箱式水量水質(zhì)自動監(jiān)測站的設(shè)計與應(yīng)用

張 健，隆 威，杜紅娟，胡雪嬌

（1. 太湖流域管理局水文局，上海 200434；2. 江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012；3. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012；4. 水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012）

箱式水量水質(zhì)自動監(jiān)測站的設(shè)計與應(yīng)用

張 健1，隆 威2，3，杜紅娟3，4，胡雪嬌1

（1. 太湖流域管理局水文局，上海 200434；2. 江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012；3. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012；4. 水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012）

箱式水量水質(zhì)自動監(jiān)測站是將不需要使用試劑的電極式在線水質(zhì)分析探頭和水量在線測驗設(shè)備H-ADCP、浮子式水位計等設(shè)備高度集成在高強度、耐腐蝕的不銹鋼一體化野外機箱內(nèi)，采用太陽能蓄電池供電、遙測站工作模式、清洗水重復(fù)利用設(shè)計方式，實現(xiàn)水量、水質(zhì)的在線監(jiān)測，為水資源管理提供重要的監(jiān)測手段。通過介紹箱式水量水質(zhì)自動監(jiān)測站的設(shè)計方案，分析和介紹此類站點結(jié)構(gòu)，各功能模塊的設(shè)計理念、方法、特點及應(yīng)用優(yōu)勢和適用領(lǐng)域。解決征地、供電、供水等問題，并首次應(yīng)用到國家水資源管理系統(tǒng)建設(shè)中，為類似項目建設(shè)提供參考，具有良好的應(yīng)用和推廣價值。

箱式水量水質(zhì)自動監(jiān)測站；水資源管理；實時在線；設(shè)計；創(chuàng)新

0 引言

《中共中央 國務(wù)院關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定》[1]明確提出水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基，第一次提出要實行最嚴格的水資源管理制度，并把嚴格水資源管理作為加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式的戰(zhàn)略舉措。這意味著對水資源管理和監(jiān)控提出了更高的要求，水量、水質(zhì)的監(jiān)控一直是水資源管理的重要內(nèi)容。為此，水利部決定開展國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項目，流域水資源監(jiān)控能力建設(shè)項目是國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項目的重要組成部分。

由于水質(zhì)儀表運行、系統(tǒng)供電供水、系統(tǒng)集成化程度及站點運行方式等原因，常規(guī)的水量水質(zhì)自動監(jiān)測站都需要建設(shè)站房，將水量水質(zhì)監(jiān)測儀器、設(shè)備安裝在站房內(nèi)，并需要接入市電、自來水和有線網(wǎng)絡(luò)等。由于站房建設(shè)占地面積較大，通常需要征地，土建工程投資較大，站點選址要求高，這些都大大增加了項目建設(shè)投資和難度，嚴重制約了站點設(shè)置密度，進而影響水量、水質(zhì)監(jiān)測能力和監(jiān)測覆蓋面。

為此，在太湖流域水資源監(jiān)控能力建設(shè)項目中，針對監(jiān)控斷面需要監(jiān)測參數(shù)的要求，創(chuàng)新地采用了箱式水量水質(zhì)自動監(jiān)測站建設(shè)方式，較好地解決了投資大、征地難、占地大、建設(shè)周期長等問題。箱式水量水質(zhì)自動監(jiān)測站是以野外遙測站為設(shè)計模板，站點具有占地面積小，不需要建設(shè)站房，不需要接入市電、自來水和有線網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點。具有建站靈活，適應(yīng)性強，建站方便，投資低等特點。這些特點可使水量水質(zhì)自動監(jiān)測站的布設(shè)密度得到提高，建站難度大大降低，有效提高監(jiān)測站點覆蓋面，提高管理單位的水資源監(jiān)控能力。

