南水北调丰沛县水质在线自动监测系统设计与应用

唐 伟 马衣峰 刘华平

南水北调丰沛县水质在线自动监测系统设计与应用

唐 伟 马衣峰 刘华平

一、引言

水质在线自动检测系统是一套以在线自动分析仪器为核心，运用自动控制技术、自动测量技术、现代传感器技术、计算机应用技术以及相关的专用分析软件和通信网络所组成的一个综合性的在线自动检测系统。随着国家对环境保护的日益重视，自动在线监测技术也得到了广泛的推广，水质实验室监测也逐渐被水质在线自动监测站所替代。水质在线自动监测站的运用，使整个监测流程自动完成，实现了“有人值班，无人值守”，大大提高了水质监测的效率及质量。

二、水质在线自动监测系统的发展

随着地球水质的日益恶化和人类环保意识的不断提高，人类对水质包括地表水、工业废水、市政污水、海水的监测日益加强，对水环境检测工作的要求越来越高。在国外，水质自动监测起步较早。1959年，美国开始对俄亥俄河进行水质自动检测；1975年，全美各州共有13000个检测站建成水质自动监测网；20世纪60年代初，英国在泰晤士河沿岸建设了60个自动水质在线监测站，对水域进行实时在线监测，监测项目包括水温、

溶解氧、浊度、氨氮等，根据实时数据掌握入河的水质变化，监督入河污水的合法排放。我国的水质自动监测起步较晚，首先是在江河流域进行应用。1988年在天津建立了第一个水质连续自动监测系统；2004年厦门近岸海域建设了一套多参数水质在线自动监测系统；2005年全国主要流域重点断面均设立了水质自动监测站。水质自动监测能反映监测断面的水质连续动态变化，有极强的时效性，可为环境检测工作带来更加确切有效的数据。

三、水质在线自动监测系统的控制要求

水质在线自动监测系统的控制要求如表1所示，包括系统控制要求、故障报警及保护、操作方式等。

表1 水质在线自动监测系统控制要求

四、水质在线自动监测系统的构成、管理及质量控制保障

水质在线自动监测系统由水质自动监测点及相应的管理后台组成。每个水质在线自动监测点由若干各子系统构成，一般包括采样系统、预处理系统、监测仪器系统、自动控制系统、数据采集处理与传输系统及室外支撑系统等。

采样系统：采样系统包括水泵、管路、供电及安装结构部分。在设计上必须对各种气候、地形、水位变化及水中泥沙等提出相应解决措施，能够自动连续地与整个系统同步工作，向系统提供可靠、有效水样。

预处理系统：预处理系统包括水样预处理装置、自动清洗装置及辅助部分。配水单元直接向自动监测仪器供水，具有在线除泥沙和在线过滤，手动和自动管道反冲洗和除藻装置；其水质、水压和水量应满足自动监测仪器的需要。

监测仪器系统：由一系列水质自动分析和测量仪器组成，根据监测目标的不同，现在开发的测量仪器可分析的项目包括水温、pH、溶解氧、电导率、浊度、氨氮、化学需氧量、高锰酸盐指数、总氮、全盐量、总磷等。

自动控制系统：自动控制系统包括系统控制柜和系统控制软件，具有监测项目超标及支站状态信号显示、报警功能；自动运行、停电保护、来电自动回复功能；状态测试和维护，便于例行维修和应急故障处理等功能。

数据采集、处理与传输系统：数据采集一般有两种方案：一是定期到现场取回数据；二是对支站进行有线或无线遥控，将数据传输至中控站。前者优势在于资金投入较少；劣势在于数据的滞后性，不能及时反映水质变化情况，不利于做预先控制和采取措施减少污染事件造成的损失。后者劣势在于经费多于前者；优势在于能够及时了解水质变化情况，根据数据和图表进行预测，采取必要措施减少污染灾害带来的影响。中控站通过有线和无线两种通信方式实现对各支站的实时监视、远程控制及数据传输功能。中控站的数据处理系统可长期存储指定的监测数据及各种运行资料、环境资料备检索，专用的分析软件可以处理监测数据，自动统计出日、周、月、季、年平均值、最大值、最小值等各种统计数据和图标，可以掌握环境要素的动态实时变化情况，预测变化趋势。

室外站支撑系统：野外站支撑系统主要包括检测站房、电力供应及其他配套设施。安装在岸边的水质自动监测系统，其监测站房一般采用监测小屋的形式，以放置各种配套设施，电力供应一般直接采用市电。如果自动监测系统安装在离岸水域，一般采用浮标形式监测仪器通过重锤固定。

