苏州西塘河水质自动监测系统设计研究.doc

苏州西塘河水质自动监测系统设计研究黄 建 韩 梅 盛林华 （苏州市西塘河引水工程管理所）【摘 要】：苏州西塘河水质自动监测系统通过在西塘河干流及主要支流内设置在线实时监测站点，对水质进行实时在线监测。本文介绍了站点的设置和系统的结构功能及工作流程。【关键词】：引水工程 水质自动监测 设计研究 1工程概况 苏州市西塘河引水工程是为改善苏州城区水环境的专用引水通道，北起望虞河琳桥港，南至苏州环城河，引望虞河水入苏州城，增加城区水体容量、提高水体自净能力。西塘河水质自动监测系统通过在西塘河干流及主要支流内设置在线实时监测站点，运用计算机、电子、通讯、互联网等手段实现在线实时监测数据的自动化传输，达到及时准确地分析实时监测数据，综合环境、水文、气象、地理等内容，全面准确评价和预测水环境质量状况，为管理人员作出科学合理的决策提供依据。 2站址的选择确定 为全面监测西塘河水质变化情况和调控工程的运行，需要对西塘河全线进行监控，对干流及两岸控制后水质影响进行监控。西塘河沿线都具备水质自动站建站的条件，站址的选择确定主要根据监测的目的。在西塘河干流共设置3个监测站。琳桥站，位于西塘河口门琳桥闸上游，用于监测西塘河引水源水水质（望虞河水质）；裴家圩站，位于裴家圩枢纽上游，监测从水源地到裴家圩的水质因子变化情况，用于调控裴家圩枢纽的运行；新塘桥站，位于312国道新塘桥北侧，用于监测西塘河入城前的水质情况。在裴家圩枢纽上游西塘河东侧的穿湖堤闸下春申湖内设置监测站，以监测引水工程对支流水质的影响。 3监测项目的确定 根据历史资料，西塘河及其支流水质污染以有机污染为主，氮、磷和有机物超标严重。西塘河水质监测站为专用站，参照国家地表水的监测项目，结合长江、太湖和苏州市水质污染现状，为全面了解监测西塘河水质的变化状况，西塘河干流水质监测站监测项目为常规5项（水温、pH值、浊度、电导率、溶解氧）、高锰酸盐指数（CODMn）、氨氮、总磷、总氮、水位等。对于支流水质监测站，主要为了解西塘河引水期二侧关闭控制对支流水质的影响，以控制两岸闸门的调度运行，监测要求相对较低，穿湖堤站对有代表性的氨氮和CODMn进行监测。 4系统结构组成 西塘河水质自动监测系统是西塘河引水工程信息管理系统的重要组成部分，信息管理系统在裴家圩设有监控中心，因此水质自动监测系统由监控中心和四个自动监测站组成，四个自动监测站通过西塘河快速光纤网与中心相连。各个监测站包括水样采集预处理及辅助单元、分析监测单元、控制及通信单元。远程中心包括数据处理和管理软件。 水样采集预处理及辅助单元由水样采集装置、水样预处理装置、管路清洗和空气反吹装置、废液收集装置等组成，完成监测水样的采集、预处理、配水和管路清洗等工作；分析监测单元由监测传感器、在线监测仪器及标准通讯控制等构成，主要监测水温、pH值、溶解氧、电导率、浊度、CODMn值，对氨氮、硝氮、亚硝氮、总磷等进行分析，完成数据的采集；控制及通信单元由PLC和控制继电器、电磁阀等组成，根据预先设定的程序或远程中心上位机的命令完成对水样采集预处理及辅助单元的控制，将在线自动监测仪器采集的数据传输到中心站数据库；中心站上位机可监视各子站的各种信息，对各子站进行远程控制，将收集的数据进行分析处理。 5系统结构设计 水质自动监测站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用分析软件和通信网络所组成的一个综合性的在线自动监测系统。水质在线自动监测系统是一个把多项监测指标的分析仪表组合在一起，从采样、分析到记录、整理数据（包括远程数据）、中心遥控组成的系统，结合相应的监控及分析软件，实现实时在线自动监测。