水质在线监测系统在胶东调水工程中的应用

陈 盟 杨 波 李肖男

(山东省调水工程运行维护中心东营分中心，山东 广饶 257300)

1 工程概况

1.1 胶东调水工程

胶东调水工程是承担向胶东地区及工程沿线县(市、区)供水任务，缓解胶东地区水资源供需矛盾的战略性水利基础设施，是山东省“百”字形调水大动脉的重要组成部分，包括引黄济青工程和胶东地区引黄调水工程。工程前身为引黄济青工程，是1949年以来山东省最大的跨流域、远距离调水工程，是国家“七五”期间重点工程。

胶东调水工程以滨州市博兴县打渔张引黄闸为起点，利用引黄济青输水线路160km至宋庄分水闸。宋庄分水闸以下分为两路：ⓐ利用引黄济青输水线路92km至青岛棘洪滩水库，承担引黄济青调水功能，全长252km；ⓑ新开输水线路322km至烟台、威海。工程途经滨州、东营、潍坊、青岛、烟台、威海6个市19个县(市、区)，全长574km。

胶东调水工程引黄济青输水线路于1986年开工建设，1989年11月25日正式向青岛调水，2004年在原引黄济青工程基础上启动胶东调水(烟台、威海段)工程建设，2013年实现工程全线贯通。工程以黄河水为主要水源，在博兴段北堤涵闸下游入小清河子槽与南水北调东线工程连通。2014年4月南水北调东线一期工程通水以来，已初步实现了长江水、黄河水、当地水的联合调度和优化配置。截至2017年底，工程已累计引水78.5亿m3，(其中调引黄河水68.0亿m3，长江水10.5亿m3)，取得了巨大的经济效益、社会效益和生态环境效益。

1.2 水质自动监测系统

水质保护是远距离、跨流域调水工程中非常重要的一项工作，水质问题关乎着远距离调水工程的成败。水质保护工作主要包括源头治理、污染源控制、沿线防护、水质监测预防、应急处置、水生态恢复等。其中，水质监测工作是其中的重要一环，水质监测为水质保护的各项工作提供了数据支持，使各项工作有了量化指标。

胶东调水工程线路长、工程沿线情况复杂、水质保护措施尚有欠缺。目前的调度水源取自黄河、长江。其中，长江水源经过京杭运河、南四湖和东平湖，水质污染风险较大。黄河水情复杂，水质污染风险同样存在。胶东调水工程受水区为青岛、潍坊、烟台、威海4个市，经济发展水平较高，在山东省国民经济发展地位举足轻重，水质安全关乎着人民生命财产安全。因此，做好水质监测工作尤为重要。

2018年4月，为做好水质保护工作，确保上海合作组织青岛峰会期间水质安全，胶东调水局在引黄济青输水河小清河子槽下节制闸处建设安装了胶东调水工程第一套水质自动监测系统，整个系统安装主要包括采样单元安装、配水单元安装、控制单元安装、分析单元安装、通信系统安装和辅助系统安装等。

该套设备检测方法包括光谱测定法、电极法和荧光法，检测项目包括化学需氧量、生化需氧量、总有机碳等16项参数。其中，硝酸盐、化学需氧量、生化需氧量、总有机碳、苯系物、水温的测定使用光谱测定法，氯化物、硫化物、氟化物、氨氮、酸碱度、高锰酸钾指数的测定使用电极法，叶绿素、总硬度、电导率、溶解氧的测定使用荧光法。电极法是通过电极在水中产生电场，使水中待检测物质微粒发生化学反应，待化学反应平衡时通过检测电流再经过软件处理并进行一系列转换得到物质的浓度和含量。荧光法的原理是水能吸收一定波长的电磁辐射并以不同的波长将辐射发射出去，根据水中物质分子吸收光谱和荧光光谱能级跃迁机理，具有吸收光子能力的物质在特定波长光(如紫外光)照射下，可在瞬间发射出比激发光波长长的荧光，对发射出的荧光进行定性、定量分析得出物质浓度。该套设备以光谱测定法为特色，spectro::lyserTM连续光谱分析仪是世界上第一个可以在液体介质中直接进行连续光谱测量(220～720nm波段)的水质分析仪器。其利用了液体介质中的物质会减弱氙灯发射光强度的原理，通过256像素二极管阵列检测器可以测量到一定范围波长的光束通过介质后的强度，经相应的分析软件就可以得出所测物质的浓度。全光谱在线分析仪是光学传感器、软件设计和现代通信技术的完美结合，其特点为：实时在线，即插即测；无须试剂，无二次污染；自动清洗，降低维护；一套系统，多种参数监测；全光谱指纹图，智能光谱报警，为不同应用提供多种校正参数；数字式通信传送(GSM,以太网),可远程监控；具有数字智能型自我诊断功能。此外，配置的PC操作界面(TCP/IP、USB、RS485、RS232、4-20mA)可实现不同硬件和软件的完全连接。

