陳 盟 楊 波 李肖男

(山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心東營分中心，山東 廣饒 257300)

1 工程概況

1.1 膠東調(diào)水工程

膠東調(diào)水工程是承擔(dān)向膠東地區(qū)及工程沿線縣(市、區(qū))供水任務(wù)，緩解膠東地區(qū)水資源供需矛盾的戰(zhàn)略性水利基礎(chǔ)設(shè)施，是山東省“百”字形調(diào)水大動脈的重要組成部分，包括引黃濟(jì)青工程和膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程。工程前身為引黃濟(jì)青工程，是1949年以來山東省最大的跨流域、遠(yuǎn)距離調(diào)水工程，是國家“七五”期間重點(diǎn)工程。

膠東調(diào)水工程以濱州市博興縣打漁張引黃閘為起點(diǎn)，利用引黃濟(jì)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(jì)青輸水線路92km至青島棘洪灘水庫，承擔(dān)引黃濟(jì)青調(diào)水功能，全長252km；?新開輸水線路322km至煙臺、威海。工程途經(jīng)濱州、東營、濰坊、青島、煙臺、威海6個市19個縣(市、區(qū))，全長574km。

膠東調(diào)水工程引黃濟(jì)青輸水線路于1986年開工建設(shè)，1989年11月25日正式向青島調(diào)水，2004年在原引黃濟(jì)青工程基礎(chǔ)上啟動膠東調(diào)水(煙臺、威海段)工程建設(shè)，2013年實(shí)現(xiàn)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(diào)東線工程連通。2014年4月南水北調(diào)東線一期工程通水以來，已初步實(shí)現(xiàn)了長江水、黃河水、當(dāng)?shù)厮穆?lián)合調(diào)度和優(yōu)化配置。截至2017年底，工程已累計引水78.5億m3，(其中調(diào)引黃河水68.0億m3，長江水10.5億m3)，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和生態(tài)環(huán)境效益。

1.2 水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)

水質(zhì)保護(hù)是遠(yuǎn)距離、跨流域調(diào)水工程中非常重要的一項工作，水質(zhì)問題關(guān)乎著遠(yuǎn)距離調(diào)水工程的成敗。水質(zhì)保護(hù)工作主要包括源頭治理、污染源控制、沿線防護(hù)、水質(zhì)監(jiān)測預(yù)防、應(yīng)急處置、水生態(tài)恢復(fù)等。其中，水質(zhì)監(jiān)測工作是其中的重要一環(huán)，水質(zhì)監(jiān)測為水質(zhì)保護(hù)的各項工作提供了數(shù)據(jù)支持，使各項工作有了量化指標(biāo)。

膠東調(diào)水工程線路長、工程沿線情況復(fù)雜、水質(zhì)保護(hù)措施尚有欠缺。目前的調(diào)度水源取自黃河、長江。其中，長江水源經(jīng)過京杭運(yùn)河、南四湖和東平湖，水質(zhì)污染風(fēng)險較大。黃河水情復(fù)雜，水質(zhì)污染風(fēng)險同樣存在。膠東調(diào)水工程受水區(qū)為青島、濰坊、煙臺、威海4個市，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高，在山東省國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展地位舉足輕重，水質(zhì)安全關(guān)乎著人民生命財產(chǎn)安全。因此，做好水質(zhì)監(jiān)測工作尤為重要。

2018年4月，為做好水質(zhì)保護(hù)工作，確保上海合作組織青島峰會期間水質(zhì)安全，膠東調(diào)水局在引黃濟(jì)青輸水河小清河子槽下節(jié)制閘處建設(shè)安裝了膠東調(diào)水工程第一套水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)，整個系統(tǒng)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(tǒng)安裝和輔助系統(tǒng)安裝等。

