册田水质自动监测系统的建设与运行.pdf

册田水质自动监测系统的建设与运行袁 帅1,李漱宜2,白玉梅3,丁 杰1(1.国网南京自动化研究院/南京南瑞集团公司,江苏省南京市 210003;2.水利部海河水利委员会,天津市 300170;3.山西省大同市水文水资源勘测局,山西省大同市 037000)摘要:在省界断面和主要监测断面设立水质自动监测站,对断面水质进行实时监控,具有十分重要的意义。文中主要介绍水利部/21 世纪初期首都水资源可持续利用规划0建设项目)册田水质自动监测系统的组成和软件框架,详细介绍了系统的验收、运行和维护。册田水质自动监测系统采用了新式的取水方式,具有水质综合评价的高级应用功能及提供第三方软件开发等最新功能。该系统的建成可以有效控制水库污染、保证首都人民用水安全。关键词:水质监测;水质自动监测系统;取水方式;水质综合评价中图分类号:TV211.1;S274.4收稿日期:2007-12-24;修回日期:2008-01-22。0 引言和谐发展是当今社会的主旋律,利用先进的科学技术对水资源进行实时监控和优化配置,保护生态环境,促进国民经济可持续健康发展,是符合这一宗旨的。水利部/21 世纪初期首都水资源可持续利用规划0以保护首都水资源、保证首都用水安全为目标,立足于流域水资源的合理开发、优化配置和水资源的保护与改善,从流域水资源持续利用与经济社会协调发展的高度,提出一系列综合性的治理措施,是一项重大的系统工程。册田水库是北京市重要水源地之一,其出口断面是桑干河在山西省的出境断面,属国控断面,由海河水利委员会管辖,地理位置十分重要。在册田水库出口断面建立水质自动监测系统,可及时、准确地掌握桑干河上游水质状况,有效地控制水库污染,改善水库水质,解决跨行政区域的水污染事故纠纷,保证首都人民的用水安全 1。本文主要介绍册田水库水质自动监测系统的组成和软件框架,以及系统的验收、运行和维护情况。1 系统的组成册田水质自动监测系统由取样、预处理、水质监测分析、清洗、系统控制和通信等单元组成,如图 1所示。在册田水质自动监测站本地设立监控分中心,以通用分组无线电业务(GPRS)为主信道、北斗卫星信道为备用信道的通信方式,实现北京中心站对册田水质监测站的实时监控。水质监测参数包括:水质五参数(水温、电导率、浊度、pH 值、溶解氧)、高锰酸盐指数(COD)、氨氮、总磷和总氮 2。图 1 册田水质自动监测系统结构1.1 取样单元册田水库水质自动监测系统的源水取样点环境条件复杂,一年中水位变化在 10 m 左右,河床和岸边坡度缓长,地表有许多边缘尖锐的玄武岩。取样单元不仅要解决取样的代表性问题,还要解决水泵和取水管线的固定、维护维修以及防冻、防冰凌、防盗的问题,因此,常规的取水方式(栈桥式、取水井式、立桩紧固式、普通浮船式)都不太适用。取水系)62)第 32 卷 第 2 期2008 年 4 月 20 日Vol.32 No.2Apr.20,2008统是整个监测系统能否长期正常工作、监测数据是否真实可靠的关键 3,为此设计了一种全新的取水方式)取水塔结合浮船的取水方式,既避免了栈桥式取水的较大投资和较长工期,又能保证水位变化较大时能够正常取样。取水塔在一年中低水位时采取围堰的方法建设施工,水电管线的河床和岸边部分采用架高方式,坝上的平地部分采用地下埋设方式。经过 1 年多的运行证明,取样单元不仅能在各种水位条件下正常取水,也解决了水泵和取水管线的固定和维护维修、防冻和防盗问题。系统采用 2 台水泵并联,一用一备,循环交替运行,提高了系统的安全性和稳定性。一般采用间歇与连续相结合的取样方式,当出现紧急污染情况时,可设置为连续取样方式。1.2 预处理单元高锰酸盐指数、氨氮、总磷和总氮分析仪的进样需经过预处理才能满足仪器的要求,而五参数仪的进样必须是源水,所以,源水经配水分配后,一路直接进入五参数仪,另一路进入预处理单元。预处理单元由 3 级组成:第 1 级为旋转沉沙装置,册田水库的水质为劣类水,水质较差,该装置发挥了较大的作用;第 2 级为粗滤装置,用于过滤水体中较大的颗粒,因为水体中较大的颗粒不仅会影响测量结果,还会堵塞贵重水质监测仪器的内部管路;第 3 级为细滤装置,由于氨氮、总磷等分析仪采用比色法测量,对源水的透明度要求较高,因此采用高精度全不锈钢过滤装置,延长了过滤装置的使用寿命,且维护方便,经过滤后颗粒物直径小于 50 Lm 4。1.3 水质监测分析单元系统 采 用 美 国 HACH 公 司 的 H ydrolabDataSonde 4x 水质五参数分析仪,该分析仪体积小、功耗低、数据可备份、可扩充监测参数、易维护、价格适中,并具有 SDI-12,MODBUS,RS-232 等多种通信连接方式。高锰酸盐指数、氨氮、总磷和总氮分析仪采用法国 SERES 公司的 SERES2000 型系列分析仪,该分析仪易维护,运行的化学试剂成本较低,并具有 MODBUS 等多种通信连接方式,部分产品已经国产化。1.4 清洗单元册田水库上游有许多煤炭和医药企业,因此水质较差,藻类丰富,富营养化严重,当系统处于等待状态时,会有泥沙或者藻类等悬浮物留存在管路中,长久会造成管路的堵塞,影响流量和监测数据的真实性。系统设置了清洗单元对管路进行清洗,清洗单元由除藻液桶、电磁阀、止回阀、空压机等组成。