水質在線監測系統在膠東調水工程中的應用

陳 盟 楊 波 李肖男

(山東省調水工程運行維護中心東營分中心，山東 廣饒 257300)

1 工程概況

1.1 膠東調水工程

膠東調水工程是承擔向膠東地區及工程沿線縣(市、區)供水任務，緩解膠東地區水資源供需矛盾的戰略性水利基礎設施，是山東省“百”字形調水大動脈的重要組成部分，包括引黃濟青工程和膠東地區引黃調水工程。工程前身為引黃濟青工程，是1949年以來山東省最大的跨流域、遠距離調水工程，是國家“七五”期間重點工程。

膠東調水工程以濱州市博興縣打漁張引黃閘為起點，利用引黃濟青輸水線路160km至宋莊分水閘。宋莊分水閘以下分為兩路：?利用引黃濟青輸水線路92km至青島棘洪灘水庫，承擔引黃濟青調水功能，全長252km；?新開輸水線路322km至煙臺、威海。工程途經濱州、東營、濰坊、青島、煙臺、威海6個市19個縣(市、區)，全長574km。

膠東調水工程引黃濟青輸水線路于1986年開工建設，1989年11月25日正式向青島調水，2004年在原引黃濟青工程基礎上啟動膠東調水(煙臺、威海段)工程建設，2013年實現工程全線貫通。工程以黃河水為主要水源，在博興段北堤涵閘下游入小清河子槽與南水北調東線工程連通。2014年4月南水北調東線一期工程通水以來，已初步實現了長江水、黃河水、當地水的聯合調度和優化配置。截至2017年底，工程已累計引水78.5億m3，(其中調引黃河水68.0億m3，長江水10.5億m3)，取得了巨大的經濟效益、社會效益和生態環境效益。

1.2 水質自動監測系統

水質保護是遠距離、跨流域調水工程中非常重要的一項工作，水質問題關乎著遠距離調水工程的成敗。水質保護工作主要包括源頭治理、污染源控制、沿線防護、水質監測預防、應急處置、水生態恢復等。其中，水質監測工作是其中的重要一環，水質監測為水質保護的各項工作提供了數據支持，使各項工作有了量化指標。

膠東調水工程線路長、工程沿線情況復雜、水質保護措施尚有欠缺。目前的調度水源取自黃河、長江。其中，長江水源經過京杭運河、南四湖和東平湖，水質污染風險較大。黃河水情復雜，水質污染風險同樣存在。膠東調水工程受水區為青島、濰坊、煙臺、威海4個市，經濟發展水平較高，在山東省國民經濟發展地位舉足輕重，水質安全關乎著人民生命財產安全。因此，做好水質監測工作尤為重要。

2018年4月，為做好水質保護工作，確保上海合作組織青島峰會期間水質安全，膠東調水局在引黃濟青輸水河小清河子槽下節制閘處建設安裝了膠東調水工程第一套水質自動監測系統，整個系統安裝主要包括采樣單元安裝、配水單元安裝、控制單元安裝、分析單元安裝、通信系統安裝和輔助系統安裝等。

該套設備檢測方法包括光譜測定法、電極法和熒光法，檢測項目包括化學需氧量、生化需氧量、總有機碳等16項參數。其中，硝酸鹽、化學需氧量、生化需氧量、總有機碳、苯系物、水溫的測定使用光譜測定法，氯化物、硫化物、氟化物、氨氮、酸堿度、高錳酸鉀指數的測定使用電極法，葉綠素、總硬度、電導率、溶解氧的測定使用熒光法。電極法是通過電極在水中產生電場，使水中待檢測物質微粒發生化學反應，待化學反應平衡時通過檢測電流再經過軟件處理并進行一系列轉換得到物質的濃度和含量。熒光法的原理是水能吸收一定波長的電磁輻射并以不同的波長將輻射發射出去，根據水中物質分子吸收光譜和熒光光譜能級躍遷機理，具有吸收光子能力的物質在特定波長光(如紫外光)照射下，可在瞬間發射出比激發光波長長的熒光，對發射出的熒光進行定性、定量分析得出物質濃度。該套設備以光譜測定法為特色，spectro::lyserTM連續光譜分析儀是世界上第一個可以在液體介質中直接進行連續光譜測量(220～720nm波段)的水質分析儀器。其利用了液體介質中的物質會減弱氙燈發射光強度的原理，通過256像素二極管陣列檢測器可以測量到一定范圍波長的光束通過介質后的強度，經相應的分析軟件就可以得出所測物質的濃度。全光譜在線分析儀是光學傳感器、軟件設計和現代通信技術的完美結合，其特點為：實時在線，即插即測；無須試劑，無二次污染；自動清洗，降低維護；一套系統，多種參數監測；全光譜指紋圖，智能光譜報警，為不同應用提供多種校正參數；數字式通信傳送(GSM,以太網),可遠程監控；具有數字智能型自我診斷功能。此外，配置的PC操作界面(TCP/IP、USB、RS485、RS232、4-20mA)可實現不同硬件和軟件的完全連接。

