鄭 宏 ，王 偉 ，隆 威 ，艾鈺蓉

（1. 水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210016；2. 南京揚(yáng)子水利自動(dòng)化技術(shù)開發(fā)總公司，江蘇 南京 210016）

0 引言

淀山湖是上海最大的淡水湖，為黃浦江的源頭，是上海的飲用水水源地，水質(zhì)安全對上海人民的生產(chǎn)生活影響很大。近幾年來湖區(qū)面臨濕地退化、水體污染、生態(tài)環(huán)境惡化等問題，因此，掌握湖區(qū)水質(zhì)狀況尤為重要。但是傳統(tǒng)的人工取樣化驗(yàn)方式頻次低（每月 1 次），不能及時(shí)反映水質(zhì)變化，所以建設(shè)淀山湖湖區(qū)水文水質(zhì)綜合性自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)），監(jiān)測淀山湖水體水質(zhì)實(shí)時(shí)變化情況。該系統(tǒng)可以 24 h 不間斷監(jiān)測，大大提高了監(jiān)測時(shí)效性，且運(yùn)行成本低，主要為水質(zhì)儀表試劑更換費(fèi)用。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)建設(shè)采用國內(nèi)外先進(jìn)的在線監(jiān)測儀器，應(yīng)用自動(dòng)控制技術(shù)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)集成并發(fā)送至數(shù)據(jù)分中心，分中心再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至中心站。

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為處理中心，工業(yè) PLC 為控制中心，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。視頻監(jiān)控和波浪監(jiān)測的數(shù)據(jù)直接通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)傳送至數(shù)據(jù)分中心，分中心通過網(wǎng)絡(luò)控制監(jiān)控?cái)z像頭，也可查看和下載波浪監(jiān)測數(shù)據(jù)及視頻影像；蒸發(fā)器、風(fēng)速風(fēng)向儀的數(shù)據(jù)由氣象 RTU 采集后發(fā)送至現(xiàn)場工控機(jī)；2 組水情設(shè)備均由水情 RTU 采集數(shù)據(jù)，一組發(fā)送至現(xiàn)場工控機(jī)，另一組通過 GPRS 模塊發(fā)送至上海市水情遙測系統(tǒng)；工控機(jī)可以隨時(shí)下載相連的 2 臺(tái) RTU 中固態(tài)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，水情遙測系統(tǒng)也可以遠(yuǎn)程召測水情 RTU2 的固態(tài)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備的化驗(yàn)結(jié)果由現(xiàn)場工控機(jī)采集和存儲(chǔ)，工控機(jī)中的控制采集軟件可以實(shí)時(shí)控制水質(zhì)監(jiān)測流程，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至分中心。分中心可遠(yuǎn)程設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，現(xiàn)場還配備有無線備用網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)光纖網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)自動(dòng)接入無線網(wǎng)絡(luò)，光纖通信恢復(fù)后自動(dòng)切入有線通信模式，保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線傳輸。現(xiàn)場和數(shù)據(jù)分中心控制采集軟件還可根據(jù)需要，將系統(tǒng)故障及數(shù)據(jù)超限參數(shù)等設(shè)置為報(bào)警信息，為保障系統(tǒng)運(yùn)行和防汛及水質(zhì)預(yù)警提供支持。

2 子系統(tǒng)建設(shè)

系統(tǒng)主要由水質(zhì)、水情和氣象等 3 個(gè)監(jiān)測子系統(tǒng)組成。

2.1 水質(zhì)監(jiān)測子系統(tǒng)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)有水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、氧化還原電位、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總氮、總磷、葉綠素、藍(lán)綠藻等 12 項(xiàng)。

水質(zhì)監(jiān)測子系統(tǒng)包含取水、預(yù)處理、水質(zhì)分析、輔助、運(yùn)行環(huán)境支持、系統(tǒng)控制等單元[1]，結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

圖2 水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)控制單元為 PLC 設(shè)備，工控機(jī)用于現(xiàn)場人機(jī)交互，圖文展示運(yùn)行過程中的控制流程，界面清晰直觀，控制軟件可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出、編輯、整理，便于數(shù)據(jù)處理和水文數(shù)據(jù)資料整編。運(yùn)行環(huán)境支持單元主要包含電源（包括 UPS）、空調(diào)、去濕、防雷等設(shè)備；水質(zhì)分析單元指各水質(zhì)在線分析儀表；輔助單元主要包含反吹清洗、除藻、廢液收集、超標(biāo)留樣、純水制備等設(shè)備；輔助單元和運(yùn)行環(huán)境支持單元為水質(zhì)化驗(yàn)提供輔助功能和外圍軟硬件環(huán)境支持，同時(shí)可接受系統(tǒng)控制單元的指令進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。系統(tǒng)控制單元與工控機(jī)實(shí)時(shí)交互，上報(bào)工作狀態(tài)并接受工控機(jī)指令，以控制水質(zhì)分析流程的有序執(zhí)行。

