張麗莉,武中強,張 卓

(1.河北省滄州市水務局,河北滄州 061000;2、河北省滄州市水利科學研究所,河北 滄州 061000;3、河北省南運河河務管理處,河北 滄州 061001)

大浪淀水庫多參數(shù)水質在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

張麗莉1,武中強2,張 卓3

(1.河北省滄州市水務局,河北滄州 061000;2、河北省滄州市水利科學研究所,河北 滄州 061000;3、河北省南運河河務管理處,河北 滄州 061001)

介紹水質在線監(jiān)測技術,重點介紹了大浪淀水庫水質在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計。通過建設大浪淀水庫多參數(shù)水質在線監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)了對大浪淀水庫水質的實時監(jiān)測,主要監(jiān)測項目包括:PH值、氨氮、溶解性總固體、濁度、藍綠澡等八項指標,為保護供水水源地提供了技術支持。

多參數(shù);水質;GPRS;在線監(jiān)測

大浪淀水庫是滄州市主要的飲用水水源地,承擔著向滄州市區(qū)三大水廠、黃驊、南皮等市縣提供生活飲用水的任務。大浪淀水庫屬于外源性水庫,所蓄水全部來源于黃河水,在引調與供水的水資源調配過程中,需要及時的了解水庫水質的情況,以確保水源地的飲用水水質安全。利用多參數(shù)水質在線監(jiān)測系統(tǒng),可以實現(xiàn)實時的水庫水質監(jiān)測,大大提高水質檢測速度,對水庫的水質狀況起到早發(fā)現(xiàn)、早調查、及時處理的重要作用,同時也可以為水資源的合理調配及水污染的防治提供必要的技術支持。

1 多參數(shù)水質在線監(jiān)測技術

1.1 多參數(shù)水質在線監(jiān)測系統(tǒng)的構成

多參數(shù)水質在線監(jiān)測系統(tǒng)是一套以在線自動分析儀器為核心,運用現(xiàn)代傳感器技術、自動測量技術,自動控制技術、計算機應用技術以及相關的專用分析軟件和通訊網絡所組成的一個綜合性的在線自動監(jiān)測數(shù)據系統(tǒng)。多參數(shù)水質在線監(jiān)測系統(tǒng)一般由一個中心控制主站和若干個監(jiān)測子站構成,隨時對某一地區(qū)和某一地點實現(xiàn)連續(xù)的自動監(jiān)測,形成一個網絡化的系統(tǒng)。系統(tǒng)由監(jiān)測站、傳輸網絡、控制中心及設備和供電保護等幾個子系統(tǒng)組成。

監(jiān)測站子系統(tǒng)包括樣品采集、采樣控制器、傳感器、樣品保存處理、分析儀器、數(shù)據記錄器及通信傳輸設備,其主要作用是根據需求實時的采集水樣,通過傳感器和現(xiàn)場分析儀器,采集記錄各種水質監(jiān)測參數(shù)和設備狀態(tài)參數(shù),并通過通信傳輸設備向遠程控制中心發(fā)送所采集數(shù)據。

數(shù)據遠程傳輸子系統(tǒng)由前端傳輸設備、通信網絡、中心接收設備組成。通信網絡根據本地的實際情況,采用中國移動的 GPRS通用分組業(yè)務網,保證數(shù)據傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性。

監(jiān)控中心子系統(tǒng)包括服務器、網絡設備、通信設備、系統(tǒng)軟件、數(shù)據庫軟件、數(shù)據分析處理軟件、操作臺等部分。監(jiān)控中心可以實現(xiàn)對監(jiān)測站采集終端的控制,包括水樣的采集、設備的啟停等。可以隨時或定時從監(jiān)測站采集終端索要實時水質監(jiān)測數(shù)據,進行實時顯示。后臺建立數(shù)據庫,對數(shù)據進行綜合對比分析,形成各種所需的圖表,并具有打印輸出功能?？梢约皶r接收到監(jiān)測站終端的設備運行信息及各種報警信息并進行及時顯示與處理。

