【智易时代】河流、湖泊自动监测站技术方案

1.水质自动监测系统概述

水质自动监测系统是以水质在线分析仪器为主体，运用自动测量技术、自动分析技术、自动控制技术、计算机应用技术、通讯网络技术等多学科的现代技术组成的一个综合性的在线自动检测体系。主要功能是实时的监视水质变化局势，定性、定量的掌握流经监测断面的污染物通量，监测断面污染物浓度及通量的时间变化规律，为流域污染防治及其监督管理提供科学依据。

根据《中华人民共和国水污染防治法》（第87号令）、《贵州省生态文明建设促进条例》、《贵州省水污染防治条例》等文件的要求，同时为了对河流的污染情况进行及时有效的管理和防治，根据现场勘察，确定如下的建设实施方案。

1.1 水质自动监测系统总体架构

水质自动监测系统由采水单元、预处理单元、检测单元、控制单元、数据传输通讯单元等组成，以实现水质的实时在线自动分析。

1.2 水质自动监测系统基本特征

·河道监测断面的代表性

·监测项目的扩展性

·采水系统的安全性

·水库站房的安全性和实用性

·仪器设备的稳定性、准确性

·控制系统的可靠性

·数据采集、处理与传输系统的准确性

·系统运行的经济性

1.3 主要规范及标准

《中华人民共和国水法》

《中华人民共和国水污染防治法》

《取水许可和水资源费征收管理条例》（国务院460号令）

《建设项目环境保护管理条例》（国务院令第253号）

《水行政许可实施办法》（水利部第23号令）

《取水许可管理办法》（水利部令第34号）

《入河排污口监督管理办法》（水利部令第22号）

《水利信息系统可行性研究报告编制规定》（SL/Z 331-2005）

《水资源实时监测系统建设技术导则》（SL/Z 349-2006）

《水文自动测报系统技术规范》（SL 61-2003）

《水质数据库表结构与标识符规定》（SL325-2005）

《水环境监测规范》（SL 219-98）

《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）

《河流流量测验规范》（GB50179-93）

《水文基础设施建设及技术装备标准》（SL276-2002）

《水污染物排放总量监测技术规范》

《水和废水监测分析方法》（第四版）

《环境水质监测质量保证手册》

《地表水和污水监测技术规范》（HJ/T91-2002）

《水质河流采样技术指导》（HJ/T52-1999）

《pH水质自动分析仪技术要求》（HJ/T96-2003）

《电导率水质自动分析仪技术要求》（HJ/T97-2003）

《浊度水质自动分析仪技术要求》（HJ/T98-2003）

《溶解氧（DO）水质自动分析仪技术要求》（HJ/T99-2003）

《高锰酸盐指数水质自动分析仪技术要求》（HJ/T100-2003）

《总磷水质自动分析仪技术要求》（HJ/T 103-2003）　

《自动化仪表工程施工及验收规范》（GB50093-2002）

1.4 水库站水质自动监测系统建设内容

建设水质自动监测站，包括前端采水配水系统、监测仪器设备、控制和数据传输系统、监测站房、监测站房基础配套等内容，实现对监测地点水质的自动监测和自动传输，使生态文明建设管理局或水利部门能够实时掌握水质状况。

本次拟建的自动监测站由站房基础建设、站房配套建设、采水系统、配水系统、分析测试系统、数据采集与传输系统、系统控制系统等部分构成；其中分析测试系统和站房建设是本次系统建设的核心内容，在按照水环境质量自动监测站的常规配置，配备包括五参数（水温、pH、溶解氧、电导率、浊度）、高锰酸盐指数、氨氮、总氮、总磷和叶绿素a等的监测。

2.项目建设原则

系统总体设计遵循“平台稳定、技术先进，系统完整，结构开放，系统可扩展，网络适应”的总体原则，在设计和开发中坚持“服务人性化、开发平台化、接口开放化、工具实用化”等基本原则，将系统的监测数据、空间数据、矢量数据、多媒体数据和文本数据融为一体。

（1）可行性原则：方案的设计要充分考虑技术、经济、实施等各方面的因素，设计出切实可行的方案。

（2）实用性原则：实用性是系统的基本要求也是最高要求，要使规划设计的系统实用，除了要全面了解技术上的动态之外，更要了解河流断面水质在线监测业务的实际需求，要做到一切面向应用，要根据需要确定系统的规模、采用的技术及实施的方式。在这种前提条件下，一定要有开放性和前瞻性的考虑，考虑技术的进步，考虑需求的增长，从而确保系统的稳定性。

（3）可靠性原则：在技术上应该优先考虑系统的可靠性，其设计要在安全、容错和备份以及异常处理等方面予以充分考虑，以保证系统具有良好的运行状态。系统充分满足国家有关标准、规范，并参照国际通用规范进行设计。系统在建设、运行、产品质量、售后服务及培训等方面保证安全、可靠、及时。