1 箱式水量水質(zhì)自動監(jiān)測站設(shè)計

1.1 總體設(shè)計

箱式水量水質(zhì)自動監(jiān)測站需實現(xiàn)水量水質(zhì)參數(shù)的自動分析、處理、采集、控制等功能，可按功能分為水質(zhì)和流量監(jiān)測子系統(tǒng)。水質(zhì)監(jiān)測子系統(tǒng)由取排水、清洗、水質(zhì)系統(tǒng)控制、水質(zhì)分析、數(shù)據(jù)采集等單元組成；流量監(jiān)測子系統(tǒng)由流量監(jiān)測單元組成，其他設(shè)備還有系統(tǒng)供電、數(shù)據(jù)傳輸、現(xiàn)地監(jiān)測設(shè)備、等離子顯示屏[2]。其中，水質(zhì)監(jiān)測子系統(tǒng)控制單元和流量監(jiān)測子系統(tǒng)共用同 1 臺數(shù)據(jù)采集器。系統(tǒng)單元組成如圖1 所示。

圖1 監(jiān)測站系統(tǒng)單元組成圖

箱式結(jié)構(gòu)站點考慮建站靈活，適應(yīng)性強的要求，整體采用一體化野外機箱，設(shè)備集成在箱體中，除箱體安裝所必需的基座外，基本不涉及土建。

1.2 分項設(shè)計

水量和水質(zhì)采用在線數(shù)據(jù)采集方式進行流量、水位和水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測。結(jié)合目前國內(nèi)的流量監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用情況、監(jiān)測河道斷面現(xiàn)狀和已建站的實際應(yīng)用效果，流量監(jiān)測采用超聲波多普勒側(cè)視法，水位監(jiān)測采用浮子式水位計，水質(zhì)監(jiān)測項測量采用抽水式多參數(shù)水質(zhì)分析儀（監(jiān)測參數(shù)：水溫、pH 值、溶解氧、電導(dǎo)率），配置氨離子（K 離子自動補償）電極，小型化測量池及簡易清洗裝置，供電系統(tǒng)采用太陽能供電方式。

1.2.1 水質(zhì)監(jiān)測子系統(tǒng)

水質(zhì)監(jiān)測子系統(tǒng)主要由取水泵、取水浮臺、管路、測量池、分析儀表、控制盒、數(shù)據(jù)采集器、清洗儲水箱及閥門等組成，采用雙泵雙管路冗余結(jié)構(gòu)，給水管選用 PPR 管材，排水管選用 PVC 管材。箱體內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

進行水質(zhì)監(jiān)測時，為了保證水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、氨離子測量的準(zhǔn)確性，由水泵直接從取水管路到測量池。水質(zhì)分析儀進行水質(zhì)分析處理，分析完成后由數(shù)據(jù)采集器采集分析結(jié)果。

水質(zhì)分析完成后每次都需要對測量池進行清洗操作，防止測量池內(nèi)殘液影響下一次的正確測量。測量池先進行清洗，然后把池內(nèi)灌滿清水，使測量傳感器浸泡在清水中，這樣能對測量傳感器進行有效的保護，減少儀器的維護工作量。

1.2.2 流量監(jiān)測子系統(tǒng)

圖2 監(jiān)測站箱體結(jié)構(gòu)圖

流量監(jiān)測子系統(tǒng)由 H-ADCP 傳感器、水位傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊等組成。其數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)通訊與水質(zhì)監(jiān)測子系統(tǒng)共用。組成如圖3 所示。

圖3 流量監(jiān)測子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2.3 系統(tǒng)供電

箱式水量水質(zhì)自動監(jiān)測站以野外無市電供應(yīng)條件為設(shè)計原則，供電系統(tǒng)采用太陽能電池板對蓄電池進行充電。本系統(tǒng)具有值守待機狀態(tài)，數(shù)據(jù)采集器及 GPRS 等設(shè)備有發(fā)射和通信電流 2 種狀態(tài)。

數(shù)據(jù)采集器靜態(tài)值守電流小于 2 mA，工作時平均電流為 70 mA，發(fā)射電流為 100 mA；H-ADCP 傳感器工作時平均電流為 50 mA，最大電流 100 mA；GPRS 靜態(tài)值守電流為 11 mA，工作時平均電流為48 mA，發(fā)射電流為 110 mA。

