寒冷地区某平原水库管道供水水质在线监测

阿布都沙拉木·托尔逊,马立平,刘晓茹,张盼伟

(1.新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

1 水库概况

该水库位于我国西北高寒干旱地区，是尾部调节平原水库，属大(2)型水库，是四面筑坝而成的典型平原水库，坝轴线全长17.7km、最大坝高28m、水库正常蓄水位500.00m，总库容2.81亿m3，水库水面面积24km2。该水库不仅是周边重要工业园区企业供水水源，而且还是乌鲁木齐市饮用地表水水源地之一，承担部分乌鲁木齐市城市生活供水任务，现每年水库供水量约1.5亿m3。

水库属地气候寒冷四季分明。从11月到次年3月属于低温天气，冬季气温最低达-30℃，常有积雪覆盖，连冻日在120—130d之间，最大冻土深度为1.5m。春季随着上游来水，鱼苗进入水库，夏季水温升高，鱼苗迅速生长繁殖，造成水库鱼类增多，给供水管路带来较大负荷。

近年来，随着水库周边工业园区大小企业工厂的陆续投产开工，工业生产已对水库大气及水环境产生潜在影响[1]，并且水库水循环较慢，内源污染也会对水环境带来不良影响。水库管理单位每月对进出库水质采样监测，并建立了水质在线监测系统，实现实时监控水库供水水质状况，分析水库目前水质变化趋势，对保障和提高水环境质量、保障水库供水安全具有重要意义。

2 水质在线监测系统概述

2.1 我国水质在线监测系统现状

水质在线监测系统以水质在线分析仪器为核心，运用自动控制技术、计算机技术以及相关的专用分析软件和通讯网络，组成从水样采集、预处理、监测到数据处理及存贮的综合性系统，从而实现水质在线监测站的自动运行[2]。

我国水质在线监测技术较成熟[3]，但主要关注监测仪器的技术性和环境适应性，对仪器外围配套设施的设计技术和结构特点较少涉及，有些在线监测站采水管路较短，受气候影响较小，有些站点由于缺少特殊防冻设计，冬季寒冷季节停止运行，造成在线监测不连续。一般情况采水管路堵塞由淤泥或藻类引起的较多，鱼苗堵塞管路较少发生，本文针对采水管路防冻、防止鱼苗堵塞和藻类产生等问题给出了解决方案。

2.2 本水库水质在线监测站概况

水质在线监测站房位于水库出口，配备系统供电和供水设备、电源和信号防雷设备、配电设备、UPS不间断电源、室内空调和灭火系统等，满足水质在线监测系统“无人职守，自主运行”的要求。

监测系统由采水单元、预处理和配水单元、分析仪器单元、控制单元和通讯单元五部分组成，系统结构如图1所示。

图1 系统结构示意图

(1)采水单元：完成水样的采集和输送，包括水泵、管路、样品前置过滤系统。由控制单元定时向系统发送指令，提供可靠有效的水质样品。

(2)预处理和配水单元：完成水样沉淀、静置和过滤等预处理，包括水样沉砂池和水质仪器采样杯及清洗除藻系统，使采集的水样能够满足水质分析仪器的要求。

(3)分析仪器单元：完成自动水质分析，由五参数、氨氮NH3-N、高锰酸盐指数CODMn和六价铬Cr6+分析仪器组成，五参数分析仪包括水温T、pH、电导EC、浊度TB、溶解氧DO五项常规水质参数。

(4)控制单元：对采样、预处理、分析测定、数据处理和传输等设备进行自动监控，由可编程控制器(PLC)、输入输出I0模件、通信模件、电气执行组件及相关控制软件组成。

(5)通讯单元：完成监测数据传输工作，将监测站的有关控制命令下行到PLC控制系统。本站采用数据采集器+无线GPRS数据传输方式，保证数据无丢失和损坏。

3 水质在线监测系统结构特点

3.1 采水系统设计

(1)取水方式

目前我国水质在线监测系统的取水方式主要有栈桥式取水、浮船(筒)式取水、竖井式取水、吊臂取水、多级平台式取水、自吸泵取水等方式[4- 5]。由于本水库的在线监测采样点设在供水管道上，供水管道为压力管道，不适合采用上述取水方式，本水库采用供水管道直接取水方式，不需增加水泵，保证了采集水样的原始性[6]，尤其对于溶解氧的测定不产生干扰。

