小型水質(zhì)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用

桂躍武

摘 要：隨著城市化進(jìn)程的加快，大量的工業(yè)廢水和生活污水排入河道中，使城市水環(huán)境受到嚴(yán)重污染。為保護(hù)我們?nèi)找鎳?yán)峻的生存環(huán)境，需要加強(qiáng)對(duì)河道水體質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，及時(shí)地掌握水質(zhì)狀況和變化趨勢(shì)。傳統(tǒng)的人工采測(cè)模式和大型的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都無(wú)法滿(mǎn)足城市河道分布式水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的建設(shè)要求。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)監(jiān)測(cè)站；COD；分光光度法；連續(xù)光譜法

中圖分類(lèi)號(hào)：X832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）14-0056-02

隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口激增，大量的工業(yè)廢水和生活污水未經(jīng)處理就排入城市河道，讓曾經(jīng)的“清泉”變?yōu)楝F(xiàn)在的“臭河”。2016年初，住建、環(huán)保、水利、農(nóng)業(yè)等四部委聯(lián)合摸底排查結(jié)果顯示，全國(guó)295座地級(jí)及以上城市中有218座城市存在黑臭水體，其中黑臭河流超過(guò)1500條。

2018年伊始，我國(guó)修改后的《中華人民共和國(guó)水污染防治法》正式實(shí)施，嚴(yán)格規(guī)范了國(guó)家未來(lái)的水質(zhì)保護(hù)工作。新法提出“建設(shè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)并進(jìn)行監(jiān)測(cè)”，表明水質(zhì)監(jiān)測(cè)與水質(zhì)保護(hù)工作是基本并行的。新成立的生態(tài)環(huán)境部要求在2018年7月底，全國(guó)各地必須完成2050個(gè)國(guó)家水質(zhì)監(jiān)測(cè)站的建設(shè)，全面掌控大江大河的水質(zhì)狀況，為國(guó)家監(jiān)測(cè)、考核、評(píng)價(jià)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

1 需求分析

水質(zhì)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是了解水環(huán)境質(zhì)量狀況的“眼睛”， 除在大江大河上建設(shè)的國(guó)家水質(zhì)監(jiān)測(cè)站外，在我們城市河道上有一些重點(diǎn)排污口、截流井、區(qū)域敏感點(diǎn)、河道交匯點(diǎn)和行政分界斷面亦需建設(shè)水質(zhì)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)站，及時(shí)預(yù)警河道水質(zhì)變化情況并追溯污染源，避免發(fā)生更大范圍的污染。

目前傳統(tǒng)的人工采測(cè)模式和采測(cè)頻率（一個(gè)月一次）很難及時(shí)真實(shí)地反映河道水質(zhì)的變化情況。國(guó)家水質(zhì)監(jiān)測(cè)站建設(shè)的大型水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由于其系統(tǒng)復(fù)雜，建設(shè)成本高，占地面積大、運(yùn)維成本高等原因進(jìn)行大量布點(diǎn)建設(shè)也存在困難。

在城市河道治理工程中亟需一種經(jīng)濟(jì)、方便、小型的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，滿(mǎn)足快速響應(yīng)水質(zhì)變化、測(cè)量精度較高的需求，且與大型水站同樣具有較強(qiáng)的野外適應(yīng)能力。此類(lèi)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要具備以下特點(diǎn)：（1）建設(shè)成本要低；（2）數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)快捷；（3）占地面積要?。唬?）易于運(yùn)維和管理。

2 建設(shè)要求

分析城市河道水質(zhì)監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求，推出小型水質(zhì)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用方案，利用先進(jìn)的高度集成的多參數(shù)水質(zhì)分析儀，配合數(shù)據(jù)采集遙測(cè)技術(shù)及管理監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)分布式點(diǎn)位的水質(zhì)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握水質(zhì)狀況和動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，為水生態(tài)、水環(huán)境、水安全的有效管理提供可靠的基礎(chǔ)。小型監(jiān)測(cè)站占地面積?。ㄒ话悴淮笥?.5平方米），可根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)場(chǎng)地條件，靈活選擇安裝位置。以同樣監(jiān)測(cè)常規(guī)五參數(shù)和COD、氨氮7個(gè)參數(shù)監(jiān)測(cè)站進(jìn)行簡(jiǎn)單比較如表1。

小型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)從分析儀器的選型與安裝、取水配水、電源供應(yīng)、安全與防盜、數(shù)據(jù)采集與傳輸、控制中心管理平臺(tái)與現(xiàn)場(chǎng)站監(jiān)測(cè)軟件的無(wú)縫對(duì)接等多方面考慮。系統(tǒng)能夠做到自動(dòng)采樣、自動(dòng)分析和自動(dòng)清洗以及數(shù)據(jù)記錄和輸出等環(huán)節(jié)的可靠有效，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、異常報(bào)警和來(lái)電自啟等功能。

3 分析方法與標(biāo)準(zhǔn)