每次取水后用自来水对取水管路进行冲洗,定期除藻,并用压缩空气反吹,防止管路中泥沙沉积和积水导致冬季结冰。清洗对象主要包括预处理管路、配水管路、源水管路。废液收集桶用来收集分析仪器排出的化学废液,防止废液流入水库中污染水源。图 2 为册田水质监测系统水路示意图。1.5 系统控制和通信单元系统控制单元为整个水站的控制中心。安装专用的监测站管理软件系统的现场工控机通过可编程逻辑控制器(PLC)对现场的所有仪器设备进行控制,并实时地显示仪器与设备的运行状态。系统控制单元不仅对系统参数(水泵状态、水位、流量、压力、流速、液位、气体流量、纯水流量、供电电压等)进图 2 册田水质监测系统水路示意图)63)#水情测报与水调自动化#袁 帅,等 册田水质自动监测系统的建设与运行行实时监控,还可根据系统运行状态设置和修改空气反吹频率、取样频率、读取数据频率、监测站的运行方式等系统参数。水质监测分析单元的 4 mA20 mA 输出信号输入到控制采集系统中的模拟量输入模块,通过采集控制程序和上层软件进行数据采集和存储。同时,控制系统通过通信模块以 SDI-12,RS-232,CAN-BUS 和 MODBUS 多种方式与水质监测分析单元进行双向通信 2,既可以进行数据采集也可以反馈控制,实时掌握分析仪表的状态,并且进行远程监控。由于册田水质自动监测站地处册田水库坝上,地点较偏僻,因此其通信单元采用以 GPRS 为主信道、北斗卫星信道为备用信道的通信方式,实现北京中心站对册田水质站的实时监控。这是首次将北斗卫星系统应用于水质监测。北斗卫星系统具有响应速度快、抗干扰能力强、传输采用 S/L 波段、采用码分多址(CDMA)扩频技术、无链接通道、按服务量计费的特点,且为国内自主开发系统,现场应用中效果较好,达到了快速、准确传递水质信息的目的。2 系统软件框架系统软件主要实现水质数据和系统参数信息的采集、分析、处理。所有水质数据和系统参数数据现场保存备份,并向北京中心站传输。系统软件具备统计、查询、编辑功能,可根据用户的要求生成年、月、日、周报表;可绘制出测量数据的年、月、日、周曲线或棒图;可以动态地按照用户的要求对历史数据进行查询;可实现特殊数据(如水泵运行故障)查询和对异常数据(如水质超标数据)编辑存储;可实现污染报警;可实现仪器设备日志信息的查询;并且具有水质综合评价的高级应用功能;提供第三方软件开发功能 5。系统软件功能模块如图 3所示。图 3 系统软件功能模块3 系统的验收3.1 开箱验收水质自动监测系统中的水质仪器较为贵重,单台仪器大多在几十万元左右,所以开箱验收主要是针对水质仪器的。设备到货后,由承包商、监理工程师一起当场开箱验收,查验进口设备报运单,清点并检查所到设备的型号、规格、数量、备件及随机资料,填写开箱验收记录单。3.2 比对试验考核比对试验考核是册田水质自动监测系统验收中最重要的环节。通过水库现场同步取样,分别在水质自动监测站在线分析仪器和实验室对所取水样进行测定,比较试验结果,以此评价该水质自动监测站在线分析仪与实验室国家标准分析方法测量的一致性。比对试验在册田水库坝上水质自动监测站在线分析仪上和山西省水环境监测中心大同分中心实验室进行,监理单位现场监督。考核方法如下:1)重复性:在相同条件下,对同一标准样品平行测定 2次 3 次,以各次测量值(扣除零值后)计算相对标准偏差。2)准确度:采用水利部水环境监测评价中心的质控考核盲样测定 2 次 3 次,质控考核盲样测定值落在真值不确定范围内。3)实际水样比对试验:采用高、中、低 3 种浓度水平的水样(高、中浓度采用实取水样加标准物质配置对份,低浓度水样为实取水样),分别以自动分析仪器 与国标方 法(GB 11894)89,GB 7479)87,GB 11892)89 和 GB 11893)89)进行对比试验,每种水样每天测定1 次,连续测定 3 d,计算该种水样相对误差绝对值和平均值。相对误差平均值 RE计算公式如下:RE=X-XPXP 100%式中:X 为自动分析仪测定结果的平均值;Xp为水样以国标方法测定结果的平均值。比对试验合格标准如下:1)精密度:平行测样 2 组 3 组,标准偏差不大于 5%。2)准确度:质控样在国家标准物质限定范围内。3)比对试验误差:按照国标方法对实际水样进行检测,与自动分析仪的检测结果进行对比,误差不大于 10%6。经过比对试验考核,册田水质自动监测站的水质仪器都达到了考核标准。)64)2008,32(2)3.3 单元验收和系统整体验收单元验收是指对取样、预处理、水质监测分析、清洗、系统控制和通信等单元的功能和具体技术指标分别检测验收。单元验收通过后,对水质自动监测系统的整体功能进行验收。4 系统的运行和维护册田水质自动监测系统正常情况下每天取样监测 4 次,遇到污染情况增加监测次数,也可以现地或者远方紧急强制监测。监测站运行 1 年多来,系统稳定,采集了大量的水质监测数据,基本能反映册田水库水质的实际状况。水质自动监测站属于少人值守的自动化监控系统,如果现场条件允许,需要维护人员按日、周、月和季度定期对系统和水质仪器进行检查维护。1)系统维护:每日检查取水是否正常,源水进样压力、进样流量、反吹空气压力是否正常,管路是否滴漏,水泵运行记录是否正常;每周对空压机进行排水,对沉沙分离池进行清洗,检查纯水供水;每月拆洗预处理单元的过滤芯。