（环境工程专业论文）黄河典型河段水质自动监测水样采集与前处理技术研究.pdf

a b s t r a c t t h ee n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o no f t h ey e l l o wr i v e ri sv e r y b a d f i r s t l y ，t h ey e l l o w r i v e rh a sah i g hc o n t e n t o fs e d i m e n t t h er u n o f fa n ds e d i m e n td i s t r i b u t eu n e v e n l yi nt i m ea n ds p a c ea n dt h ed i a m e t e ro ft h es e d i m e n t p a r t i c l ei sd i v e r s i f i e d t h e r e f o r e ，t h er i v e r w a yw a se r o d e da n ds i l t e de n o r m o u s l y s e c o n d l y ，i nt h ey e l l o w r i v e rb a s i n ，t h ea i rt e m p e r a t u r ea n dt h ew a t e r t e m p e r a t u r ec h a n g eo b v i o u s l y ，a n dt h ey e l l o wr i v e r i sf l o o d e d i ns u m m e ra n df r o s t e di nw i n t e r l a s t l y ，t h ew a t e ri nt h ey e l l o wr i v e ri sp o l l u t e ds e r i o u s l ya n dt h ec o m p o n e n t o f t h ep o l l u t a n t si sc o m p l e x d u et ot h e s eb a dc o n d i t i o n s w ew i l lm e e tas e r i e so f t e c h n i q u ep r o b l e m ss u c ha s s a m p l ec o l l e c t i o n ，s e p a r a t i o no fw a t e ra n ds a n d ，e q u i p m e n ts a f e t yw h e nw eb u i l dw a t e rq u a l i t ya u t o m a t i c m o n i t o rs t u t i o ni nt h ey e l l o wr i v e r t h i sp a p e rh a sas y s t e m i ca n dd e e pt e c h n i c a lr e s e a r c ho nw a t e rq u a i l t y a u t o m a t i cm o n i t o rs a m p l ec o l l e c t i o na n d p r e p r o c e s s i n g i nt o n g g u a na n dh u a y u a n k o uw h i c ha r el o c a t e di nt h e y e l l o wr i v e ra n dh a v eh i g hc o n t e n to fs e d i m e n ta n dc o m p l e xh y d r o l o g yc o n d i t i o n s t h o u g hi n v e s t i g a t i n g w a t e rq u a l i t ya u t o m a t i cm o n i t o rt e c h n o l o g ys u f f i c i e n t l y , t h et e c h n i c a ls c h e m ef o rw a t e rq u a l i t ya u t o m a t i c m o n i t o rs a m p l ec o l l e c t i o na n dp r e p m c e s s i n gi sp r e s e n t e d t h es c h e m ei sa p p l i c a b l et ot h ew r i g g l yr i v e r w a y w h i c hh a sl o t so f s e d i m e n t t h es a m p l ec o l l e c t i o ne q u i p m e n tc a no p e r a t ec o n t i n u o u s l ya n di n t e r m i t t e n t