該套設(shè)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(xué)需氧量、生化需氧量、總有機(jī)碳等16項參數(shù)。其中，硝酸鹽、化學(xué)需氧量、生化需氧量、總有機(jī)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(shù)的測定使用電極法，葉綠素、總硬度、電導(dǎo)率、溶解氧的測定使用熒光法。電極法是通過電極在水中產(chǎn)生電場，使水中待檢測物質(zhì)微粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，待化學(xué)反應(yīng)平衡時通過檢測電流再經(jīng)過軟件處理并進(jìn)行一系列轉(zhuǎn)換得到物質(zhì)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(fā)射出去，根據(jù)水中物質(zhì)分子吸收光譜和熒光光譜能級躍遷機(jī)理，具有吸收光子能力的物質(zhì)在特定波長光(如紫外光)照射下，可在瞬間發(fā)射出比激發(fā)光波長長的熒光，對發(fā)射出的熒光進(jìn)行定性、定量分析得出物質(zhì)濃度。該套設(shè)備以光譜測定法為特色，spectro::lyserTM連續(xù)光譜分析儀是世界上第一個可以在液體介質(zhì)中直接進(jìn)行連續(xù)光譜測量(220～720nm波段)的水質(zhì)分析儀器。其利用了液體介質(zhì)中的物質(zhì)會減弱氙燈發(fā)射光強(qiáng)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(zhì)后的強(qiáng)度，經(jīng)相應(yīng)的分析軟件就可以得出所測物質(zhì)的濃度。全光譜在線分析儀是光學(xué)傳感器、軟件設(shè)計和現(xiàn)代通信技術(shù)的完美結(jié)合，其特點(diǎn)為：實(shí)時在線，即插即測；無須試劑，無二次污染；自動清洗，降低維護(hù)；一套系統(tǒng)，多種參數(shù)監(jiān)測；全光譜指紋圖，智能光譜報警，為不同應(yīng)用提供多種校正參數(shù)；數(shù)字式通信傳送(GSM,以太網(wǎng)),可遠(yuǎn)程監(jiān)控；具有數(shù)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(shí)現(xiàn)不同硬件和軟件的完全連接。

2 系統(tǒng)配置

2.1 運(yùn)行機(jī)制

水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行離不開各單元的配合。控制單元作為整個系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)對采樣單元、配水單元、分析單元等進(jìn)行控制，同時負(fù)責(zé)處理和傳輸數(shù)據(jù)?？刂茊卧饕煽删幊炭刂破鳌⑼ㄐ拍K、輸入輸出模塊、工控機(jī)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(zhì)分析的要求。分析單元是水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，由各種參數(shù)分析儀組成，主要分析待測水樣的各項目參數(shù)值。通信單元起到了信息傳遞的作用，主要負(fù)責(zé)將測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)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(tǒng)包括純水設(shè)備、穩(wěn)壓設(shè)備、UPS電源和監(jiān)控視頻設(shè)備等保障測站正常工作的設(shè)施。其工作流程見圖1。

圖1 水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)工作流程

控制單元根據(jù)設(shè)定好的程序控制采樣單元從河道中取水，經(jīng)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(shù)值，然后通信單元將各檢測項目參數(shù)值傳輸?shù)娇刂浦行?，由控制中心值班人員對其進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)有自動報警功能，其評價標(biāo)準(zhǔn)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅲ類。

2.2 硬件配置

該套系統(tǒng)具有采樣和分析一體化、集成化、智能化等特點(diǎn)。在系統(tǒng)集成上，系統(tǒng)傳感、變送、通信、上傳、中央處理器數(shù)據(jù)收集存儲和分析等是通過新型智能變送器con::cube實(shí)現(xiàn)的。