2 系统配置

2.1 运行机制

水质自动监测系统的运行离不开各单元的配合。控制单元作为整个系统的大脑，负责对采样单元、配水单元、分析单元等进行控制，同时负责处理和传输数据。控制单元主要由可编程控制器、通信模块、输入输出模块、工控机及电脑端软件组成。采样单元主要用来采集和输送水样至分析单元，由采样泵和输水管路组成。配水单元由过滤器、配水管、控制阀门等组成，主要是完成水样的过滤和配水，使水样符合水质分析的要求。分析单元是水质自动监测系统的核心部分，由各种参数分析仪组成，主要分析待测水样的各项目参数值。通信单元起到了信息传递的作用，主要负责将测站的监测数据传送到中心站，同时将中心站的控制指令传回测站。辅助系统包括纯水设备、稳压设备、UPS电源和监控视频设备等保障测站正常工作的设施。其工作流程见图1。

图1 水质自动监测系统工作流程

控制单元根据设定好的程序控制采样单元从河道中取水，经配水单元输送到检测分析单元，检测分析单元中的分析仪通过分析水样得出各检测项目的参数值，然后通信单元将各检测项目参数值传输到控制中心，由控制中心值班人员对其进行实时监测。水质在线监测系统设有自动报警功能，其评价标准为《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类。

2.2 硬件配置

该套系统具有采样和分析一体化、集成化、智能化等特点。在系统集成上，系统传感、变送、通信、上传、中央处理器数据收集存储和分析等是通过新型智能变送器con::cube实现的。

con::cube是基于最新的Intel Atom技术的高效率、高性能的工控机。配置如下：

a.标配有4个即插即测传感器，并且可扩展连接无限个传感器。

b.支持2个外部清洗阀。

c.在通信技术上使用基于四频段WCDMA和双频段EV-DO网络连接技术，支持全球网络连接。

d.集成了802.11n a/b/g WIFI接口以实现远程控制，数据传达速率达到300Mb/s。

e.配置100Mb/s高速以太网接口用于大型网络的集成，并且可通过USB闪存实现简单的数据传输。

f.通过继电器输出，4-20mA、SDI12、Modbus RTU(RS485)和ModbusTCP、Profibus DP连接到SCADA。

g.通过4-20mA输入、SDI-12、Modbus RTU/TCP集成第三方传感器。

h.利用8个当中的1个有效的模拟和数字输入和输出扩展插槽实现轻松的扩展。

i.数据存储器内存为4GB。

j.预装软件moni::tool_eco，可附加软件工具，如数据有效性或事件侦测软件。

k.浓度数值、历史数据、光谱图及所有发生的事件都以清晰的文本显示。

2.3 软件配置

水质在线监测系统安装模块式的软件系统结构，可提高在线水质监测传感器监测获取水质数据数量的能力，并通过对海量在线监测数据的自动验证和分析来替代手工操作，从而大大提高对水质状况的实时了解程度。同时，可实现在线监测数据的实时自动甄别和对污染事件的自动预报警，主要包括moni::tool(传感器和水质在线监测站的管理系统)完成水质在线监测站设备的运行、数据记录、传输、使用、维护等工作，实现水质在线监测站监测信息的可视化和分析。vali::tool (数据有效性甄别系统)能够完成自动甄别、记录和纠正不可靠的监测数据等工作，以保证数据在进入时间预报警系统前的高质量和可靠性，同时用户可以自动获得传感器的维护信息和要求以及自动监测设备运行故障信息等，见图2。ana::tool (事件预报警系统)通过使用事件预报警系统将目前单一的水质在线监测站变为可靠和智能化的监测预报警系统，见图3。