設備及供電保護子系統(tǒng)設置在監(jiān)測站終端和監(jiān)控中心機房,由避雷器、抗電磁干擾、防靜電及 UPS、蓄電池供電保證系統(tǒng)組成?？梢宰畲笙薅鹊膶ΡO(jiān)測設備、現(xiàn)場通信設備起到保護作用,并可以實現(xiàn)斷電后 48小時的供電保證,保證水質在線實時監(jiān)測的實現(xiàn)。

多參數(shù)水質在線監(jiān)測系統(tǒng)在正常運行時,為電腦的自動化控制,完全不需要人工參與,其工作系統(tǒng)由信息采集傳輸、信息管理及信息服務等部分組成。各組成部分在系統(tǒng)中的位置和相互關系如圖 1所示。

圖 1 多參數(shù)水質在線監(jiān)測系統(tǒng)結構圖

監(jiān)測站子系統(tǒng)負責水庫水樣的采集與分析處理,并通過數(shù)據遠程傳輸子系統(tǒng)把各類水質信息傳送至監(jiān)測中心子系統(tǒng),使決策部門及時了解水質狀況,發(fā)布水質的相關信息,為控制水質與確定飲水安全提供科學依據。數(shù)據遠程傳輸子系統(tǒng)利用成熟的 VPN通訊手段,建立實時的計算機網絡系統(tǒng),實現(xiàn)水庫水質信息的網絡傳輸和資源共享,為合理、充分利用水資源提供有效服務。

1.2 多參數(shù)水質在線監(jiān)測系統(tǒng)的技術關鍵

(1)采水單元

包括采水閥、采水管道,節(jié)氣安全閥等。根據大浪淀水庫的監(jiān)測要求,采水單元設計成流水采樣,通過采水管道與水庫的供水管道相聯(lián)通,保持了水樣的即時更新,可以隨時向監(jiān)測系統(tǒng)提供有代表性的水樣。

(2)配水單元

包括水樣預處理裝置、自動清潔裝置及高可靠性管路。配水單元直接向自動監(jiān)測儀器供水,具有在線除泥沙和在線過濾功能、水位超限自動調整功能、手動和自動管道反沖洗和除藻裝置等,其水質、水壓、水量可滿足分析儀器的需要。

(3)分析單元

由一系列水質自動分析和測量儀器組成,包括水溫、PH值、氨氮等傳感器件及自動采樣器。具有精度高,長壽命,易于維護與管理的特點?？梢员ＷC分析單元設備的高可靠性和穩(wěn)定性,平均無故障工作時間大于 12 000小時,具有 24小時數(shù)據自動存儲功能,并可保存六個月以上的運行數(shù)據。分析單元設備可以輸出標準的數(shù)字信號,內置防雷、防靜電及具有一定的抗電磁干擾裝置。

(4)控制單元

包括現(xiàn)場和遠程控制部分?？梢詫崿F(xiàn)各種監(jiān)測設備的多種信號的連接和數(shù)據傳輸,實現(xiàn)各種控制功能,如設備的開關、切換、標定、調節(jié)、清洗、保護、報警等,并可以實現(xiàn)多點多路切換。各種功能都具備自動/手動兩種控制方式。主要控制功能可以實現(xiàn)遠程控制。

(5)數(shù)據傳輸單元

包括監(jiān)測站通信設備、傳輸網絡、監(jiān)控中心通信設備。可以實現(xiàn)監(jiān)測站與監(jiān)測中心的雙向數(shù)據傳輸。

(6)監(jiān)控中心單元

監(jiān)控中心單元具有強大的數(shù)據處理功能,能定時自動或人工采集不同時間段的歷史數(shù)據進行報表統(tǒng)計和圖形曲線分析,自動打印,自動生成日報、周報、月報、年報等功能,能主動判斷水質類別和各指標的超標情況。