24 h 工作時間電量計算：水質(zhì)監(jiān)測子系統(tǒng)中，水質(zhì)傳感器共約 200 mA；電動球閥 300 mA，同時運行工作電流共 600 mA ；取水水泵每個 4.5 A，開泵時間 10 min；清水水泵 4.5 A，開泵時間 5 min。水質(zhì)監(jiān)測子系統(tǒng)運行按 3 次/d，共運行 1 h。

H-ADCP 流量監(jiān)測子系統(tǒng) 1 d 的發(fā)送次數(shù)是當(dāng)天數(shù)據(jù)自報的次數(shù)，合計發(fā)送約 1 h 時間，則可計算出日發(fā)射耗電量。

Q1（日耗電量）= 發(fā)射時間×發(fā)射電流＋工作電流×24 h ＝ 7.9 A?h（按 H-ADCP 傳感器工作最大計算）。

因此蓄電池容量 C ＝日耗電量×最大的連續(xù)無日照時間／容量修正系數(shù) ＝ 7.9 A?h×14÷0.7 = 158 A?h，

式中：最大連續(xù)無日照時間按 14 d 計算；容量修正系數(shù)考慮蓄電池容量周期性的降落和它的老化，通常設(shè)為 0.7。

考慮到冗余量，本系統(tǒng)測站宜采用 3 個 12 V，100 A?h 的蓄電池，配用 3 塊 40 W 的的太陽能電池板。2 個蓄電池串聯(lián)組成 24 V，由 2 塊太陽能板通過充電控制器給其充電，供水質(zhì)監(jiān)測子系統(tǒng)用電；1 個 12 V 蓄電池由 1 塊太陽能板充電，供流量監(jiān)測子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集器用電。

2 特點及創(chuàng)新

2.1 特點

箱式水量水質(zhì)自動監(jiān)測站有別于常規(guī)的水質(zhì)自動監(jiān)測站，結(jié)構(gòu)如圖4 所示，為全天候野外監(jiān)測站點。

這種野外箱式站點具有如下特點：

1）占地面積小，不需建站房，不需要接市電及自來水，建站靈活、方便，適應(yīng)性強，投資低?？捎行У乇苊庖虻匦巍h(huán)境、征地困難等因素影響監(jiān)測站點建設(shè)，大大提高站點布設(shè)密度，進而提高水量水質(zhì)自動在線監(jiān)測覆蓋面。增加水量水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集量，提高水資源管理的數(shù)據(jù)支撐與服務(wù)能力。

2）系統(tǒng)集成度高，采用的設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、維護方便，具有防誤操作、防潮、防腐、防雷擊等能力，可在無人值守的條件下長期工作。

圖4 箱式水量水質(zhì)自動監(jiān)測站結(jié)構(gòu)圖

3）水質(zhì)分析儀器探頭采用在線式電極，具有很好地工作環(huán)境適應(yīng)性，維護周期較長、使用簡單、費用低。

4）水質(zhì)分析儀器不需要使用試劑，運行過程中不產(chǎn)生廢液，因此減少了系統(tǒng)的維護工作量和廢液處理設(shè)施，對環(huán)境無污染。

5）系統(tǒng)的清洗單元采用清洗水自行凈化并重復(fù)使用的方式，因此系統(tǒng)不需要接入自來水。

6）系統(tǒng)具有良好的兼容性和可擴展性，充分考慮將來儀表的擴充需求，相關(guān)設(shè)備保留一定的存儲空間和相應(yīng)的接口。

7）系統(tǒng)采用公網(wǎng)無線信道作為數(shù)據(jù)傳輸通道，不需要接入有線網(wǎng)絡(luò)，通信費用低。

8）系統(tǒng)采用遙測站點工作方式，系統(tǒng)中使用數(shù)據(jù)采集儀（RTU）作為主控設(shè)備，具備自報、招測和固態(tài)存儲的功能。