（4）先进性原则：除了实用性之外，要考虑系统的先进性。

（5）安全性原则：信息资源必须受到保护，防止无授权访问和破坏信息完整性的可能性。必须认真考虑对于数据的损坏或安全机制的破坏所带来的威胁。

（6）统一性原则：统一性包括统一规范、统一标准和统一接口。设计时要注意国家标准和省级标准的采纳与使用，在没有标准的情况下，用户要参与自有标准的设计与确定，保证系统建立在标准化基础上。系统设计要确定标准代码和标准信息分类编码，规定各系统间数据交换的统一接口，保证系统的统一性和完整性。

（7）易维护性原则：要根据具体情况具体设计，采用易于管理和维护的系统。各项软硬件系统都具有操控简单、灵活、维护方便的特点。

（8）系统的可扩展性原则：符合国内和国际有关标准，采用模块结构，确保系统的可扩展性和兼容性，使系统能够满足潜在的功能需要。

3.产品介绍

水质在线监测系统是一套以在线自动分析仪器为核心，组成一个从取样、预处理、分析到数据处理及存贮的完整系统，从而实现对样品的在线自动监测，一般包括取样系统、预处理系统、数据采集与控制系统、在线监测分析仪表、数据处理与传输系统及远程数据管理中心。

常规参数：水质五参数（温度、PH、溶解氧、电导率、浊度）、CODcr、氨氮、总磷、总氮、总有机碳、叶绿素等；

测定原理：光度法

适用：水源地监测、环保监测站，市政水处理过程，循环冷却水、工业水源循环利用、工厂化水产养殖等领域

4.其他

4.1设计原则

1) 采水单元对测定项目(除水温)监测结果的影响必须小于5%

2) 采水单元对水温的影响必须小于20%

3) 双泵双管路系统

4) 有管道反冲洗功能

5) 水压水量满足分析单元的需要

6) 取水处的防淤积、防杂物、防堵塞、防冻结、防冰凌

7) 管线的保温措施

8) 管线的除藻功能

9) 管线材质的稳定性

10）管线安装的安全性

11）采样泵维护维修的方便性

12）室内部分必须有手动取水口，方便水样比对实验的采水

4.2水站布点原则

取水点位深度：水面下0.5m。

标准水站位置的地域地质结构稳定，地势平坦，能抵御50年一遇的洪水，且具备四通一平条件，即：通路、通电、通水、通电话、通宽带/无线网络以及土地平整。

标准水站采水点位选择不易受自然环境破坏，同时，能具备不同采水方式设备的施工和安装，水面水平距离与站房小于50米（特殊情况除外），采水区域四季水流量相对平缓，水中杂草较少、水深应当满足自动监测仪器采水的最低（50cm）要求。

岸边标准水站所建位置的地理条件和周围环境，要安全可靠，便于工作人员的工作和对水站的管理。

4.3 材料、设备选型

4.3.1水泵选择

（1）选择原则

泵的选择主要考虑以下几个方面：

• 水泵类别：根据甲方对采水设备的要求（取水深度、取水距离、取水落差、现场堪察情况等）和系统供水量要求，项目建设单位设计采用潜水泵取水。

• 供水距离：泵具有足够的输出功率、最大扬程53米、流量，以保证能够将水样稳定输送到规定距离（200m）左右的站房内。

• 供水量：泵的入室流量满足仪器及相应辅助设备的总需水量。

（2）技术说明

• 泵壳、叶轮、过滤隔及马达内罩均采用优质不锈钢制；

• 泵底座及出水位为生铁制造；

• 水冷式马达，运转宁静，可长时间连续运作；

• 特别适用抽水及输水加压运送用途。

（3）应用说明

• 上述水泵可满足整个监测系统的供水量及供水压力；

• 为防止水中石块、树枝等较大杂物损坏水泵，对水泵均配备了相应的粗过滤防护装置。

4.3.2管路

采水管道选用的材质有足够的强度，可以承受内压和外载荷，具有极好的化学稳定性，质量小，耐磨耗和耐油性强等特点，适用于管路铺设，同时避免污染所采水样，项目建设单位通常采用的管道为磐石胶管和钢丝弹簧胶管两种类型。服务单位根据相关管道设计规范进行管道材质和管径的选择，确保管内流速和管道压力损失在合理范围之内。

（1）选择原则

输水管材的选择考虑了以下几个方面：

• 管径：除考虑与泵的连接尺寸，还考虑到在一定流量下的流速，适合的流速对管路具有冲刷作用，防止泥砂等杂质在管壁上的沉积，另外，也考虑到系统水样的响应时间。综合考虑各种因素，选用DN25的管径。

