淀山湖湖区水文水质综合性自动监测系统的建设

郑 宏 ，王 伟 ，隆 威 ，艾钰蓉

（1. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210016；2. 南京扬子水利自动化技术开发总公司，江苏 南京 210016）

0 引言

淀山湖是上海最大的淡水湖，为黄浦江的源头，是上海的饮用水水源地，水质安全对上海人民的生产生活影响很大。近几年来湖区面临湿地退化、水体污染、生态环境恶化等问题，因此，掌握湖区水质状况尤为重要。但是传统的人工取样化验方式频次低（每月 1 次），不能及时反映水质变化，所以建设淀山湖湖区水文水质综合性自动监测系统（以下简称系统），监测淀山湖水体水质实时变化情况。该系统可以 24 h 不间断监测，大大提高了监测时效性，且运行成本低，主要为水质仪表试剂更换费用。

1 系统架构

系统建设采用国内外先进的在线监测仪器，应用自动控制技术，将监测数据集成并发送至数据分中心，分中心再将数据转发至中心站。

工业控制计算机为处理中心，工业 PLC 为控制中心，保证系统的稳定性。系统结构图如图 1 所示。视频监控和波浪监测的数据直接通过网络交换机传送至数据分中心，分中心通过网络控制监控摄像头，也可查看和下载波浪监测数据及视频影像；蒸发器、风速风向仪的数据由气象 RTU 采集后发送至现场工控机；2 组水情设备均由水情 RTU 采集数据，一组发送至现场工控机，另一组通过 GPRS 模块发送至上海市水情遥测系统；工控机可以随时下载相连的 2 台 RTU 中固态存储的数据，水情遥测系统也可以远程召测水情 RTU2 的固态存储数据；水质监测设备的化验结果由现场工控机采集和存储，工控机中的控制采集软件可以实时控制水质监测流程，并将监测数据通过网络发送至分中心。分中心可远程设置系统运行参数，现场还配备有无线备用网络，当光纤网络故障时自动接入无线网络，光纤通信恢复后自动切入有线通信模式，保证数据实时在线传输。现场和数据分中心控制采集软件还可根据需要，将系统故障及数据超限参数等设置为报警信息，为保障系统运行和防汛及水质预警提供支持。

2 子系统建设

系统主要由水质、水情和气象等 3 个监测子系统组成。

2.1 水质监测子系统

图1 系统结构

水质监测数据有水温、pH、溶解氧、电导率、浊度、氧化还原电位、高锰酸盐指数、氨氮、总氮、总磷、叶绿素、蓝绿藻等 12 项。

水质监测子系统包含取水、预处理、水质分析、辅助、运行环境支持、系统控制等单元[1]，结构如图 2 所示。

图2 水质自动监测系统结构

系统控制单元为 PLC 设备，工控机用于现场人机交互，图文展示运行过程中的控制流程，界面清晰直观，控制软件可以实现数据输出、编辑、整理，便于数据处理和水文数据资料整编。运行环境支持单元主要包含电源（包括 UPS）、空调、去湿、防雷等设备；水质分析单元指各水质在线分析仪表；辅助单元主要包含反吹清洗、除藻、废液收集、超标留样、纯水制备等设备；辅助单元和运行环境支持单元为水质化验提供辅助功能和外围软硬件环境支持，同时可接受系统控制单元的指令进行相应动作。系统控制单元与工控机实时交互，上报工作状态并接受工控机指令，以控制水质分析流程的有序执行。

水质自动监测子系统流程图如图 3 所示。流程运行的关键节点均设计反馈信号，流程中任何一步出现故障，系统都会自动记录报警内容，并判断是否影响之后的流程，从而决定是跳过故障继续运行还是停止运行，由此可实现系统故障的及时有效管理。

图3 水质流程图

水质在线监测设备全部经过精密测试，运行稳定，数据准确度高。按照项目建设要求，严格执行《水质设备比对测试方案》[2]，经过 7 d 共 8 个预比测数据和 25 个比对测试数据的考核，证明自动监测数据符合《水环境监测规范》要求。正式运行后，系统将定期与实验室进行数据比对测试，以校准仪器，消除仪器自身误差，保证水质数据的准确度。

水质系统的水路和电路施工过程全部按照国家标准化工艺[3-4]要求，可有效降低系统故障率。运行过程中只需要定期巡检和更换试剂，无需人员值守，满足湖区站点无驻测的特殊需求。

2.2 水情监测子系统

水情监测数据为水位和降雨量 2 项[5]。

水位传感器采用的是 WFH-2 型全量机械编码水位计，测量范围可达 40 m，分辨力为 1 cm，安装在水位井内；雨量传感器采用的是 JDZ05（02）-1 翻斗式雨量计，分辨力为 0.5 mm，安装在室外观测场的机箱上。现场安装 2 套水情监测设备，由 2 台数据采集终端分别采集数据，其中一组和水质数据集成于现场工控机；另一组直接接入上海市水情自动测报系统，供防汛抗旱指挥系统采用。

