劉陽明，滿春香，張 蕾

（1.松遼委水文局黑龍江上游水文局，黑龍江 黑河 164300；2.松遼流域水資源保護(hù)局，吉林 長春 130021）

為有效對黑龍江干流的水質(zhì)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測預(yù)警，收集和掌握黑龍江干流的水量水質(zhì)狀況，更好的滿足黑龍江干流水資源開發(fā)利用管理、水事活動以及經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的需求，并為妥善解決黑龍江干流可能發(fā)生的水事糾紛提供技術(shù)依據(jù)，規(guī)劃在黑龍江干流中游段新建一處水質(zhì)自動監(jiān)測站。為能夠順利完成建設(shè)施工任務(wù)，通過現(xiàn)場勘查和測量，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況和規(guī)范要求，做好水質(zhì)自動監(jiān)測站優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 建設(shè)概況

擬建太平溝水質(zhì)自動監(jiān)測站位于黑龍江省蘿北縣興東村，黑龍江干流中游段。水質(zhì)自動監(jiān)測站與太平溝水文站屬于同期建設(shè)內(nèi)容，并同在一處。太平溝水質(zhì)自動監(jiān)測站建設(shè)內(nèi)容包括監(jiān)測生產(chǎn)用房、給排水設(shè)施在內(nèi)的土建工程和水質(zhì)在線自動監(jiān)測系統(tǒng)。水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)主要以在線自動分析儀器為核心，運(yùn)用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、自動測量技術(shù)、自動控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、相關(guān)的專用分析軟件和通訊網(wǎng)絡(luò)，所組成的一個綜合性的在線自動監(jiān)測系統(tǒng)。實(shí)時(shí)、快速監(jiān)測斷面的水質(zhì)變化情況、規(guī)律及變化趨勢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)水環(huán)境污染事件，為黑龍江干流污染防治決策、監(jiān)督、水環(huán)境管理提供科學(xué)依據(jù)。

2 氣象水文要素

2.1 氣象要素

太平溝水文和水質(zhì)站屬北溫帶大陸季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，冬季嚴(yán)寒、干燥而漫長，夏季濕熱而短暫。年平均氣溫為-0.5℃，最低氣溫為-50.0℃，最高氣溫為40.0℃。春季流冰多年平均開始日期為4月27日，終冰日期為5月4日；秋季流冰多年平均開始日期為10月30日，穩(wěn)定封凍日期為11月20日。最大平均冰厚為1.33 m，最大冰厚為1.96 m。

2.2 水文要素

太平溝水質(zhì)站監(jiān)測斷面處河段順直，河床穩(wěn)定，河床為沙卵石組成。兩岸植被茂密，生長著樺、柳、榆、楊等多種闊葉樹木?；緮嗝婵刂泼娣e為86.3萬km2，枯水期江面寬約600 m，平水期江面寬約800 m，洪水期江面寬約1 000 m。水深流急，洪水期最大水深15 m。站址附近無較大支流匯入，距上游布列亞河匯入口281 km，距入?？诩s1 407 km。

3 土建工程

3.1 生產(chǎn)用房

水質(zhì)站與太平溝水文站的生產(chǎn)用房共同建設(shè)，水質(zhì)站免去建設(shè)用地征地、站房建設(shè)規(guī)劃等相關(guān)手續(xù)辦理。在滿足水文站生產(chǎn)和生活面積情況下，保證水質(zhì)站的前處理室及儀器監(jiān)測室使用面積應(yīng)不小于40 m2。儀器監(jiān)測室施工過程中，預(yù)留自來水入口接口、水樣處理后排水接口、樣品水進(jìn)樣接口、監(jiān)測室地漏口、通風(fēng)口。

3.2 供水供電及通訊設(shè)施

受興東村自來水單位限時(shí)供水的影響，采取接入自來水支管道和深井自吸泵兩種方式供水，在監(jiān)測室懸掛容積為2 m3水箱，滿足水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)取水單元補(bǔ)水管道的需求。水質(zhì)站周圍為村居民用電，電壓不夠穩(wěn)定，電路敷設(shè)雜亂。為保證水質(zhì)自動監(jiān)測儀器能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行，將通過當(dāng)?shù)仉姌I(yè)部門設(shè)計(jì)，獨(dú)立敷設(shè)電路，接入電網(wǎng)主供線路，電源電壓為380 V。通過接入公共電話線路，采用ADSL撥號上網(wǎng)方式連接遠(yuǎn)程水質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中心，通過專有軟件和VPN設(shè)備，在公網(wǎng)上建立端對端的專有虛擬網(wǎng)提供數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程操作服務(wù)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和保密性。

4 水質(zhì)監(jiān)測集成系統(tǒng)

太平溝水質(zhì)自動監(jiān)測站項(xiàng)目，擬采用技術(shù)相當(dāng)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定的SENTECH水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括采水單元、配水單元、分析單元、控制單元（包括通訊）以及輔助單元等，采用現(xiàn)場監(jiān)控組態(tài)軟件及中心站軟件，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場及遠(yuǎn)程的通訊和控制功能。