水質(zhì)分析儀器是小型水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部分，選用的儀器要求可靠性強(qiáng)，測(cè)量精度較高，操作維護(hù)簡(jiǎn)單，可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。高度集成的多參數(shù)水質(zhì)分析儀器占地小、響應(yīng)速度快，沿城市河道分布式建設(shè)，能夠及時(shí)預(yù)警水質(zhì)變化情況，達(dá)到追溯污染源，避免發(fā)生更大范圍的污染。

監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目和指標(biāo)可根據(jù)水體需求靈活配置，涵蓋pH、溫度、溶解氧、電導(dǎo)、濁度、COD、氨氮、總磷、總氮等。分析儀器的測(cè)量原理必須符合我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分析方法或環(huán)保行業(yè)分析方法，具體參照的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

4 系統(tǒng)構(gòu)成

小型水質(zhì)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由水質(zhì)分析儀器、控制單元、相應(yīng)的管理軟件、柜體及附屬設(shè)施等組成，采用固定基站形式。系統(tǒng)配置水質(zhì)分析單元、取水配水單元、控制單元、管理平臺(tái)單元、箱體、供電和安防單元。為保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，統(tǒng)一采用光纖傳輸為主信道、4G網(wǎng)絡(luò)為備用信道的通訊方式。

4.1 水質(zhì)分析單元

隨著分析測(cè)試技術(shù)的不斷發(fā)展，多參數(shù)水質(zhì)分析儀在水環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。分析儀器主機(jī)是帶有通用接口可裝配不同探頭的平臺(tái)，各種智能探頭可在不同主機(jī)間交換，亦可在同一臺(tái)主機(jī)的不同接口間轉(zhuǎn)移。儀器具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，可自動(dòng)識(shí)別、設(shè)置探頭（傳感器），校準(zhǔn)后的探頭安裝時(shí)無(wú)需再校準(zhǔn)。儀器具有以下功能：

（1）低能耗、維護(hù)量小?；緟?shù)自動(dòng)貯存，斷電、斷水自動(dòng)保護(hù)。（2）能同時(shí)連接SS、氨氮、COD等不同類(lèi)型的探頭，同時(shí)測(cè)量并顯示所需監(jiān)測(cè)參數(shù)，探頭可現(xiàn)場(chǎng)拆卸更換，可進(jìn)行濕拔插，可自動(dòng)關(guān)閉未使用或故障探頭。（3）采用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行通訊，有雙向數(shù)據(jù)傳輸功能和工作狀態(tài)輸出功能，輸出信號(hào)采用4-20mA、RS-485/232標(biāo)準(zhǔn)接口。（4）故障能夠自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)報(bào)警。（5）光學(xué)探頭能夠自動(dòng)清洗。

4.2 取水配水單元

取水單元要根據(jù)河道實(shí)際水文狀況進(jìn)行實(shí)地查看后設(shè)計(jì)合適的采水方案，確保水樣有代表性。取樣頭的設(shè)置應(yīng)考慮盡量減少堵塞，需采取過(guò)濾措施去除水樣中的細(xì)泥沙等大顆粒固體物質(zhì)。取樣泵是根據(jù)取樣流量、取水單元的水頭損失及水位差合理選擇，能夠及時(shí)完成在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需足量水樣的采集，并為后續(xù)擴(kuò)展預(yù)留所需的用水量。取水單元可采用連續(xù)或間歇方式工作，并能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)要求現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程設(shè)置監(jiān)測(cè)頻次、靈活配置泵的啟動(dòng)和取水量。

水樣分配單元根據(jù)自動(dòng)分析儀的用水水質(zhì)、水壓和水量的要求進(jìn)行分配，能保證水樣的時(shí)效性，且配水時(shí)間滿(mǎn)足測(cè)量周期的需要。

4.3 控制單元

控制單元實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)站內(nèi)所有設(shè)備的自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集以及與區(qū)域監(jiān)控中心的通訊等。它可以實(shí)現(xiàn)各種控制功能，如取水和采樣頻率、時(shí)間、泵速、排水及報(bào)警等，并能診斷和校正儀器。同時(shí)具備電量動(dòng)態(tài)監(jiān)控、斷電報(bào)警、水質(zhì)超標(biāo)報(bào)警、通信中斷報(bào)警、儀器異常報(bào)警（含被盜）等控制功能，并保存上述信息及處理情況的歷史記錄?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站和控制中心之間實(shí)現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)傳輸，可遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測(cè)設(shè)備的啟停，閥門(mén)的開(kāi)關(guān)等和主要設(shè)備的狀態(tài)。

4.4 管理平臺(tái)單元

小型水質(zhì)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖习ìF(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)、通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心的管理平臺(tái)三部分組成。系統(tǒng)利用前端監(jiān)控設(shè)備完成數(shù)據(jù)采集，通過(guò)光纖或4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)分布式水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和統(tǒng)一管理，并且以WEB方式發(fā)布，管理人員通過(guò)瀏覽器和手機(jī)APP可以實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)。管理平臺(tái)主要完成以下功能：