水情监测子系统设备结构如图 4 所示。RTU 采集雨量、水位传感器的数据并通过通信模块上传给相应的系统，蓄电池和太阳能为 RTU 提供电源。该子系统采用成熟的野外水情自动遥测站基本配置。

图4 水情监测设备结构

2.3 气象监测子系统

气象数据为风速、风向和蒸发 3 项。

风速风向传感器采用的是 EZC-1 传感器，安装在 12 m 高的不锈钢支架顶端。现场用手持风速风向仪与采集终端同时采集数据进行人工比对，风力级别与风向一致。

蒸发监测采用 FFB-2 型自动蒸发测量系统，分辨率为 0.01 mm。蒸发系统采用 E601B 标准蒸发器，固定于蒸发场中心，蒸发场架设于湖面约 2 m 高处，平台为钢筋混凝土结构。由于测量的是湖面蒸发，蒸发器需安装在湖面上，按照 SD265-88《水面蒸发观测规范》[6]的指导原则，蒸发器 0.3 m 以下部分应埋固在土里，现改为将蒸发器 0.3 m 以下部分浸泡在湖水中，使蒸发数据更接近湖面蒸发值。

蒸发数据由气象 RTU 采集、存储和传输，原理是将相邻 2 次测得的测量筒液位差作为该时间步长的蒸发量，时间步长为 1 h。RTU 可实时读取液位，每当累计蒸发量达到 2 cm 时自动补水，蒸发器内水位到达溢流水位（自动蒸发系统启用时定义）时停止。

由于该套蒸发装置位于湖区，风浪较大，为减小风浪对蒸发的影响，采取了以下措施：

1）蒸发器外围装设防浪栅格，避免蒸发场内的循环水进入蒸发器。

2）测量管路内添加了网格设备，以减小蒸发器口处水面波动对测量筒读数的影响。

蒸发场建设完成后，对湖水与蒸发场中的循环湖水水面下 0.2 m 的位置，在不同季节对水温进行了测量比对，发现 2 者之间的最大温差未超过 0.5℃，对蒸发的影响可忽略。

经与淀山湖周边陆地蒸发（商榻蒸发站）数据比较，蒸发量基本相符，此设备可作为湖区蒸发数据的监测依据。自动蒸发测量系统的应用，除可用来分析日蒸发规律外，还可分析不同季节的蒸发规律和蒸发对湖区水量的影响。

3 结语

上海淀山湖湖区水文水质综合性自动监测系统对水质、水量等进行监测，保障了饮用水安全，完善了水安全事件应急响应机制，产生了巨大的经济和社会效益。淀山湖湖区水文水质综合性自动监测系统的建设成果有以下几点：

1）应用国内先进的集成技术，共集成了 18 个监测项目，是目前行业内监测项目最多的站点。采用国内外先进的自动化监测设备，只需定期巡查并为水质设备更换试剂，可无人值守，满足湖区站点不便驻测的特殊需求。

2）湖区自动蒸发测量系统首次使用，蒸发测量技术进一步提高。应用 E601B 型标准蒸发器和磁致伸缩液位传感器为蒸发量观测器具，以专用采集控制器采集处理蒸发数据并完成蒸发器补水、溢流自动控制，实现水面蒸发过程的高精度实时在线测量。测量分辨率达到了 0.01 mm。通过长期观测，可分析蒸发对湖区水量的影响关系。

3）测站安装了废水回收装置，避免二次污染。在线水质化验设备大部分采用化学方法，使用的试剂若处理不当会对当地水源造成二次污染。水质自动监测系统将带有试剂的和自来水清洗产生的废水进行了分离，将前者排入废水回收装置，后者直接排入湖中。每 2 周巡检时由上海市水环境监测中心和松浦分中心将废水收回处理。

4）信息可即时交互。数据分中心安装有短信平台，可设置各类报警信息的短信群发，及时启动应急响应机制。

5）安装过程规范，系统操作简单。测站所有的安装调试都是由技术熟练的工程师完成，水、电、气等管路铺设均按照相应国家标准规范进行施工，保证了高水平的建设质量。现场和分中心控制软件操作指南，可指导维护人员操作。

[1] 胡功第. 江苏省太湖地区水质自动监测系统的研发与实现[J]. 水利水文自动化，2004 (4): 6-10.

[2] 翁立达，彭彪，李恰庭，等. 水环境监测规范[S]. 北京：中国水利水电出版社，1998: 16-20.

[3] 陈发宇，杨荣凯，薛瑛，等. 电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范[S]. 北京：中国计划出版社，2006:4-9, 13-16.

[4] 宋波，罗红，肖兰生，等. 建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2002:10-20.

[5] 张建云，朱长年，崔家骏，等. 水文自动测报系统技术规范[S]. 北京：中国水利水电出版社，2003: 6-14.

[6] 高明，王希昶，刘克宣. 水面蒸发观测规范[S]. 北京：中国水利水电出版社，1988: 104-108.