小型水质在线监测系统建设与应用

桂跃武

摘 要：随着城市化进程的加快，大量的工业废水和生活污水排入河道中，使城市水环境受到严重污染。为保护我们日益严峻的生存环境，需要加强对河道水体质量的监测，及时地掌握水质状况和变化趋势。传统的人工采测模式和大型的水质自动监测系统都无法满足城市河道分布式水质监测点的建设要求。

关键词：水质监测站；COD；分光光度法；连续光谱法

中图分类号：X832 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）14-0056-02

随着城市经济的快速发展和人口激增，大量的工业废水和生活污水未经处理就排入城市河道，让曾经的“清泉”变为现在的“臭河”。2016年初，住建、环保、水利、农业等四部委联合摸底排查结果显示，全国295座地级及以上城市中有218座城市存在黑臭水体，其中黑臭河流超过1500条。

2018年伊始，我国修改后的《中华人民共和国水污染防治法》正式实施，严格规范了国家未来的水质保护工作。新法提出“建设水质监测并进行监测”，表明水质监测与水质保护工作是基本并行的。新成立的生态环境部要求在2018年7月底，全国各地必须完成2050个国家水质监测站的建设，全面掌控大江大河的水质状况，为国家监测、考核、评价提供准确数据。

1 需求分析

水质在线监测系统是了解水环境质量状况的“眼睛”， 除在大江大河上建设的国家水质监测站外，在我们城市河道上有一些重点排污口、截流井、区域敏感点、河道交汇点和行政分界断面亦需建设水质在线监测站，及时预警河道水质变化情况并追溯污染源，避免发生更大范围的污染。

目前传统的人工采测模式和采测频率（一个月一次）很难及时真实地反映河道水质的变化情况。国家水质监测站建设的大型水质自动监测系统，由于其系统复杂，建设成本高，占地面积大、运维成本高等原因进行大量布点建设也存在困难。

在城市河道治理工程中亟需一种经济、方便、小型的水质监测系统，满足快速响应水质变化、测量精度较高的需求，且与大型水站同样具有较强的野外适应能力。此类水质监测系统需要具备以下特点：（1）建设成本要低；（2）数据实时快捷；（3）占地面积要小；（4）易于运维和管理。

2 建设要求

分析城市河道水质监测的实际需求，推出小型水质在线监测系统应用方案，利用先进的高度集成的多参数水质分析仪，配合数据采集遥测技术及管理监控平台，实现分布式点位的水质在线监测，及时、准确地掌握水质状况和动态变化趋势，为水生态、水环境、水安全的有效管理提供可靠的基础。小型监测站占地面积小（一般不大于1.5平方米），可根据监测点场地条件，灵活选择安装位置。以同样监测常规五参数和COD、氨氮7个参数监测站进行简单比较如表1。

小型监测系统建设从分析仪器的选型与安装、取水配水、电源供应、安全与防盗、数据采集与传输、控制中心管理平台与现场站监测软件的无缝对接等多方面考虑。系统能够做到自动采样、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，并可实现远程监控、异常报警和来电自启等功能。

3 分析方法与标准

水质分析仪器是小型水质监测系统的核心部分，选用的仪器要求可靠性强，测量精度较高，操作维护简单，可以长时间稳定运行。高度集成的多参数水质分析仪器占地小、响应速度快，沿城市河道分布式建设，能够及时预警水质变化情况，达到追溯污染源，避免发生更大范围的污染。

监测的项目和指标可根据水体需求灵活配置，涵盖pH、温度、溶解氧、电导、浊度、COD、氨氮、总磷、总氮等。分析仪器的测量原理必须符合我国国家标准分析方法或环保行业分析方法，具体参照的规范、标准见表2。

4 系统构成

小型水质在线监测系统由水质分析仪器、控制单元、相应的管理软件、柜体及附属设施等组成，采用固定基站形式。系统配置水质分析单元、取水配水单元、控制单元、管理平台单元、箱体、供电和安防单元。为保障数据传输的可靠性，统一采用光纤传输为主信道、4G网络为备用信道的通讯方式。

4.1 水质分析单元

随着分析测试技术的不断发展，多参数水质分析仪在水环境监测领域得到了越来越多的应用。分析仪器主机是带有通用接口可装配不同探头的平台，各种智能探头可在不同主机间交换，亦可在同一台主机的不同接口间转移。仪器具有数据存储功能，可自动识别、设置探头（传感器），校准后的探头安装时无需再校准。仪器具有以下功能：

（1）低能耗、维护量小。基本参数自动贮存，断电、断水自动保护。（2）能同时连接SS、氨氮、COD等不同类型的探头，同时测量并显示所需监测参数，探头可现场拆卸更换，可进行湿拔插，可自动关闭未使用或故障探头。（3）采用数字信号进行通讯，有双向数据传输功能和工作状态输出功能，输出信号采用4-20mA、RS-485/232标准接口。（4）故障能够自动检测和自动报警。（5）光学探头能够自动清洗。

