浅谈桃曲坡水库水质在线监测

摘要：为适应水利信息化的需要，及时、科学的为水资源合理调度提供实时水质信息，利用国内外先进的水质在线分析仪、数据采集、通讯传输、远程监控等技术，实时监测库水水温、PH、LDO（溶解氧）、电导率、氨氮、盐度、总磷、总氮、高锰酸盐指数等10项水质参数，并通过远程通讯方式传输数据至分中心。

关键词：水库；水质；自动监测

Abstract: in order to meet the need of water conservancy information, timely, scientific water resources reasonable scheduling provides real-time information, the use of domestic and foreign advanced online water quality analyzer, data acquisition, communication, remote monitoring technology, real-time monitoring of reservoir water temperature, PH, LDO (dissolved oxygen), conductivity, salinity, total phosphorus, ammonia nitrogen total nitrogen, permanganate index, 10 water quality parameters, and through the data transmission to the remote communication center.

Keywords: reservoir; water quality; automatic monitoring

中图分类号：TU991.21文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）

1.概述

桃曲坡水库是一座以农业灌溉为主，兼有城市供水的中型水利工程，总库容5720万m3,有效库容4020万m3。水库主要承担着铜川市新、老城区30万人的生活及工业生产用水，以及铜川、渭南和咸阳三市四县（区）40.03万亩农田的灌溉任务，是当地重要的水源地。水库水源水质监测委托陕西省水环境监测中心每月化验3次，从2010来监测结果来看，良好水质占全年监测的75%,合格水质占全年监测的25%,属于优质水源地。

根据桃曲坡水库水源水质特点和可能出现的污染源，结合供水安全监测和水污染应急监测，建设了水质在线自动监测站。水质在线自动监测站主要由采水单元、配水单元、分析单元、控制单元（包括通讯）以及辅助单元等，水质自动监测站建设项目由水质自动监测系统和中心管理控制系统组成，监测系统选用国外先进设备，可对水质水温、pH值、溶解氧、电导率、浊度五个参数，总磷总氮和氨氮等进行在线监测，对水体中的化学需氧量进行测定，对水体中2000多种有毒化学物质进行预警监测。

2. 采水单元

采水系统由采水单元(采水泵、采水管路、供电电缆等)和采样装置组成。由控制单元控制的采水单元向系统提供了可靠而有效的样品水。采水管路具有较强的机械性能，抗压，耐磨，防裂、耐腐蚀等，还具有良好的化学稳定性，避免了对水样可能产生的污染。采水管路采取了安装保温材料并串入保护套管、埋在冻土层下的方式，既保护了采水管路又使环境温度对水样温度的影响降低到最小。

采水设备设置在高放水洞前5m附近，采水地点位于水库库区水下1-2米水深，并于水底保持一定距离，保证采集到具有代表性符合监测需要的水样。

2.1采水方式

采水方式有固定支架方式+浮筒式、船只式、栈桥式，根据各采水方式特点及桃曲坡水库库区情况，高放水洞承担着铜川老区及新区城市供水和工业供水任务，采水点设在高放水洞前5m附近采水具有代表性，经综合分析选用确定支架方式+浮筒式采水方式。

采样方式概述：将支架固定在高放水塔塔身，让浮筒沿着支架两端的导轨上下浮动，将采样头固定在浮筒下端，使得采样探头在水面下方0.6-1.0m之间。浮筒上设置警示灯，便于监测管理。水泵上端有铁链通过滑轮拴着，以便在更换或维修时可以轻易的将水泵拉起。此种方式适用于水面上下浮动在5米以下，并且离采样点较近，水面深度不是太大的采样点。

2.2采水流程

水质自动监测站采水单元采用双泵双管路方式进行取水，为了避免系统频繁启动对水泵造成损坏，设备采用一备一用，当某一路水泵取不上水时，子站及时切断该水泵的电源以避免电机空转而损坏，同时，马上切换到另一路潜水泵自动运行，以保证系统分析水样不中断和取水系统正常工作。

在配水管路中设有压力、流量监控点，可以实现自动及远程控制曝气反冲采水管路功能，防止管路中泥沙沉积，并可降低滋生藻类的可能性。

采水系统采用连续或间歇方式工作，并能够根据监测要求现场或远程设置监测频次。根据情况有针对地对出现故障的管路段进行检查以尽早排除故障。另外，系统支持人为控制水泵切换功能。室内部分配水单元装配有手动取水口，能够方便水样比对实验的采水。

为保证冬天取水正常，采水管路采取以下措施：取水管路采用地埋冻土层以下、外包保温棉、加装加热装置和排空管路中的水。

2.3采水单元特点

（1）浮筒式采水使取水口能够随水位变化，保证取水水管的进水孔位于水表面以下0.5m～1m的位置，并与水底保持一定距离，保证采集到具有代表性的符合监测需要的水样，保证取样吸头的连续正常使用。浮筒可阻挡水中垃圾，防止进水口堵塞。

