大兴新凤河流域地表水水质自动监测站的建设

2022-05-07张火锋肖晶林栋

中国环保产业 2022年3期

张火锋，肖晶，林栋

（北京北华中清环境工程技术有限公司，北京 100176）

大兴区在北京城市总体规划中被赋予“三区一门户”的功能定位，其域内重要河道——新凤河——流域生态环境的重要性不言而喻。为了对大兴新凤河流域内水环境质量进行有效监测，并为河道运维提供预警预测分析数据，大兴新凤河流域综合治理工程在工程范围内的河道、功能湿地、初雨调蓄池新建19 套水质自动监测站。新凤河流域干流为新凤河，主要支沟包括老凤河、南苑灌渠、新西凤渠、凉凤灌渠、新建排沟、安南支流、姜凤支流、四海支流等[1]。

干流新凤河是1955 年开挖的减河工程，是凉水河的主要支流[1]。源头在立垡红闸，向东流到狼垡村西，过京山铁路向南，与铁路平行2km 折向东流，过李营滞洪区，经高米店，在西黄村以东到黄村一街过京开公路，折向南流，到海子角村北折向东流，沿京塘高速公路大兴支线左侧，与公路平行东流11km，过南大红门到马驹桥闸前汇入凉水河。其中大兴区（不含开发区）境内新凤河河道全长28.8km，总流域面积为166.4km2[1]。

新凤河在综合治理前，生活、养殖、工业污染直排入河，流域内多条河道黑臭，部分支渠排水不畅、水污染严重、景观环境差，不能保障水安全及民众对水环境的要求，严重影响区域人居环境质量[2]。

根据《城市黑臭水体整治工作指南》及《北京市黑臭水体判定工作方案》,北京市水务局组织了全市黑臭水体的判定工作。经过现场调查及实验室监测，按照黑臭水体判定级别标准，大兴区黑臭水体判定结果为：大兴区达到黑臭水体的共有18 条河流19个河段[2]，其中属于新凤河治理范围内的共有8 条河流9 个河段，包括葆李沟、北小龙河、新凤河、老凤河、新建排沟、南苑灌渠、四海支流上段、四海支流下段。

为贯彻落实《水污染防治行动计划》及《北京市进一步加快推进污水治理和再生水利用工作三年行动方案（2016 年7 月—2019 年6 月）》，根据《大兴区污水处理和再生水利用设施建设三年行动方案（2016 年7 月—2019 年6 月）》和相关会议要求，大兴区政府将通过综合治理工程措施改善大兴新凤河流域内水环境质量及周边环境效果。

大兴新凤河流域综合治理工程建设内容主要包括对新凤河实施截流污水2.8 万m3/d、引调再生水4 万m3/d 补给河道、新建慢行系统21km、新增绿化面积880 000m2、水生植物恢复面积300 000m2，通过3 年多的综合治理，新凤河现已稳定实现地表水Ⅴ类水功能区划要求，河水清澈，水草丰盛，沿河健康步道通畅，市民亲水设施完整。2019 年新凤河出境断面烧饼庄闸主要水质指标重铬酸盐指数（CODCr）、氨氮（NH3-N）、总磷（TP）年平均值相比2016 年分别下降了48.75%、92.61%和85.68%，流域水环境质量从治理前的劣Ⅴ类提升到了地表水Ⅳ类[3]，并于2020 年被评选为北京市优美河湖[4]。

1 概况

水质自动监测站是以在线分析仪器为核心，运用自动控制技术、现代自动监测技术、网络通信技术、计算机应用技术，以及相关的专用分析软件和通讯网络组成的一个综合性在线自动监测系统，能够在线连续监测、存储，并远程传输数据。新凤河流域水质考核要求：项目范围内所有河道的透明度、溶解氧、氧化还原电位、氨氮指标应优于《城市黑臭水体整治工作指南》中轻度黑臭的标准，确保新凤河干流水质满足监测断面划要求（地表水Ⅴ类）；出境断面烧饼庄闸主要水质指标（CODCr、NH3-N、TP）满足地表水Ⅳ类要求。

2 现存问题

由于新凤河流域周边及上游人类活动密集，在新凤河流域治理之前水质以手工采样监测为主，缺失水环境监测设施[5]。严防死守、人力防治的传统河道水质管理方法不能满足复杂多变的管理需求，不能及时全面掌握流域水质现状和变化趋势，无法达到实时、全面覆盖管理，管理难度大。需要对境内河道进行统筹管理，寻找管理新模式，用先进的监测技术手段为管理工作提供支撑。

3 监测站建设方案

3.1 建设规模

根据流域内河道汇入流出情况、水体功能、现场水文的情况，结合河道区、镇级各考核断面的分布情况，最终确定在新凤河流域建设19 座地表水水质站。其中河道地表水水质站10 座、调蓄池进出水监测站4 座、新西凤渠湿地地表水水质站2 座、安南支流湿地地表水水质站3 座。

