王萍 楊帆 李鵬程

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司 上海 200092）

隨著社會經(jīng)濟(jì)、科技的不斷發(fā)展，水資源短缺、水環(huán)境污染的問題也日趨嚴(yán)重。地表水水質(zhì)狀況及水質(zhì)變化的趨勢是當(dāng)前水污染防治和水環(huán)境保護(hù)工作的基礎(chǔ)，科學(xué)有效的監(jiān)測方法和監(jiān)測設(shè)備能夠及時掌握水質(zhì)的變化情況，合理科學(xué)地調(diào)控工程的運(yùn)行［1-3］。

倉山龍津陽岐水系綜合治理及運(yùn)營維護(hù)PPP 工程是在消除倉山龍津陽岐水系黑臭水體的基礎(chǔ)上將其提升至地表Ⅴ類水的治理工程。本項目包括了2 個流域片區(qū)，分別是：①龍津陽岐片區(qū)：包括陽岐河、躍進(jìn)河、躍進(jìn)支河、半洋亭河、龍津河、龍津一支河、龍津躍進(jìn)連通河；②白湖亭片區(qū)：包括港頭河、吳山河、竹欖河、白湖亭河、馬洲河、馬洲支河。

倉山龍津陽岐水系水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)通過在龍津陽岐片區(qū)及白湖亭片區(qū)設(shè)置在線預(yù)裝式監(jiān)測站房，借助計算機(jī)通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動傳輸，為工程管理提供實(shí)時水位、水質(zhì)信息。

站房式監(jiān)測水站在發(fā)揮重要作用的同時，也存在諸多不足之處，例如站房用地規(guī)劃困難、投資巨大、建設(shè)周期較長等情況。近年來，一種占地面積小、投資少、方便移動、可以整體吊裝的站房——預(yù)裝式監(jiān)測站房應(yīng)運(yùn)而生，并正成為智慧化水質(zhì)水文監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中一個重要的組成部分［4-9］。

本文以倉山龍津陽岐水系為例，對于如何設(shè)計黑臭河道的水質(zhì)水文監(jiān)測站房進(jìn)行了研究和分析。

1 站房主要設(shè)計原則

預(yù)裝式監(jiān)測站房設(shè)計內(nèi)容包括站房和外部保障條件。站房外部由覆鋁鋅板組成，使用組件嵌裝式方法安裝，形態(tài)設(shè)計美觀，占地面積小；站房側(cè)壁由優(yōu)質(zhì)保溫棉充分填充，以求達(dá)到在任何天氣中都能為內(nèi)部水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備提供機(jī)械和環(huán)境保護(hù)的功能。為了應(yīng)對各種氣候影響，外部箱體側(cè)壁由優(yōu)質(zhì)保溫棉填充，為站房內(nèi)部各水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備提供機(jī)械和環(huán)境保護(hù)；站房設(shè)計方便操作人員進(jìn)出開展安裝及數(shù)據(jù)采集、維護(hù)等活動。站房外部保障條件有：引入清潔水，通電、安裝通訊線路及開通道路，平整、綠化和固化站房用地范圍內(nèi)的土地。

預(yù)裝式監(jiān)測站房外部組裝材料選用防火、防水的鋼板與木條式景區(qū)型監(jiān)測箱體，形態(tài)簡潔美觀，占地面積小（6 m2～7 m2）。預(yù)裝式監(jiān)測站房可以移動，設(shè)計理念基于吊裝式集裝箱，所以站房可實(shí)現(xiàn)整體吊裝，站房安裝容易、吊裝方便的特點(diǎn)對將來城建、防洪、堤岸改造等提供了便利。其使用面積以滿足儀器設(shè)備安裝及保證操作人員方便操作和維修儀器設(shè)備為原則，本項目配置站房根據(jù)站點(diǎn)情況配置大小，滿足用戶進(jìn)行水質(zhì)五參數(shù)（水溫、pH 值、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度）、氨氮、COD、流速、水位、淤泥溶度等水質(zhì)參數(shù)及水文參數(shù)監(jiān)測的水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)布置要求，并預(yù)留空間便于增加監(jiān)測因子。同時站房設(shè)計規(guī)格尺寸考慮了整體運(yùn)輸方便性及經(jīng)濟(jì)性。