2 系統配置

2.1 運行機制

水質自動監測系統的運行離不開各單元的配合?？刂茊卧鳛檎麄€系統的大腦，負責對采樣單元、配水單元、分析單元等進行控制，同時負責處理和傳輸數據?？刂茊卧饕煽删幊炭刂破?、通信模塊、輸入輸出模塊、工控機及電腦端軟件組成。采樣單元主要用來采集和輸送水樣至分析單元，由采樣泵和輸水管路組成。配水單元由過濾器、配水管、控制閥門等組成，主要是完成水樣的過濾和配水，使水樣符合水質分析的要求。分析單元是水質自動監測系統的核心部分，由各種參數分析儀組成，主要分析待測水樣的各項目參數值。通信單元起到了信息傳遞的作用，主要負責將測站的監測數據傳送到中心站，同時將中心站的控制指令傳回測站。輔助系統包括純水設備、穩壓設備、UPS電源和監控視頻設備等保障測站正常工作的設施。其工作流程見圖1。

圖1 水質自動監測系統工作流程

控制單元根據設定好的程序控制采樣單元從河道中取水，經配水單元輸送到檢測分析單元，檢測分析單元中的分析儀通過分析水樣得出各檢測項目的參數值，然后通信單元將各檢測項目參數值傳輸到控制中心，由控制中心值班人員對其進行實時監測。水質在線監測系統設有自動報警功能，其評價標準為《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類。

2.2 硬件配置

該套系統具有采樣和分析一體化、集成化、智能化等特點。在系統集成上，系統傳感、變送、通信、上傳、中央處理器數據收集存儲和分析等是通過新型智能變送器con::cube實現的。

con::cube是基于最新的Intel Atom技術的高效率、高性能的工控機。配置如下：

a.標配有4個即插即測傳感器，并且可擴展連接無限個傳感器。

b.支持2個外部清洗閥。

c.在通信技術上使用基于四頻段WCDMA和雙頻段EV-DO網絡連接技術，支持全球網絡連接。

d.集成了802.11n a/b/g WIFI接口以實現遠程控制，數據傳達速率達到300Mb/s。

e.配置100Mb/s高速以太網接口用于大型網絡的集成，并且可通過USB閃存實現簡單的數據傳輸。

f.通過繼電器輸出，4-20mA、SDI12、Modbus RTU(RS485)和ModbusTCP、Profibus DP連接到SCADA。

g.通過4-20mA輸入、SDI-12、Modbus RTU/TCP集成第三方傳感器。

h.利用8個當中的1個有效的模擬和數字輸入和輸出擴展插槽實現輕松的擴展。

i.數據存儲器內存為4GB。

j.預裝軟件moni::tool_eco，可附加軟件工具，如數據有效性或事件偵測軟件。

k.濃度數值、歷史數據、光譜圖及所有發生的事件都以清晰的文本顯示。

2.3 軟件配置

水質在線監測系統安裝模塊式的軟件系統結構，可提高在線水質監測傳感器監測獲取水質數據數量的能力，并通過對海量在線監測數據的自動驗證和分析來替代手工操作，從而大大提高對水質狀況的實時了解程度。同時，可實現在線監測數據的實時自動甄別和對污染事件的自動預報警，主要包括moni::tool(傳感器和水質在線監測站的管理系統)完成水質在線監測站設備的運行、數據記錄、傳輸、使用、維護等工作，實現水質在線監測站監測信息的可視化和分析。vali::tool (數據有效性甄別系統)能夠完成自動甄別、記錄和糾正不可靠的監測數據等工作，以保證數據在進入時間預報警系統前的高質量和可靠性，同時用戶可以自動獲得傳感器的維護信息和要求以及自動監測設備運行故障信息等，見圖2。ana::tool (事件預報警系統)通過使用事件預報警系統將目前單一的水質在線監測站變為可靠和智能化的監測預報警系統，見圖3。

