大浪淀水库多参数水质在线监测系统的设计与实现

张丽莉,武中强,张 卓

(1.河北省沧州市水务局,河北沧州 061000;2、河北省沧州市水利科学研究所,河北 沧州 061000;3、河北省南运河河务管理处,河北 沧州 061001)

大浪淀水库多参数水质在线监测系统的设计与实现

张丽莉1,武中强2,张 卓3

(1.河北省沧州市水务局,河北沧州 061000;2、河北省沧州市水利科学研究所,河北 沧州 061000;3、河北省南运河河务管理处,河北 沧州 061001)

介绍水质在线监测技术,重点介绍了大浪淀水库水质在线监测系统的设计。通过建设大浪淀水库多参数水质在线监测系统,实现了对大浪淀水库水质的实时监测,主要监测项目包括:PH值、氨氮、溶解性总固体、浊度、蓝绿澡等八项指标,为保护供水水源地提供了技术支持。

多参数;水质;GPRS;在线监测

大浪淀水库是沧州市主要的饮用水水源地,承担着向沧州市区三大水厂、黄骅、南皮等市县提供生活饮用水的任务。大浪淀水库属于外源性水库,所蓄水全部来源于黄河水,在引调与供水的水资源调配过程中,需要及时的了解水库水质的情况,以确保水源地的饮用水水质安全。利用多参数水质在线监测系统,可以实现实时的水库水质监测,大大提高水质检测速度,对水库的水质状况起到早发现、早调查、及时处理的重要作用,同时也可以为水资源的合理调配及水污染的防治提供必要的技术支持。

1 多参数水质在线监测技术

1.1 多参数水质在线监测系统的构成

多参数水质在线监测系统是一套以在线自动分析仪器为核心,运用现代传感器技术、自动测量技术,自动控制技术、计算机应用技术以及相关的专用分析软件和通讯网络所组成的一个综合性的在线自动监测数据系统。多参数水质在线监测系统一般由一个中心控制主站和若干个监测子站构成,随时对某一地区和某一地点实现连续的自动监测,形成一个网络化的系统。系统由监测站、传输网络、控制中心及设备和供电保护等几个子系统组成。

监测站子系统包括样品采集、采样控制器、传感器、样品保存处理、分析仪器、数据记录器及通信传输设备,其主要作用是根据需求实时的采集水样,通过传感器和现场分析仪器,采集记录各种水质监测参数和设备状态参数,并通过通信传输设备向远程控制中心发送所采集数据。

数据远程传输子系统由前端传输设备、通信网络、中心接收设备组成。通信网络根据本地的实际情况,采用中国移动的 GPRS通用分组业务网,保证数据传输的稳定性和安全性。

监控中心子系统包括服务器、网络设备、通信设备、系统软件、数据库软件、数据分析处理软件、操作台等部分。监控中心可以实现对监测站采集终端的控制,包括水样的采集、设备的启停等。可以随时或定时从监测站采集终端索要实时水质监测数据,进行实时显示。后台建立数据库,对数据进行综合对比分析,形成各种所需的图表,并具有打印输出功能。可以及时接收到监测站终端的设备运行信息及各种报警信息并进行及时显示与处理。

设备及供电保护子系统设置在监测站终端和监控中心机房,由避雷器、抗电磁干扰、防静电及 UPS、蓄电池供电保证系统组成。可以最大限度的对监测设备、现场通信设备起到保护作用,并可以实现断电后 48小时的供电保证,保证水质在线实时监测的实现。

多参数水质在线监测系统在正常运行时,为电脑的自动化控制,完全不需要人工参与,其工作系统由信息采集传输、信息管理及信息服务等部分组成。各组成部分在系统中的位置和相互关系如图 1所示。

图 1 多参数水质在线监测系统结构图

监测站子系统负责水库水样的采集与分析处理,并通过数据远程传输子系统把各类水质信息传送至监测中心子系统,使决策部门及时了解水质状况,发布水质的相关信息,为控制水质与确定饮水安全提供科学依据。数据远程传输子系统利用成熟的 VPN通讯手段,建立实时的计算机网络系统,实现水库水质信息的网络传输和资源共享,为合理、充分利用水资源提供有效服务。