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測子系統(tǒng)流程圖如圖 3 所示。流程運(yùn)行的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)均設(shè)計(jì)反饋信號(hào)，流程中任何一步出現(xiàn)故障，系統(tǒng)都會(huì)自動(dòng)記錄報(bào)警內(nèi)容，并判斷是否影響之后的流程，從而決定是跳過故障繼續(xù)運(yùn)行還是停止運(yùn)行，由此可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障的及時(shí)有效管理。

圖3 水質(zhì)流程圖

水質(zhì)在線監(jiān)測設(shè)備全部經(jīng)過精密測試，運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高。按照項(xiàng)目建設(shè)要求，嚴(yán)格執(zhí)行《水質(zhì)設(shè)備比對測試方案》[2]，經(jīng)過 7 d 共 8 個(gè)預(yù)比測數(shù)據(jù)和 25 個(gè)比對測試數(shù)據(jù)的考核，證明自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)符合《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》要求。正式運(yùn)行后，系統(tǒng)將定期與實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行數(shù)據(jù)比對測試，以校準(zhǔn)儀器，消除儀器自身誤差，保證水質(zhì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

水質(zhì)系統(tǒng)的水路和電路施工過程全部按照國家標(biāo)準(zhǔn)化工藝[3-4]要求，可有效降低系統(tǒng)故障率。運(yùn)行過程中只需要定期巡檢和更換試劑，無需人員值守，滿足湖區(qū)站點(diǎn)無駐測的特殊需求。

2.2 水情監(jiān)測子系統(tǒng)

水情監(jiān)測數(shù)據(jù)為水位和降雨量 2 項(xiàng)[5]。

水位傳感器采用的是 WFH-2 型全量機(jī)械編碼水位計(jì)，測量范圍可達(dá) 40 m，分辨力為 1 cm，安裝在水位井內(nèi)；雨量傳感器采用的是 JDZ05（02）-1 翻斗式雨量計(jì)，分辨力為 0.5 mm，安裝在室外觀測場的機(jī)箱上?，F(xiàn)場安裝 2 套水情監(jiān)測設(shè)備，由 2 臺(tái)數(shù)據(jù)采集終端分別采集數(shù)據(jù)，其中一組和水質(zhì)數(shù)據(jù)集成于現(xiàn)場工控機(jī)；另一組直接接入上海市水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)，供防汛抗旱指揮系統(tǒng)采用。

水情監(jiān)測子系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。RTU 采集雨量、水位傳感器的數(shù)據(jù)并通過通信模塊上傳給相應(yīng)的系統(tǒng)，蓄電池和太陽能為 RTU 提供電源。該子系統(tǒng)采用成熟的野外水情自動(dòng)遙測站基本配置。

圖4 水情監(jiān)測設(shè)備結(jié)構(gòu)

2.3 氣象監(jiān)測子系統(tǒng)

氣象數(shù)據(jù)為風(fēng)速、風(fēng)向和蒸發(fā) 3 項(xiàng)。

風(fēng)速風(fēng)向傳感器采用的是 EZC-1 傳感器，安裝在 12 m 高的不銹鋼支架頂端?，F(xiàn)場用手持風(fēng)速風(fēng)向儀與采集終端同時(shí)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行人工比對，風(fēng)力級(jí)別與風(fēng)向一致。

蒸發(fā)監(jiān)測采用 FFB-2 型自動(dòng)蒸發(fā)測量系統(tǒng)，分辨率為 0.01 mm。蒸發(fā)系統(tǒng)采用 E601B 標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)器，固定于蒸發(fā)場中心，蒸發(fā)場架設(shè)于湖面約 2 m 高處，平臺(tái)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。由于測量的是湖面蒸發(fā)，蒸發(fā)器需安裝在湖面上，按照 SD265-88《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》[6]的指導(dǎo)原則，蒸發(fā)器 0.3 m 以下部分應(yīng)埋固在土里，現(xiàn)改為將蒸發(fā)器 0.3 m 以下部分浸泡在湖水中，使蒸發(fā)數(shù)據(jù)更接近湖面蒸發(fā)值。

蒸發(fā)數(shù)據(jù)由氣象 RTU 采集、存儲(chǔ)和傳輸，原理是將相鄰 2 次測得的測量筒液位差作為該時(shí)間步長的蒸發(fā)量，時(shí)間步長為 1 h。RTU 可實(shí)時(shí)讀取液位，每當(dāng)累計(jì)蒸發(fā)量達(dá)到 2 cm 時(shí)自動(dòng)補(bǔ)水，蒸發(fā)器內(nèi)水位到達(dá)溢流水位（自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)啟用時(shí)定義）時(shí)停止。