9）系統(tǒng)電源全部采用直流電源，各部分設(shè)備都使用低功耗設(shè)備。

2.2 設(shè)計理念與創(chuàng)新

箱式水量水質(zhì)自動監(jiān)測站采用了多項新穎設(shè)計理念，尤其是清洗水重復(fù)利用設(shè)計具有創(chuàng)新性。這些新穎的設(shè)計理念為實現(xiàn)系統(tǒng)全天候 24 h 實時在線監(jiān)測水量和水質(zhì)數(shù)據(jù)功能提供了保障，使得箱式水量水質(zhì)自動監(jiān)測站在流域水資源管理實際應(yīng)用時具有一些優(yōu)勢。

1）清洗水重復(fù)利用創(chuàng)新設(shè)計。箱式水量水質(zhì)自動監(jiān)測站的水質(zhì)測量系統(tǒng)設(shè)計增加了清洗水箱，在清洗水箱中定期添加自來水，系統(tǒng)使用這些自來水對水質(zhì)測量系統(tǒng)中的測量池和管路進行清洗。

系統(tǒng)每次完成測量池和管路清洗后，都會自動把使用后的清洗水進行回收，重新儲存在清洗水箱里。使用后的清洗水在清洗水箱內(nèi)進行沉淀自凈，完成沉淀自凈后的清洗水再進行重復(fù)使用。

這種設(shè)計使得站點不需要接入自來水，解決了野外自來水接入的困難，只需要定期（1 個月左右）更換清洗水并清洗清洗水箱。

2）箱體設(shè)計。箱式水量水質(zhì)自動監(jiān)測站集成度高，主要設(shè)備集成在箱體內(nèi)，使得站點建設(shè)時不需要建設(shè)站房，占地面積小，減小了項目建設(shè)難度和投資。箱體設(shè)計時需綜合考慮設(shè)備集成、長期野外工作、環(huán)境溫度變化等要求。箱體尺寸根據(jù)集成的設(shè)備儀器安裝需要設(shè)計，采用雙層保溫、通風(fēng)結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)冬夏季溫差變化；箱體材料采用高強度、耐腐蝕的不銹鋼噴塑工藝，以保證野外惡劣環(huán)境下測站正常工作及安全。

3）測量池設(shè)計。箱式水量水質(zhì)自動監(jiān)測站水質(zhì)測量在線式電極安裝在一個測量池中，測量池材料采用有機玻璃，形狀、尺寸根據(jù)安裝電極大小設(shè)計，采用下進水方式，以保證測量池緩慢進水并注滿整個測量池；同時測量池設(shè)計止水閥，以保證測量池注滿水并控制進水量。

4）太陽能蓄電池供電系統(tǒng)設(shè)計。箱式水量水質(zhì)自動監(jiān)測站以野外無市電供應(yīng)條件為設(shè)計原則，采用太陽能電池板對蓄電池進行充電的方式。

這種設(shè)計使得站點不需要接入市電，所有設(shè)備都使用直流電源。解決了偏遠站點系統(tǒng)供電問題，減小了項目建設(shè)難度和投資。

5）遙測站工作模式設(shè)計。箱式水量水質(zhì)自動監(jiān)測站采用普通遙測站點的工作模式，使用數(shù)據(jù)采集儀（RTU）作為主控設(shè)備。使系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)自報、招測和固態(tài)存儲功能，增強了水量水質(zhì)數(shù)據(jù)的時效性和可靠性。

6）水量和水質(zhì)測驗都采用在線式設(shè)備的設(shè)計。箱式水量水質(zhì)自動監(jiān)測站的水量測驗設(shè)備采用 H-ADCP（流速測量）和浮子式水位計（水位測量）2 種在線設(shè)備；水質(zhì)測驗設(shè)備采用在線式電極（pH、電導(dǎo)、溶氧、ORP、濁度等）。