l y , e v e n c a no p e r a t es e m i a u t o m a t i c a l l yu n d e rs p e c i a lc o n d i t i o n s t h es a m p l ep r e p r o c e s s i n gs y s t e mc a nn o to n l yt r e u t t h er i v e r w a t e r w h i c hh a sh i g hc o n t e n to f s e d i m e n te f f i c i e n t l y t h u s t oa v o i d t h e j a mo fs y s t e mp i p e l i n e ，b u ta l s o a d j l a s tt h ed e g r e eo fs e d i m e n tt r e a t m e n tt oe n h a n c et h ec o m p a r a b i l i t yo fs e d i m e n tp r o c e s s i n gr e s u l tb e t w e e n o n l i n ea n dl a b b e s i d e s i tc a na c t sa sae x p e r i m e n t a lf l a to f s e d i m e n tp r e p r o c e s s i n g t h i sw i l lm e e tt h es p e c i a l m a n a g e m e n td e m a n df o rs a m p l ep r e p r o c e s s i n g ，s e t t l et h ep r o b l e m ss u c ha sp l a c i n gt h es a m p l ee q u i p m e n t d i f f i c u l t l y ，t h e i n s t a b i l i t yo f t h es y s t e m ，t h eo n l i n es e p a r a t i n g o f w a t e r a n ds a n d e t c t h er e s u l to f t h i sr e s e a r c h w i l lp r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h ec o n s t r u c t i o no fw a t e rq u a l i t ya u t o m a t i cm o n i t o rs y s t e mi nr i v e r sw h i c h h a v eh i l g hc o n t e n to fs e d i m e n t k e y w o r d s ：a u t o m a t i cm o n i t o r 、s a m p l ec o l l e c t i o n 、p r e p r o c e s s i n g 4 前言 水质监测是水资源保护监督管理最重要的工作基础和技术支撑。水质监测要满足水 资源保护监督管理的需要，必须加快现代化和自动化建设步伐，提高水质监测信息采集 能力。水质自动监测技术，是实现水质监测现代化的重要手段。水质自动监测站是流域 机构实施省界河段水质管理，执行入河污染物总量控制方案，快速获得水质信息的必各 条件。为及时、准确地测、报江河湖库水体质量，为水污染防治和水污染监督管理提供 准确可靠的水质信息，目前，全国主要水系的诸多重要河段相继建立了水质自动监测系 统。在黄河，国家环保部门已在上、中、下游分别建立了水质自动监测系统，黄委亦正 在花园口、潼关两河段建立示范性水质自动监测系统。从环保部门建设的系统运行结果 看，存在着诸多问题，主要表现为：一是系统本身运行不稳定，二是系统监测数据与实 验室比测结果差别较大。造成这些问题的原因，主要是由于黄河本身特殊的环境条件， 包括河道条件、水文条件、泥沙条件和水质条件。黄河是一条多泥沙河流，具有一定的 特殊性。虽然当今水质自动监测技术己趋成熟，国内外许多河流湖泊均建立了自动监测 站，但在黄河建立水质自动监测系统，仍具有相当的难度，其原因主要是由于黄河泥沙 含量大，附着力强，从而影响系统监测的结果，容易造成系统运转不正常。此外，黄河 河床游荡，河情复杂，对水样自动采集、水前处理和系统保护要求高，而目前国内外尚 没有成熟的技术解决方案和成套的技术设备。因此，要保证黄河水质自动监测系统监测 数据的科学性、代表性、准确性、可比性、延续性，使水质自动监测站较好的为黄河水 资源保护、监督与管理服务，必须科学的解决黄河水质自动监测系统建设的关键技术问 题，这些问题也是目前黄河建设系统中亟待解决的问题。 本研究主要包括二方面内容：第一、游荡性淤积河床水样采集问题。由于水样采集 关系到系统监测水样的代表性，而黄河河道地质、水文条件较为复杂，河道或顺直、或 多弯、或游荡，类型多变。