濮陽(yáng)市微型水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用

王慎陽(yáng) 李光明 徐建閣 王亮 宋衛(wèi)平 李勇欣

摘要：地表水環(huán)境質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)在我國(guó)有了長(zhǎng)足的應(yīng)用，也形成了相對(duì)穩(wěn)定的模式。文章以濮陽(yáng)區(qū)域部分地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為例，詳細(xì)介紹了微型水質(zhì)自動(dòng)站的結(jié)構(gòu)組成和應(yīng)用實(shí)例，探討了微型站具有安裝簡(jiǎn)便、占地較少、價(jià)格低廉、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，是提升環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)能力的重要實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：微型水站;自動(dòng)監(jiān)測(cè);應(yīng)用

中圖分類號(hào)：X832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2020）10-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.10.085

Abstract：The automatic monitoring technology of surface water environment quality has been widely used in our country and formed a relatively stable mode.Taking some surface water automatic monitoring projects in Puyang area as an example，this paper introduces the structure and application of the micro water quality automatic station in detail，and discusses that the micro station has the advantages of simple installation， less land occupation，low price，convenient maintenance， which is an important practice to improve the environmental monitoring technology.

Key words：Micro water station;Automatic monitoring;Application

中國(guó)地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)工作已經(jīng)開展近40年，完整的監(jiān)測(cè)技術(shù)體系保證人工采樣、實(shí)驗(yàn)室分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和評(píng)價(jià)結(jié)果的有效性。進(jìn)入21世紀(jì)，中國(guó)地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)引入了自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，各部門和地方政府均根據(jù)自己的需求建設(shè)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，開展水質(zhì)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。自動(dòng)監(jiān)測(cè)作為手工監(jiān)測(cè)的補(bǔ)充，在監(jiān)測(cè)水質(zhì)變化及趨勢(shì)、實(shí)時(shí)掌握水質(zhì)狀況等方面起到了重要作用。目前，水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)已經(jīng)形成了相對(duì)穩(wěn)定的模式。但是，水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)無論在技術(shù)上還是在建設(shè)與運(yùn)維過程中都存在諸多問題。

微型站是近幾年快速發(fā)展的一種水質(zhì)自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有安裝簡(jiǎn)便、占地較少、價(jià)格低廉、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。濮陽(yáng)市根據(jù)國(guó)家水污染防治攻堅(jiān)要求，結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展，采用了微型水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)轄區(qū)內(nèi)4個(gè)斷面水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，水環(huán)境精準(zhǔn)管理、科學(xué)決策提供數(shù)據(jù)依據(jù)、決策支持。

1 建設(shè)目標(biāo)

本系統(tǒng)基于微型、高精度、智能化的自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，集成總裝方式實(shí)現(xiàn)湖庫(kù)、河道等水質(zhì)水量精準(zhǔn)在線監(jiān)測(cè)，具有建成占地面積小、試劑耗量少、運(yùn)維周期長(zhǎng)，故障率低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)有效降低了水站的建設(shè)成本。系統(tǒng)既包含傳統(tǒng)自動(dòng)站的全部功能，同時(shí)主要污染物指標(biāo)標(biāo)配平行樣、標(biāo)準(zhǔn)樣和自控樣等自動(dòng)質(zhì)控測(cè)試和儀器校準(zhǔn)功能，監(jiān)測(cè)過程全流程跟蹤監(jiān)控，有效發(fā)揮管理部門對(duì)自動(dòng)站的遠(yuǎn)程監(jiān)控與監(jiān)督作用，提升水環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警和數(shù)據(jù)分析能力。

2 系統(tǒng)組成及要求

微型水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱微型水站）主要由水質(zhì)分析單元、采水單元、預(yù)處理及配水單元、數(shù)據(jù)采集控制傳輸單元、輔助單元和微型站房等組成，可自動(dòng)監(jiān)測(cè)水體中的化學(xué)需氧量（COD）、氨氮、總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)、常規(guī)五參數(shù)（水溫、pH、電導(dǎo)率、溶解氧、濁度）等十項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)超標(biāo)自動(dòng)留樣，并通過光纖專網(wǎng)或4G網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。微型水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站采用一體化監(jiān)測(cè)艙站房，模塊化、一體化設(shè)計(jì)，占地面積小、功能齊全、造型美觀、無須建設(shè)固定站房，建設(shè)周期短，可實(shí)現(xiàn)便捷搬遷。