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

a.標(biāo)配有4個即插即測傳感器，并且可擴(kuò)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(shù)上使用基于四頻段WCDMA和雙頻段EV-DO網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)，支持全球網(wǎng)絡(luò)連接。

d.集成了802.11n a/b/g WIFI接口以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，數(shù)據(jù)傳達(dá)速率達(dá)到300Mb/s。

e.配置100Mb/s高速以太網(wǎng)接口用于大型網(wǎng)絡(luò)的集成，并且可通過USB閃存實(shí)現(xiàn)簡單的數(shù)據(jù)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(dāng)中的1個有效的模擬和數(shù)字輸入和輸出擴(kuò)展插槽實(shí)現(xiàn)輕松的擴(kuò)展。

i.數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)存為4GB。

j.預(yù)裝軟件moni::tool_eco，可附加軟件工具，如數(shù)據(jù)有效性或事件偵測軟件。

k.濃度數(shù)值、歷史數(shù)據(jù)、光譜圖及所有發(fā)生的事件都以清晰的文本顯示。

2.3 軟件配置

水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)安裝模塊式的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可提高在線水質(zhì)監(jiān)測傳感器監(jiān)測獲取水質(zhì)數(shù)據(jù)數(shù)量的能力，并通過對海量在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動驗(yàn)證和分析來替代手工操作，從而大大提高對水質(zhì)狀況的實(shí)時了解程度。同時，可實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時自動甄別和對污染事件的自動預(yù)報警，主要包括moni::tool(傳感器和水質(zhì)在線監(jiān)測站的管理系統(tǒng))完成水質(zhì)在線監(jiān)測站設(shè)備的運(yùn)行、數(shù)據(jù)記錄、傳輸、使用、維護(hù)等工作，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)在線監(jiān)測站監(jiān)測信息的可視化和分析。vali::tool (數(shù)據(jù)有效性甄別系統(tǒng))能夠完成自動甄別、記錄和糾正不可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)等工作，以保證數(shù)據(jù)在進(jìn)入時間預(yù)報警系統(tǒng)前的高質(zhì)量和可靠性，同時用戶可以自動獲得傳感器的維護(hù)信息和要求以及自動監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行故障信息等，見圖2。ana::tool (事件預(yù)報警系統(tǒng))通過使用事件預(yù)報警系統(tǒng)將目前單一的水質(zhì)在線監(jiān)測站變?yōu)榭煽亢椭悄芑谋O(jiān)測預(yù)報警系統(tǒng)，見圖3。

圖2 數(shù)據(jù)甄別軟件應(yīng)用

圖3 事件甄別軟件測試

3 運(yùn)行維護(hù)與效果分析

3.1 運(yùn)行維護(hù)

水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)具有適應(yīng)較惡劣工作環(huán)境、連續(xù)運(yùn)行與維護(hù)周期長等特點(diǎn)。采水、配水、試劑與標(biāo)準(zhǔn)溶液、儀器運(yùn)行等均能影響在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)直接決定監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、精密性、代表性、完整性和可比性。實(shí)際工作中有針對性地從在線監(jiān)測系統(tǒng)的維護(hù)與管理等方面展開細(xì)致工作，可以有效地提高在線監(jiān)測的準(zhǔn)確性，使其數(shù)據(jù)具有代表性，同時可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)長周期有效平穩(wěn)運(yùn)行?，F(xiàn)場維護(hù)工作一般包括日監(jiān)控機(jī)制、周巡查機(jī)制、月對比機(jī)制以及日常站房維護(hù)、停機(jī)維護(hù)等。同時，站房現(xiàn)場要保持測站各儀器干凈清潔，內(nèi)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(huán)境溫度穩(wěn)定，避免儀器振動，日常經(jīng)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(qiáng)水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)的同時,還應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測人員業(yè)務(wù)水平的培訓(xùn)，提高監(jiān)測人員的責(zé)任心和綜合素質(zhì)，掌握在線監(jiān)測儀器的原理和維護(hù)技術(shù)，嚴(yán)格操作規(guī)程，確保水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的正常、穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 效果分析

3.2.1 監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)

水質(zhì)在線自動監(jiān)測站監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)按《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅲ類執(zhí)行，16個監(jiān)測項目中有10項在《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中有明確的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)這10個監(jiān)測項目的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)要求設(shè)定監(jiān)測報警標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1 監(jiān)測報警標(biāo)準(zhǔn)