不仅造成采样点难选择，采样设施不易定放，而且采样点可 能脱流，因此选择合适的采样点和采样方式就成了黄河自动监测站建设的第一道难题。 要解决这个问题，就必须针对建设河段的特性，研究在线水样采集的代表性、建设方 式、设备选择等关键技术问题。第二、高含沙水样在线水沙分离问题。根据实验窒常规 水质监测的方法可知，泥沙对很多监测项目具有相当大的影响，而且泥沙会使氨氮、浊 度、电导、p h 、溶解氧等参数的测量电极钝化，降低其测定精度；泥沙对测定的干扰， 也会直接影响到监测数据的可靠性。为使在黄河建设系统的监测结果与实验室接轨，必 须解决系统水沙分离的问题。针对系统建设河段水沙分布特点，研究在线水沙分离、过 滤技术，研究选择在线水沙分离设备和过滤设备。“黄河典型河段水质自动站监测水样 采集与前处理技术研究”在大量调研基础上，对多沙河流水质自动监测系统建设中存在 的高含沙水样前处理、游荡性河床水样采集等建站关键技术问题进行了深入研究，针划 黄河典型河段特点，制定了适用于多泥沙游荡性河流水质自动监测的水样采集技术方案 和水样前处理技术方案，初步解决了黄河典型河段水质自动监测关键技术问题，为多泥 沙河流水质自动监测站建设提供了技术支撑，为研究在不同河段环境条件下如何解决系 统建设中存在的具有代表性的、关键性的技术问题积累了经验。研究成果不仅适用于黄 河，对国内其他河流水质自动监测系统建设也具有示范和促进作用。 2 学位论文独创性声明： 本人匮呈交的掌位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全 部责任。 论文作者( 签名) ：至鱼垒。2 0 0 5 年5 月1 9 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文 全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：耋亟垒：2 0 0 5 年5 月1 9 日 1 1 目的意义 第一章绪论 近些年来，我国在社会经济快速发展的同时，也伴随着水资源的过度开发、低效利 用和生态环境的严重破坏，河流湖库的水质和生态都受到不同程度的损害。当前水资源 严峻形势主要表现在水资源供需矛盾仍然非常突出、水污染形势依然十分严峻和水生态 环境安全面临严重威胁三个方面。在2 0 0 4 年的全国水利厅局长会议上，水利部汪恕诚部 长明确指出，流域机构和水利部门要义不容辞地担负起河流生态代言人的重任，从生态 保护和维护河流健康生命的角度确立工作方针、原则和规划，把工作的制高点放在维护 河流健康生命上。要从基础工作做起，建立衡量河流生态健康的指标体系：加强河流生 态系统的监测，制定不同阶段的生态保护和修复目标；积极探索建立有效的机制，并通 过工程措施或非工程措施，保护或修复水生态系统，维护河流健康生命。水质监测是水 资源保护最重要的工作基础和技术支撑，目前流域机构和水利部门的水质监测工作总体 来说手段单一，信息滞后，无法满足水资源保护监督管理对监控水质、预警预报水污 染、跟踪调查、快速测报水污染事件等需求。水质监测工作要满足水资源保护监督管理 的需要，必须加快现代化和自动化建设步伐，提高水质监测信息采集能力。 水质在线自动临测系统是一套以在线自动分析仪器为核心，运用现代传感技术、自 动测量技术、自动控制技术、计算机应用技术以及相关的专业分析软件和通讯网络所组 成的一个综合性的在线自动监测体系。水质自动监测仪具有最佳现场使用效果，可以对 水质进行自动、连续监测，数据远程自动传输，随时可以查询到监测水域的水质数据。 这对于解决现行的水质监测周期长，劳动强度大，数据采集、传输速度慢等问题，具有 深远的社会效益和经济效益。水质自动监测工作的开展，一改过去监测部门总是在事后 才能向有关部门提供水质信息的被动局面，实现在水质发生恶化时，仪器自动报警或响 应，发出水质污染的预警预报，防患于未然，防止污染事件的进一步发展。水质自动监 测系统还将促进监测部门水环境监测系统计算机联网，加速水环境监测技术向统一化、 标准化发展，实现水质信息的在线查询、分析、计算、图表显示、打印等，随时实现各 单位之间水质信息的互访共享，实现流域或区域水环境综合评价，可迅速为领导决策提 供科学依据。总之，实施水质自动监测，可以实现水质的连续监测和远程监控，达到及 时掌握监测水域的水质状况、预警预报重大水污染事故、解决垮辖区水污染纠纷、监督 污染物排放达标情况、总量控制制度落实情况等目的，从而为管理决策服务。 黄河是我国北方地区的重要河流，流域内气候干旱，降雨稀少，蒸发强烈，水资源 匮乏。随着人口增加和经济社会的发展，水资源的过度开发和低效利用，致使干支流径 流量逐年减少，枯水季节下游河道断流，水质不断恶化，导致流域生态环境破坏日趋严 重，已经成为制约流域经济社会和生态环境可持续发展的主要因素。从战略高度认真研 究和控制黄河水质污染和生态环境破坏问题，需要准确、可靠的监测数据做依据，因此 水质监测是依法行使水资源保护行政管理职能的基础。全面提升监测能力，及时掌握水 质信息，摸清水污染特征与规律，对于实施入河污染物总量控制和有效防治水污染，实 现水体功能目标，保护黄河水质，改善生态环境，维持黄河健康生命具有十分重要的意 义。 