太平沟水质自动监测站优化设计

刘阳明，满春香，张 蕾

（1.松辽委水文局黑龙江上游水文局，黑龙江 黑河 164300；2.松辽流域水资源保护局，吉林 长春 130021）

为有效对黑龙江干流的水质状况进行实时监控和预测预警，收集和掌握黑龙江干流的水量水质状况，更好的满足黑龙江干流水资源开发利用管理、水事活动以及经济社会发展的需求，并为妥善解决黑龙江干流可能发生的水事纠纷提供技术依据，规划在黑龙江干流中游段新建一处水质自动监测站。为能够顺利完成建设施工任务，通过现场勘查和测量，结合当地实际情况和规范要求，做好水质自动监测站优化设计。

1 建设概况

拟建太平沟水质自动监测站位于黑龙江省萝北县兴东村，黑龙江干流中游段。水质自动监测站与太平沟水文站属于同期建设内容，并同在一处。太平沟水质自动监测站建设内容包括监测生产用房、给排水设施在内的土建工程和水质在线自动监测系统。水质自动监测系统主要以在线自动分析仪器为核心，运用现代传感器技术、自动测量技术、自动控制技术、计算机应用技术、相关的专用分析软件和通讯网络，所组成的一个综合性的在线自动监测系统。实时、快速监测断面的水质变化情况、规律及变化趋势，及时发现水环境污染事件，为黑龙江干流污染防治决策、监督、水环境管理提供科学依据。

2 气象水文要素

2.1 气象要素

太平沟水文和水质站属北温带大陆季风气候区，四季分明，冬季严寒、干燥而漫长，夏季湿热而短暂。年平均气温为-0.5℃，最低气温为-50.0℃，最高气温为40.0℃。春季流冰多年平均开始日期为4月27日，终冰日期为5月4日；秋季流冰多年平均开始日期为10月30日，稳定封冻日期为11月20日。最大平均冰厚为1.33 m，最大冰厚为1.96 m。

2.2 水文要素

太平沟水质站监测断面处河段顺直，河床稳定，河床为沙卵石组成。两岸植被茂密，生长着桦、柳、榆、杨等多种阔叶树木。基本断面控制面积为86.3万km2，枯水期江面宽约600 m，平水期江面宽约800 m，洪水期江面宽约1 000 m。水深流急，洪水期最大水深15 m。站址附近无较大支流汇入，距上游布列亚河汇入口281 km，距入海口约1 407 km。

3 土建工程

3.1 生产用房

水质站与太平沟水文站的生产用房共同建设，水质站免去建设用地征地、站房建设规划等相关手续办理。在满足水文站生产和生活面积情况下，保证水质站的前处理室及仪器监测室使用面积应不小于40 m2。仪器监测室施工过程中，预留自来水入口接口、水样处理后排水接口、样品水进样接口、监测室地漏口、通风口。

3.2 供水供电及通讯设施

受兴东村自来水单位限时供水的影响，采取接入自来水支管道和深井自吸泵两种方式供水，在监测室悬挂容积为2 m3水箱，满足水质监测系统取水单元补水管道的需求。水质站周围为村居民用电，电压不够稳定，电路敷设杂乱。为保证水质自动监测仪器能够安全稳定运行，将通过当地电业部门设计，独立敷设电路，接入电网主供线路，电源电压为380 V。通过接入公共电话线路，采用ADSL拨号上网方式连接远程水质网络中心，通过专有软件和VPN设备，在公网上建立端对端的专有虚拟网提供数据传输和远程操作服务，保证数据传输的稳定性和保密性。

4 水质监测集成系统

太平沟水质自动监测站项目，拟采用技术相当成熟、运行稳定的SENTECH水质自动监测系统。该系统包括采水单元、配水单元、分析单元、控制单元（包括通讯）以及辅助单元等，采用现场监控组态软件及中心站软件，实现现场及远程的通讯和控制功能。

4.1 采水单元

采水单元包括采水泵、采水头、采水管路、供电电缆及安装结构部分。

1）室内采水单元。室内部分采水管路设计采用双泵、双管路模式，做到一备一用，采水管路采用U-PVC管材。在管路的适当位置安置流量调节装置，使进入每一台仪器的样品水的水压水量都符合仪器要求，而每次采样完成后系统进行管道的反冲洗，当反冲洗时，由于采用自来水和压缩空气的混合体，在清洗管路的同时不会对环境造成二次污染。为方便对比实验，采水管路采出样品，保证进入仪器的为同一批次水样。

2）室外采水单元。由于水质站地处北方的严寒地区，冬季水面严重封冻，冰层较厚，同时河岸为自然条件。通过搜集断面水位资料，现场勘查测量，确定水质站生产用房到采水头水平距离80 m，取水落差45 m，确定采水方式为井置自吸泵式。水质站生产用房到采水头间建一处防水泵井，防水泵井应更靠近采水头处，泵与采水头间的落差小于6 m。防水泵井应密实无渗水现象，做好防水泵井上下管道连接处防渗部件。采水管道工程需采取安装保温材料并穿入保护套管、埋在冻土层下。采水头端管路沿河岸敷设，超过枯水位的部分，管路沿河底敷设，采用打桩方式将管路和采水头固定在河底，并在水面做好标记。而放于水中的采水装置配合取水处特制的相关设施，可以防止淤积、堵塞、冻结、冰凌等现象，始终保持采集水面下0.5～1.0 m处样品水。

