仓山龙津阳岐水系预装式监测站房设计要点

王萍 杨帆 李鹏程

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 上海 200092）

随着社会经济、科技的不断发展，水资源短缺、水环境污染的问题也日趋严重。地表水水质状况及水质变化的趋势是当前水污染防治和水环境保护工作的基础，科学有效的监测方法和监测设备能够及时掌握水质的变化情况，合理科学地调控工程的运行［1-3］。

仓山龙津阳岐水系综合治理及运营维护PPP 工程是在消除仓山龙津阳岐水系黑臭水体的基础上将其提升至地表Ⅴ类水的治理工程。本项目包括了2 个流域片区，分别是：①龙津阳岐片区：包括阳岐河、跃进河、跃进支河、半洋亭河、龙津河、龙津一支河、龙津跃进连通河；②白湖亭片区：包括港头河、吴山河、竹榄河、白湖亭河、马洲河、马洲支河。

仓山龙津阳岐水系水质自动监测系统通过在龙津阳岐片区及白湖亭片区设置在线预装式监测站房，借助计算机通讯技术实现监测数据的自动传输，为工程管理提供实时水位、水质信息。

站房式监测水站在发挥重要作用的同时，也存在诸多不足之处，例如站房用地规划困难、投资巨大、建设周期较长等情况。近年来，一种占地面积小、投资少、方便移动、可以整体吊装的站房——预装式监测站房应运而生，并正成为智慧化水质水文监测网络建设中一个重要的组成部分［4-9］。

本文以仓山龙津阳岐水系为例，对于如何设计黑臭河道的水质水文监测站房进行了研究和分析。

1 站房主要设计原则

预装式监测站房设计内容包括站房和外部保障条件。站房外部由覆铝锌板组成，使用组件嵌装式方法安装，形态设计美观，占地面积小；站房侧壁由优质保温棉充分填充，以求达到在任何天气中都能为内部水质监测设备提供机械和环境保护的功能。为了应对各种气候影响，外部箱体侧壁由优质保温棉填充，为站房内部各水质监测设备提供机械和环境保护；站房设计方便操作人员进出开展安装及数据采集、维护等活动。站房外部保障条件有：引入清洁水，通电、安装通讯线路及开通道路，平整、绿化和固化站房用地范围内的土地。

预装式监测站房外部组装材料选用防火、防水的钢板与木条式景区型监测箱体，形态简洁美观，占地面积小（6 m2～7 m2）。预装式监测站房可以移动，设计理念基于吊装式集装箱，所以站房可实现整体吊装，站房安装容易、吊装方便的特点对将来城建、防洪、堤岸改造等提供了便利。其使用面积以满足仪器设备安装及保证操作人员方便操作和维修仪器设备为原则，本项目配置站房根据站点情况配置大小，满足用户进行水质五参数（水温、pH 值、溶解氧、电导率、浊度）、氨氮、COD、流速、水位、淤泥溶度等水质参数及水文参数监测的水质自动监测系统布置要求，并预留空间便于增加监测因子。同时站房设计规格尺寸考虑了整体运输方便性及经济性。

预装式监测站房内分析监测仪器的选择，首先应满足监测水质的测量要求，其次考虑仪器的先进性、使用功能、日常维护和运行成本等因素。

（1）五参数水质自动分析仪。在线多参数监测仪采用模块化设计，1 台仪器上同时连接pH/温度、DO（溶解氧）、电导率和浊度4 支传感器，并可根据需要扩展模块或更换不同传感器探头［1］。

（2）COD 在线分析仪。COD 在线分析仪通过光度法测量样品吸光度，比对吸光度与水样COD 值的线性关系进行分析测定。

（3）氨氮在线分析仪。测量原理：水杨酸-靛酚蓝法。使用双光束、双滤光片光度计设计，消除样品浊度、电源波动引起的干扰。支持中文操作界面，可选中文、英文语言。

站房设计周围有疏通雨水渠道，充分考虑了防雨、防虫、防尘、防火、防雷、抗震、防盗、防电磁干扰等措施，配置照明、通风等设施；安装来电自启动冷暖空调，使站房内温度保持在8 ℃～30 ℃；站房设有工作台，并配有洗手池，方便工作人员的安装、维护和测试工作。站房配置齐全，遵循《地表水自动监测技术规范》［10］，无人值守全天候自动监测，装置设备噪音低，无噪声污染。站房内部设计如图1 所示，外部实景如图2 所示。

图1 预装式监测站房内部设计图

图2 预装式监测站房外部实景图

2 仪器管路布置

站房内部空间根据选用的水质分析仪器尺寸及布局进行设计，仪器安装采用壁挂式和落地式，有效利用空间。各部件及设备安装位置易于维护、牢固可靠，同时应注意固定带电部件的绝缘材料以及提供防触电保护的绝缘材料应耐燃烧和防明火；所有线缆穿PVC 管或线槽加以防护，动力线缆与控制及信号线缆相互独立，实现强弱电隔离；水电采用隔断进行隔离布置；站房内部整洁美观、设备布置有序。站房内部实景见图3。

图3 预装式监测站房内部实景图

3 水质水文在线监测系统

水质水文在线监测系统采用预装式站房结构安装在河道或湖库岸边，采用自动取水系统抽取水样并进行仪器分析检测。系统采用外接交流220V/380V 供电，监测数据采用光纤网络进行传输。