水质自动监测技术，是实现水质监测现代化的重要手段，是流域机构快速获得水质 信息，实施省界河段水质管理，执行入河污染物总量控制方案，及时发现水污染事件的 必备条件。黄河流域水污染不断加重的严峻形势使得对先进的自动监测技术的需求更加 迫切。黄河水质自动监测系统也是“黄河水环境信息系统”和“黄河水量调度系统”信息采 集的一个重要组成部分，能否将自动监测技术在黄河水质监测中成功的推广应用，直接 影p l a i n 两系统的整体功能，也影响到一些现代新技术( 如水质预警预报技术) 的运用。 黄河水质监测在应用自动化监测设备上一直较为滞后，特别是在线监测系统至今仍未投 入使用，这与黄河目前严重的水污染状况极不适应，与当今自动化、信息化的社会极不 协调，这种现状急待改变。 黄河是世界上著名的多泥沙河流，虽然当今水质自动监测技术已趋成熟，国内外许 多河流湖泊均建立了自动监测站，但在黄河建立水质自动监测系统，仍具有相当的难 度，其原因主要是由于黄河泥沙含量大，附着力强，从而影响系统监测的结果，容易造 成系统运转不正常。此外，黄河河床游荡，河情复杂，对水样自动采集、水前处理和系 统保护要求高，而目前国内外尚没有成熟的技术解决方案和成套的技术设备。因此，要 保证黄河水质自动监测系统监测数据的科学性、代表性、准确性、可比性、延续性，使 水质自动监测站较好的为黄河水资源保护、监督与管理服务，必须科学的解决诸如水样 采集、水沙分离、设备防护等黄河水质自动监测系统建设的一系列关键技术问题，这种 必要性还体现在： ( 1 ) 这些关键技术是黄河自动监测系统的组成部分 其它河流由于水中悬浮物较少，河床稳定，水质自动监测系统的前处理系统十分简 单甚至i 叮以省略，水样采集基本不存在问题。但黄河含沙量高，水沙时空分布不均，泥 沙颗粒级配变化大；河道冲淤变化剧烈，主流摆动频繁，为游荡性河床：流域纬度跨越 大，气温、水温变化明显；夏季受洪水威胁，冬季有冰凌的困扰：水污染严重，污染物 组成复杂。黄河的环境条件恶劣，在黄河上建立水质自动监测系统必须要具有水样采集 系统、水样前处理系统和保护系统，这是十分重要的，诸如此类的特殊问题是由黄河多 沙特点所决定的。 ( 2 ) 这些关键技术关系到黄河水质自动监测系统建设的成败 水质自动监测系统的二 作原理是将被测水样通过管路送入在线监测设备中，依据测 量原理的不同，一种通过定量的化学反应测定水样中被测物质的含量，一种通过电化学 原理测定水样中被测物质的含量，无论何种测定原理，监测系统中均需要维持一定流速 的水流量。由于黄河泥沙含沙量较高，附着力非常强，如果大量泥沙进入系统，在水流 速不高的监测系统中必定会沉积和堵塞，从而造成系统运转不正常，损坏设备。而泥沙 和藻类对自动监测站传感器可造成物理及化学的影n 向，使其磨损、钝化，以至于无法工 作，所以必须对泥沙进行处理，对系统进行保护，最大程度的减少泥沙对自动监测系统 的影响。 此外，由于水中污染物不同，物理化学特性各异，不同污染物在水体迁移转化及 水、沙两相分配的规律呈现出各种不同特点，有些溶于水中，有些吸附在泥沙上。而水 中泥沙的污染物成分比较复杂，有人为造成的污染物附着，也有由于地球物理化学的原 因本身携带的自然本底物质，两者难以区分。正因为如此，在水利部行业标准多泥沙 河流水环境样品采集与前处理技术规程规定，对多泥沙河流的污染物监测，其测定清 水水样的含沙量不超过0 2 k g m 3 。作为在线监测的系统，其监测的方法和数据应符合规 范要求，与实验室监测的数据相接近。这就需要根据黄河水沙分布特性，研究采集水样 的代表性，以及选用最适合的水前处理系统和水样处理的方法等技术问题。 以上所述均为建设黄河监测系统的关键技术问题，系统能否在黄河建设成功，关键 问题是解决不同河道、不同水期、不同含沙量的水样自动采集、水前处理和系统保护等 技术问题，而水质自动监测系统的投资较大，只有研究解决了这些关键技术问题，制定 可行的技术方案，才能确保黄河水质自动监测系统建设顺利进行。 当前，黄河水资源保护和管理对水环境监测的要求就是用快速、准确的监测手段提 供黄河水环境质量状况和水体污染物总量信息，同时对黄河水体状况进行预警。通过对 黄河典型河段水质自动监测系统建设的关键技术问题进行研究，找到解决问题的方法， 制定在黄河典型河段建设水质自动监测系统时应采用的水样采集、水前处理等关键技术 方案，可为系统的成功建设提供技术支撑。本研究是在黄河水沙条件下进行的，其本身 的成果就非常具有针对性，上述技术问题解决后，初步解决了在黄河典型河段建设水质 自动监测系统的难点问题，使系统建设的成功率大大提高，对在黄河建设水质自动监测 系统具有指导意义；同时由于重点研究的是水样前处理技术，所以对国内其它河流建设 水质自动监测系统也具有一定的示范作用和参考价值。 1 2 研究内容 黄河水质自动监测水样采集与前处理技术研究主要针对多泥沙河流水质自动监测系 统运用中水样采集与前处理系统存在的关键技术问题开展研究，选取的典型河段为黄河 潼关、花园口两个河段，这两个河段泥沙含量高、水沙变化大、主流摆动频繁，可代表 多泥沙河流的典型特点；研究内容包括以下两方面： 1 。2 1 水样采集系统技术研究 黄河河道是一条不稳定的游荡河道，泥沙含量大，具有随季节水沙量变化而变化的 特性，要在黄河的不同河段上选择与之相适应的水样采集方式、代表性和设备都相当不 容易，必需针对黄河本身的特点对其进行研究，得出相应的技术解决方案。 