預(yù)裝式監(jiān)測站房內(nèi)分析監(jiān)測儀器的選擇，首先應(yīng)滿足監(jiān)測水質(zhì)的測量要求，其次考慮儀器的先進(jìn)性、使用功能、日常維護(hù)和運(yùn)行成本等因素。

（1）五參數(shù)水質(zhì)自動分析儀。在線多參數(shù)監(jiān)測儀采用模塊化設(shè)計，1 臺儀器上同時連接pH/溫度、DO（溶解氧）、電導(dǎo)率和濁度4 支傳感器，并可根據(jù)需要擴(kuò)展模塊或更換不同傳感器探頭［1］。

（2）COD 在線分析儀。COD 在線分析儀通過光度法測量樣品吸光度，比對吸光度與水樣COD 值的線性關(guān)系進(jìn)行分析測定。

（3）氨氮在線分析儀。測量原理：水楊酸-靛酚藍(lán)法。使用雙光束、雙濾光片光度計設(shè)計，消除樣品濁度、電源波動引起的干擾。支持中文操作界面，可選中文、英文語言。

站房設(shè)計周圍有疏通雨水渠道，充分考慮了防雨、防蟲、防塵、防火、防雷、抗震、防盜、防電磁干擾等措施，配置照明、通風(fēng)等設(shè)施；安裝來電自啟動冷暖空調(diào)，使站房內(nèi)溫度保持在8 ℃～30 ℃；站房設(shè)有工作臺，并配有洗手池，方便工作人員的安裝、維護(hù)和測試工作。站房配置齊全，遵循《地表水自動監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》［10］，無人值守全天候自動監(jiān)測，裝置設(shè)備噪音低，無噪聲污染。站房內(nèi)部設(shè)計如圖1 所示，外部實(shí)景如圖2 所示。

圖1 預(yù)裝式監(jiān)測站房內(nèi)部設(shè)計圖

圖2 預(yù)裝式監(jiān)測站房外部實(shí)景圖

2 儀器管路布置

站房內(nèi)部空間根據(jù)選用的水質(zhì)分析儀器尺寸及布局進(jìn)行設(shè)計，儀器安裝采用壁掛式和落地式，有效利用空間。各部件及設(shè)備安裝位置易于維護(hù)、牢固可靠，同時應(yīng)注意固定帶電部件的絕緣材料以及提供防觸電保護(hù)的絕緣材料應(yīng)耐燃燒和防明火；所有線纜穿PVC 管或線槽加以防護(hù)，動力線纜與控制及信號線纜相互獨(dú)立，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電隔離；水電采用隔斷進(jìn)行隔離布置；站房內(nèi)部整潔美觀、設(shè)備布置有序。站房內(nèi)部實(shí)景見圖3。

圖3 預(yù)裝式監(jiān)測站房內(nèi)部實(shí)景圖

3 水質(zhì)水文在線監(jiān)測系統(tǒng)

水質(zhì)水文在線監(jiān)測系統(tǒng)采用預(yù)裝式站房結(jié)構(gòu)安裝在河道或湖庫岸邊，采用自動取水系統(tǒng)抽取水樣并進(jìn)行儀器分析檢測。系統(tǒng)采用外接交流220V/380V 供電，監(jiān)測數(shù)據(jù)采用光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。

水質(zhì)水文在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合遠(yuǎn)程通訊技術(shù)，將儀器的測量結(jié)果、系統(tǒng)運(yùn)行狀況、各臺儀器的運(yùn)行狀況等信息實(shí)時傳送至中心管理平臺。并根據(jù)中心管理平臺返回的各種指令，實(shí)時對整個系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程緊急監(jiān)測、遠(yuǎn)程設(shè)置、遠(yuǎn)程校準(zhǔn)、遠(yuǎn)程門禁系統(tǒng)等控制。

