水质自动监测站建设和运行中冬季抗寒技术研究

李歆琰饶凯锋孙丽罗毅李治国韩丽君

(1.河北省生态环境保护技术服务中心，河北 石家庄 050000；2.中国科学院生态环境研究中心，北京100000；3.河北省生态环境监测中心，河北 石家庄 050037；4.石家庄市环境监控中心,河北 石家庄 050000)

引言

河北省地处我国东部沿海，气候属于温带大陆性季风气候，四季分明。长城是河北省气温分布的重要界限，长城以南地区年平均气温高于10℃，长城以北低于10℃。长城以北冬季(11月—第2年2月)湿冷，冷空气影响频繁，普遍低温，极端天气情况下气温可低至-30℃。因此河北省北部地区水质自动站尤其是极寒地区的水质自动站，普遍面临冬季停站的问题，对冬季水环境质量管理造成了现实挑战与困难。针对水质自动监测站在建设和运行过程中抗寒的技术瓶颈问题，采用温控动环智能监控系统、绿色智慧太阳能供暖，结合采排水设施防冻等先进技术和措施，保证了河北省北部极寒地区水质自动监测站有效业务化运行，解决了河北省北部地区冬季水站抗寒运行的难题。该技术为我国北方冬季水质自动监测站运行提供了有效示范，保证了水质自动监测站在冬季极寒条件下正常稳定有效运行，提升了北方地区冬季水环境质量管理水平，保障了北方地区冬季水环境安全。

1 优化水质自动监测站建设期的抗寒技术

为应对河北省北部地区冬季极寒条件，水质自动监测站在建设期应针对站房保温、采排水保温采取有效保障措施，从而保证水质自动监测站在冬季极寒条件下正常稳定有效运行。

1.1 优化站房建设的保温措施

河北省北部极寒地区水质自动站站房一般为固定式水质自动监测站站房和一体式水质自动监测站站房2种类型。

1.1.1 固定式水质自动监测站站房保温措施

固定式站房建设一般采用砖混结构，为应对北方冬季低温，站房通过结构设计，外墙布设保温层；站房仪器间内配备空调和暖气等采暖设备，进行室内加热保暖。按照《地表水自动监测技术规范(试行)》(HJ 915-2017)，站房内温度控制在18～28℃，湿度控制在60%以内，满足仪器设备运行要求，保证冬季低温条件下在线监测仪器设备和系统的正常运行。空调应具有来电自动复位功能，以保证来电后仪器设备的及时启动。

1.1.2 一体式水质自动监测站站房保温措施

1.1.2.1 优化站房材质和结构

一体式水质自动监测站站房由于站房内部只有仪器室和质控室功能区，结构简单，更需严格的保温措施保证稳定的室内温度。一体式站房采用一体化设计，应优化用材标准、提高材质厚度和内置保温芯材等措施，结合室内加热装置(空调、暖气)综合达到保温、隔热效果。

为消除河北省北部地区冬季极寒天气期间(最低气温-30oC)对在线监测仪器设备和系统运行的不良影响，一体式水质自动监测站站房的墙体材料推荐用树脂基玻璃纤维保温板或其他新型复合材料，总厚度不小于70mm，具备保温、隔热、防风、防雨、防晒、防腐、防渗漏、防火、节能等功能。

结构可采取隔层双重加厚工艺，将双层新型保温芯材置于主结构H型钢两侧，使H型钢中间形成足够厚度与体积的空气夹层增加冬季保暖功能；站房内配置超低温运行空调与电热暖气片结合供暖的方式有效降低温度损耗，使之与站房的智能化环境温控结合实现自动控温，以上措施达到保暖保温的效果，保证冬季低温条件下站房内部环境工况(温度在18～28℃，湿度在60%以内)能够满足监测仪器设备和系统的正常运行。

1.1.2.2 温控动环智能监控系统

站房保温可通过外延保温设施集成暖通安防、供电照明、给排水、环境参数传感器，将站房温控、安防等功能集成一体化，建设实现站房内环境参数统一自动控制动环智能监控系统。

1.1.2.3 绿色智慧太阳能供暖

河北省北部地区是太阳能较丰富的地区，可采用绿色智慧太阳能电辅供暖系统进行站房供暖。绿色智慧太阳能电辅供暖系统主要由太阳能集热器、储热水箱、连接管路、散热部件及电辅助热源、控制系统组成。通过智能集成软件集成自动控制动环智能监控系统，统一控制环境参数，自动启用太阳能或电加热供暖系统。