对于水质在线自动监测系统的运行管理，在操作规程上需制定系统日常运

行的操作规程和报告制度，在日常的运行管理中严格执行规程，对日常的运行管理进行记录，实行日报、周报、月报、年报的报告制度；水质自动监测站的运行经济技术指标由建设成本和年运行经费组成。建设成本主要有设备采购、土建、系统集成、现场安装调试等费用；年运行经费是长期的开支，主要有仪器的维护与维修，购买试剂、耗材与备品备件，以及交通费用、电费、水费、比对试验费和人员费用等。

水质在线自动监测系统的质量保证是确保监测系统安全可靠运行的必要措施。对水质自动监测站内的仪器，必须按照仪器使用说明书的要求和国家《环境水质监测质量保证手册》中的规定，定期进行校准；在每次更换试剂时进行一次校准，并用质控标样进行检定；对实验用水、试剂、校准溶液，应严格执行《国家环境检测技术规范》中的质量保证要求，并认真做好质控实验情况的各项记录。建立完备、严格、适用的质量管理体系是自动化水质监测站成功建设、长期应用、水环境检测参数达标的重要考量指标。

五、水质在线自动监测系统的控制流程设计

1.系统取配水设计

取配水系统作为整个水质在线监测系统的首要环节，在实际应用中已成为整个自动监测系统成功运行的关键。在该项目中，采用双泵进行取水，两泵互为备用。系统通过配水管路将所有水质分析仪器连接起来，水样取至配水管路后，经由预处理装置，分别送到各监测仪器处，测定数据后上传至PLC中。

南水北调丰沛县水质自动监测系统中，监测参数包括：水温、pH、溶解氧、浊度、电导率、全盐量、氨氮、化学需氧量等参数。系统通过对采样泵、电磁阀的控制来实现水质监测、管路清洗、传感器喷淋等流程。取配水管路包括：源水进水管路、清水清洗管路、热水清洗管路、空气反冲管路和排水管路。系统管线图见图1。

图1 系统管线图

2.系统流程设计

南水北调丰沛县水质监测系统主要由监测和清洗两部分组成。在监测流程中，系统通过水泵将水样抽取到配水管路中，经过一系列预处理后，由水质分析仪器对水样进行分析，然后将数据传送到PLC中，PLC通过RS485通信方式与数据采集器连接，数据采集器接收到水质数据后，通过GPRS方式将数据传至中心站。监测流程结束后，立即开始清洗流程。系统通过清水清洗，将管路中的泥沙冲洗干净；然后经热水冲洗，防止管路中藻类及微生物的滋生；最后经空气反吹，吹净管路中残留水样后，结束整个清洗流程。由于常规五参数传感器中的pH探头不能长时间暴露于干燥环境中，因此除监测、清洗流程外，还加入了喷淋流程。当系统处于监测周期间隙时，每小时运行一次喷淋流程，以确保传感器探头长期处于湿润环境中。

六、水质在线自动监测系统的意义和应用

该水质在线自动监测工程在丰沛县导流干线上设置6座水质在线自动监测站，分别对2个县区边界水质及4个县区污水处理厂水质进行监测，水质监测站可实现水质监测项目包括：常规无参数（温度、pH值、溶解氧、电导率、浊度）、化学需氧量、氨氮、总磷、全盐等，同时预留接口以供数据扩展。利用无线数据传输的方式，进行水质在线实时数据的传送，在市区截污导流工程运行养护处的中央控制系统，对水质数据进行相应处理，再根据实际的水质监测情况和要求设定数据传输的时间间隔，以达到截污导流的目标。

本文针对南水北调丰沛县水质监测站的需求特点，设计了一套水质监测自动控制系统。水质在线自动监测系统实现了水质的自动、连续监测和数据远程自动传输，发挥了监测活动的社会效益和经济效益。水质在线自动监测站的建设和运行，虽然克服了定时监测的缺陷，但建设和维护费用较高，水质在线自动实时监测与定时现场监测相结合仍是必要。水质发生异常时，在线系统能自动响应报警，进行连续跟踪监测，掌握污染事件的发生、发展并及时总结，对定时现场监测予以确认，对预防和预报污染事件的发生和发展具有积极作用。因此，水质在线自动监测系统具有良好的应用推广前景■

（作者单位：江苏省徐州市国家南水北调工程建设领导小组办公室 221000徐州市丰县水利局 221700 徐州市水利建筑设计研究院 221000）