系统应满足运行可靠稳定，维护量少的要求，可实现无人值守、有人管理的模式。 5.1水样采集预处理及辅助单元 水样采集装置由过滤器、水泵、阀门、沉沙池及相应管路组成。 西塘河水深通常在3 m左右，水位变幅在2m左右，夏季水中会生长藻类等。根据水质采样的要求，取样点在水面下0.5-1.0m，与河底的距离应大于1m，以防止枯水期取水口受到水体底部泥沙的影响，取水方式采用浮台深吸泵的方式，在取水地设一级过滤器进行水的自然过滤，防止杂物和粗颗粒悬浮物堵塞采样泵。经一级过滤后，通过输水管路将水输入至水质站房内沉沙池内。 浮台的形式根据地形的不同采用不同的方式。裴家圩监测站和新塘桥监测站位于河道中，采用竖井式浮台的取水方式；琳桥监测站和穿湖堤监测站位于河岸上，采用悬臂式浮台的取水方式。浮台采用玻璃钢制成，两边用不锈钢耳与两根竖井滑杆配合或与悬臂相连。过滤器用不锈钢制成提篮式，放置在浮台中央，同时用于安装潜水电泵、常五及CODMn探头。 水样预处理装置包括配水管线、电磁阀、压力表、止回阀等组成。水样经过沉沙池的自然除沙后，进入过滤分流预处理，根据需要分配给不同的分析仪表，预处理装置主要控制水样的分流，采用定量取水的方式。沉沙桶用不锈钢材料制成，设有进样孔、溢流孔、排水排沙孔、液位信号。排水排沙孔装有开启度较大的电动球阀，使沉下的沙粒易于排走。 管路清洗装置由除藻液桶、报警浮子开关、电磁阀、止回阀、空压机等组成。由于西塘河地处江南，所引水主要是江水，水中含沙量大、藻类丰富，当系统处于等待状态时，会有泥沙或者藻类留存在管路中，长久会造成管路的堵塞，影响流量。管路清洗装置在每次取水后用自来水进行清洗，增加除藻装置，清洗站房内部管路。清洗用水采用自来水系统（如水压不能满足0.30.4MPa要求，增设增压泵）；采水系统的清洗分为三路，第一路清洗沉沙桶；第二路清洗屏架管路；第三路清洗源水管路。空气反吹是对管路进行清洗反吹，防止管路中泥沙沉积； 废液收集装置用来收集分析仪表排出的化学废液，防止废液流入河中污染水源。废液收集桶内装有液位报警开关，一旦废液桶满了，就向中心站报警，此时必须要及时对废液进行处理。 5.2分析监测单元 西塘河从望虞河引水，所以分析监测仪表的选型是根据望虞河水质的具体情况，参考国内已建水质自动监测站的成功经验，考虑仪表的先进性、使用功能、日常维护和运行成本等多方面的因素，选择在水质监测仪器方面有优势的在国际、国内工程方面业绩较好的国外著名跨国公司的仪器。西塘河水质自动监测站水质仪器选用德国WTW公司的产品，选择适合地表水测量量程的传感器。 1）多元素在线监测仪 多元素在线监测仪（IQ Sensor Net）采用模块化设计和数字通讯技术，一台仪器上同时连接pH/温度、DO（溶解氧）、电导率和浊度四支传感器，并可根据需要扩展模块或更换不同探头。 pH/温度传感器采用玻璃电极感测法，具故障报警功能；溶解氧传感器采用三极式薄膜测试法，为电极泄漏和电极再生监测；电导率传感器用四极式原电池法，内置地表水非线性温度补偿功能；浊度传感器采用90度散射光比浊法，内置超声波自动清洗功能，能监测光学镜片的污染情况，确保长时间工作的稳定性和准确性。 2）CODMn在线监测 CODMn在线监测仪（MIQ/Carbo Vis 700/5 IQ Set）采用紫外可见分光比色测试光谱法，运用先进的光谱分析技术抑制周边环境及浊度的干扰，具有自动空气吹洗技术，可延长系统连续运行时间。 3）TP在线监测仪 TP在线监测仪（TresCon P511）：采用高温化学消解+钼蓝参考光束比色法，先进的模块化设计和先进的数字通讯技术，具有自动清洗、自动校正自动调整测量间隔等功能，当试剂消耗完或管路堵塞时可输出报警信号。