涑水河水量水质在线监测系统研究

李国栋

（山西省水利发展中心，山西 太原 030002）

进入21 世纪，随着我国经济社会发展对水资源需求的日益增长，加之水资源利用效率低下，部分地区水生态持续恶化，水生态保护遭到严重挑战。水量水质监测是水资源保护一项基础工作，准确可靠的水量水质监测数据是水资源监管与保护的重要证据[1-3]。2017 年8 月，为压实相关涉水部门水生态管理职责，不断改善优化水量水质，进一步完善水环境管理手段，山西省河道与水库技术中心拟对涑水河建设河流水量水质自动监测站。在此基础上，为加强地表水河流在线水环境监测硬件设施建设，强化水量水质监测智能化水平，建设在线水量水质监测站是提高水环境监测能力的重要抓手[4]。在线水量水质监测站建成后，能够在线采集水量水质指标相关信息，为水环境污染防治提供重要的基础支撑。

1 建设背景

涑水河发源于山西省运城市绛县陈村镇陈村峪，于山西省永济市韩阳镇独头村流入黄河，属于黄河重要支流，干流总长196.6 km，流域面积577.4 km2。作为山西省主要纳污河流，污染严重，在2016 年水功能区评价中，7个参评水功能区有6个属地表水劣Ⅴ类标准。2016 年全省入河排污口调查结果显示，涑水河干流主要入河排污口有8 个，废污水入河总量35 Mt，占山西省全年入河污水总量的3.01%。涑水河上有入河排污口及大于100 km2支流口共9 个，经实地初步调查，目前可建6 座在线水量水质监测站。监测站监测指标包括流量、水温、pH、电导率、溶解氧、浊度、COD、氨氮，总磷、总氮[5]。

2 系统总体设计和主要功能

2.1 总体设计

涑水河水量水质在线监测系统总体设计思路是现场自动采集水量水质信息，通过网络传输至山西省水利数字中心，实现对涑水河的水量水质监测。该系统具体设计思路是在涑水河上设置水量水质监测点位，对涑水河各支流入河口、入涑水河排污口及涑水河入黄河断面的水量水质进行在线自动监测。

该系统由工作站房、仪表分析单元、采水系统、配水系统、控制系统、辅助设备、动力设备、防雷击设备等组成[6]。其中，仪表分析单元由五参数分析仪、氨氮分析仪、CODMn分析仪、总磷分析仪和总氮分析仪等组成；采水系统将采集的样品预处理后供各分析仪表使用；系统泵阀和辅助设备由PLC 控制系统共同操作；各仪表数据通过RS232/485 接口由数采工控系统进行数据分析；监测数据传输采用光纤和无线传输2种方式。

2.2 主要功能

涑水河水量水质在线监测系统主要具有水量和水质自动监测功能。

（1）水量自动监测。采用雷达液位计对涑水河进行水位测定，通过水位流量关系率定来确定水量。

（2）水质自动监测。按照地表水水质监测相关规范要求，结合山西省水质评价标准，涑水河水质在线监测指标包括水温、pH、电导率、溶解氧、浊度、COD、氨氮、总磷及总氮。各监测站点水质监测项目，详见表1。

表1 各监测站点水质监测项目

3 系统组成及其功能

涑水河水量水质在线监测系统主要包括采水系统、配水系统、预处理系统、自洁系统、PLC 自控系统、数据采集系统。

3.1 采水系统

根据现场情况，设计选用不锈钢浮筒采水系统。该系统由不锈钢浮筒、前级过滤设备、太阳能航标灯、固定点和锚组成，设备简单、安装方便、成本低且易养护，能够根据河道河势情况自由选择适用的方位，但是其抗河流冲击能力较差。该系统选用国内先进的液位传感器，根据取水点液位来判断是否符合系统正常运行的取水条件，若不满足取水条件则停止采水并发出报警信号，以保护系统的稳定可靠。

3.2 配水系统

配水系统主要实现整个系统的采集水样分配功能及管路清洗功能，它将采水系统采集到的水样根据整个系统配置的各种分析仪器要求的水质、水压、水量条件，采取相应的处理措施后分配给各分析仪，同时对整个系统管路进行定期清理，以保证系统稳定安全的工作。该系统主要由总体配水子单元、五参数配水子单元、自动清洗子单元等组成，各子单元主要由配水管路、控制阀门、预处理部件、辅助设备等组成。