3）管路处理。将管路用保温材料（壁厚为2 cm的聚乙烯保温套管）包裹，并且穿入保护套管中，直接埋入河滩、河岸的冻土层下面（管道处冻层为2.5～3.0 m），从水下直至站房，既减小了环境对水温的影响，又达到了防止管路被冻的目的。在管路的保护套管外再用硼岩棉保温材料进行保温，并且管路从站房出来后就要保持一个稳定的、向下的坡度直到河水中，以便在系统待机的情况下管路中的水全部退回到河里，使管路在绝大多数时间保持为中空，最大限度减小管路被冰冻的可能性。当管路需要从水面直接进入水中时，管路与水面的接触点成了防止冰冻的关键。使用加热带单独为管路进入水面处进行加热，同时进行防水保温措施，保证采水管路不结冰。

4.2 配水及预处理单元

配水及预处理单元由配水系统、水样预处理系统、清洗系统三部分组成，系统管路采用的是串联方式、模块化设计。

1）配水系统。配水系统基本结构基于系统采用了几台完全独立的在线分析仪器，采用串联结构管路，干路使用无阻拦式沉淀装置，各自动分析仪器都从独立的沉淀装置中取水。为方便系统进行维护，全部仪器的取水管路设有旁路系统，设置手动球阀进行调节。

2）水样预处理系统。根据各监测仪器配备专门设计的预处理装置，以满足分析仪器对水样的过滤精度、沉降时间、稀释等要求。根据仪器分析所需要的水样量，用多少，过滤多少，减轻过滤装置的负荷。在处理系统中采用具有自动清洗功能和无拦截式流路设计的过滤器。过滤装置采用无拦截式流路结构，过滤装置的安装位置与水流同向，并采取开放式管路，减少了水样过滤量，同时，在装置中配备曝气反吹的自清洗设备，从而降低堵塞机率。

3）清洗系统。为防止泥沙或藻类堵塞管路、影响监测结果，在配水系统中设置自动清洗功能。由于整个系统采用间歇式取水，当系统停止时，该系统使用清水来清洗所有管路和部分仪器内部需要清洗的管路。管道反冲洗装置采用曝气冲洗加臭氧抑藻杀菌的方式，清洗配置输出功率0.75 kW的增压泵、工作压力0.6 MPa的电动球阀等设备。通过空压机向清洗水中鼓入压缩空气，产生大量连续的气泡，形成曝气剥离效应。同时清洗系统设置断电保护和来电恢复功能。

4.3 控制单元

控制单元由PLC控制单元、嵌入式中心单元、继电器驱动单元、直流电源供电单元组成。

PLC控制单元是一个基于PCBased PLC控制器。该单元采用电源、RS485通讯接口以及信号输出三端分别隔离设计；单元提供16组输入、输出信号，整个控制单元主体设备功率小于10 W；单元设有16路模拟采集通道，数据采集精度为16 bit，采集频率10 Hz，同时存储560组数据；同时单元采用FLASH存储程序，来更改和升级监控软件，当断电时能够自动保存历史数据和参数设置；采用电话线、卫星、GSM、GPRS等多种通讯方式与现场监控设备联接。控制单元实现采水、配水、清洗、反冲洗等控制，能够采集并且存储分析仪器的输出信号与部分智能仪器通讯，将现场的控制器工作状态，智能仪器的参数设置等信息，传递给现场或远程的监控系统。

嵌入式系统中心单元由中心单元硬件、嵌入式操作系统、现场监控软件三部分组成。其中，中心单元硬件为12英寸触屏式平板计算机，计算机处理器为Transmeta Crusoe 5400，工作频率为500 MHz，配备2.5G硬盘，并提供一个PC/104-Plus扩展槽；采用WinCE.net 4.2版本的操作系统作为嵌入式操作系统。监控软件用于在控制现场对整个控制系统的实时监控，采用嵌入式软件在WinCE平台上运行，采用CF卡为存储介质，采用工业控制标准的Modbus RTU协议和PLC控制器与远程中心站进行通讯。

4.4 电源保障系统

水质自动监测系统供电除采水水泵外，全部使用220 V单相交流电源，系统结构供电设计如图1。由于采水水泵属于大功率感性电器，不适用稳压电源；系统采用2台大容量UPS作为备用电源，其中1台给系统供电，1台给大功率仪器TOC使用。24 V直流后备电源供电为MODEM和中心单元提供电源，可以保证当停电时，系统具有自动保护功能和报警功能；稳压电源采用磁合成电源，电源功率3 KVA；所有设备的电源提供前端都由各自的空气开关控制。

图1 系统供电结构

5 自动监测分析仪器

通过以往水质自动站建设经验，及此次水质自动监测站系统监测项目及任务，优选分析方法和仪器设备，合理搭配组合，达到经济高效。具体监测项目、方法及备选仪器见表1。

表1 太平沟水质自动监测站监测项目和备选仪器表

6 结论

从实际工作入手，通过勘察建设现场及实际测量，研究探索、酝酿设计先进、实用、节约、安全并能够发挥最大经济效益和社会效益的水质自动监测站。

前期设计既为建设管理单位管理、施工单位建设和指导生产经营活动的重要文件，也是工程预结算的重要依据，更是项目管理的总体规划，它要顺应时代的潮流，真正做到与时俱进。因此，前期设计不仅具有理论意义，更具有实践意义。所以，编好前期设计是提高建设管理单位经济效益的有效途径，也是提高自动水质监测站社会效益的重要手段。

该项目的实施，可以进一步加强黑龙江干流中游段水环境监测能力，提高水环境监测水平和水污染事故的预警能力，做到及时、准确地反映黑龙江干流水环境质量状况。