(biāo)志，有條件的地方可以在水站箱體外圍加做防護(hù)欄，或采取與當(dāng)?shù)嘏沙鏊M(jìn)行110聯(lián)動(dòng)等措施。

6　結(jié)論

總體而言，小型移動(dòng)式水站以其投資少、占地少、靈活可移動(dòng)的優(yōu)勢，目前在各地正逐步受到環(huán)保部門的關(guān)注和重視，隨著技術(shù)提升，其將在水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測監(jiān)控、預(yù)警預(yù)報(bào)、評(píng)價(jià)考核方面發(fā)揮更重要的作用。

[1]鐘聲，崔嘉宇.江蘇省水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測預(yù)警規(guī)則的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警. 2016,8(2) ：9-12.

[2]劉京，周密.國家地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)與運(yùn)行管理的探索與思考[J]. 環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2014,6(1)：10-13.

[3]嵇曉燕，劉廷良. 國家水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)發(fā)展歷程與展望[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù)，2014，26(6)：1-8.

[4]劉偉，黃偉.中國水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測評(píng)述[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理，2015,40(5)：131-133.

[5]張奇磊，高琦.飲用水源地水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)的建立和應(yīng)用研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理，2014,2(2)：123-125.

[6]張苒，劉京. 水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測參數(shù)的相關(guān)性分析及在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2015，31(4)：125-129.

[7]趙利娜. 蘇州河干流水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠性分析[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2016，31(5)：152-155.

Application and prospect of the small-scale water monitoring station

Xia Jing，Li Chunyu，Wu Liyu，Zhang Qilei，Li Lu

(Changzhou Environmental Monitoring Center，Changzhou 213001，China)

Compared with the fixed water quality monitoring stations that widely-used, the portable water monitoring stations are becoming important parts of online water quality monitoring system for their characteristics such as small space occupied, low cost, convenient of integral installation and mobility etc. They are especially appropriate for the monitoring of small inner city rivers, scenic rivers and the parts of river with typical pollution factors. Scientifically structured and well-organized portable stations with optimized power-supply and water sample collection and distribution system can fulfill different works of real time water quality monitoring, warning and forecasting, as well as appraisement. To broaden the applications of the portable stations, there is still more to be done in developing combined instruments, optimizing the testing method, reducing their energy consumption and ever-increasing the import substitution rate.

environment monitoring; portable water monitoring station; warning and forecasting; optimization method

國家重大儀器專項(xiàng)(揮發(fā)性有機(jī)物在線監(jiān)測系統(tǒng)在水體監(jiān)測中的應(yīng)用示范 2012YQ06002707)

2016-05-17; 2016-07-04 修回

夏京，男，1974年生，江蘇省常州人，本科，工程師，從事環(huán)境監(jiān)測工作。E-mail：83510407@qq.com

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