4.1 采水單元

采水單元包括采水泵、采水頭、采水管路、供電電纜及安裝結(jié)構(gòu)部分。

1）室內(nèi)采水單元。室內(nèi)部分采水管路設(shè)計(jì)采用雙泵、雙管路模式，做到一備一用，采水管路采用U-PVC管材。在管路的適當(dāng)位置安置流量調(diào)節(jié)裝置，使進(jìn)入每一臺儀器的樣品水的水壓水量都符合儀器要求，而每次采樣完成后系統(tǒng)進(jìn)行管道的反沖洗，當(dāng)反沖洗時(shí)，由于采用自來水和壓縮空氣的混合體，在清洗管路的同時(shí)不會對環(huán)境造成二次污染。為方便對比實(shí)驗(yàn)，采水管路采出樣品，保證進(jìn)入儀器的為同一批次水樣。

2）室外采水單元。由于水質(zhì)站地處北方的嚴(yán)寒地區(qū)，冬季水面嚴(yán)重封凍，冰層較厚，同時(shí)河岸為自然條件。通過搜集斷面水位資料，現(xiàn)場勘查測量，確定水質(zhì)站生產(chǎn)用房到采水頭水平距離80 m，取水落差45 m，確定采水方式為井置自吸泵式。水質(zhì)站生產(chǎn)用房到采水頭間建一處防水泵井，防水泵井應(yīng)更靠近采水頭處，泵與采水頭間的落差小于6 m。防水泵井應(yīng)密實(shí)無滲水現(xiàn)象，做好防水泵井上下管道連接處防滲部件。采水管道工程需采取安裝保溫材料并穿入保護(hù)套管、埋在凍土層下。采水頭端管路沿河岸敷設(shè)，超過枯水位的部分，管路沿河底敷設(shè)，采用打樁方式將管路和采水頭固定在河底，并在水面做好標(biāo)記。而放于水中的采水裝置配合取水處特制的相關(guān)設(shè)施，可以防止淤積、堵塞、凍結(jié)、冰凌等現(xiàn)象，始終保持采集水面下0.5～1.0 m處樣品水。

3）管路處理。將管路用保溫材料（壁厚為2 cm的聚乙烯保溫套管）包裹，并且穿入保護(hù)套管中，直接埋入河灘、河岸的凍土層下面（管道處凍層為2.5～3.0 m），從水下直至站房，既減小了環(huán)境對水溫的影響，又達(dá)到了防止管路被凍的目的。在管路的保護(hù)套管外再用硼巖棉保溫材料進(jìn)行保溫，并且管路從站房出來后就要保持一個穩(wěn)定的、向下的坡度直到河水中，以便在系統(tǒng)待機(jī)的情況下管路中的水全部退回到河里，使管路在絕大多數(shù)時(shí)間保持為中空，最大限度減小管路被冰凍的可能性。當(dāng)管路需要從水面直接進(jìn)入水中時(shí)，管路與水面的接觸點(diǎn)成了防止冰凍的關(guān)鍵。使用加熱帶單獨(dú)為管路進(jìn)入水面處進(jìn)行加熱，同時(shí)進(jìn)行防水保溫措施，保證采水管路不結(jié)冰。

4.2 配水及預(yù)處理單元

配水及預(yù)處理單元由配水系統(tǒng)、水樣預(yù)處理系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)三部分組成，系統(tǒng)管路采用的是串聯(lián)方式、模塊化設(shè)計(jì)。

1）配水系統(tǒng)。配水系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)基于系統(tǒng)采用了幾臺完全獨(dú)立的在線分析儀器，采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)管路，干路使用無阻攔式沉淀裝置，各自動分析儀器都從獨(dú)立的沉淀裝置中取水。為方便系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，全部儀器的取水管路設(shè)有旁路系統(tǒng)，設(shè)置手動球閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2）水樣預(yù)處理系統(tǒng)。根據(jù)各監(jiān)測儀器配備專門設(shè)計(jì)的預(yù)處理裝置，以滿足分析儀器對水樣的過濾精度、沉降時(shí)間、稀釋等要求。根據(jù)儀器分析所需要的水樣量，用多少，過濾多少，減輕過濾裝置的負(fù)荷。在處理系統(tǒng)中采用具有自動清洗功能和無攔截式流路設(shè)計(jì)的過濾器。過濾裝置采用無攔截式流路結(jié)構(gòu)，過濾裝置的安裝位置與水流同向，并采取開放式管路，減少了水樣過濾量，同時(shí)，在裝置中配備曝氣反吹的自清洗設(shè)備，從而降低堵塞機(jī)率。

3）清洗系統(tǒng)。為防止泥沙或藻類堵塞管路、影響監(jiān)測結(jié)果，在配水系統(tǒng)中設(shè)置自動清洗功能。由于整個系統(tǒng)采用間歇式取水，當(dāng)系統(tǒng)停止時(shí)，該系統(tǒng)使用清水來清洗所有管路和部分儀器內(nèi)部需要清洗的管路。管道反沖洗裝置采用曝氣沖洗加臭氧抑藻殺菌的方式，清洗配置輸出功率0.75 kW的增壓泵、工作壓力0.6 MPa的電動球閥等設(shè)備。通過空壓機(jī)向清洗水中鼓入壓縮空氣，產(chǎn)生大量連續(xù)的氣泡，形成曝氣剝離效應(yīng)。同時(shí)清洗系統(tǒng)設(shè)置斷電保護(hù)和來電恢復(fù)功能。