圖2 數據甄別軟件應用

圖3 事件甄別軟件測試

3 運行維護與效果分析

3.1 運行維護

水質在線監測系統具有適應較惡劣工作環境、連續運行與維護周期長等特點。采水、配水、試劑與標準溶液、儀器運行等均能影響在線監測數據的準確性，水質在線監測系統的運行維護直接決定監測數據的準確性、精密性、代表性、完整性和可比性。實際工作中有針對性地從在線監測系統的維護與管理等方面展開細致工作，可以有效地提高在線監測的準確性，使其數據具有代表性，同時可實現系統長周期有效平穩運行?，F場維護工作一般包括日監控機制、周巡查機制、月對比機制以及日常站房維護、停機維護等。同時，站房現場要保持測站各儀器干凈清潔，內部管路通暢，流路正常。對于各類分析儀器，防止日光直射，保持環境溫度穩定，避免儀器振動，日常經常檢查其供電、工作時序、過程溫度等是否正常。采取上述手段加強水質在線監測系統運行維護的同時,還應加強監測人員業務水平的培訓，提高監測人員的責任心和綜合素質，掌握在線監測儀器的原理和維護技術，嚴格操作規程，確保水質在線監測系統的正常、穩定運行。

3.2 效果分析

3.2.1 監測標準

水質在線自動監測站監測標準按《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類執行，16個監測項目中有10項在《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中有明確的數值標準，根據這10個監測項目的標準參數要求設定監測報警標準，見表1。

表1 監測報警標準

3.2.2 監測效果

水質在線自動監測站設定為每小時檢測1次，檢測完成后由系統采集數據，同時上傳到設備本地顯示器、值班室電腦。整個過程全自動運行，包括取水、預處理、分析檢測、數據采集、數據上傳等。

監測站運行期間，水樣采集、分析檢測、數據處理和上傳數據等系統運行穩定，數據上傳及時，能準確及時地反映水質變化情況。監測數據存儲在本地服務器，同時配合實驗室采樣檢測數據，能實時掌握采樣點水質狀況，可做到對水質的24小時連續監測，并通過監測系統對水質變化情況作出迅速、有效的反應。

4 建 議

通過數月的設備調試及試運行，水質自動監測系統能較好地滿足工程需要，為水質污染預警提供了可靠的依據，成為水質保護工作有力的保障。但在系統運行過程中仍存在問題，需要進行如下改進：

a.水質自動監測系統采用的是技術含量比較高的先進設備，在系統調試、運行、操作以及維護等方面對技術人員有較高的技術要求。因此，應對值班人員進行必要的技術培訓，使其對水質自動監測系統的原理、運行機制、設備操作和維護有一個較清晰的認識，利于水質監測工作的專業化、規范化進行。

b.水質自動監測系統采用自動化、信息化程度較高的儀器設備，在信息傳遞和自動管理上有較強的優勢。因此，應緊密結合下一步膠東調水工程自動化調度系統的建設，加強信息共享和資源整合，對其進行統一管理，統一調度。

c.應根據膠東調水工程第一座水質在線監測站的運行狀況，著手總結監測系統運行管理各項工作中好的經驗和方法，在工程沿線重要水源地、分水口、調蓄水庫等增設監測斷面，建立多座水質在線監測站，對輸水水質進行全程監測，有效預防水質污染，建立水質保護長效機制。

d.膠東調水工程沿線水質檢測工作基本靠委托沿線各地市的檢測機構，不僅花費巨大，而且各地檢測工作存在差異，不便于統一管理。膠東調水工程作為山東省重要的水資源配置工程，應加強水質保障工作的常態化、制度化建設，應建立水質在線監測和實驗室檢測的長效機制，除了在沿線增設水質在線監測系統外，還應適時建立自己的水質檢測實驗室，招聘培訓相關專業人員。建立統籌協調、機制完善、運行高效、效果顯著、適應新時代、體現新要求的水質檢測工作制度。