1.2 多参数水质在线监测系统的技术关键

(1)采水单元

包括采水阀、采水管道,节气安全阀等。根据大浪淀水库的监测要求,采水单元设计成流水采样,通过采水管道与水库的供水管道相联通,保持了水样的即时更新,可以随时向监测系统提供有代表性的水样。

(2)配水单元

包括水样预处理装置、自动清洁装置及高可靠性管路。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功能、水位超限自动调整功能、手动和自动管道反冲洗和除藻装置等,其水质、水压、水量可满足分析仪器的需要。

(3)分析单元

由一系列水质自动分析和测量仪器组成,包括水温、PH值、氨氮等传感器件及自动采样器。具有精度高,长寿命,易于维护与管理的特点。可以保证分析单元设备的高可靠性和稳定性,平均无故障工作时间大于 12 000小时,具有 24小时数据自动存储功能,并可保存六个月以上的运行数据。分析单元设备可以输出标准的数字信号,内置防雷、防静电及具有一定的抗电磁干扰装置。

(4)控制单元

包括现场和远程控制部分。可以实现各种监测设备的多种信号的连接和数据传输,实现各种控制功能,如设备的开关、切换、标定、调节、清洗、保护、报警等,并可以实现多点多路切换。各种功能都具备自动/手动两种控制方式。主要控制功能可以实现远程控制。

(5)数据传输单元

包括监测站通信设备、传输网络、监控中心通信设备。可以实现监测站与监测中心的双向数据传输。

(6)监控中心单元

监控中心单元具有强大的数据处理功能,能定时自动或人工采集不同时间段的历史数据进行报表统计和图形曲线分析,自动打印,自动生成日报、周报、月报、年报等功能,能主动判断水质类别和各指标的超标情况。

2 大浪淀水库水质在线监测系统设计

2.1 监测站子系统构成

根据大浪淀水库的现状条件,在库区设置一个水质自动监测站,设置在水库供水泵站的泵房内。监测站子系统包括采水单元、预处理单元、水质分析单元、废水处理单元及水质采集单元构成,除采水单元外,其它的现场单元全部集成在水质柜中。取水单元与泵房内的输水管线相连接,水样为实时流动状态,水样通过管路进入现场水质柜中,先进入预处理单元进行缓冲处理,再进入水质分析单元,经过多参数水质分析仪器进行实时分析后,进入废水处理单元排入泵房外的截渗沟。多参数水质分析仪得到的水质数据进入水质采集单元,通过数据采集模块、控制模块、存储模块、显示模块等完成水质数据的自动采集、处理,并通过前端 GPRS模块将水质数据实时的传送至监测中心子系统。水质采集单元还可以通过遥测终端 RTU和网络传输子系统实现现场设备的检测、通信与数据交换。

监测站子系统的结构见图 2。

图 2 监测站子系统结构图

2.2 远程数据传输子系统

大浪淀水库水质在线监测系统依托河北移动的 GPRS业务平台构建水质在线监测系统的数据通信专网。包括数据采集及接收系统和数据通信处理软件,通过专用的 GPRS终端和应用程序系统,实现对大浪淀水库水质监测站 PH值、温度、溶解氧等数据的采集和存储,并通过 GPRS网络进行无线数据传输,充分利用现有公用网络数据通信资源,实现远程传输与控制。

以 GPRS方式作为数据的主要承载传输方式,GPRS通信是基于 IP的数据分组通信网络,运用点对点传输数据模式,GPRS(静态 IP)数据传输采用水务局专网 APN接入方式,间隔 30分钟传输一次数据,适合于每次通信数据量小,通信频次高的监测数据传输。同时,为保证系统的安全稳定性,采用 SMS方式作为备用数据传输方式,数据中心分配专用短信端口,并通过点对多点方式直连短信网关,监测站采集点可以通过 SMS模块和数据中心通信。