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)控：將前端監(jiān)測(cè)站的設(shè)備運(yùn)行狀況、水質(zhì)參數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景等信息一覽無(wú)余。通過(guò)監(jiān)控畫(huà)面，可以修改控制參數(shù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制與調(diào)整。（2）報(bào)警與預(yù)警：水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)超過(guò)預(yù)定值，系統(tǒng)將自動(dòng)生成報(bào)警信息，以聲音、動(dòng)畫(huà)等形式提供直觀的報(bào)警信號(hào)。同時(shí)系統(tǒng)精確地給出具體的超標(biāo)數(shù)值、時(shí)間、地點(diǎn)和可能的污染介質(zhì)、排放量等，并啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)急處理措施。（3）統(tǒng)計(jì)與查詢(xún)：將水質(zhì)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和報(bào)警信息進(jìn)行分類(lèi)匯總與統(tǒng)計(jì)分析，方便用戶(hù)按指標(biāo)、測(cè)點(diǎn)、時(shí)間、藥耗等多種方式進(jìn)行查詢(xún)，也可轉(zhuǎn)化成報(bào)表打印。（4）趨勢(shì)預(yù)測(cè)：根據(jù)所選日期和時(shí)間段，動(dòng)態(tài)顯示任意時(shí)間內(nèi)的趨勢(shì)曲線(xiàn)，便于操作人員和警戒線(xiàn)對(duì)照，及時(shí)對(duì)將要出現(xiàn)的事故進(jìn)行處理。（5）GIS定位：利用GIS軟件管理空間數(shù)據(jù)的功能，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)或采樣點(diǎn)在管理平臺(tái)上進(jìn)行地理位置定位。（6）安全管理：管理授權(quán)用戶(hù)的登錄，設(shè)置不同的操作權(quán)限，并可對(duì)每個(gè)登陸系統(tǒng)的操作人員的操作過(guò)程進(jìn)行記錄，并可隨時(shí)查詢(xún)，保證水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的保密性和安全性。（7）WEB發(fā)布：平臺(tái)具有WEB發(fā)布功能，允許經(jīng)過(guò)授權(quán)的遠(yuǎn)程用戶(hù)，隨時(shí)登陸系統(tǒng)查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并且支持智能手機(jī)、平板電腦等智能移動(dòng)終端的遠(yuǎn)程瀏覽。

4.5 箱體、供電和安防單元

4.5.1 箱體

城市河道是城市景觀生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，要求固定式小型水質(zhì)監(jiān)測(cè)站箱體美觀大方，與安裝點(diǎn)環(huán)境相協(xié)調(diào)。同時(shí)由于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站容積非常有限，箱體內(nèi)安裝的分析儀器、流通池、數(shù)據(jù)采集和控制設(shè)備、蓄電池等需要高度集成，并且箱體內(nèi)環(huán)境要能滿(mǎn)足儀器設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行和維護(hù)的空間要求。由于長(zhǎng)期放置于戶(hù)外，監(jiān)測(cè)站箱體能經(jīng)受野外嚴(yán)苛環(huán)境條件，要求擁有良好的控溫能力，確保儀器設(shè)備在高溫天氣能夠正常運(yùn)行。

4.5.2 電源供應(yīng)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)站設(shè)置交流電源和蓄電池備用電源。其中，交流電源就近引自市政電源，備用電源采用自帶的UPS裝置，每個(gè)站配置電度計(jì)量表一只。電源供應(yīng)單元包括電源穩(wěn)定裝置、保護(hù)裝置和蓄電池。

4.5.3 安防監(jiān)控

固定監(jiān)測(cè)站位于河道岸邊，露天安裝（如圖1），為有效地保護(hù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的儀器設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備均需安裝防雷保護(hù)器。箱體采用保險(xiǎn)箱防盜設(shè)計(jì)，要求配置開(kāi)門(mén)聲響報(bào)警和開(kāi)門(mén)短信報(bào)警功能，防止非法入侵。視頻監(jiān)控可以在箱體開(kāi)門(mén)的瞬間激發(fā)傳感器發(fā)送無(wú)線(xiàn)信號(hào)，引導(dǎo)視頻對(duì)準(zhǔn)箱體，達(dá)到更好的安防效果。

視頻監(jiān)控具有遠(yuǎn)程智能監(jiān)控功能，終端內(nèi)置高清CMOS全天候攝像頭，圖像采用光纖傳輸。另外，攝像頭配有多顆高性能紅外燈，即使在全黑無(wú)光的深夜也可以拍出清晰可辨的畫(huà)面，可清楚監(jiān)視水質(zhì)監(jiān)測(cè)站設(shè)備和附近水面等狀況。

5 結(jié)語(yǔ)

小型水質(zhì)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)綜合智能監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)應(yīng)用和通訊網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，配備視頻監(jiān)控、UPS電源、綜合防雷等輔助系統(tǒng)，具備充分的穩(wěn)定性，能夠及時(shí)反映水質(zhì)變化趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)城市河道水質(zhì)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)運(yùn)行。該系統(tǒng)已在浙江、江蘇、安徽等省份應(yīng)用。系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝便捷快速，外觀與周?chē)坝^相融，長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定，得到了客戶(hù)高度評(píng)價(jià)。

參考文獻(xiàn)

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