可监测总磷，同时预留了氨氮或磷酸盐的测试模块，具有测量数据存储功能和图表显示功能。 4）、TN、NH3-N在线监测仪 TN、NH3-N在线监测仪（TresCon A111+ON210+ON510）由基本模块、分析模块、试剂托盘所组成。由硝酸氮、亚硝酸氮、氨氮三部分构成（TN=NO3-N+NO2-N+NH3-N)，采用气敏氨离子电极电位法测量，具有自动清洗、自动校正自动调整测量间隔等功能，当试剂消耗完或管路堵塞时可输出报警信号。同时测量显示硝酸氮、亚硝酸氮、氨氮三种参数，具有测量数据存储功能和图表显示功能。 5.3控制及通信单元 数据采集及控制系统控制各单元的运行，数据采集传输以及设备电源的提供。包括现场级的数据终端、水样预处理设备、PLC、UPS电源、通讯设备（包括以太网通讯）等组成。 西塘河水质自动控制单元是西塘河水质系统取水采样部分的核心，关系到整个系统运行的可靠与稳定。对仪表的控制是以485通讯总线为基础的控制通讯技术。控制通讯技术是指利用485通讯总线把PLC和仪表连接在一起，用通讯协议进行数据交换，自动控制仪表的运行。 数据采集传输系统完成各类数据的采集、记录及传输。温度、PH值、浊度、电导、溶解氧和CODMn利用单通道4-20mA模拟量来采集数据。氨氮、总氮和总磷则利用485通信总线来采集数据。 PLC通过Internet局域网把数据传到裴家圩中心站。也可通过中心站来设置测站每天的开始时间，每天的运行次数，除藻的时间间隔。还可以通过中心站控制软件来单独来进行除藻和对管路的清洗。 5.4数据处理及远程监控系统 远程中心的数据处理和管理软件对系统的运行进行远程监控并且实时数据传到服务器的数据库上，以备对水质信息的历史查询。系统包括数据库服务器、软件控制权限管理、故障报警和查询、水质信息历史记录查询、报表管理等，实现了基于Internet的远程查询。 5.5电源与接地 电源和防雷接地也是水质自动监测系统能否可靠运行的关键之一。水质自动监测系统的站点大多处在偏僻、供电不好的野外，电源质量和可靠性较差，发生雷击的可能性较大。 水质监测系统的交流电源采用地下电缆进线，在进线处安装有电源避雷器。所有仪器设备采用具有防浪涌和稳压功能的在线式UPS电源。水质站房设有避雷装置。 为了减少各部分设备、电路之间的电磁干扰，仪器设备进行正确的接地和屏蔽，对脉冲数字地、模拟信号地、交流电源地分别处理，避雷接地、直流工作接地、交流工作及安全保护接地共用一组接地装置。 6.系统功能及工作流程 6.1水质自动监测系统具有以下功能 仪器故障自动报警功能和异常值自动报警功能；定期自动清洗和自动校正功能；远程时钟设置功能；远程校正和远程清洗功能；双向指令数据传输功能；水质连续采样和管道自动清洗过滤功能；现场可显示测量参数和设备运行状态；现场数据可通过用户指令，将水质数据自动存贮，供上位机通讯及查询；以太网数据传输功能；停电保护及来电自动恢复功能；数据自动入库及数据库管理功能；数据图形、报表查询功能。 系统还具有可扩展及预留数据采集通道。 6.2系统工作流程 现场控制装置以PLC为核心。PLC通过I/O接口与继电器相连，由继电器控制潜水电泵和各个电磁阀。PLC通过485总线把总氮仪表、总磷仪表连接在一起，用通讯协议进行数据交换，来控制仪表的运行。系统具体流程见图2。 7.结束语 苏州市西塘河引水程是水环境治理工程，其水质监测在工程中具有重要的作用。在水质自动监测系统的设计选型中，考虑系统的先进性、可靠性，仪器全部采用进口设备，且选用同一家公司的产品，便于仪器设备的售后服务和系统的维护。 CODMn采用光度法测试，节省了试剂消耗；传感器直接安装于河道中，数据实时在线，无需样品输送及预处理；具有自动空气吹洗功能，简化了维护。 TP及