水样采集系统技术研究的主要内容为：根据典型河段特点，研究污染物的分布特点 和水样采集的代表性，研究自动监测系统水样采集方式及水样采集设备选择等技术问 题，制订具有针对性的技术方案。 1 2 2 水样前处理系统技术研究 泥沙是黄河上建设水质自动监测系统的主要制约因素，能否将引入自动监测系统的 黄河水中绝大部分泥沙在线分离过滤掉，同时研究泥沙对系统运转和监测结果影响的阈 值，使其满足系统运转及监测结果的需要，减少系统故障，就成为水质自动监测系统建 设的技术关键，只有研究出适用于黄河特点的各种技术方案，才能使系统的建设得以成 功。 水样前处理系统技术研究的主要内容为：根据典型河段水沙分布特性，重点研究系 统运用所需的在线水沙分离技术和过滤技术，找到用于实现上述两种技术的设备装置， 4 同时对黄河泥沙影响系统正常运转的阈值进行探索性研究，最终制订出适合典型河段水 沙分布特性的水前处理技术方案。 1 3 国、内外水质自动监测技术情况 1 3 1 自动站建设概况 上个世纪7 0 年代以来，较发达国家在一些河流上相继设立了水质自动监测站，作为 河流水质盗测的重要手段，用于国家水资源质量管理。目前各国的河流水质自动监测 站，都是根据本国或区域河流水质状况，监测能力和水平，以及环境保护和水资源管理 政策法规的具体要求而建。自动站的建设规模、设站数量、参数选择、仪器配置、技术 方案、运行方式不尽相同。 北美地区的自动站大部分建设规模较小，监测参数较少，仪器配置多为五参数( 水 温、电导、p h 、溶解氧、浊度) 、水位、流量和其他一些特殊污染项目总有机碳( t o c ) 、 氨氮等。西欧河流水质自动监测站的建设规模较大，监测参数较多。例如荷兰的自动监 测站，监测参数除水温、电导、p h 、溶解氧、浊度和t o c 、氨氮等以外，还包括多种有 毒有机物、重金属、b o d 。, 、生物毒性等，同时也测定流量。德国河流自动监测站监测参 数也较北美的多。这些水质自动监测站可从有机、无机、生物等多方面实时监控水质的 变化，但投资规模较大，运行费用也较高，对操作、运行、维护人员的技术水平要求较 高。 由于发达国家己基本完成了点污染源的治理，河流水质较好，c o d 含量很低，一般 在1 0 m g l 以下，加之c o d 自动监测存在方法和指标概念问题，所以测定参数一般不考虑 c o d 。 国外生产水质自动监测系统的厂家较多，如美国的y s i ( 金泉) 公司、i s c o - 一s t i p 公 司、海莱公司，加拿大的h a l l a m 公司，德国的w t w 公司，英国的a b b 公司和p h o x 公 司，法国的s e r i s 公司，日本的y a n a c o 等。这些公司的自动监测设备在世界许多河流已 得到了广泛的应用，但在类似黄河的多沙河流建设水质自动站的实例尚未发现。 二十世纪8 0 年代以来，我国水利、市政、环保在一些大型水库、引水工程、城市供 水水源地，开始设立了少量的水质自动监测站。9 0 年代末期，水利、环保部门相继在全 国部分重要水系建立了一些水质自动监测站。其建设规模多与北美国家的相似，仪器配 置除五参数( 水温、电导、p h 、溶解氧、浊度) 外，还根据我国地表水污染控制的重 点，选择了c o d 、t o c 、高锰酸盐指数、氨氮等水质参数，一些重要的水库还增加了总磷 和总氮。一般多侧重单纯的水质参数，水位、流量等水文要素较少。基本都不进行重金 属、有毒有机物和生物毒性的自动监测。近几年利用多参数水质在线监测仪( 最多可达 1 7 项参数) ，建立小型水质自动监测站发展得较快。这种小型站在水质实时监测，水质 预警方面有较大的发展空间。它投资小，运行费用低，管理方便，但测定精度较差。其 监测数据在目前阶段很难用于水功能区管理和省界河段水质的管理。 1 3 2 采样方式及设施 河流水质自动监测站采样方式和设备是实现安全可靠、稳定的采集具有代表性水样 的首要条件。目前国内外常用的河流采样方式主要有： 1 3 2 1 栈桥式采水，其方式是往河里打桩搭桥，用栈桥固定泵、浮台和水管。一般适 用于水流较浅的河段。河床易建永久建筑物的地方，冲淤型河床不易采用栈桥式采水。 1 3 2 2 桥梁式采水，利用己修建的大桥桥墩固定采样泵、浮台和管道进行取样。该方 法仅适用于在采样断面附近有桥梁的地方，但此法必须经桥梁管理单位的同意，因此受 到较大的限制。 1 3 2 3 浮筒式采水，用一固定的锚沉在水体底部，浮筒漂浮在水面上，两者用钢丝绳 连接，或用铁链固定浮筒。湖泊、水库常采用此法，但该方法仅适用于流速很小的河 流。 1 3 2 4 悬臂式采水，采用悬臂钢架结构固定采样泵、浮台、输水管道等采样设施，但 要求采样断面两岸是固定堤岸，或坚固的石崖。 1 3 2 5 船只式采水，一种是采水与监测一体化的监测船，该方法机动性强。另一种建 在无动力的船上，遇水流变化时靠机动船舶牵引改变位置，但必须妥善解决管理和安全 问题。以上方式的缺点是运行费用较高。 采样泵常用的有两种：一种是自吸泵，即将泵安装于岸上的站房内或其它建筑物 中，靠离心作用采水。