水質(zhì)水文在線監(jiān)測系統(tǒng)的在線自動運(yùn)行是以現(xiàn)場控制系統(tǒng)中的MPU（Microprocessor Unit）為控制中樞，管理核心為已安裝配套基站管理系統(tǒng)軟件的工業(yè)控制計算機(jī)，配以所需單元組成［11］。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和狀態(tài)反饋，由現(xiàn)場工控機(jī)根據(jù)現(xiàn)場情況或中心管理平臺發(fā)出控制指令?？刂浦噶罘譃閮煞N：一種是在保證取到滿足儀器要求的水樣并維持系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的MPU 控制指令，這些指令由工控機(jī)發(fā)給MPU 系統(tǒng)，MPU 系統(tǒng)根據(jù)接收的指令進(jìn)行相應(yīng)操作；另一種是儀器控制指令，通過RS232/485 對儀器進(jìn)行控制，儀器根據(jù)收到的指令進(jìn)行相應(yīng)的操作（儀器可接收指令是實(shí)現(xiàn)儀器遠(yuǎn)程操作的必要條件）。

水質(zhì)水文在線監(jiān)測系統(tǒng)包括以下功能：

（1）可調(diào)節(jié)取樣方式（連續(xù)或間歇），可根據(jù)監(jiān)測頻次取水；

（2）現(xiàn)場兩級合理結(jié)構(gòu)的自動控制運(yùn)行方式；

（3）系統(tǒng)多級授權(quán)監(jiān)控功能（包括中心管理平臺遠(yuǎn)程監(jiān)控與授權(quán)的維護(hù)端遠(yuǎn)程監(jiān)控），為長期運(yùn)行提供技術(shù)支持；

（4）系統(tǒng)具有自動診斷異常狀況的功能，并在出現(xiàn)故障時進(jìn)行報警與記錄；

（5）數(shù)據(jù)自動采集、處理、存儲及傳輸；

（6）根據(jù)用戶要求進(jìn)行數(shù)據(jù)的有效判別，同時測試數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息數(shù)據(jù)自動采集與遠(yuǎn)程傳輸；

（7）自動分析過程中有完整的質(zhì)量控制手段及數(shù)據(jù)報告，可以對發(fā)現(xiàn)的重要數(shù)據(jù)實(shí)施相應(yīng)的標(biāo)記；

（8）系統(tǒng)具有日志記錄功能，對系統(tǒng)和設(shè)備的運(yùn)行狀況信息進(jìn)行實(shí)時存儲和傳輸，方便查詢；

（9）系統(tǒng)具有停電保護(hù)及來電分級自動恢復(fù)功能；

（10）系統(tǒng)設(shè)置具有開放性，用戶可根據(jù)自身需要進(jìn)行有關(guān)參數(shù)的設(shè)置，具有良好的擴(kuò)展性；

水質(zhì)水文在線監(jiān)測系統(tǒng)是一套高度集成的一體化在線監(jiān)測系統(tǒng)，由檢測模塊、采樣模塊、取配水及預(yù)處理單元、自動控制模塊、供電系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、防雷單元等組成。其中，采樣模塊、自動控制模塊的設(shè)計在站房設(shè)計中尤為重要［12］。

4 采樣模塊

作為水質(zhì)水文在線監(jiān)測系統(tǒng)中重要的一環(huán)，采樣模塊影響了預(yù)裝式監(jiān)測站房的設(shè)計。水樣的采集直接關(guān)系到測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，水樣總量和獲得的有效待測物的不準(zhǔn)確，將造成最終結(jié)果的失準(zhǔn)，而且水質(zhì)變化因水層也不相同，所以采得樣品必須具有代表性，且樣品在傳輸過程中不會發(fā)生物理或化學(xué)變化［4］，檢測數(shù)據(jù)才有可靠性。