2 大浪淀水庫水質在線監(jiān)測系統(tǒng)設計

2.1 監(jiān)測站子系統(tǒng)構成

根據大浪淀水庫的現(xiàn)狀條件,在庫區(qū)設置一個水質自動監(jiān)測站,設置在水庫供水泵站的泵房內。監(jiān)測站子系統(tǒng)包括采水單元、預處理單元、水質分析單元、廢水處理單元及水質采集單元構成,除采水單元外,其它的現(xiàn)場單元全部集成在水質柜中。取水單元與泵房內的輸水管線相連接,水樣為實時流動狀態(tài),水樣通過管路進入現(xiàn)場水質柜中,先進入預處理單元進行緩沖處理,再進入水質分析單元,經過多參數(shù)水質分析儀器進行實時分析后,進入廢水處理單元排入泵房外的截滲溝。多參數(shù)水質分析儀得到的水質數(shù)據進入水質采集單元,通過數(shù)據采集模塊、控制模塊、存儲模塊、顯示模塊等完成水質數(shù)據的自動采集、處理,并通過前端 GPRS模塊將水質數(shù)據實時的傳送至監(jiān)測中心子系統(tǒng)。水質采集單元還可以通過遙測終端 RTU和網絡傳輸子系統(tǒng)實現(xiàn)現(xiàn)場設備的檢測、通信與數(shù)據交換。

監(jiān)測站子系統(tǒng)的結構見圖 2。

圖 2 監(jiān)測站子系統(tǒng)結構圖

2.2 遠程數(shù)據傳輸子系統(tǒng)

大浪淀水庫水質在線監(jiān)測系統(tǒng)依托河北移動的 GPRS業(yè)務平臺構建水質在線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據通信專網。包括數(shù)據采集及接收系統(tǒng)和數(shù)據通信處理軟件,通過專用的 GPRS終端和應用程序系統(tǒng),實現(xiàn)對大浪淀水庫水質監(jiān)測站 PH值、溫度、溶解氧等數(shù)據的采集和存儲,并通過 GPRS網絡進行無線數(shù)據傳輸,充分利用現(xiàn)有公用網絡數(shù)據通信資源,實現(xiàn)遠程傳輸與控制。

以 GPRS方式作為數(shù)據的主要承載傳輸方式,GPRS通信是基于 IP的數(shù)據分組通信網絡,運用點對點傳輸數(shù)據模式,GPRS(靜態(tài) IP)數(shù)據傳輸采用水務局專網 APN接入方式,間隔 30分鐘傳輸一次數(shù)據,適合于每次通信數(shù)據量小,通信頻次高的監(jiān)測數(shù)據傳輸。同時,為保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性,采用 SMS方式作為備用數(shù)據傳輸方式,數(shù)據中心分配專用短信端口,并通過點對多點方式直連短信網關,監(jiān)測站采集點可以通過 SMS模塊和數(shù)據中心通信。

監(jiān)測站采集點通過數(shù)據采集模塊采集到水質監(jiān)測數(shù)據,通過移動通信公司統(tǒng)一的 STK卡,實現(xiàn)采集數(shù)據的 24小時傳送。數(shù)據通過 GPRS/SMS透明數(shù)據傳輸終端內置嵌入式處理器對數(shù)據進行處理,按照自動應答 UDP的數(shù)據包格式,進行協(xié)議封裝后發(fā)送到移動 GPRS/SMS網絡進行無線傳輸,進入移動網絡數(shù)據中心,安全有效的控制了 GPRS流量,并保證通信資費可以按非常低的包月方式支付,滿足系統(tǒng)對數(shù)據流費用的要求。

監(jiān)測站現(xiàn)場數(shù)據采集通訊裝置的數(shù)據經中國移動 GPRS無線網絡的 GGSN通道,送入 Internet網絡,采用光纖專線接入模式,接入監(jiān)測中心子系統(tǒng)進行數(shù)據交換。

2.3 水質監(jiān)測設備

通過對多參數(shù)水質在線監(jiān)測設備的性能指標、性價比、穩(wěn)定性及擴展性的分析比較,選用了美國哈希 (HACH)公司研發(fā)的 Hyd rolab 5系列多參數(shù)水質分析儀。Hydrolab 5系列多參數(shù)水質分析儀是一款新型多參數(shù)、寬量程、免維護的先進水質監(jiān)測儀器,具有如下特點:

1)具有儀器基本參數(shù)存儲、斷電保護、自動清洗和自動恢復功能;

2)防水性能良好,具有內置式擴展端口,可以為將來增加監(jiān)測項目留有必要接口;

3)具有時間設置功能,可根據需要任意設定監(jiān)測頻率;

4)具有故障自動報警、異常值自動報警及試劑液位報警功能;

5)具有定期自動校驗和雙向數(shù)據及信號信號傳輸功能,傳輸信號方式為 RS-485;

6)易于清洗和維護,可靠耐用,可以通過外部通訊命令啟動清洗周期;其基本技術指標見表 1。

表 1 多參數(shù)水質分析儀技術指標

2.4 水質采集管理軟件體系結構與功能

大浪淀水庫水質采集管理軟件的管理目標是前端的監(jiān)測站,管理內容為:水溫、PH值、溶解氧、氨氮等水質參數(shù)的自動在線監(jiān)測。

大浪淀水庫水質采集管理軟件系統(tǒng)采用 J2EE、JSP、VISUAL C++等程序開發(fā),完成水庫水質參數(shù)的實時采集、采樣時間遠程設定、數(shù)據存儲、數(shù)據校核與修改、統(tǒng)計分析、水質數(shù)據實時查詢評價、故障斷電報警、報表輸出等功能,同時支持遠程網絡數(shù)據的實時調用。系統(tǒng)管理軟件的結構見圖 3。

3 建設運行情況

根據大浪淀水庫的現(xiàn)場考察條件,建設單位做了完善的施工組織設計,確定了詳細的施工工藝和方案,并繪制了多張施工圖,做到了現(xiàn)場施工的規(guī)范性和科學性。

大浪淀水庫多參數(shù)水質在線監(jiān)測系統(tǒng)于 2008年 7月初開始進場施工,至 31日施工結束,共完成包括取、排水管的改造安裝、機柜安裝、現(xiàn)場設備調試、機房裝修、機房設備調試、試運行等工作,至 31日,整體系統(tǒng)基本調試完成,具備運行條件。經過專家驗收測試,一年來,系統(tǒng)運行良好,數(shù)據采集、傳輸、處理準確及時,可以做為保障大浪淀水庫飲用水安全的重要參考信息。

2008年 11月氨氮曲線見圖 4,2008年 11月溶解氧曲線見圖 5。

圖 3 多參數(shù)水質在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件結構圖

圖 4 2008年 11月氨氮變化曲線圖

圖 5 2008年 11月溶解氧變化曲線圖

4 結語

多參數(shù)水質在線監(jiān)測系統(tǒng)具有高度自動化、操作簡便、維護方便等特點,并且整體運行費用較低,整個系統(tǒng)可以無人值守連續(xù)工作,自動對大浪淀水庫的水溫、PH值、溶解氧、氨氮等常規(guī)水質參數(shù)進行多時段、定時或者 24小時不間斷連續(xù)監(jiān)測,能夠及時、準確、全面的反映水庫水質的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。系統(tǒng)利用 GPRS網絡、GGSN通道、光纖等方式進行數(shù)據的雙向遠程傳輸,水質數(shù)據通過網絡傳送至監(jiān)測中心系統(tǒng),進行數(shù)據的處理、分析后輸出,并實時存儲在數(shù)據庫中。多參數(shù)水質在線監(jiān)測系統(tǒng)的運用,大大的提高了大浪淀水庫水質監(jiān)測、水資源調配及水生態(tài)保護的工作水平,為水庫的管理提供了必要的數(shù)字信息,保障了人民生活飲用水安全,使有限水資源的合理利用和保護更加有的放矢。

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P332.7

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1004-1184(2010)03-0068-03

2009-10-21

張麗莉(1979—),女,河北滄州人,工程師,主要從事水利工程管理工作。