4.3 控制單元

控制單元由PLC控制單元、嵌入式中心單元、繼電器驅(qū)動單元、直流電源供電單元組成。

PLC控制單元是一個基于PCBased PLC控制器。該單元采用電源、RS485通訊接口以及信號輸出三端分別隔離設(shè)計(jì)；單元提供16組輸入、輸出信號，整個控制單元主體設(shè)備功率小于10 W；單元設(shè)有16路模擬采集通道，數(shù)據(jù)采集精度為16 bit，采集頻率10 Hz，同時(shí)存儲560組數(shù)據(jù)；同時(shí)單元采用FLASH存儲程序，來更改和升級監(jiān)控軟件，當(dāng)斷電時(shí)能夠自動保存歷史數(shù)據(jù)和參數(shù)設(shè)置；采用電話線、衛(wèi)星、GSM、GPRS等多種通訊方式與現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備聯(lián)接?？刂茊卧獙?shí)現(xiàn)采水、配水、清洗、反沖洗等控制，能夠采集并且存儲分析儀器的輸出信號與部分智能儀器通訊，將現(xiàn)場的控制器工作狀態(tài)，智能儀器的參數(shù)設(shè)置等信息，傳遞給現(xiàn)場或遠(yuǎn)程的監(jiān)控系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)中心單元由中心單元硬件、嵌入式操作系統(tǒng)、現(xiàn)場監(jiān)控軟件三部分組成。其中，中心單元硬件為12英寸觸屏式平板計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)處理器為Transmeta Crusoe 5400，工作頻率為500 MHz，配備2.5G硬盤，并提供一個PC/104-Plus擴(kuò)展槽；采用WinCE.net 4.2版本的操作系統(tǒng)作為嵌入式操作系統(tǒng)。監(jiān)控軟件用于在控制現(xiàn)場對整個控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，采用嵌入式軟件在WinCE平臺上運(yùn)行，采用CF卡為存儲介質(zhì)，采用工業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)的Modbus RTU協(xié)議和PLC控制器與遠(yuǎn)程中心站進(jìn)行通訊。

4.4 電源保障系統(tǒng)

水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)供電除采水水泵外，全部使用220 V單相交流電源，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)供電設(shè)計(jì)如圖1。由于采水水泵屬于大功率感性電器，不適用穩(wěn)壓電源；系統(tǒng)采用2臺大容量UPS作為備用電源，其中1臺給系統(tǒng)供電，1臺給大功率儀器TOC使用。24 V直流后備電源供電為MODEM和中心單元提供電源，可以保證當(dāng)停電時(shí)，系統(tǒng)具有自動保護(hù)功能和報(bào)警功能；穩(wěn)壓電源采用磁合成電源，電源功率3 KVA；所有設(shè)備的電源提供前端都由各自的空氣開關(guān)控制。

圖1 系統(tǒng)供電結(jié)構(gòu)

5 自動監(jiān)測分析儀器

通過以往水質(zhì)自動站建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，及此次水質(zhì)自動監(jiān)測站系統(tǒng)監(jiān)測項(xiàng)目及任務(wù)，優(yōu)選分析方法和儀器設(shè)備，合理搭配組合，達(dá)到經(jīng)濟(jì)高效。具體監(jiān)測項(xiàng)目、方法及備選儀器見表1。

表1 太平溝水質(zhì)自動監(jiān)測站監(jiān)測項(xiàng)目和備選儀器表

6 結(jié)論

從實(shí)際工作入手，通過勘察建設(shè)現(xiàn)場及實(shí)際測量，研究探索、醞釀設(shè)計(jì)先進(jìn)、實(shí)用、節(jié)約、安全并能夠發(fā)揮最大經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的水質(zhì)自動監(jiān)測站。

前期設(shè)計(jì)既為建設(shè)管理單位管理、施工單位建設(shè)和指導(dǎo)生產(chǎn)經(jīng)營活動的重要文件，也是工程預(yù)結(jié)算的重要依據(jù)，更是項(xiàng)目管理的總體規(guī)劃，它要順應(yīng)時(shí)代的潮流，真正做到與時(shí)俱進(jìn)。因此，前期設(shè)計(jì)不僅具有理論意義，更具有實(shí)踐意義。所以，編好前期設(shè)計(jì)是提高建設(shè)管理單位經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑，也是提高自動水質(zhì)監(jiān)測站社會效益的重要手段。

該項(xiàng)目的實(shí)施，可以進(jìn)一步加強(qiáng)黑龍江干流中游段水環(huán)境監(jiān)測能力，提高水環(huán)境監(jiān)測水平和水污染事故的預(yù)警能力，做到及時(shí)、準(zhǔn)確地反映黑龍江干流水環(huán)境質(zhì)量狀況。