XX湖水质自动监测站设计实施方案.docx

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XX湖水质自动监测站设计实施方案

华阳湖水质自动监测站

建

设

方

案

广州XXX科技发展有限公司

2017年10月

1项目概述

1.1项目概况

广东麻涌华阳湖国家湿地公园。

位于东莞市麻涌镇西侧，总面积351.97公顷，湿地率83.91%，具有河流湿地和湖泊湿地的复合特征。

水质自动监测站是设立在河流、湖泊、水库、饮用水源地、地下水观测点、近岸海域等流域内的现场水质自动监测实验室。

用于连续自动监测被测水体的水质变化情况，客观地记录水质状况，及时发现水质异常变化，进而实现对该水域或下游进行水质污染预报，研究水体扩散、自净规律等。

达到掌握水质和污染物通量，防治水污染事故，为环境保护管理部门提供技术服务的目的。

根据实际需求及情况，这次拟建的水质自动监测站主要项目为水质五参数（温度、PH、溶解氧、浊度和电导率）、高锰酸盐指数、CODcr、氨氮、总磷、总氮。

地表水质自动监测是水资源保护工作的重点任务，是预防污染，水质预警最重要的手段之一。

通过自动在线监测仪器对水质进行无人值守实时监控，并利用现代信息技术进行数据采集、传输和存储，及时、准确地掌握水质状况和动态变化趋势。

该项目体现了水环境监测技术手段的科学化和现代化，对环境保护决策部门及时做出有效的水污染防治和管理等方面均具有重要的意义。

1.2水质自动监测站建设要求

1.2.1功能要求

1）连续采集：

可以获得24小时连续的在线监测水质数据；

2）自动处理：

能对收集到的数据进行处理和存储；

3）自动传输：

将监测的数据自动传送到水文水资源监测局；

4）直观显示：

可以实时显示仪器运行状态和监测数据及分析结果；

5）自动报警：

当监控数据发生较大的变化时自动报警；

6）设备运转状态管理：

具备自动运行、停电保护、来电自动恢复功能；维护检查状态测试，便于例行维修和应急故障处理等功能。

1.2.2总体要求

总体设计具有实用性、先进性、开放性、安全性和经济性的特点。

1）总体设计符合国家、行业有关技术标准和规范。

2）水质数据准确度和精密度须满足要求，与实验室同步监测数据须在允许误差范围内。

3）所采用的设备符合结构简单、性能可靠、能耗低的原则，系统可在无人值守的条件下长期工作。

4）系统具有良好的兼容性和可扩展性，充分考虑将来仪表的扩充要求，相关设备保留相应的余量和接口。

5）取样方式设计合理，不影响水质参数的检测结果，在恶劣气候下可稳定运行。

6）系统具备断电、断水自动保护和恢复功能，系统自身可维持运转12小时。

7）能够判断故障部位和原因，具备故障以及状态异常自动报警功能；具备监测频次设置功能。

8）监测过程前对分析仪表自动进行校准，监测后对系统内部管路进行反吹清洗。

9）具备远程显示仪器状态、远程校准和远程清洗功能。

a）仪器输出信号应采用4-20mA或RS232（RS485）接口供选择；如采用RS232接口，应提供接口协议，以便与有关计算机网络系统进行数据通讯。

b）系统控制软件界面设计应该简洁、美观、实用，功能全面且操作方便，适合监测管理人员操作，数据库具备管理、分析、查询和二次开发功能。

10）废液排放安全处理，避免二次污染。

11）具有可靠的防雷、防冻、防盗、防潮等保护措施。

12）站房具有火警、非法入侵、浸水、室内温湿度超标等异常报警功能

1.3设计依据

《国家湿地公园评估标准》

《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）

《水质监测分析方法标准》

《水和废水监测方法》（2002年第四版）

《污水综合排放标准》（GB8978-1996）

《电气装置安装工程施工及验收规范》（GBJ232-92）

《建筑及建筑群综合布线系统工程设计规范》（ECS72-2000）

《工业自动化仪表工程施工及验收规范》（GBJ-93-86）

《计算机软件开发规范》（GB8566-88）

《计算机软件产品开发文件编制指南》（GB8567-88）

《水质自动在线监测系统（试行）》（中国环境监测总站）

《国家防汛指挥系统工程水情信息采集系统分类设计指导书》

《DL／T5051-1996水利水电工程水情自动测报系统设计规定》

《水文自动测报系统规范》（SL61-94）

《水文情报预报规范》（SDl38-85）

《水文自动测报系统设备前置通信控制机》（SL/T182－1996）

《水文自动测报系统设备中继机》（SL/T181－1996）

《水文自动测报系统设备遥测终端机》（SL/T180－1996）

《工业企业通信设计技术规定》（GBJ42-81）

《微型数字电子计算机通用技术条件》（GB9813-88）

《计算机场地技术条件》（GB2887-89）

《本地电话网用户线线路工程设计规范》

《pH水质自动分析仪技术要求》（HJ/T96-2003）

《电导率水质自动分析仪技术要求》（HJ/T97-2003）

《浊度水质自动分析仪技术要求》（HJ/T98-2003）

《溶解氧（DO）水质自动分析仪技术要求》（HJ/T99-2003）

《高锰酸盐指数水质自动分析仪技术要求》（HJ/T100-2003）

《氨氮水质自动分析仪技术要求》（HJ/T101-2003）