1.2 优化采排水单元建设的保温措施

1.2.1 优化管路材质

采排水管路应有足够的强度，耐-5～60℃的温度范围，有良好的耐恶劣气候性，不裂缝，高耐压，可以承受内压和外载荷，具有极好的化学稳定性，耐磨耗和耐油性强，内径不小于25mm，外径不小于33mm，可采用软质聚氯乙烯或更优材质，加强材料采用聚酯丝或更优材质。可根据保温层材料、保护层材料以及不同环境条件和要求，选择不同的保温结构。保温结构应结构简单、施工方便、易于维修，应具有足够的机械强度以防止压力损坏，并拥有良好的防水性能等。

1.2.2 采排水防冻措施

水质自动监测站的采排水管路位于站房外，分为过水段管路和陆上段管路，管路应尽量设在冰冻线以下，同时管路应加大坡度[1]，利于采排水管路排空，减少管路内冻结风险。

1.2.2.1 采水管路过水段防冻措施

河北省北部地区地表水冬季冰冻层可达80cm左右，冻土层可达75cm左右，采水泵或采水头布设在水面冰冻层以下，采水管道经过水体段也应在冰冻层以下。采水浮台增设加温装置，防止浮台处水体结冰，保证冬季结冰期采水浮台及采水泵的正常运行；在采水管道经过水面冰冻层的一段，应安装伴热带(自限热14mm)。

1.2.2.2 采排水管路陆上段防冻措施

采排水管路陆上段布设分为地面段和埋地段。地面段管路通过外层敷设伴热带(自限热14mm)和保温棉(橡塑保温管)实现保温和防冻功能；埋地段管路通过将采排水管、线等预埋地段管路敷设于冻土层之下，确保采排水管路中的水不会产生冻结状况[2]，从而对管路起到防冻作用。也可采用排空方式，同时安装具有良好防水性能的电加热保温层，以有效解决采排水管路陆上段冻结的问题。

2 优化水质自动监测站运行期冬季抗寒技术

在极寒条件下开展水质自动监测站运行维护，对站房保温、采排水保温提供有效保障措施，是保证水质自动监测站在河北省北部地区冬季极寒条件下正常稳定有效运行的必要条件之一。

2.1 加强冬季站房保温设施维护

2.1.1 加强采暖保温设施运维力度

冬季来临前开展专项的站房保温系统的隐患排查，对空调、加热设备等运行不正常的设施及时维修更换。同时关注站房动环系统的温控情况，一旦出现低于18oC的情况，应及时响应，迅速排查低温原因，解决隐患问题，确保站房保温设施运行安全。

2.1.2 完善冬季应急预案，提高应急处置能力

运维单位应针对冬季水质自动监测站运行特点，做好应急预案，提前准备冬季冻结应急抢修物资及材料，提高水质自动监测站恢复运行抢修的反应速度，对出现的站房低温情况，做到快速响应、及时抢修，保证监测数据的连续性。

2.2 加强采排水保温设施维护

水质自动监测站采排水建设环节的保温措施固然十分重要，但采排水维护也是不容忽视的，关系到整个系统的安全、保温效果以及使用寿命等问题，因此对采排水应进行定期检查。

其中，生物预警水质自动监测站为连续性采排水，管道中的水是连续性流动的，由于散热损失的存在，水的温度沿流程逐渐降低。在有限的管道长度内，在正常的散热损失情况下，通常水的温度不至于降低到水的凝固点或冰点，相对常规水质自动监测站的采排水不易冻结。

常规水质自动监测站为间歇式采排水，采排水管道中水停止流动时，由于水得不到热量的补充，温度就有可能降至凝固点或冰点，甚至更低，从而发生冻结，轻则堵塞管道，重则导致管道破裂。通常管内水冻结时，紧靠管内壁的水开始冻结，圆形管道中冻结的冰沿管壁呈环状，然后逐渐增加冻结层厚度，直至冻结到管中心而堵塞管道。此时，就需要考虑在水停止流动期间管道是否会冻结，并采取相应措施[3]。水管泄空是防冻的最好措施，但是水质自动监测站为间歇式采排水，无法做到全部持续泄空，当气温低至保温措施仍然解决不了防冻问题时，可以考虑采排水管路维持管内微小流速，其开启程度与管径、气温及水温有关，水不至于冻结即可。