监测站采集点通过数据采集模块采集到水质监测数据,通过移动通信公司统一的 STK卡,实现采集数据的 24小时传送。数据通过 GPRS/SMS透明数据传输终端内置嵌入式处理器对数据进行处理,按照自动应答 UDP的数据包格式,进行协议封装后发送到移动 GPRS/SMS网络进行无线传输,进入移动网络数据中心,安全有效的控制了 GPRS流量,并保证通信资费可以按非常低的包月方式支付,满足系统对数据流费用的要求。

监测站现场数据采集通讯装置的数据经中国移动 GPRS无线网络的 GGSN通道,送入 Internet网络,采用光纤专线接入模式,接入监测中心子系统进行数据交换。

2.3 水质监测设备

通过对多参数水质在线监测设备的性能指标、性价比、稳定性及扩展性的分析比较,选用了美国哈希 (HACH)公司研发的 Hyd rolab 5系列多参数水质分析仪。Hydrolab 5系列多参数水质分析仪是一款新型多参数、宽量程、免维护的先进水质监测仪器,具有如下特点:

1)具有仪器基本参数存储、断电保护、自动清洗和自动恢复功能;

2)防水性能良好,具有内置式扩展端口,可以为将来增加监测项目留有必要接口;

3)具有时间设置功能,可根据需要任意设定监测频率;

4)具有故障自动报警、异常值自动报警及试剂液位报警功能;

5)具有定期自动校验和双向数据及信号信号传输功能,传输信号方式为 RS-485;

6)易于清洗和维护,可靠耐用,可以通过外部通讯命令启动清洗周期;其基本技术指标见表 1。

表 1 多参数水质分析仪技术指标

2.4 水质采集管理软件体系结构与功能

大浪淀水库水质采集管理软件的管理目标是前端的监测站,管理内容为:水温、PH值、溶解氧、氨氮等水质参数的自动在线监测。

大浪淀水库水质采集管理软件系统采用 J2EE、JSP、VISUAL C++等程序开发,完成水库水质参数的实时采集、采样时间远程设定、数据存储、数据校核与修改、统计分析、水质数据实时查询评价、故障断电报警、报表输出等功能,同时支持远程网络数据的实时调用。系统管理软件的结构见图 3。

3 建设运行情况

根据大浪淀水库的现场考察条件,建设单位做了完善的施工组织设计,确定了详细的施工工艺和方案,并绘制了多张施工图,做到了现场施工的规范性和科学性。

大浪淀水库多参数水质在线监测系统于 2008年 7月初开始进场施工,至 31日施工结束,共完成包括取、排水管的改造安装、机柜安装、现场设备调试、机房装修、机房设备调试、试运行等工作,至 31日,整体系统基本调试完成,具备运行条件。经过专家验收测试,一年来,系统运行良好,数据采集、传输、处理准确及时,可以做为保障大浪淀水库饮用水安全的重要参考信息。

2008年 11月氨氮曲线见图 4,2008年 11月溶解氧曲线见图 5。

图 3 多参数水质在线监测系统软件结构图

图 4 2008年 11月氨氮变化曲线图

图 5 2008年 11月溶解氧变化曲线图

4 结语

多参数水质在线监测系统具有高度自动化、操作简便、维护方便等特点,并且整体运行费用较低,整个系统可以无人值守连续工作,自动对大浪淀水库的水温、PH值、溶解氧、氨氮等常规水质参数进行多时段、定时或者 24小时不间断连续监测,能够及时、准确、全面的反映水库水质的现状及发展趋势。系统利用 GPRS网络、GGSN通道、光纤等方式进行数据的双向远程传输,水质数据通过网络传送至监测中心系统,进行数据的处理、分析后输出,并实时存储在数据库中。多参数水质在线监测系统的运用,大大的提高了大浪淀水库水质监测、水资源调配及水生态保护的工作水平,为水库的管理提供了必要的数字信息,保障了人民生活饮用水安全,使有限水资源的合理利用和保护更加有的放矢。

[1]吴邦灿、费龙 .现代环境监测技术[M].北京:中国环境科学出版社,1999.

[2]向运荣、黄辉 .地表水水质自动监测系统及其建设中的若干问题[J].中国环境监测.2001,6.

P332.7

B

1004-1184(2010)03-0068-03

2009-10-21

张丽莉(1979—),女,河北沧州人,工程师,主要从事水利工程管理工作。