• 材质：采水管路具有较强的机械性能，抗压，耐磨，防裂等，还具有较好的化学稳定性，耐腐蚀。选用TS型钢簧胶管，在以上各性能均有较好表现。

• 由于自动站多处于野外环境，操作条件受到一定限制，因此便于安装、维护也是项目建设单位对于管材选择所考虑的因素。

（2）管材特征

• 清洁透明（能看见管中流体）；

• 富有耐磨性和耐久性；

• 对外压有抵抗力；

• 塑性强，强外力作用变形后可以回复原形；

• 有优异的耐热性；

• 破裂压是常用压的4倍；

• 可弯曲半径是内径的4倍；

• 可使用温度是0-65℃；

• 具有耐化学性；

（3）应用说明

• 该管路化学性质稳定，耐压、耐腐蚀、抗老化性能优秀，不会对测试结果产生影响；

• 在该胶管外部使用聚乙烯保温管进行保温，再外套PVC管即可铺设，减少了环境温度对水样温度的影响，能够有效减小对水温的影响；

4.3.3保温、防冻、防压、排空

（1）保温

保温的目的是减少采集的水样在系统内传输过程中环境温度对水样的影响，使样品的温度变化不大于2℃。为此，保温结构的基本措施是：

• 根据保温层材料，保护层材料以及不同的条件和要求，选择不同的隔热结构；

• 具有足够的机械强度，以防止压力损坏；

• 结构简单，施工方便，易于维修；

• 经济的保温结构，即经济的材料，经济的厚度，经济的外保护层，构成经济的保温结构；

• 良好的防水性能

（2）防冻

为防止冬季采样系统冰冻致使水泵、管道、线路损坏而停止采水，采样系统采取以下技术措施：

• 把采样泵或采样头放在水体冰冻层以下，若水体整体冰冻时，把采水设备离开水体，停止采样和系统运行；

• 在采水管道经过水面冰冻层的一段，安装电加热保温层，并有良好的防水性能；

（3）防压

对于埋于地下的采水管道，硬管可直埋，软管会加装硬质保护套管；直埋采水管道或套管的管顶埋深或覆土深度，在有地面有人员走过，不会损坏采样管路。

（4）排空

为防止套管内部积水，套管铺设时保持一定的坡向，尽可能减少弯头数量，必要时留有检查维护用井。一旦水泵停止抽水，存留在管道中的水可利用自身的重力自动排空。此管道采用排空设计，可以使管道内不存水，有效的预防采水管路结冰和藻类孳生。

5. 系统集成

（1）监控软件需求

随着中国经济的持续快速发展，城市进程和工业化进程的不断增加，环境污染日益严重，国家对环保的重视程度也越来越高。基于国家标准和要求，我们选用自主研发软件作为开发工具，实现现场端环境监控要求。组态软件用了分布式架构，且针对于环保行业数据处理及报表处理比较复杂的难题，研发了专用的行业组件和环保规约，并强化了传统的专家报表，适用于环保行业大型的SCADA系统。

水质在线自动监测系统是一套以在线自动分析仪器为核心，运用现代传感器技术、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讯网络所组成的一个综合性的在线自动监测系统，结合检测设备可以对五参数、高锰酸盐指数、氨氮、总磷等进行连续自动监测，统计和处理，可以打印输出日、周、月、季、年平均数据以及日、周、月、季、年最大值、最小值等各种监测、统计报告及图表（棒状图、曲线图多轨迹图、对比图等），并可传输至中心数据库。收集并可长期存储指定的监测数据及各种运行资料、环境资料备检索。系统具有监测项目超标及子站状态信号显示、报警功能；自动运行、停电保护、来电自动恢复功能；维护监测状态测试，便于例行维修和应急故障处理等功能。

自动水质监测站（子站）可以连续或间歇地实时监控河流、江河口、湖泊、沿海、地下水监测井、排污口水质状况，为水质监控提供完整的自动在线解决方案。由几个主要子系统构成，包括：采样系统、预处理系统、监测仪器系统、PLC控制系统、数据采集、处理与传输子系统及远程数据管理中心（监控组态软件/实时数据库平台）、监测站房或监测小屋。

（2）现场监控软件需具备以下功能：

1) 应该支持HJ/T212-2005数据传输标准通信协议和相关技术要求。

2) 能够使用水质自动站现场配置的基于TCP/IP的传输网（GPRS、3G、ADSL等）与内网连接，实现与服务器端的信息交互。

3) 必须按照指定的数据状态标识要求对每条监测数据赋予标识记录。数据和其数据标识应同时上传至服务器。

4) 瞬时数据记录保存至少两到三天，历史数据记录和日志应保存一年以上。

5) 现场工控机数据的向上备份功能。

6) 显示、浏览所有监测项目的监测数据记录表格、曲线，并具有完备的现场仪器设备测控操作界面。

7) 可接受和执行服务器发送的系统控制和质控命令，系统控制命令包括远程调取工控机历史数据、重启或停止控制系统、修改仪器或系统采样周期、启动紧急监测等，质控命令包括标样测试、准确度检查、精密度检查、加标回收、多点检查、仪器校准、日期时间修正、切换量程等；执行质控命令的同时必须按照规定的数据标识要求对数据赋予标识记录。