2)水质仪器维护:每日检查试剂引管是否在位,仪表进样是否正常,仪表读数是否正常,如果试剂缺少,及时配制试剂补充;每周检查蠕动泵是否泄露,电极内充液情况;每月清洁仪表,检查仪表内电磁阀工作性能;每季度清洗仪表测量池,标定仪表,如果条件允许,更换仪表蠕动泵管、反应膜等耗件。5 结语册田水质自动监测系统采用了新式的取水方式,应用了先进的水质分析仪器,集成了现代自动控制技术、通信技术和计算机图形可视化技术。该系统的建成填补了山西省大同市水质在线监测的空白。系统在 1 年多的运行中,工作稳定,水质参数测量准确,通信畅通,为北京的供水发挥了重要作用。对于少人值守特别是地点较偏远的水质自动监测站,系统的稳定运行及日常维护管理是今后需要解决的课题。参 考 文 献1 王玉华,赵学民,周怀东.水质自动监测技术及其应用分析.水文,2004,24(3):54-55,61.2 袁帅,余静.水质自动监测系统在都江堰灌区的应用.水电自动化与大坝监测,2005,29(5):82-84.3 宋汉周,陈子坎,刘燕锋,等.水口大坝坝址环境水部分水质指标的现场测定及其分析.水电自动化与大坝监测,2004,28(4):51-54.4 谭爱平,钟陵,黄滨,等.测定总氮的影响因素探讨.中国环境监测,2006(2):58-60.5 张闻波,朱星明,范宏,等.太子河流域水资源实时监控管理系统集成技术研究.中国水利水电科学研究院学报,2005,3(2):143-149.6 CUMM INS F A.Enterprise integration:an architecturefor enterprise application and system integration.NewYork,NY,USA:John Wiley&Sons Inc,2002.袁 帅(1975),男,通信作者,硕士,工程师,主要研究方向:水资源、水情、气象测控。E-mail:yuanshuai Construction and Operation of Automatic Water Quality Monitoring System of Cetian ReservoirYUA N Shuai1,LI Shuy i2,BAI Yumei3,DI NG J ie1(1.Nanjing Automation Research Institute,Nanjing 210003,China;2.Haihe River Water Conservancy Commission,Tianjin 300170,China;3.Datong Branch of Shanxi Provincial Hydrology Water Resources Survey Bureau,Datong 037000,China)Abstract:Automatic water quality monitoring stations play an important role in rea-l time monitoring of water quality inprovincial boundary cross sections and other main sections.This paper introduces the automatic water quality monitoringsystem of the Cetian Reservoir,one of the Capital Water Resources Sustainable Utilization Planning in the Beginning of 21stCentury projects of the Ministry of Water Resources.T he hardware and software,checking and acceptance,operation andmaintenance of the system are introduced.A new-style water intake mode is adopted in the system.The system has anadvanced applied function of water quality evaluation and a new function for the third party to develop software.Theconstruction of the system plays an important role in reservoir pollution control and water supply for the capital people.Key words:water quality monitoring;automatic water quality monitoring system;water intake mode;water quality evaluation)65)#水情测报与水调自动化#袁 帅,等 册田水质自动监测系统的建设与运行