水质水文在线监测系统结合远程通讯技术，将仪器的测量结果、系统运行状况、各台仪器的运行状况等信息实时传送至中心管理平台。并根据中心管理平台返回的各种指令，实时对整个系统进行远程紧急监测、远程设置、远程校准、远程门禁系统等控制。

水质水文在线监测系统的在线自动运行是以现场控制系统中的MPU（Microprocessor Unit）为控制中枢，管理核心为已安装配套基站管理系统软件的工业控制计算机，配以所需单元组成［11］。为保证系统的稳定运行和状态反馈，由现场工控机根据现场情况或中心管理平台发出控制指令。控制指令分为两种：一种是在保证取到满足仪器要求的水样并维持系统平稳运行的MPU 控制指令，这些指令由工控机发给MPU 系统，MPU 系统根据接收的指令进行相应操作；另一种是仪器控制指令，通过RS232/485 对仪器进行控制，仪器根据收到的指令进行相应的操作（仪器可接收指令是实现仪器远程操作的必要条件）。

水质水文在线监测系统包括以下功能：

（1）可调节取样方式（连续或间歇），可根据监测频次取水；

（2）现场两级合理结构的自动控制运行方式；

（3）系统多级授权监控功能（包括中心管理平台远程监控与授权的维护端远程监控），为长期运行提供技术支持；

（4）系统具有自动诊断异常状况的功能，并在出现故障时进行报警与记录；

（5）数据自动采集、处理、存储及传输；

（6）根据用户要求进行数据的有效判别，同时测试数据及状态信息数据自动采集与远程传输；

（7）自动分析过程中有完整的质量控制手段及数据报告，可以对发现的重要数据实施相应的标记；

（8）系统具有日志记录功能，对系统和设备的运行状况信息进行实时存储和传输，方便查询；

（9）系统具有停电保护及来电分级自动恢复功能；

（10）系统设置具有开放性，用户可根据自身需要进行有关参数的设置，具有良好的扩展性；

水质水文在线监测系统是一套高度集成的一体化在线监测系统，由检测模块、采样模块、取配水及预处理单元、自动控制模块、供电系统、辅助系统、防雷单元等组成。其中，采样模块、自动控制模块的设计在站房设计中尤为重要［12］。

4 采样模块

作为水质水文在线监测系统中重要的一环，采样模块影响了预装式监测站房的设计。水样的采集直接关系到测试结果的准确性，水样总量和获得的有效待测物的不准确，将造成最终结果的失准，而且水质变化因水层也不相同，所以采得样品必须具有代表性，且样品在传输过程中不会发生物理或化学变化［4］，检测数据才有可靠性。

采样模块由取水泵组件、采样浮筒、隔离栅、探头流通池及采水管道等部分组成。为了适应不同河道，分别设计了上下自由摆动悬臂浮筒取水及悬臂浮筒取水方法，见图4 及图5。上下自由摆动悬臂浮筒取水方法适用于生态护坡型河道，悬臂浮筒取水方法适用于直立式驳岸型河道。

图4 上下自由摆动悬臂浮筒取水设计图

图5 悬臂浮筒取水设计图

5 自动控制模块

自动控制模块包含了整个水质水文在线监测系统的全部过程控制，是整个系统的大脑，是仪器实现自动监测的重要核心［13］。

自动控制模块具备实时监控功能，动态显示监测仪器和外部设备的运行状况，同时能够显示各种参数（水压、电压、水位、温湿度等）的变化值，具备预警和报警功能，便于实时监控，各种参数值自动写入数据库待后续查验。

针对预装式监测站房，如果现场仪器设备提供了相关的状态参量（如通讯状态、故障、报警等信息）输出，自控控制模块则每30 s 采集现场仪器设备运行状态信息，并对异常情况进行跟踪记录。如在某一测试周期内出现了异常情况，则对该周期内的监测数据进行标记之后再上传，以保证上级监控中心可以通过数据标记直观明了的判别数据的有效性。

自动控制模块控制合并了数据采集和传输模块，和其它仪器的通信方式可采用模拟信号采集的方式，亦可采用数字信号采集的方式。与远程的通信方式采用Internet 方式或专网，支持ADSL/GPRS/CDMA/3G/4G/NB-IoT 等多种有线及无线方式，用来完成现场数据的采集与网络通信等功能。

自动控制模块采用高度系统集成智能化设计方式，具备远程监控功能、系统故障报警及记录、停电保护及来电自动恢复。整个集成系统增加联网防盗预警，针对偏远地区实现了保护，从而达到无人值守的目的。系统集成设置具有开放性和扩展性，方便增加监测仪器和进行系统升级。

6 结语

仓山龙津阳岐水系综合治理及运营维护PPP 工程是水环境治理工程，水质监测在工程中具有重要的作用。作为仓山龙津阳岐水系水质水文的监测手段，预装式监测站房的布置能连续反映被测河流断面的水质变化情况，及时捕捉污染物排放事故并准确发出预警信号；预装式监测站房内仪器设备分类安装，布置合理美观，管线布置通畅合理，管材选择确保系统能长期有效运行；预装式监测站房自动化程度高，能够做到自动采样、自动反吹清洗、自动分析和自动清洗以及数据记录和输出等环节的可靠有效运行，可实现远程启停主要自动分析仪。