另一种是用潜水泵采水，将潜水泵置于采水设施上，在水下保持 一定深度，靠动力作用采水。自吸式的优点是水泵安装和维修十分方便。但在停电停水 清洗再复位时需要人工灌水，水泵才能重新运转，否则会出现空转的情况，自动控制不 便，另外自吸泵要求吸程小于8 m 。在水位变化较大时，不宜采用自吸式采水方式，多数 采用潜水泵。 1 3 3 水样前处理技术和设备 水样前处理技术和设备是水质自动监测站建设的重要组成部分。对监测结果有较大 的影响。国内外水质自动站常采用连续的平流沉淀池，再经过滤装置过滤，以满足在线 6 监测仪器测定的需要。 平流沉淀法是利用水沙比重的差异，依靠重力作用使泥沙在缓慢平流的情况下产生 沉降来达到去除部分泥沙的目的。目前国内外自动站常在水样前处理环节中的初级阶段 使用这种方法。浅型大面积的平流沉淀池效果好，但占用空间太多。室内的平流沉淀池 体积小，去除泥沙的量十分有限，特别是细小的颗粒。因此在多泥沙的黄河建水质自动 监测站使用简单的平流沉淀法，无法按要求完成对水样的前处理。 过滤法是以介质两侧产生的压差为动力，以机械筛分原理为基础的固一液分离过 程。自动站常用的过滤设备有筛网过滤器、沙缸过滤器、管式过滤器等。过滤材料有： 滤膜、金属纤维毡、金属丝网、金属粉末烧结毡；非金属纤维毡、丝网、纤维布；陶 瓷、石英砂；以及其它无机物、纤维、棉、麻、布等等。过滤精度从几微米到几毫米、 十几毫米、几百毫米不等。由于大部分过滤设备主要是靠拦截和吸附颗粒物实现过滤的 功能，如滤材堵塞则造成流量减少，压差上升，过滤效率大大降低。为此，在使用的过 程中都需要频繁更换过滤材料，但更换滤芯既污染环境又造成成本上升，也为后期的维 护和整个水处理自动化带来很大的麻烦。 目前，国内外水质自动监测站，水样前处理构成比较简单，基本是采用先沉淀再使 用不同的过滤装置处理水样，如北京一座河流水质自动站，由于原本河水泥沙较少，采 用了将水引出河道后，先经过地下一个较大的平流沉淀池沉淀，然后再经过滤器过滤的 方法处理水样，需要经常更换滤芯。此方法仅适用于悬浮物含量较低的河流。在上海黄 浦江一座供水水源地建设的水质自动站，采用了先经过平流沉降，再通过不同颗粒的石 英砂填充的过滤器，并定时反冲过滤器的方法，较成功地克服了堵塞的问题，但使用一 段时间后必须彻底的清洗并重新填充过滤器。上述方法用于黄河很难保证自动站的连续 运行，同时它忽略了自动监测水样前处理与实验室人工按国家( 行业) 标准分析时处理 水样保持等效性，影响了自动监测数据的代表性和有效性。目前在黄河已建的几个自动 站，大部分位于黄河上游或水库出水口、支流等泥沙含量较少的河段。在水样前处理方 面，一般仅对样水进行了简单的沉淀，再经滤材过滤送入在线监测系统，当遇到高含沙 水流时要关闭自动站，以防高含沙水流堵塞在线监测系统。 泥沙含量高是黄河建设水质自动监测系统的主要制约因素，到目前为止，国内外尚 没有成熟的技术方案和成套的技术设备来解决这一问题。在调研中一直未发现按实验室 规定技术标准设计的，适用于高含沙河段的自动监测站水样前处理技术和设备。 13 4 监测技术和设备 国外水质自动在线监测仪器已有较长的发展历史，经过多年不断的完善，二十世纪 九十年代各类在线监测仪器已经相当成熟，涵盖了多种河流、湖泊主要污染控制水质参 数，基本满足了地表水实时监测工作的需要。主要在线监测仪器包括常规五参数、t o c 、 c o d 、b o d 、氨氮、总磷、生物毒性、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、总氮等，西欧荷兰等国自 动站还可监测重金属和有毒有机物。同一种检测参数，根据不同国家，不同水体以及政 府环境管理的需要，又有各种不同型号、不同原理的在线监测仪器。 常规五参数监测仪器所采用的分析方法基本相同，仪器大致分为两类三种，一类是 直接安放在室外采水点的在线多参数探头，仅适用于水库或其它较清洁的水体，比较恶 劣的测定环境很少采用；另一类是室内壁挂式的，其中又可分为两种，一种是分体式 的，即每个参数独立的，一种是多参数组合的。如美国的y s i ( 金泉) 公司、海莱公司的 多参数探头在线监测仪体积小、安装方便，已被各国广泛采用，安装方式可直接投放在 水中，也可安装在室内站房中。澳大利亚格林斯潘公司采用了室内组合柜方式。 河流水质自动监测越来越成为国家和流域机构管理水质的重要手段。使自动站与实 验室人工使用标准分析方法监测的成果保持良好的一致性，已成为近几年一些国家自动 监测技术和设备发展的热点之一，使用标准方法的自动监测仪器的发展倍受用户的关 注，尤其是c o d 、t o c 、氨氮、总磷和总氮，自动监测仪器的方法标准化有了很大的发 展，但亦然存在一些问题如试剂的二次污染、运行费用较高、干扰离子较多、悬浮物的 影响等。近几年一些使用非标方法的自动监测仪器也有较大的进展，有些非标方法克服 了标准方法的某些缺点，并通过解决自动监测仪器与实验室人工监测数据的校正问题， 取得了令人满意的效果。 九十年代中期根据我国污染源管理的需要，国产污染源自动监测系统( 俗称黑匣 子) 首先进入市场的是污水c o d 、! o h 、氨氮、浊度等项目的自动监测仪器和污染源监测 管理系统。国内批量生产河流成套水质自动监测设备的厂家较少，一些科研单位河流水 质自动监测仪器尚处于样机研制阶段。