采樣模塊由取水泵組件、采樣浮筒、隔離柵、探頭流通池及采水管道等部分組成。為了適應(yīng)不同河道，分別設(shè)計了上下自由擺動懸臂浮筒取水及懸臂浮筒取水方法，見圖4 及圖5。上下自由擺動懸臂浮筒取水方法適用于生態(tài)護(hù)坡型河道，懸臂浮筒取水方法適用于直立式駁岸型河道。

圖4 上下自由擺動懸臂浮筒取水設(shè)計圖

圖5 懸臂浮筒取水設(shè)計圖

5 自動控制模塊

自動控制模塊包含了整個水質(zhì)水文在線監(jiān)測系統(tǒng)的全部過程控制，是整個系統(tǒng)的大腦，是儀器實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)測的重要核心［13］。

自動控制模塊具備實(shí)時監(jiān)控功能，動態(tài)顯示監(jiān)測儀器和外部設(shè)備的運(yùn)行狀況，同時能夠顯示各種參數(shù)（水壓、電壓、水位、溫濕度等）的變化值，具備預(yù)警和報警功能，便于實(shí)時監(jiān)控，各種參數(shù)值自動寫入數(shù)據(jù)庫待后續(xù)查驗。

針對預(yù)裝式監(jiān)測站房，如果現(xiàn)場儀器設(shè)備提供了相關(guān)的狀態(tài)參量（如通訊狀態(tài)、故障、報警等信息）輸出，自控控制模塊則每30 s 采集現(xiàn)場儀器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，并對異常情況進(jìn)行跟蹤記錄。如在某一測試周期內(nèi)出現(xiàn)了異常情況，則對該周期內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記之后再上傳，以保證上級監(jiān)控中心可以通過數(shù)據(jù)標(biāo)記直觀明了的判別數(shù)據(jù)的有效性。

自動控制模塊控制合并了數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊，和其它儀器的通信方式可采用模擬信號采集的方式，亦可采用數(shù)字信號采集的方式。與遠(yuǎn)程的通信方式采用Internet 方式或?qū)＞W(wǎng)，支持ADSL/GPRS/CDMA/3G/4G/NB-IoT 等多種有線及無線方式，用來完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與網(wǎng)絡(luò)通信等功能。

自動控制模塊采用高度系統(tǒng)集成智能化設(shè)計方式，具備遠(yuǎn)程監(jiān)控功能、系統(tǒng)故障報警及記錄、停電保護(hù)及來電自動恢復(fù)。整個集成系統(tǒng)增加聯(lián)網(wǎng)防盜預(yù)警，針對偏遠(yuǎn)地區(qū)實(shí)現(xiàn)了保護(hù)，從而達(dá)到無人值守的目的。系統(tǒng)集成設(shè)置具有開放性和擴(kuò)展性，方便增加監(jiān)測儀器和進(jìn)行系統(tǒng)升級。

6 結(jié)語

倉山龍津陽岐水系綜合治理及運(yùn)營維護(hù)PPP 工程是水環(huán)境治理工程，水質(zhì)監(jiān)測在工程中具有重要的作用。作為倉山龍津陽岐水系水質(zhì)水文的監(jiān)測手段，預(yù)裝式監(jiān)測站房的布置能連續(xù)反映被測河流斷面的水質(zhì)變化情況，及時捕捉污染物排放事故并準(zhǔn)確發(fā)出預(yù)警信號；預(yù)裝式監(jiān)測站房內(nèi)儀器設(shè)備分類安裝，布置合理美觀，管線布置通暢合理，管材選擇確保系統(tǒng)能長期有效運(yùn)行；預(yù)裝式監(jiān)測站房自動化程度高，能夠做到自動采樣、自動反吹清洗、自動分析和自動清洗以及數(shù)據(jù)記錄和輸出等環(huán)節(jié)的可靠有效運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟停主要自動分析儀。