（2）取水泵采用互为备用的双水泵；

（3）取水管采用优质的UPVC管和钢丝增强软管；

（4）采用手动阀流速调节；

（5）室外管路采用保温材料保温，有效解决了冬季采用防冻问题。

（6）系统可采用连续或间歇方式工作，并能够根据监测要求现场或远程设置监测频次。

（7）管道采用排空设计，使管道内不存水，以防藻类孳生。

3. 配水单元

配水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。

3.1配水流程

（1）进样过程：采水泵工作，同时通过控制单元对各电动球阀的状态控制使水样按照设计流路流通并排出；

（2）分析过程：采水泵停止工作，分析仪器取样后进行分析，并且把分析数据传输到数据存储单元进行存储；

（3）清洗站房内部管路：采水泵停止工作，通过对各电动球阀的状态控制使清水曝气（含臭氧的气体）后沿进样方向流经管路，从而起到清洗站房内部管路的作用，并且使管路中充满了洁净的水；

（4）清洗取水管路：采水泵停止工作，通过对各电动球阀的状态控制使清水曝气（含臭氧的气体）后沿进样反方向流经站房外部采水管路，从而起到了清洗站房外部管路的作用；

（5）等待：采水泵停止工作，等待下一次进样过程。

3.2 水样预处理

（1）预处理主要是对样品水的过滤，去除水中的固体杂质，一方面起到保护作用，防止杂质损坏仪器设备，另一方面，减少杂质对测量产生影响。

（2）此次所选型仪器对过滤精度的要求不同，根据仪器分别采取恰当的过滤方式，过滤精度符合仪器要求，避免了由过滤精度偏差对水质检测的影响和维护工作量的增加，从而实现了设计和应用的合理性、实用性。降低过滤水样量，根据仪器分析所需要的水样量，用多少，过滤多少，尽量减轻过滤装置的负荷，减小故障机率和维护工作量。采用具有自清洗功能和无拦截式流路设计的过滤器。粒径较大的砂粒通过旋流除砂装置进行处理。粒径较小的泥沙则通过带自清洗的过滤装置进行处理，并通过管路布置、液流速度和系统反清洗功能的辅助最大限度地降低泥沙对系统造成的不良影响。根据分析仪器和标准分析方法的要求，适当选用静置时间，已达到预处理效果。

3.3 系统清洗

为防止泥沙或藻类堵塞管路、影响监测结果，在配水系统中考虑了自动清洗功能。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。系统清洗的操作，可以通过现场或远程进行自动或手动控制。

3.4配水单元特点

配水单元在每次采样分析完毕后均自动进行一次管道反冲洗操作，管道反冲洗装置采用了曝气冲洗＋臭氧抑藻杀菌的方式能够较好地清除泥沙沉积和剥离管壁上滋生的藻类物质，从而达到较好的反冲洗效果。配水单元中执行设备在接收控制系统指令后，按照预设程序自动对分析仪器的水量水压进行分配，从而实现了水量水压分配的自动控制功能。

过滤装置带自清洗功能，但需根据实际水质情况定期手动清洗，一般情况下维护周期15～21天，水质较好的情况下，维护周期可延长至30天以上。为了保证配水单元的良好运行，提供稳定、可靠的辅助用水，根据各地情况提出相应的设计方案，如：自来水、地下井水等。

4. 分析单元

本次分析仪器配套方案是以仪器实用性、稳定性、准确性、性价比等多方面为依据而选型，使分析仪器的选型真正适用于沮河流域的水质状况，降低现场维护人员的日常工作量。

根据桃曲坡水库水源、水质情况，分析单元由一系列水质自动分析和测量仪器组成，主要包括：水温、PH、溶解氧（DO）、电导率、浊度、氨氮、化学需氧量、高锰酸盐指数以及总磷/总氮、水位计、流量/流量/流向计及自动采样器等组成。

水质在线监测分析仪器参数

自动监测仪器分析方法

5、系统控制单元

控制单元的核心包含：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。外观和结构如下图：

5.1系统控制结构图

5.2 控制与通讯系统的主要功能

5.2.1 PLC控制单元的主要功能

（1）实现数据采集/存储/采水/配水的控制/智能设备的通讯；

（2）该控制单元、继电器驱动单元和接触器组共同完成采水/配水控制输出/仪器同步输入/清洗/反冲洗等一系列控制工作；

（3）所有仪器设备（五参数、氨氮、COD、水位计以及其他所有设备）都可通过4～20mA模拟量把测量结果传输该控制单元的数据采集单元；

（4）站房环境数据传感器（电压，室温，湿度）可以对水站站房内的环境条件进行监测，并且把监测数据通过4～20mA模拟量把测量结果传输该单元的数据采集存储单元，以便用户远程监控水站站房内的环境参数；

（5）所有支持MODBUS标准通讯协议的氨氮、COD、水位计、控制器以及其他所有设备都可通过4串口通讯模块与分析单元进行智能通讯（检测数据的传输、工作状态监控、参数设置、报警等功能的通讯）；