(2)防冻设计

水库位于新疆寒冷地区，冬季气温最低达-30℃，并且由于水库供水管道的设计结构较特殊，采水管路较长，需跨退水渠道采样(如图2所示)，针对该类问题，采水管路进行了特殊防冻设计：①采水管路外包保温棉、加热带，再串入保护套管；②采水管路在跨渠道后深埋在冻土层下；③跨渠道段的采样管路有保温彩钢板覆盖，跨渠道采样管路布设示意图见图2。

图2 采水管路布设示意图

经过保温和深埋的特殊处理后，保护了采水管路，确保水质在线监测系统在北疆低温条件下也可正常工作，并使环境温度对水样温度的影响降到最低。

(3)样品前置过滤系统

由于水库夏季上游来水，有大量鱼苗进入管路，为了防止鱼苗及淤泥堵塞管路，在采水管路中加装了样品前置过滤系统，对管路畅通起到保障作用，并保证水样的原始性和真实性。

(4)管路材质

为满足水样真实性和管路压力的要求，选取了dn25的ts型钢簧胶管，其具有良好的耐腐蚀的化学稳定性，不会对水样产生污染，并具有较强的抗压、耐磨、防裂等机械性能，满足管道压力的要求。

(5)自动控制

为确保自动站连续稳定地完成采水任务，采用双泵双管路采水方式，为了避免系统频繁启动对水泵造成的破坏，采用一备一用的方式，对采水通道出现故障提供备选方案。采用连续或间歇方式工作，并根据监测要求现场或远程设置监测频次、控制曝气反冲采水管路，防止管路中泥沙沉积，降低滋生藻类的可能性。

3.2 水样预处理单元

预处理单元由常规五参数测量池、一级沉沙池、水压调节装置、过滤器分流器及控制部件等内容组成。

采用桶式沉沙一级预处理系统，过滤部分泥沙和杂物，具有自动清沙、排沙、清洗功能。经过沉沙过滤30min后的源水再经过竖式过滤器、分流器及水压调节装置，进入水质分析仪，以防杂质进入仪表。采用不锈钢滤网式精细过滤芯，保留小于100μm的物质，保证水样的真实性。过滤芯耐酸碱性范围满足pH∶2～12，并具有全自动切换的功能，实现过滤→分析→清洗的工艺流程。过滤器滤芯目数的大小，可根据需要而定，最小不低于50μm。

为保证常规五参数仪器的正确测量，水样不需进行预处理，在源水进入桶式沉沙池前设计旁路装置，直接进入常规五参数采样杯。

3.3 管路清洗除藻系统

在系统长期使用后，管路内易滋生藻类，需定期进行除藻处理。

(1)采用Dn25的管径尺寸，使管道内部水样对管壁形成一定的冲刷作用，有利于防淤和除藻；

(2)在测量结束时，对所有管路自动热冲洗，剩水全部排空；

(3)采用压缩空气将管路反吹，保持管路内干燥；

(4)在室内配水管路的关键部位设计一段透明管路，用于监测管路中的积藻状况。

该系统有效地防止藻类滋生。监测系统的废液进入专用废液收集装置中，以防止污染周围环境和影响源水的水质。

4 水质在线监测结果比对

4.1 比对仪器及方法

水质在线监测仪器生产厂家为美国哈希公司，包括五参数、氨氮、高锰酸盐指数和六价铬共4套在线分析仪器，其中五参数在线分析仪包括水温、pH、电导率、溶解氧和浊度五部分内容，技术参数见表1。