3.2 主要监测指标

根据新凤河流域各处地表水现状、工艺要求及规范等，现场自动监测站分为河道水质站、初雨调蓄池水质站、湿地水质站三类。河道水质站监测指标为：CODCr、NH3-N、TP、总氮（TN）、pH 值、温度、溶解氧、浊度、电导率、硝氮、叶绿素a。初雨调蓄池水质站监测指标为：CODCr、NH3-N、pH 值、温度、溶解氧、浊度、电导率。湿地水质站的监测指标为：CODCr、NH3-N、TP、TN、pH 值、温度、溶解氧、浊度、氧化还原电位（ORP）[6]。

3.3 站房要求

监测站地面建设高程按照抵御新凤河50 年一遇的洪水标准进行设计，并尽可能靠近采样点；站房密闭性较好并安装了空调，保证室内清洁、环境温度、相对湿度和大气压等符合分析仪表工作要求。外立面与现场景观相协调，站房内采取合格的给排水设施。根据新凤河各站点现场实际情况，采用河道采样水作为管路、容器的清洗水。建设实物外观见图1。

图1 新凤河水质自动监测站实物

3.4 采水单元

采水系统是整个水质自动监测站的重要组成部分，是自动监测系统数据连续性、可靠性和准确性的重要保障[7]。

采水单元由取水泵、取水管路、电动阀及压力表等部件组成，可实现自动切换取水泵、管路故障报警及消除、管路自动清洗等功能。

本项目根据采水点的实际情况，采用潜水泵或自吸泵，双泵双管路设计，满足实时不间断监测要求，所有取水管路配有管道清洗、防堵塞、反冲洗等设施。不锈钢取水浮筒安装示意见图2。

图2 不锈钢取水浮筒安装示意图

3.4.1 取水泵

选用2 台自吸泵或潜水泵并联安装，各自独立布设取样管连接至取水口的不锈钢取水浮箱。不锈钢取水浮箱通过不锈钢滤网对水样进行粗滤，避免水中大的浮草或者杂物进入泵体损坏采样泵。

选择的潜水泵流量为5m3/h，而本系统一次分析流程需水总量约为2m3/h，故取水量能满足本系统需求，并有足够的余量。

3.4.2 取水管路

正常工作时，取水管路从浮筒处取水，在下一次分析流程开始后，打开排空电动阀排出剩余水。配置清洗管路接口，加入冲洗水和压缩空气，通过控制总管路及配水管路的电动阀，可分别对外部采水管路和内部配水进行反冲洗，以防止管路堵塞,并实现对管路的除藻作用。

3.4.3 管路保温

对站房至取水泵之间的管线加保护套管，并深埋于地面冻土层以下或者铺设在沟槽内。电源线路和室外管路等经轧带或管箍固定后，用保温材料及套管进行保温处理，并通过外层敷设保温棉和电伴热缠绕方式实现进一步的保温和防冻，以适应北京冬季的低温环境。

站房和河流中间部分管路护套管上加0.8m 厚的覆土，如经过路面则需钢管套护。

3.5 配水单元

配水单元将采水单元采集到的样品根据所有分析仪器，以及设备的用水水质、水压和水量的要求分配到各个分析单元和相应设备，并采取必要的清洗、保障措施以确保系统长周期运转。

配水单元包括流量和压力调节、预处理、系统清洗三个部分。流量和压力调节部分可以保证各分析仪表进水压力和流量满足其分析要求；预处理单元可以保证各分析仪表对进水水质的要求；系统清洗单元可以保证系统长周期稳定可靠运行。

配水单元将系统采集的源水分为两路：第一路直接进入多参数（温度、pH 值、溶解氧、电导率、浊度、氧化还原电位、叶绿素α、硝酸盐）流通槽；第二路经沉淀池过滤沉淀后供给氨氮分析仪、总磷总氮分析仪、COD 分析仪等分析仪器进行分析。多余的源水和样水溢流到总排水管道排出。两路源水的不同预处理方式能保证各分析仪表对测量水质的要求，既不失水样的代表性，又能对各类分析仪表起到保护作用。

3.6 分析单元

选取美国哈希公司的sc200、sc1000 多参数自动分析仪，CODmax II 铬法COD 自动分析仪，NA8000氨氮自动分析仪，NPW-160H 总磷总氮自动分析仪；德国TriOS 硝酸盐自动分析仪、德国TriOS 叶绿素自动分析仪。所选的水质在线分析仪，具有药剂消耗量少、使用寿命长、准确度高、稳定性好、运行可靠等突出优点。