2.1 水質(zhì)分析單元

分析單元主要涉及COD、氨氮、總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)、常規(guī)五參數(shù)等十項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)，儀器設(shè)備滿足相應(yīng)國(guó)標(biāo)分析方法，主要參數(shù)分析方法和性能指標(biāo)見表1。除高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量?jī)身?xiàng)參數(shù)外，其他八項(xiàng)參數(shù)量程均可根據(jù)河流水質(zhì)變化情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

2.2 采水單元

采水單元的采水主管路采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，各儀器并接到管路中。各個(gè)儀器的壓力、流量均可單獨(dú)調(diào)節(jié)，并分別配備壓力表。管路的連接方式不僅要滿足所有儀器對(duì)需水量的要求，而且任何儀器故障不會(huì)影響其他儀器的工作。采水單元管路和電路分開安裝，采水管路材質(zhì)必須保證不影響水質(zhì)變化，管路外須有防水、防壓、防凍保護(hù)措施，電線應(yīng)該安裝套管，采水管路和電路深埋不得小于80cm，過路時(shí)必須加裝鋼套管。室外管線做到有效防凍防護(hù)措施，水中管路和電纜不直接暴露在水中，做到有效保護(hù)防止水流的沖刷。采用雙泵/雙管路采水，一采一備，滿足適時(shí)不間斷監(jiān)測(cè)的要求。管路保證-30～50℃能正常運(yùn)行，使取水口能夠隨水位變化，保證取水水管的進(jìn)水孔位于水表面以下0.5～1m的位置，并與河底保持一定距離，保證采集到具有代表性的水樣。

2.3 預(yù)處理及配水單元

為不同監(jiān)測(cè)項(xiàng)目配備預(yù)處理裝置，主要包括沉降和過濾，根據(jù)水質(zhì)情況可適當(dāng)配備超聲設(shè)備等，以滿足分析儀器對(duì)水樣的精度等要求。

除五參數(shù)外的其他儀器，根據(jù)對(duì)水樣的要求，對(duì)水樣進(jìn)行預(yù)處理，各儀器配水管路采用并聯(lián)取水方式，使各儀器可以從各自專門的過濾裝置中取樣，管路采用化學(xué)穩(wěn)定性好，不影響水質(zhì)的優(yōu)質(zhì)管材。每個(gè)設(shè)備具有獨(dú)立的水量控制手閥，可根據(jù)設(shè)備需水量進(jìn)行供水控制。管路預(yù)留多個(gè)儀器擴(kuò)展接口，可方便系統(tǒng)的升級(jí)。配水管線設(shè)壓力變送器，用于輔助調(diào)節(jié)流量及判斷配水單元工作狀態(tài)。

2.4 數(shù)據(jù)采集控制傳輸單元

控制單元是控制其他單元協(xié)調(diào)工作的中心。由自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)前端工控機(jī)、可編程控制器、VPN和其他控制元件組成。前端水站管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)與現(xiàn)有中心端數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)無縫銜接，并具備升級(jí)空間。工控界面可將系統(tǒng)流程實(shí)時(shí)反映出來，同時(shí)自動(dòng)站所有的操作在工控界面上都能實(shí)現(xiàn)。能定時(shí)和固定時(shí)段采集歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)表統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)曲線分析，數(shù)據(jù)導(dǎo)入、導(dǎo)出方便，并有數(shù)據(jù)備份、恢復(fù)功能。數(shù)據(jù)傳輸以光纖/ADSL有線網(wǎng)絡(luò)傳輸為主，傳輸帶寬不小于20M。