同时，每年应对水质自动监测站采排水进行定期检查，特别在冬季来临前开展专项隐患排查，主要针对采水设施和采排水管线保温系统，特别是加强采配水保温电伴热的维护，及时更换运行不正常的伴热带，对保温层缺失的外露管路完成防腐和保温等防护措施，保障管路采配水能力。在每次排除故障修复之后对故障回路进行预防性检查。检查的内容主要包括：防护层，检查所有伴热带保温材料外部的防护层有无损伤，防护铝皮接缝处的密封硅胶是否完好，保温层有无松动和脱落，当有以上情况发生时，需进行修理和换新，因为保温材料的吸水力很强，受潮时会使伴热带接线盒处的绝缘性降低，使维持温度达不到设计要求，因此一定要保证保温层的干燥，如果发现保温层有损坏，要及时检查其附近伴热带的情况，更换受潮的保温材料，敷好保温层，并加上密封；电源接线盒，检查所有的接线盒，同时检查撬内各套管上的接线点和温控器是否受到腐蚀和潮气的侵蚀[4]。

3 案例分析

2022年，河北省在冬奥会赛区水源地建成云州水库水质自动监测多层级生物预警智能监测站，有效保障了冬奥会赛区水质安全，进一步完善了冬奥会赛区及周边水环境预警及应急监测能力，高质量推进了冬奥会筹办工作。

冬奥会期间奥运赛区气温可低至-20℃，保证在冬季极寒条件下云州水库水质自动监测多层级生物预警智能监测站的正常运行，是保障冬奥会水环境安全重要条件之一。因此，生物预警智能监测站在冬季极寒条件下保温技术的工程化研究应用具有迫切的现实需求和重要的政治意义。

3.1 一体式水质自动监测站智能方舱站房

云州水库位于赤城县县城以北20km远的云州乡舍身崖山峡处，坝址以上河流分为2支，东支发源于沽源县九龙泉，西支发源于崇礼区威远门，水库总库容1.02亿m3。该水站位于赤城县云州水库一号泵站院内。站房整体采用钢结构焊接，内部为净化彩钢结构，材质为Q235B钢材，外部采用金属雕花板装饰，满足《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》(GB 51022)的要求。净化彩钢板采用厚度不小于0.5mm彩钢板，板材传热系数为0.38kcal·m-2·h-1·℃-1，保温层采用阻燃保温材料(中间保温层为岩棉),保温效果优良；保温层厚度不小于10cm，采用保温防火材质，窗户为双层密封结构，确保站房内温度控制在18～28℃。

3.2 采排水单元保温研究与工程化措施

3.2.1 采样泵

该水站取水采用潜水泵，双泵双管路设计，一用一备、交替使用。在控制系统中设置自动诊断泵、管路故障以及自动切换泵、管路功能，满足实时不间断监测的要求。

3.2.2 采水管路布设

为了防止冬季潜水泵停止抽水后采水管路中有水样存留，采水管设置具有一定比降利于自动排空。存留在管路中的水可利用自身的比降自动排空，在一定程度上起到防冻的作用。同时为了防止泥沙和水草等阻塞水泵和管路，在抽水泵的外部套上一个格栅防护网。采用加压自来水对管道和潜水泵中积淀的泥沙和滋生的水藻定时进行逆向冲洗，必要时投放杀藻剂。采水管全程采用优质PE管，避免对水样产生污染。管路与泵连接处采用强压蝶式卡头固定，不易脱落；同时易于维修拆卸和更换。采水管线纵切面示意图、横切面示意图见图1、图2。

图1 采水管线纵切面示意图

图2 采水管线横切面示意图

在云州水库水质自动监测多层级生物预警站的建设和运行过程中，采用了具有智能动环系统的一体化方舱站房，结合采排水设施防冻等先进技术和措施，保证了该水站的有效业务化运行，解决了河北省北部地区冬天水站被动停站难题，为我国北方冬季水质生物预警站及常规水质自动监测站运行提供了有效示范。

4 结论和建议

在节能环保的前提下，针对站房保温、采排水保温提出的有效保障措施，可有效保证水质自动监测站在冬季极寒条件下正常稳定有效运行；提出的冬季抗寒技术可有效提高冬季水质自动监测站的抗寒能力，为我国北方各地水质自动监测站在冬季极寒条件下的运行维护提供积极的示范性指导建议。