3.7 控制单元

控制单元由可编程序逻辑控制器（PLC）、触摸屏工控机、上位软件、继电器、接触器、断路器、直流电源、隔离器等组成。PLC 包括中央处理器（CPU）、模拟量模块、数字量模块、RS485 模块等子模块。PLC 采用德国西门子公司S7-1200 系列，具有体积小巧、功能强大的特点，可完全满足自动监测站的应用需求，同时具备高扩展能力的RS485 和以太网接口能力，刚好满足水质分析仪表的通讯和监测站对外通信的需求。

控制单元按照程序逻辑可完成系统采水配水、各仪器测试、标定、超标自动留样、清洗、除藻、反冲洗等一系列的动作，并可根据系统反馈状态做出相应的调整动作，确保水质自动站自身的稳定运行。

监测仪器和PLC 之间应采用RS485 Modbus 通讯协议，实现各监测仪器的分析数据、异常信息、工作状态、校准数据、控制指令的交互等。

控制单元支持自动模式、手动模式。自动模式下系统按照预设的程序自动运行，无需人工干预，自动运行时系统的测试频次、反冲洗频次等都可以在现场或者远程进行设置。手动模式下可对各水泵、阀门进行单独操作，一般用于现场调试和故障排查。

上位机系统通过控制读取PLC 采集的现场设备的模拟、开关、通信等信号，可实时显示在触摸屏工控机上位软件运行画面上，准确反映当前各变量的数值，并且动态显示系统的实时状态、实时数据、历史报表和历史报警；可实现改变控制参数、发送控制命令、浏览控制状态等人机交互功能；能对历史数据进行查询、统计，并能对数据曲线进行分析，数据导入、导出方便，而且有数据及参数自动备份、恢复功能；可实现超标自动报警。

因控制单元采用适应网络化的设计，数据传输系统可以很好实现各站与信息中心之间无线和有线数据传输、系统数据共享、远程控制及远程诊断功能。通过网络交换机及新凤河河道光缆，将数据接入到信息中心工控服务器。

3.8 清洗单元

清洗单元的作用是利用水、气、臭氧冲洗管道，将管壁附着的泥沙、藻类等清洗掉，防止淤泥结块堵塞管路及藻类孳生现象产生。清洗的内容包括室内进样管路、测量池管路、沉淀池管路、室外取水管路、沉沙分离过滤器及过滤装置。

针对河道站点自来水取水困难的情况，系统采用原水反清洗的方式，制作一套不锈钢蓄水槽及清水增压泵。当系统采水启动时，从进样总管上分一旁路给清洗水箱注水，达到高液位后关闭对应的电动球阀。当系统反清洗程序开启时，启动清水增压泵并打开管路中对应的电动球阀、电磁阀，混入压缩空气，对管路及采水口进行冲洗。系统完成一个测试周期后，将自动启动系统自清洗程序。

3.9 辅助设备

3.9.1 供配电系统

监测站房内应有安全合格的配电设备，能提供足够的电力负荷（不小于10kW），并配置稳压电源及在线式不间断电源设备（UPS）。当交流电正常时，使用市供交流电；当停电时，UPS 可保证关键设备（如数据采集通讯设备）的运行，重新来电后，系统能自动切换到交流电源工作。

整个水站系统都是按供电恢复正常后可以自动启动系统运行来设计的。针对水质站现场用电的实际情况，当供电恢复正常后，先由控制系统给出一个滞后信号，等待一段时间后（时间长短由该地区电力启停频率经验决定）再进行系统初始化，以防止因重启频率过高而造成系统使用寿命缩短，然后再检测相关辅助设备单元的条件，按程序逐一启动供电、供水、供气、取水单元、分析单元、控制单元等，从而实现停电恢复后自动启动的功能。

3.9.2 防雷系统

本方案设计的防雷措施包括：

（1）外部直击雷防护。因站房一般位于河道、水库及湖边，地势开阔，极易受到雷击[11]，所以采用独立避雷针保护站房，避雷针装设于站房顶部。

（2）供电线路雷击电磁脉冲防护。为防止雷击电磁脉冲沿输电线路侵入损坏设备，在站房配电箱内安装电源防雷器。

（3）信号线路雷击电磁脉冲防护。为防止雷击电磁脉冲沿信号线路侵入损坏设备，在信号线路上安装信号防雷器。

（4）等电位联结。在站房内设等电位联结汇集排，将设备、机柜与汇集排联结。

（5）接地。接地电阻不大于1Ω。

3.9.3 废液收集装置

系统中设置废液回收桶，对各在线分析仪测量、排放的有害化学残液进行集中回收，废液桶由抗腐蚀材料制成，运行维护人员严格按照有关废化学品收集管理方法定期检查、回收。

3.9.4 精密空调

室内合理的温度、湿度环境对保障分析仪器的正常运行、延长分析仪器的使用寿命、保障水质分析的准确性有较大影响[9,10]。因此，配置了精密空调来维持环境空气的温度、湿度，空调内部装有温度、湿度传感器，对室内温度、湿度进行监控。

3.9.5 系统视频监控