该系统整体上遵循了主管路之间相互串联、各仪器单元之间并联的设计思路，对管路干路设计有自由式充分过滤系统，对各仪器单元设计了相互独立的预处理功能，一旦一个仪器单元发生问题，其余仪器单元仍然可以运行。该系统具备智能化鉴别冲洗去除杂物功能，一个监测工作周期完成后，可以自行将取水管线和配水管线清洗干净。

3.3 预处理系统

预处理系统包含沉砂预处理及预过滤设备，具有自洁净、自运行功能。根据涑水河水质监测情况，专门安置沉砂预处理及预过滤设备，以降低水样含有的泥沙对于水质监测的干扰和防止水样中的泥沙对管路控制阀造成的损坏等。沉砂池整体设计为立方体，材质选用PVC 板。精密过滤预处理单元与氨氮、总氮等分析仪配合使用，粗过滤预处理单元与铅、镉等重金属检测仪器和高锰酸盐指数仪器组合使用。该系统根据每个仪表安装有一一对应的预处理单元，每个仪表从单独对应的预处理设施取样，当其中一个仪表无法运转时，其余仪表仍然可以稳定运行，不影响整个系统运行。

3.4 自洁系统

自洁系统由采水、配水、五参数传感器、仪表预处理等单元组成，清洁方法有臭氧去藻和水气混洗2 种方式。水质监测所用的五参数监测传感器与分析仪表直接连接，用于隔开内部自洁的水、气体与分析仪表，以确保仪表正常运转。取水管道和系统清洁必须参照水气-臭氧-水气循环清洗的次序实施，便于臭氧气体快速排出管道和系统，保证臭氧不会对仪表分析数据造成影响。各单元的采水管线和零部件实施臭氧去藻和水气混洗，以降低涑水河水质各项指标监测误差，保证整个系统稳定工作。

3.5 PLC自控系统

PLC 自控系统由工控机、可编程逻辑控制器、空气开关、继电器、接触器、电源等组成。该系统利用可编程逻辑控制器，借助继电器、接触器，实现操作外部阀门设备功能；同时，利用工控机对整个系统实施监管，实现各类工作任务的控制和信息传输。各智能仪表利用模拟量的输入、输出与自控系统进行相互信息的传输处理，实现数据采集与仪表反控的功能。该系统根据提前设计的工作流程进行系统采水配水操作，能够监视整个系统运行情况，同时按照整个系统工况条件修正系统运行状态，实现系统平稳安全运行。

3.6 数据采集系统

数据采集系统利用数据采集传感器搜集各类信息和数据，具备各类信息和数据在线整理、分析和计算的功能，同时实现各类采集传感器或采集模块操作。具体而言，该系统可以在要求的时间内接收上级数据控制中心下发的工作指令完成各相关设备仪器的操作，如下发指令指挥传感器采集信息的具体时间、信息传输方式、信息传输目的地。同时，该系统按照工作需要可以在线随时监视各类采集传感器或采集模块工作状态，并将信息和数据传输给相关系统。

4 系统使用效果

涑水河水量水质在线监测系统以着力于提高水量水质监测信息化管理水平为目的，以精确量测、数据采集加工为基础功能，结合实际业务需要和管理制度，坚持实用化为导向，利用成熟、先进的技术，采用可视化数据分析软件，既可以监测系统各项设备运行参数，又可以帮助管理人员快速发现问题、解决问题。通过系统运行监测数据与人工实际观测数据对比分析发现，两者一致性达到99.5%，实践证明系统监测效果良好。

5 结语

涑水河水量水质在线监测系统于2017 年建成并投入运行，经过6 a的运行，证明系统设计合理、工作高效，达到了预设目的。该系统作为一项非工程措施，通过信息化和自动化的方式可以快速准确地掌握涑水河各断面的水量水质监测数据，科学分析水体污染物含量的变化状况，推测水体污染变化趋势，为涑水河水生态修复和水环境治理提供真实、可靠的决策数据。