4.2 取水配水单元

取水单元要根据河道实际水文状况进行实地查看后设计合适的采水方案，确保水样有代表性。取样头的设置应考虑尽量减少堵塞，需采取过滤措施去除水样中的细泥沙等大颗粒固体物质。取样泵是根据取样流量、取水单元的水头损失及水位差合理选择，能够及时完成在线监测系统所需足量水样的采集，并为后续扩展预留所需的用水量。取水单元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、灵活配置泵的启动和取水量。

水样分配单元根据自动分析仪的用水水质、水压和水量的要求进行分配，能保证水样的时效性，且配水时间满足测量周期的需要。

4.3 控制单元

控制单元实现监测站内所有设备的自动控制、数据采集以及与区域监控中心的通讯等。它可以实现各种控制功能，如取水和采样频率、时间、泵速、排水及报警等，并能诊断和校正仪器。同时具备电量动态监控、断电报警、水质超标报警、通信中断报警、仪器异常报警（含被盗）等控制功能，并保存上述信息及处理情况的历史记录。现场监测站和控制中心之间实现双向的数据传输，可远程控制、监测设备的启停，閥门的开关等和主要设备的状态。

4.4 管理平台单元

小型水质在线监测系统在网络拓扑上包括现场监测站点、通信网络和监控中心的管理平台三部分组成。系统利用前端监控设备完成数据采集，通过光纤或4G网络发送到监控中心，实现分布式水质参数的实时监测和统一管理，并且以WEB方式发布，管理人员通过浏览器和手机APP可以实时查看数据。管理平台主要完成以下功能：

（1）实时监控：将前端监测站的设备运行状况、水质参数、现场实景等信息一览无余。通过监控画面，可以修改控制参数，进行实时控制与调整。（2）报警与预警：水质监测指标超过预定值，系统将自动生成报警信息，以声音、动画等形式提供直观的报警信号。同时系统精确地给出具体的超标数值、时间、地点和可能的污染介质、排放量等，并启动相应的应急处理措施。（3）统计与查询：将水质在线监测数据和报警信息进行分类汇总与统计分析，方便用户按指标、测点、时间、药耗等多种方式进行查询，也可转化成报表打印。（4）趋势预测：根据所选日期和时间段，动态显示任意时间内的趋势曲线，便于操作人员和警戒线对照，及时对将要出现的事故进行处理。（5）GIS定位：利用GIS软件管理空间数据的功能，将监测点或采样点在管理平台上进行地理位置定位。（6）安全管理：管理授权用户的登录，设置不同的操作权限，并可对每个登陆系统的操作人员的操作过程進行记录，并可随时查询，保证水质监测数据的保密性和安全性。（7）WEB发布：平台具有WEB发布功能，允许经过授权的远程用户，随时登陆系统查看实时数据，并且支持智能手机、平板电脑等智能移动终端的远程浏览。

4.5 箱体、供电和安防单元

4.5.1 箱体

城市河道是城市景观生态系统的重要组成部分，要求固定式小型水质监测站箱体美观大方，与安装点环境相协调。同时由于现场监测站容积非常有限，箱体内安装的分析仪器、流通池、数据采集和控制设备、蓄电池等需要高度集成，并且箱体内环境要能满足仪器设备长期稳定运行和维护的空间要求。由于长期放置于户外，监测站箱体能经受野外严苛环境条件，要求拥有良好的控温能力，确保仪器设备在高温天气能够正常运行。

4.5.2 电源供应

水质监测站设置交流电源和蓄电池备用电源。其中，交流电源就近引自市政电源，备用电源采用自带的UPS装置，每个站配置电度计量表一只。电源供应单元包括电源稳定装置、保护装置和蓄电池。

4.5.3 安防监控

固定监测站位于河道岸边，露天安装（如图1），为有效地保护自动监测系统中的仪器设备和监控设备均需安装防雷保护器。箱体采用保险箱防盗设计，要求配置开门声响报警和开门短信报警功能，防止非法入侵。视频监控可以在箱体开门的瞬间激发传感器发送无线信号，引导视频对准箱体，达到更好的安防效果。

视频监控具有远程智能监控功能，终端内置高清CMOS全天候摄像头，图像采用光纤传输。另外，摄像头配有多颗高性能红外灯，即使在全黑无光的深夜也可以拍出清晰可辨的画面，可清楚监视水质监测站设备和附近水面等状况。

5 结语

小型水质在线监测系统综合智能监测、自动控制、计算机应用和通讯网络等技术，配备视频监控、UPS电源、综合防雷等辅助系统，具备充分的稳定性，能够及时反映水质变化趋势，实现城市河道水质在线监测运行。该系统已在浙江、江苏、安徽等省份应用。系统现场安装便捷快速，外观与周围景观相融，长期运行稳定，得到了客户高度评价。

参考文献

[1]黄金屏.（CJ252T-2011）.城镇排水水质水量在线监测系统技术要求[J].水务世界，2012，（2）：11.

[2]樊幸福，邳志.（GB18918-2002）.水综合排放标准[J].港口经济，2012，（4）：21-23.