由于該套蒸發(fā)裝置位于湖區(qū)，風(fēng)浪較大，為減小風(fēng)浪對蒸發(fā)的影響，采取了以下措施：

1）蒸發(fā)器外圍裝設(shè)防浪柵格，避免蒸發(fā)場內(nèi)的循環(huán)水進(jìn)入蒸發(fā)器。

2）測量管路內(nèi)添加了網(wǎng)格設(shè)備，以減小蒸發(fā)器口處水面波動(dòng)對測量筒讀數(shù)的影響。

蒸發(fā)場建設(shè)完成后，對湖水與蒸發(fā)場中的循環(huán)湖水水面下 0.2 m 的位置，在不同季節(jié)對水溫進(jìn)行了測量比對，發(fā)現(xiàn) 2 者之間的最大溫差未超過 0.5℃，對蒸發(fā)的影響可忽略。

經(jīng)與淀山湖周邊陸地蒸發(fā)（商榻蒸發(fā)站）數(shù)據(jù)比較，蒸發(fā)量基本相符，此設(shè)備可作為湖區(qū)蒸發(fā)數(shù)據(jù)的監(jiān)測依據(jù)。自動(dòng)蒸發(fā)測量系統(tǒng)的應(yīng)用，除可用來分析日蒸發(fā)規(guī)律外，還可分析不同季節(jié)的蒸發(fā)規(guī)律和蒸發(fā)對湖區(qū)水量的影響。

3 結(jié)語

上海淀山湖湖區(qū)水文水質(zhì)綜合性自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)對水質(zhì)、水量等進(jìn)行監(jiān)測，保障了飲用水安全，完善了水安全事件應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。淀山湖湖區(qū)水文水質(zhì)綜合性自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)成果有以下幾點(diǎn)：

1）應(yīng)用國內(nèi)先進(jìn)的集成技術(shù)，共集成了 18 個(gè)監(jiān)測項(xiàng)目，是目前行業(yè)內(nèi)監(jiān)測項(xiàng)目最多的站點(diǎn)。采用國內(nèi)外先進(jìn)的自動(dòng)化監(jiān)測設(shè)備，只需定期巡查并為水質(zhì)設(shè)備更換試劑，可無人值守，滿足湖區(qū)站點(diǎn)不便駐測的特殊需求。

2）湖區(qū)自動(dòng)蒸發(fā)測量系統(tǒng)首次使用，蒸發(fā)測量技術(shù)進(jìn)一步提高。應(yīng)用 E601B 型標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)器和磁致伸縮液位傳感器為蒸發(fā)量觀測器具，以專用采集控制器采集處理蒸發(fā)數(shù)據(jù)并完成蒸發(fā)器補(bǔ)水、溢流自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)水面蒸發(fā)過程的高精度實(shí)時(shí)在線測量。測量分辨率達(dá)到了 0.01 mm。通過長期觀測，可分析蒸發(fā)對湖區(qū)水量的影響關(guān)系。

3）測站安裝了廢水回收裝置，避免二次污染。在線水質(zhì)化驗(yàn)設(shè)備大部分采用化學(xué)方法，使用的試劑若處理不當(dāng)會(huì)對當(dāng)?shù)厮丛斐啥挝廴?。水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)將帶有試劑的和自來水清洗產(chǎn)生的廢水進(jìn)行了分離，將前者排入廢水回收裝置，后者直接排入湖中。每 2 周巡檢時(shí)由上海市水環(huán)境監(jiān)測中心和松浦分中心將廢水收回處理。

4）信息可即時(shí)交互。數(shù)據(jù)分中心安裝有短信平臺(tái)，可設(shè)置各類報(bào)警信息的短信群發(fā)，及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制。

5）安裝過程規(guī)范，系統(tǒng)操作簡單。測站所有的安裝調(diào)試都是由技術(shù)熟練的工程師完成，水、電、氣等管路鋪設(shè)均按照相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行施工，保證了高水平的建設(shè)質(zhì)量。現(xiàn)場和分中心控制軟件操作指南，可指導(dǎo)維護(hù)人員操作。

[1] 胡功第. 江蘇省太湖地區(qū)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)與實(shí)現(xiàn)[J]. 水利水文自動(dòng)化，2004 (4): 6-10.

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[3] 陳發(fā)宇，楊榮凱，薛瑛，等. 電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗(yàn)收規(guī)范[S]. 北京：中國計(jì)劃出版社，2006:4-9, 13-16.

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