5.2.2 嵌入式中心单元的主要功能

中心单元采用了嵌入式操作系统，可以完成大部分工控机和组态软件的功能同时又具有高可靠性和低功耗的优点。具体功能如下：

（1）HMI(人机界面)，历史数据存贮和显示；

（2）系统操作日志、异常情况日志（如停电，系统故障，系统重新引导等）；；

（3）系统控制、参数设置，并可兼作现场工作状态显示和数据的存储；

（4）与上位机通讯以及与下位机的通讯；

（5）可用PSTN（标准的电话线和调制解调器）、GSM设备、GPRS设备、卫星通讯设备、无线电台等直接连接，以便进行远程的控制参数设置和数据传输；

（6）可实现对分析仪器自动校准控制命令转发功能；

（7）对仪器本身具备自动校准功能的，通过系统与仪器的通讯，实现远程自动校准；注：如仪器本身不具备远程自动校准功能的无法实现此自动校准功能。

（8）若控制系统配置了相应的硬件，则在每次测量完成或出现报警信息时，可通过GSM发送短消息至预设的手机上或中心站计算机。

5.2.3 供电单元的主要功能

主要功能如下：

（1）UPS电源提供的220V交流电源通过隔离开关电源转换为24V/5A的直流电源，为控制和中心单元提供电源，同时为系统的直流后备电源模块充电。

（2）直流后备电源模块中有两个60AH免维护蓄电池，为中心单元和通讯单元提供后备电源。

由于系统采取了低功耗的设计（正常情况下直流功耗小于50W），当系统断电后，可以保证控制设备工作时间大于24小时。在此期间远程可下载历史数据和监控系统状态。

5.3现场监控软件

监控软件用于在控制现场对整个控制系统的实时监控，它采用嵌入式软件， 可运行在WinCE平台上，采用CF卡为存储介质，采用工业控制标准的Modbus RTU协议与PLC控制器和远程中心站进行通讯，其主要功能如下：

（1）以组态的形式实时显示当前的系统工作状态，其中包括各种潜水泵、电动阀门、仪器仪表、管路等的工作和系统控制输出(DO)状态情况；显示各种仪器仪表和传感器的实时输出数值(16路4-20mA采集或Modbus读取)。

（2）可根据需要进行控制参数的修改和设定；

（3）通过报表的形式任意查询历史数据；

（4）实时记录数据和系统状态，为故障判断和排除提供参考依据；

（5）能够与支持Modbus RTU通讯协议的智能仪器进行通讯；

（6）当系统发生断水情况时，嵌入式系统可根据管路上的传感器的测量数值判断故障，然后停止所有控制过程，切换到初始状态，并发出SMS报警信号（前提：在用户配置了相应硬件的基础上）；

（7）若嵌入式系统由于故障死机，其特有的软件狗功能将自动复位系统。

6、水质监测体系信息共享计划

桃曲坡水库水质监测系统建设完成后，建立信息共享平台，通过网络联接其信息与省水环境监测体系、省环保部门水质监测系统实现信息共享，并与省水利厅及铜川市水质监测部门实现定时发送，为水利厅及铜川市政府应急决策提供依据。

水质监测体系信息共享计划搭建数据交换平台，将水质监测、污染源监控、蓝藻监控等信息进行集中整合和综合分析，形成流域水环境中心数据库，建设相关应用系统，加强水环境基础信息的监测、采集、整合和统一能力。

主要建设：（1）数据交换平台。利用成熟先进的消息中间件技术，建设数据交换平台，实现项目中心数据库与部门业务数据库之间的数据双向交换。（2）数据中心。包括数据中心硬件设置和中心数据库。数据中心硬件由服务器和存储系统组成；中心数据库由地理空间、环境要素点位等基础数据库，各类水环境及生态例行监测、自动检测、应急监测数据库，水污染突发事故应急预案、水环境预警分析模型等应急处置主题数据库等组成。（3）应用系统。包括构建数据分析与、移动数据采集与、图形化查询、工作协同、领导决策支持等应用平台。（4）网络系统。依托省水利业务主干网，进行带宽扩容，配置相应和服务器、存储等硬件设施。（5）安全系统。建设防火墙等安全防范措施，建立容灾备份系统，考虑预留全省电子政务大型系统备份接口，确保数据安全。（6）标准规范。根据国家标准规划，结合我省实际，建立相关数据、技术、管理及业务标准规范，为后期上下对接、平行衔接奠定基础。进一步完善环境监管、考核等业务功能设计和数据服务支持，提升管理服务水平。

水质监测体系信息共享系统建设计划列入二期水质监测站设备安装完成后统一考虑，系统建设，对环境水质实施全天候自动监测，实时动态地将数据传递给在线监测系统平台汇总整理，使监测数据具有客观性、科学性，以便随时抽调分析评价水资源的质量状况及其变化规律，通过信息共享平台为各级水利部门对环境污染有效预防、控制和治理以及环境决策提供准确依据，为国家和各级政府开发利用、管理与保护水资源提供科学依据。