3 箱式水量水質(zhì)自動監(jiān)測站在太湖流域水資源監(jiān)控能力建設(shè)項目中的應(yīng)用

太湖流域水資源監(jiān)控能力建設(shè)項目是國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項目的重要組成部分，是加強流域水資源管理、貫徹落實最嚴格的水資源管理制度和《太湖流域管理條例》的重要基礎(chǔ)性工作。箱式水量水質(zhì)自動監(jiān)測站設(shè)計方案已應(yīng)用在太湖流域水資源監(jiān)控能力建設(shè)項目中，在環(huán)太湖的幻溇閘、濮溇閘、湯溇閘、夾浦（遷建到長豐澗）、洑東大港、社瀆港、官瀆港、洪巷港及望虞河?xùn)|岸的琳橋港、永昌涇閘、冶長涇閘，太浦河北岸的北窯港樞紐等 12 個口門[3-4]建設(shè)了箱式水量水質(zhì)自動監(jiān)測站，結(jié)合其他項目建設(shè)的監(jiān)測站點，實時監(jiān)測環(huán)太湖主要口門出入湖水量水質(zhì)、“引江濟太”調(diào)水入太湖水質(zhì)和入湖效率及太浦河主要支流入河水量水質(zhì)等情況，動態(tài)監(jiān)測主要取水河道取用水情況。測站于 2013年 8月建成投入使用以來，運行穩(wěn)定，每站各獲得了近3 000 條水質(zhì)數(shù)據(jù)、140 000 條水量數(shù)據(jù)，為太湖流域水資源管理、水環(huán)境綜合治理提供了大量有效的數(shù)據(jù)，進一步提高了太湖流域水資源監(jiān)控能力。

3.1 流量實時在線監(jiān)測設(shè)備

根據(jù) SL 365—2015《水資源水量監(jiān)測技術(shù)導(dǎo)則》[5]流量實時在線監(jiān)測設(shè)備選擇用于河流和明渠流速、流量實時監(jiān)測的聲學(xué)多普勒儀器 H-ADCP 和浮子式水位計。H-ADCP 和浮子式水位計通過電纜與電腦連接即可以作為一個獨立的流速、流量實時監(jiān)測系統(tǒng)。

H-ADC 主要技術(shù)指標(biāo)為

1）頻率：1 200， 600 kHz；2）最小單元長度：0.25 m；3）最大剖面寬度：20 m；4）聲束角：20°；5）聲束擴散角：1.5°；6）流 速 量 程： ± 5.0 m/s（默認），± 20.0 m/s（最大）；7）環(huán)境要求：工作溫度 -5～45℃，存放溫度 -30～75℃；8）電源：12 V。

浮子式水位計主要技術(shù)指標(biāo)為

1）測量范圍：0～40 m（可選 10，20 m 量程）；2）最大水位變率：100 cm/min；3）分辨力：± 1 cm；4）測量精度：不超過 10 m 時，全量程范圍內(nèi) 95% 測點的允許誤差為 ± 2 cm，99% 測點的允許誤差 ± 3 cm；5）平均無故障工作時間 MTBF≥40 000 h；6）工作環(huán)境：溫度 -30～60℃，空氣相對濕度不限；7）輸出接口：RS-485。

3.2 水質(zhì)分析儀表

水質(zhì)分析儀表選用的是電極式水質(zhì)測量傳感器及主機[6]，性能指標(biāo)為

1）pH 智能電極。a. 量程：0～14；b. 精度：0.02；c. 分辨力：0.01；d. 溫度測量范圍：0～100 ℃。

2）電導(dǎo)率數(shù)字電極。a. 電極量程：0～2 000 uS/cm；b. 分辨力：0.01 uS/cm；c. 溫度測量范圍：0～100 ℃；d. 電極材質(zhì)：鈦材。

3）溶解氧數(shù)字電極。a. 電極量程：4 mg/L，0.05%～300% 氧氣/空氣飽和度；b. 分辨力：0.1 mg/L；c. 溫度測量范圍：-10～100℃； d. 電極材質(zhì)：316 L不銹鋼。