北京普析通用仪器设备公司于1 9 9 9 年推出自动监 测站部分监测设备，当时处于试应用阶段。二十一世纪初，由于水质自动监测站建设， 列入我国水质监测现代化的议程，国内研制水质自动监测站的厂家和科技开发公司也加 快了开发自动监测仪器和设备的步伐。用于河流自动监测的水质自动监测仪，如：c o d 、 氨氮、总磷、总氮等在线监测仪器开始批量进入市场。国内较国外更注意开发使用标准 方法的自动监测仪器。 近年来水质自动监测技术和设备的国产化得到较快的发展。例如：北京晟德瑞环境 技术有限公司、北京茂达环境新技术有限责任公司，主要是技术引进和成套设备集成。 河北先河科技发展有限公司、湖南力合科技发展有限公司、北京环科环保技术公司、深 圳市摩特威尔发展有限公司、科维源公司等仪器研制开发生产一体化，同时承担成套系 统的集成。 总之，国内外已建立的水质自动站，在含沙量较低的河流运行良好，但在高含沙水 体建设水质自动监测系统尚无先例，还存在许多尚未解决的问题。根据实际调研的结 果，国外的在线监测设备具有明显的优势。因此，引进国外先进技术和设备，成为在黄 河建设水质自动监测站的首选。 1 4 研究技术路线与方法 本论文研究在充分收集典型河段环境、水文、河道、污染等技术资料以及调研国内 外水质自动监测技术、设备及应用的基础上，深入分析黄河典型河段水质自动监测水样 采集与前处理巾存在的关键技术问题，针对关键技术问题，制定研究内容和方案，并进 行模拟实验研究，找到解决黄河典型河段水质自动监测关键技术问题的方法，制定出适 用于黄河典型河段的水质自动监测水样采集与前处理等关键技术方案。 1 ，4 1 水样采集系统研究技术路线 水质自动监测系统的水样采集方式有岸边采水式、河中悬浮式、河中固定式之分； 水样采集设备工作方式有抽水式、潜水式之分；采水设备的型号多不胜数。 为研究适用于典型河段的水样采集技术和其采样的代表性，在现场调查和收集建站 所需的基础资料，包括水文、河道、污染等基础资料，并对建站的位置和水、电及通讯 条件进行调研和实地勘察基础上，对这些河段的水文、水质及河道特性进行深入研究分 析。根据研究分析的结果，按环境条件类别研究不同的水样采集方式、代表性和针对性 的技术方案，同时调研选择国内外与之相适应的水样采集设备，依托在建的花园i z l 水质 自动监测站进行模拟实验，最终形成一套可直接用于自动监测系统建设的水样自动采集 技术方案。 1 4 2 水样前处理系统研究技术路线 对水样前处理系统的研究，主要是针对水样前处理系统中泥沙沉降、水沙分离、最 终过滤等各环节的研究。 水沙分离是处理大量泥沙的关键环节。对于水沙分离，目前国内外普遍采用的技术 有三种，既沉降、离心和过滤。在泥沙沉降这个环节中，主要研究沉降方式和沉降效 9 率；在离心处理环节中，目前有两种技术，一种是有动力的离心技术( 利用离心装置旋 转带动水流旋转，从而达到离心目的) ，另一种是无动力的离心技术( 利用水流自身旋 转，达到离心目的) ，无论何种离心技术，何种型号的设备都存离心的范围和离心的效 率问题，这也是我们重点研究的问题对象。在泥沙过滤环节中，过滤的方式和材料非常 多，有沙滤、纸滤、膜滤等等过滤技术和材料。我们研究的主要技术路线是针对目前国 内外成熟的过滤技术和材料进行调研和试验，研究得到适用于典型河段的过滤装置。 总之，通过对典型河段泥沙分布特点和组成成分进行分析研究，即主要研究这些河 段泥沙含量的分布特性、泥沙粒径的分布特性以及小含量泥沙对自动监测系统的影响程 度，以及充分调研国内外水沙预处理设备，在研究各种水沙处理设备工作原理和结构性 能的基础上，选择适用于黄河泥沙处理的设备，同时利用花园口水质自动监测站和黄河 流域水环境监测中心实验室进行模拟实验研究，最终研究出与典型河段相适应的水样前 处理技术。 研究工作分三个阶段进行： 第一阶段：完成黄河干流水质自动监测典型河段用于研究的环境、水文、河道、污 染等技术资料以及国内外水质自动监测有关研究内容的技术资料收集分析和国内自动站 建设情况调研。 预期目标是掌握典型河段的各种基础资料和国内外水质自动监测有关研究的技术资 料。 第二阶段：制订初步的研究方案和详细的实验计划 预期目标是在对基础资料研究分析的基础上，根据国内自动监测系统建设的经验教 训和国内外有关监测技术，制订出用于研究的各种技术方案和试验计划。 第三阶段：利用第二阶段的研究成果和在建的自动站设施等基础条件，对制订的各 种技术方案进行综合实验研究，最终得出研究结果。 预期目标是研究得出典型河段自动监测系统的各种关键技术方案，这些技术方案具 有较好的实用性，可运用于黄河今后的水质自动监测系统建设之中。 第二章建站条件分析 黄河发源于青海省巴颜喀拉山北麓约古宗列盆地，流经青海、四川、甘肃、宁夏、 内蒙古、山西、陕西、河南、山东九省( 区) ，在山东垦利县注入渤海。干流全长 5 4 6 4 k m ，落差4 4 8 0 m 。流域面积7 9 4 7 万k m 2 。 黄河流域属大陆性气候，年温差较大。东南部基本属潮湿气候，中部属半干旱气 候，西北部为干旱气候。流域多年平均年降水量4 7 6 m m ( 1 9 5 6 年1 9 7 9 年系列) 。