2.5 輔助單元

主要包括壓縮空氣系統(tǒng)（無油型）、UPS系統(tǒng)、穩(wěn)壓器、穩(wěn)壓電源、防雷系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)等。供電電源分別安裝高壓三相四線B+C級(jí)電源防雷器和低壓?jiǎn)蜗喽€B+C級(jí)電源避雷器，工控機(jī)內(nèi)供電前端自備復(fù)合型B+C級(jí)電源防雷器，通信線路安裝信息線路保護(hù)器。防雷接地電阻R≤4Ω。UPS單機(jī)功率為5kVA，在線式工頻機(jī)，UPS帶滿載后備時(shí)間2h，電池配置65AH/12V 蓄電池 16節(jié)。視頻監(jiān)控單元實(shí)現(xiàn)對(duì)站內(nèi)儀器設(shè)備的監(jiān)控和對(duì)站點(diǎn)周圍環(huán)境的不間斷監(jiān)控。監(jiān)控設(shè)備可水平360°旋轉(zhuǎn)，豎直-5～185°旋轉(zhuǎn)。保存1月以上的720p高清影像視頻。

2.6 微型站房

采用的微型站房高度集成化，占地面積小于10m2，站房面積能夠容納所有的符合國(guó)標(biāo)方法的自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備，同時(shí)配有試驗(yàn)臺(tái)配制試劑。采用輕型材料，具備恒溫、恒濕、隔熱、防雨、防火和報(bào)警等功能，可經(jīng)受 8級(jí)以上的風(fēng)力。微型水質(zhì)自動(dòng)站相較標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)自動(dòng)站，在建設(shè)與運(yùn)行維護(hù)等各方面均有明顯的優(yōu)勢(shì)，具體見表2。

3 監(jiān)測(cè)應(yīng)用

2019年微型水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站系統(tǒng)陸續(xù)建成并投入運(yùn)行使用后，濮陽(yáng)市區(qū)域的人民路橋站成功地監(jiān)測(cè)了濮水河污染團(tuán)的遷移過程。

圖1、圖2中記錄了污水團(tuán)通過水站斷面時(shí)帶來的部分常規(guī)監(jiān)測(cè)參數(shù)水質(zhì)趨勢(shì)情況。8月10日各參數(shù)出現(xiàn)明顯變化，化學(xué)需氧量、氨氮、總磷、溶解氧、濁度和電導(dǎo)率監(jiān)測(cè)值范圍分別為：11.6～55.2mg/L，0.04～4.03mg/L，0.057～0.439 mg/L，1.11～8.40，20.0～72.9NTU和356-702mS/m，水質(zhì)下降到劣Ⅴ類。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)情況，當(dāng)天啟動(dòng)了生態(tài)調(diào)水程序，并通知沿河相應(yīng)污染源排放單位及時(shí)調(diào)整處理工藝，快速有效地改善了河流水質(zhì)情況。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）系統(tǒng)以“微型化”為核心設(shè)計(jì)理念，其中分析儀器、集成裝置、站房為微型化重點(diǎn)建設(shè)目標(biāo)，既能實(shí)現(xiàn)水質(zhì)自動(dòng)精準(zhǔn)分析，又能解決傳統(tǒng)自動(dòng)站占地面積大，征地成本高的難題。

（2）針對(duì)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠性的問題，建設(shè)有完善的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與保證體系，可實(shí)現(xiàn)在線質(zhì)量控制，包括空白測(cè)試、標(biāo)準(zhǔn)樣品在線核查、平行雙樣、加標(biāo)回收率測(cè)定等，使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處于受控狀態(tài)。

（3）系統(tǒng)所包含的集成部件和分析儀器關(guān)鍵部件均具備傳感裝置，中控系統(tǒng)同時(shí)記錄站房環(huán)境信息，對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生過程全記錄，可實(shí)現(xiàn)異常和故障的情況快速反饋。

（4）濮陽(yáng)市地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)經(jīng)過10年的建設(shè)，已經(jīng)覆蓋了區(qū)域內(nèi)主要河段斷面，在掌握水環(huán)境質(zhì)量變化以及污染防控方面起到了重大的作用，本次微型站的建設(shè)對(duì)提升環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)能力具有重要意義。

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收稿日期：2020-08-21

作者簡(jiǎn)介：王慎陽(yáng)（1985-），男，漢族，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)榄h(huán)境監(jiān)測(cè)。