图2 数据甄别软件应用

图3 事件甄别软件测试

3 运行维护与效果分析

3.1 运行维护

水质在线监测系统具有适应较恶劣工作环境、连续运行与维护周期长等特点。采水、配水、试剂与标准溶液、仪器运行等均能影响在线监测数据的准确性，水质在线监测系统的运行维护直接决定监测数据的准确性、精密性、代表性、完整性和可比性。实际工作中有针对性地从在线监测系统的维护与管理等方面展开细致工作，可以有效地提高在线监测的准确性，使其数据具有代表性，同时可实现系统长周期有效平稳运行。现场维护工作一般包括日监控机制、周巡查机制、月对比机制以及日常站房维护、停机维护等。同时，站房现场要保持测站各仪器干净清洁，内部管路通畅，流路正常。对于各类分析仪器，防止日光直射，保持环境温度稳定，避免仪器振动，日常经常检查其供电、工作时序、过程温度等是否正常。采取上述手段加强水质在线监测系统运行维护的同时,还应加强监测人员业务水平的培训，提高监测人员的责任心和综合素质，掌握在线监测仪器的原理和维护技术，严格操作规程，确保水质在线监测系统的正常、稳定运行。

3.2 效果分析

3.2.1 监测标准

水质在线自动监测站监测标准按《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类执行，16个监测项目中有10项在《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中有明确的数值标准，根据这10个监测项目的标准参数要求设定监测报警标准，见表1。

表1 监测报警标准

3.2.2 监测效果

水质在线自动监测站设定为每小时检测1次，检测完成后由系统采集数据，同时上传到设备本地显示器、值班室电脑。整个过程全自动运行，包括取水、预处理、分析检测、数据采集、数据上传等。

监测站运行期间，水样采集、分析检测、数据处理和上传数据等系统运行稳定，数据上传及时，能准确及时地反映水质变化情况。监测数据存储在本地服务器，同时配合实验室采样检测数据，能实时掌握采样点水质状况，可做到对水质的24小时连续监测，并通过监测系统对水质变化情况作出迅速、有效的反应。

4 建 议

通过数月的设备调试及试运行，水质自动监测系统能较好地满足工程需要，为水质污染预警提供了可靠的依据，成为水质保护工作有力的保障。但在系统运行过程中仍存在问题，需要进行如下改进：

a.水质自动监测系统采用的是技术含量比较高的先进设备，在系统调试、运行、操作以及维护等方面对技术人员有较高的技术要求。因此，应对值班人员进行必要的技术培训，使其对水质自动监测系统的原理、运行机制、设备操作和维护有一个较清晰的认识，利于水质监测工作的专业化、规范化进行。

b.水质自动监测系统采用自动化、信息化程度较高的仪器设备，在信息传递和自动管理上有较强的优势。因此，应紧密结合下一步胶东调水工程自动化调度系统的建设，加强信息共享和资源整合，对其进行统一管理，统一调度。

c.应根据胶东调水工程第一座水质在线监测站的运行状况，着手总结监测系统运行管理各项工作中好的经验和方法，在工程沿线重要水源地、分水口、调蓄水库等增设监测断面，建立多座水质在线监测站，对输水水质进行全程监测，有效预防水质污染，建立水质保护长效机制。

d.胶东调水工程沿线水质检测工作基本靠委托沿线各地市的检测机构，不仅花费巨大，而且各地检测工作存在差异，不便于统一管理。胶东调水工程作为山东省重要的水资源配置工程，应加强水质保障工作的常态化、制度化建设，应建立水质在线监测和实验室检测的长效机制，除了在沿线增设水质在线监测系统外，还应适时建立自己的水质检测实验室，招聘培训相关专业人员。建立统筹协调、机制完善、运行高效、效果显著、适应新时代、体现新要求的水质检测工作制度。