降水分 布由东南向西北递减，全年雨量多集中在7 l o 月，四个月降水量占全年的7 0 。降水 量年际变化大，丰水年降水量一般为枯水年降水量的2 。5 倍。 黄河中上游黄土高原区有深厚黄土覆盖，土壤组织疏松，抗冲、保水能力差。由于 自然和人为的因素，生态环境长期受到破坏，植被稀少，冲蚀严重，加上汛期降雨量集 中，置多以暴雨形式出现，历时短，强度大，形成洪水过程，造成严重水土流失。 根据流域形成发育的地理、地质条件及水文情况，黄河干流河道可分为上、中、下 游。 ( 1 ) 上游 黄河河源至内蒙古自治区托克托的河口镇为上游，河道长3 4 7 1 6 k m ，流域面积4 2 8 万k m 2 ，占全河流域面积的5 3 8 。玛多县多石峡以上称河源区，流域面积2 万多k m 2 ， 年水量约5 亿莳；玛多至下河沿河段，河道长2 2 1 1 3 k m ，水面落差2 9 8 5 m ，是黄河水力 资源的富藏区；下河沿至河口镇河段，河道长9 9 0 k m ，流域面积1 7 4 万k m 2 ( 含内流 区) ，水面落差2 4 6 m ，属宽浅的平原型冲积河道。其中，内蒙古三盛公以下河段，地处 黄河自南向北流向的顶端，凌汛期冰塞、冰坝壅水，危害较大。 ( 2 ) 中游 黄河自河口镇至河南郑州的桃花峪为中游。中游河道长1 2 0 6 4k m ，流域面积3 4 4 万k m 2 ，占全流域面积的4 3 3 ，落差8 9 0 m 。黄河自河口镇急转直下，至禹门口，将黄土 高原分割两半，构成峡谷型河道，以河为界，左岸是山西省，右岸是陕西省，因之称为 晋陕峡谷。峡谷两岸是广阔的黄土高原，土质疏松，水土流失严重。支流水系特别发 育，大于l o o k m 2 支流有5 6 条。每年向干流输送泥沙9 亿t ，占全河输送量的5 6 ，是黄 河泥沙来源最多的地区。 黄河出晋陕峡谷，河面豁然开阔，水流平缓。本段河道冲淤变化剧烈，主流摆动频 繁，有“三十年河东，三十年河西”之说，属游荡性河道。汇入的大支流有渭河和汾 河。 i l 黄河过潼关折向东流3 5 6 k m 至河南郑州市桃花峪，落差2 3 1 m 。三门峡以下至孟津 1 5 1 k m 河道穿行于中条山与崤山之间，是黄河最后一个峡谷段，界于河南、山西之间， 故称晋豫峡谷。其间建有三门峡、小浪底水利枢纽。三门峡至桃花峪区间较大支流有洛 河及沁河，区间流域面积4 2 万k 2 ，是黄河流域常见的暴雨中心。盂津以下，是黄河由 山区进入平原的过渡河段。 ( 3 ) 下游 黄河桃花峪至入海口为下游。流域面积2 3 万k m 2 ，仅占全流域面积的3 ，河道长 7 8 5 6 k m 。下游河道横贯华北平原，绝大部分河段靠堤防约束。由于大量泥沙淤积，河道 逐年抬高，目前河床高出背河地面3 5 m ，部分河段如河南开封曹岗附近高出l o m ，是世 界上著名的“地上悬河”，成为淮河、海河水系的分水岭。区间汇入的较大支流有金堤 河和大汶河。 利津以下是黄河的河口段。黄河河口位于渤海湾与莱州湾之间。由于黄河将大量泥 沙输送到河口地区，大部分淤积在滨海地带，填海造陆，塑造了黄河三角洲。年造陆面 积约2 0 k m 2 。 黄河自源头至入海口河道类型多样，水沙水质特点各不相同。上游河段水多沙少、 水面清、流量匀、比降大、峡谷多、水利资源较为丰富；中游河段，伏秋两季水多沙 多，洪峰迅猛，陡涨陡落，带有大量泥沙。下游河段水势平缓，河道宽浅、散乱，泥沙 淤积严重，河床高出地平面2 l o m ，是举世罕见的“悬河”。南北堤距1 0 k m 上下，土 质多沙，串沟交错，河岔分流、河势多变，是典型的“游荡性”河道。多泥沙河流、游 荡性河道是黄河水质自动监测系统的建设面临的主要问题。基于此种考虑，在黄河中、 下游选择潼关、花园口两个河段作为关键技术研究的典型河段，代表了在黄河中下游 高含沙、低水位、低流速宽浅河道上建设水质自动监测站的一般条件。 2 1 典型河段自然环境状况 2 1 1 潼关河段 潼关河段位于黄河中游，是黄河与支流渭河、汾河交汇地段，也是陕、晋、豫三省 交界地段。该河段河道属宽浅型，沙质河床，冲淤变化较大，流向变化不定，一般洪水 河宽9 0 0 m 。河段右岸为石坡护岸，左岸为土坡。 潼关河段多年( 1 9 8 0 2 0 0 1 ) 平均流量为9 1 7 4 一s 。历年最大流量为8 2 6 0 m 3 s ， 历年最小流量为0 9 5 0 m 3 s ，流量变幅极大。历年最大水位为3 2 9 8 6 m ，历年最小水位为 3 2 5 5 3 m ，最大水位变幅为4 3 3 m 。多年平均径流量为2 8 9 5 亿m 3 ，而7 1 0 月份，占多 年平均值的6 0 ，年内分配不均。潼关河段水体泥沙含量极高，多年平均含沙量达 3 0 1 k g m 3 。 潼关河段位于黄河陕西省、山西省与河南省三省交界地段，掌握该河段水质状况， 对解决省际水事纠纷，具有十分重要的意义。其距上游龙门1 2 0 余公里，其间主要接纳 有山西铝厂、河滓市小炼焦厂、韩城龙门钢厂、韩城焦化厂、韩城电厂、韩城城市生活 污水、潼关县排污沟等工业和生活废污水，另有汾河、涑水河、渭河、潼河等污染很重 的支流汇入。演关断面规划水质类别为i i i 类，目前常规水质监测结果水质多为v 类、劣 v 类，水质很差，主要超标