4）氨氮數(shù)字電極。a. 測試量程：0.1～100 mg/L；b. 分辨力：1 或 0.1 mg/L；c. 周邊條件操作溫度：0～40℃，貯存溫度：0～40℃；d. 準(zhǔn)確度：± 5%測試值或 ± 0.2 mg/L 標(biāo)準(zhǔn)液；e. 功耗 0.2 W。

4 結(jié)語

箱式水量水質(zhì)自動監(jiān)測站設(shè)計方案解決了水質(zhì)自動監(jiān)測站建設(shè)占地大、征地難、供水供電難等問題，為水量水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)提供了一種新的設(shè)計思路，可為流域和區(qū)域水資源管理與調(diào)度、重點河湖取水總量控制、水功能區(qū)監(jiān)督管理、水污染防治等提供新的監(jiān)測手段與技術(shù)支撐，具有良好的應(yīng)用和推廣價值。太湖流域水資源監(jiān)控能力建設(shè)項目中應(yīng)用本方案建設(shè)了 12 個箱式水量水質(zhì)自動監(jiān)測站，自 2013年投入運行以來，監(jiān)測了大量有效數(shù)據(jù)，在太湖流域水資源管理、水環(huán)境綜合治理中發(fā)揮了積極作用。

[1] 中共中央、國務(wù)院. 中共中央 國務(wù)院關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定[A]. 北京：中共中央、國務(wù)院，2011: 1-3.

[2] 水利部南京水利水文自動化研究所. 太湖流域水資源監(jiān)控能力建設(shè)項目流量和水質(zhì)預(yù)警監(jiān)測站點建設(shè)施工設(shè)計[R]. 南京：水利部南京水利水文自動化研究所，2013: 15-44.

[3] 上海網(wǎng)波信息技術(shù)有限公司. 太湖流域水資源管理系統(tǒng)建設(shè)實施方案[R]. 上海：上海網(wǎng)波信息技術(shù)有限公司，2011: 130-139.

[4] 水利部太湖流域管理局. 太湖流域水資源監(jiān)控能力建設(shè)項目實施方案[R]. 上海：水利部太湖流域管理局，2011: 24-33.

[5] 中華人民共和國水利部. 水資源水量監(jiān)測技術(shù)導(dǎo)則：SL 365—2015[S]. 北京：中國水利水電出版社，2015: 5-8.

Design and application of water quantity and quality automatically monitoring station of box-type

ZHANG Jian1, LONG Wei2,3, DU Hongjuan3,4, HU Xuejiao1

（1. Bureau of Hydrology of Taihu Basin Authority, Shanghai 200434, China; 2. Jiangsu Naiwch Corporation, Nanjing 210012, China; 3. Hydrology and Water Resources Engineering Research Center for Monitoring, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China; 4. Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China）

Water Quantity and Quality Automatically Monitoring Station of Box-type is a kind of on-line monitoring, which highly integrates monitoring instruments into a stainless steel outdoor crate of high strength and corrosion resistance. The monitoring instruments are on-line water quality analysis probe, on-line monitoring for water quantity H-ADCP, float type level meter, and so on. The on-line water quality analysis probe is a type of electrode, without using reagent. The automatically monitoring station uses solar and battery power supply, telemeter station working mode, recycle cleaning water, which realizes on-line monitoring of water quantity and quality, offers important monitoring methods for water resource management. By means of introducing the design scheme of water quantity and quality automatically monitoring station of box-type, this paper analyzes the design ideas, methods and characteristics of the structure and the function modules, introduces the application advantages and application fields. It can solve a series of problems, such as requisition of land, power supply, water supply, and so on. It has been applied to the construction of national water resources management system for the first time, offers reference for similar projects, has good application and expanding value.

water quantity and quality automatically monitoring mtation of box-type; water resource management; real-time Online; design; innovate

X832

A

1674-9405（2017）03-0046-05

2016-08-31

張 健（1963-），男，安徽滁州人，高級工程師，主要從事水文水資源監(jiān)測技術(shù)與管理工作。

10.19364/j.1674-9405.2017.03.011