3.2.2 監(jiān)測效果

水質(zhì)在線自動監(jiān)測站設(shè)定為每小時檢測1次，檢測完成后由系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，同時上傳到設(shè)備本地顯示器、值班室電腦。整個過程全自動運(yùn)行，包括取水、預(yù)處理、分析檢測、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上傳等。

監(jiān)測站運(yùn)行期間，水樣采集、分析檢測、數(shù)據(jù)處理和上傳數(shù)據(jù)等系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)上傳及時，能準(zhǔn)確及時地反映水質(zhì)變化情況。監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲在本地服務(wù)器，同時配合實(shí)驗(yàn)室采樣檢測數(shù)據(jù)，能實(shí)時掌握采樣點(diǎn)水質(zhì)狀況，可做到對水質(zhì)的24小時連續(xù)監(jiān)測，并通過監(jiān)測系統(tǒng)對水質(zhì)變化情況作出迅速、有效的反應(yīng)。

4 建 議

通過數(shù)月的設(shè)備調(diào)試及試運(yùn)行，水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)能較好地滿足工程需要，為水質(zhì)污染預(yù)警提供了可靠的依據(jù)，成為水質(zhì)保護(hù)工作有力的保障。但在系統(tǒng)運(yùn)行過程中仍存在問題，需要進(jìn)行如下改進(jìn)：

a.水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)采用的是技術(shù)含量比較高的先進(jìn)設(shè)備，在系統(tǒng)調(diào)試、運(yùn)行、操作以及維護(hù)等方面對技術(shù)人員有較高的技術(shù)要求。因此，應(yīng)對值班人員進(jìn)行必要的技術(shù)培訓(xùn)，使其對水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)的原理、運(yùn)行機(jī)制、設(shè)備操作和維護(hù)有一個較清晰的認(rèn)識，利于水質(zhì)監(jiān)測工作的專業(yè)化、規(guī)范化進(jìn)行。

b.水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)采用自動化、信息化程度較高的儀器設(shè)備，在信息傳遞和自動管理上有較強(qiáng)的優(yōu)勢。因此，應(yīng)緊密結(jié)合下一步膠東調(diào)水工程自動化調(diào)度系統(tǒng)的建設(shè)，加強(qiáng)信息共享和資源整合，對其進(jìn)行統(tǒng)一管理，統(tǒng)一調(diào)度。

c.應(yīng)根據(jù)膠東調(diào)水工程第一座水質(zhì)在線監(jiān)測站的運(yùn)行狀況，著手總結(jié)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行管理各項工作中好的經(jīng)驗(yàn)和方法，在工程沿線重要水源地、分水口、調(diào)蓄水庫等增設(shè)監(jiān)測斷面，建立多座水質(zhì)在線監(jiān)測站，對輸水水質(zhì)進(jìn)行全程監(jiān)測，有效預(yù)防水質(zhì)污染，建立水質(zhì)保護(hù)長效機(jī)制。

d.膠東調(diào)水工程沿線水質(zhì)檢測工作基本靠委托沿線各地市的檢測機(jī)構(gòu)，不僅花費(fèi)巨大，而且各地檢測工作存在差異，不便于統(tǒng)一管理。膠東調(diào)水工程作為山東省重要的水資源配置工程，應(yīng)加強(qiáng)水質(zhì)保障工作的常態(tài)化、制度化建設(shè)，應(yīng)建立水質(zhì)在線監(jiān)測和實(shí)驗(yàn)室檢測的長效機(jī)制，除了在沿線增設(shè)水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)外，還應(yīng)適時建立自己的水質(zhì)檢測實(shí)驗(yàn)室，招聘培訓(xùn)相關(guān)專業(yè)人員。建立統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、機(jī)制完善、運(yùn)行高效、效果顯著、適應(yīng)新時代、體現(xiàn)新要求的水質(zhì)檢測工作制度。