表1 监测系统参数统计

为了确认在线监测结果的准确性，与实验室水质监测标准方法比对[7- 9]，实验室采用的标准方法及仪器见表2。

表2 比对实验标准方法和仪器

4.2 比对结果

4.2.1比对数据统计

水质在线监测方法和实验室标准方法进行了实际样品比对，每批样品平行测定6次，实际样品比对参数包括水温、pH、电导率、浊度、高锰酸盐指数、六价铬6项指标。因氨氮在线设备测量范围为0.05～20mg/L，比对测试期间在线监测值均在0.05mg/L以下，低于测量范围下限，无法判定比对结果，故实验室配制质控样品，供在线监测仪器和实验室共同测试，氨氮质控样品标准值及不确定度为0.480±0.024mg/L。7项指标测试数据的统计结果见表3。

表3 水质在线监测与实验监测比对数据统计表

4.2.2方法精密度

通过比对数据可见，在线监测方法精密度(相对标准偏差)在0.6%～19.1%之间，实验室监测方法精密度在0.6%～20.8%之间，两种监测方法的精密度趋于一致。两种方法的浊度和六价铬相对标准偏差较大，均超过10%，精密度较差(如图3所示)。因水样的浊度不稳定，故测定过程中波动较大，六价铬含量较低，相对标准偏差较大。其他五项监测项目，两种方法的相对标准偏差均低于10%，精密度良好。

图3 两种方法相对标准偏差对比图

4.2.3两种方法间偏差

7项监测指标的在线监测与实验室测定方法间的相对偏差在0.21%～12.1%之间(如图4所示)，氨氮偏差最小为0.21%，由于氨氮样品是标准样品，介质较单一且较稳定，故两种方法偏差较小，在线监测值与实验室监测值接近，都在氨氮标样的标准值不确定度范围内。6项监测指标的相对偏差低于10%，只有高锰酸盐指数偏差较大为12.1%，由于该方法涉及加热和滴定过程，易带来实验偏差，但在20%的范围内，均属正常。因此各项监测项目的在线监测均满足监测要求。

图4 两种方法相对偏差分布图

综上所述，在线监测与实验室监测比对结果在正常范围内，效果良好，个别指标由于测定过程因素波动大和样品浓度值较低，造成精密度较差，或偏差较大，皆属正常实验现象，在线监测满足水环境安全监测的需要。

5 在线监测系统数据采集状况

水质在线监测系统于2015年建设并投运，对运行状况进行了统计[10- 11]，统计时间为2020年7月1日至12月31日，共计184d，统计指标为水温、pH、高锰酸盐指数、电导率、溶解氧和六价铬共6项指标，氨氮浓度较低，未检出较多，故不参与统计。半年时间总计应采集数据4416条，因系统故障等问题，实际采集4241条，总体采集率约96.0%，各监测项目数据采集率详见表4。本水库定期对采集数据进行实验比对分析，数据有效率见表5。6项指标的数据采集率和有效率均值分布图如图5所示。

图5 六项指标的数据采集率和有效率分布图

表4 水质在线监测站数据采集率 单位：%

表5 水质在线监测站数据有效率 单位：%

数据采集率平均值为96.0%，各数据缺失天数总计26d。数据采集的有效率平均为94.6%。各项指标的采集率较高，均在90%以上，有效率只有高锰酸盐指数略低于90%，为88.1%，其他5项指标有效率均达到90%以上。因此应加强高锰酸盐指数在线监测仪的维护保养，特别是加热系统的维护应引起重视。

6 结语

采水系统采取了外包保温棉、加热带、串入保护套管和深埋等防冻措施，加装样品前置过滤系统，采用Dn25管径、热水冲洗、压缩空气反吹及加设藻类监控管等措施，有效防止了管路堵塞和藻类滋生。

在线监测法与实验室标准方法精密度趋于一致，两种方法间相对偏差除高锰酸盐指数大于10%外，其他指标皆在10%以内。水质在线监测系统的数据采集率和有效率大部分在90%以上，只有高锰酸盐指数有效率略低于90%。

水质在线监测系统总体运行状况良好，但应加强高锰酸盐指数在线监测仪器的维护和监测，为保障水库供水安全发挥重要作用。