《总磷水质自动分析仪技术要求》（HJ/T103-2003）

《总氮水质自动分析仪技术要求》（HJ/T103-2003）

2系统详细设计

本项目包括4套水质自动监测站。

2.1华阳湖监测点

图2-1监测点

序号1和4为湖泊的入水口和出水口。

需设置监测点，观察华阳湖各项指标的变化。

便于管理，研究湖水变化。

序号2，该监测点位于湿地公园的观景平台，此处有较多人流，湖水质量会受人为影响。

需要实时进行水质监控

序号3，该监测点为湿地公园的亲水平台。

同时也会聚集较多的人群，易对湖水造成影响和污染。

需要进行实时监控。

2.1.1监测因子

监测点1、2、3、4的监测参数为温度、溶解氧、电导率、浊度、PH值、CODmn、总磷、总氮、氨氮。

溶解氧：

溶解在水中的分子态氧，称为溶解氧。

溶解氧值是研究水自净能力的一种依据。

水里的溶解氧被消耗，要恢复到初始状态，所需时间短，说明该水体的自净能力强，或者说水体污染不严重。

否则说明水体污染严重，自净能力弱，甚至失去自净能力。

因此该项是衡量华阳湖湖水的自净能力的重要指标。

电导率：

是表示物质传输电流能力强弱的一种测量值。

水的导电性越好,其电导率值也越大,水的溶解性总固体值就越大。

通俗的讲：

溶解性总固体值代表了水中溶解物杂质含量,值越大,说明水中的杂质含量大,反之,杂质含量小。

水越纯净,电导率越低。

因此电导率是衡量华阳湖水中纯净程度。

浊度：

浊度是水的透明程度的量度。

浊度高的水会显得混浊不清，或者说不透明；而浊度低的水则显得清澈透明。

浊度是由微小颗粒，如淤泥，粘土，微生物和有机物等，引起的。

是这些颗粒物对光的散射情况的量度。

也是衡量华阳湖湖水的透明程度。

PH值：

氢离子活度指数，是溶液中氢离子活度的一种标度，也就是通常意义上溶液酸碱程度的衡量标准。

评价水质的重要参数。

PH常与某些分析项目有密切关系，因此PH为必不可少的监测项目。

高锰酸盐指数：

反映水体中有机及无机可氧化物质污染的常用指标。

定义为：

在一定条件下，用高锰酸钾氧化水样中的某些有机物及无机还原性物质，由消耗的高锰酸钾量计算相当的氧量。

总磷：

水中磷可以元素磷、正磷酸盐、缩合磷酸盐、焦磷酸盐、偏磷酸盐和有机团结合的磷酸盐等形式存在。

其主要来源为生活污水、化肥、有机磷农药及近代洗涤剂所用的磷酸盐增洁剂等。

磷酸盐会干扰水厂中的混凝过程。

水体中的磷是藻类生长需要的一种关键元素，过量磷是造成水体污秽异臭，使湖泊发生富营养化和海湾出现赤潮的主要原因。

对于防止华阳湖发生富营养化有重要意义。

总氮：

水中的总氮含量是衡量水质的重要指标之一，也是衡量华阳湖水质的重要指标，有助于评价水体被污染和自净状况。

地表水中氮、磷物质超标时，微生物大量繁殖，浮游生物生长旺盛，出现富营养化状态。

氨氮：

地表水体和地下水体中主要以硝酸盐氮（NO3）为主，以游离氨（NH3）和铵离子（NH4+）形式存在的氮受污染水体的氨氮叫水合氨，也称非离子氨。

非离子氨是引起水生生物毒害的主要因子，氨氮是水体中的营养素，可导致水富营养化现象产生，是水体中的主要耗氧污染物，对鱼类及某些水生生物有毒害。

华阳湖流经湿地公园区域，对于该区域的生态指标具有重要意义，也可预测防止富营养化发生。

2.2水质分析单元

水质自动监测站采、配水单元的建设在自动站建设中占有绝对重要的地位，采、配水是保证整个系统正常运转、获取正确数据的关键部分，设计及建造一套运行可靠的式样采集单元非常重要。

采、配水单元必须保证向整个系统提供可靠、有效的水样。

由于各河流、湖泊的水文状况、地理及周边环境各不相同，需在实地考察后结合实际情况才能确定具体的取水方案。

整个水质分析系统由采水单元、预处理单元、配水单元、反冲洗单元、数据采集、传输及控制单元组成。

站房安装实例如下图所示：

2.2.1采水形式

我司总结了大量自动站建设经验，并考虑到用户在安全、操作、维护等方面的需求，提出几种适合自动监测要求的采水平台。

1.栈桥式

此采水方式仅适用于采水点距离岸边小于20米，水位变化小于2米的情况，取水点水深度不应低于2米。

栈桥式采水

2.浮筒式

此采水方式可用于采水点距离岸边较远（大于100米）的情况，取水点水深度不应低于2米。

浮筒式采水

3.其它采水方式

吊臂式采水囤船式采水

各种采水方式中，取水口都能够随水位变化，并且保证取水点位于水下0.5~1.0米的水深；采水设备安装有警示标识，以保证水泵、取水管、采水单元和过往船只的安全；取水点安装栅栏来防止杂物堵塞取水管路；并且充分考虑到了日后水泵及管路的维护方便。

结合本项目现场实际情况，拟采用浮筒方式取水样，如下实景图：

2.2.2采水单元

采水单元自动化程度高，达到自动采样、自动预处理反吹、自动分析和自动清洗以及自动数据记录和输出等环节的可靠有效。

系统需具备空气自动反吹，需对全部采样管路配备自动清洗、灭藻系统。

采用潜水泵或自吸泵提水，应具备停电再启动的自动恢复功能。

所选水泵扬程应满足当地实际需要。

采水管路不受环境、温度而影响水温、水质。

取水部水量应满足各台仪器总需水量的需求。

在管道最需低点设排空阀。

取水管和配水管：

采用硬质水管，管材应用不影响水质的惰性材质制造。

全部管路良好密封，不漏气，有合理的留路设计，便于拆卸清洗，并配备足够的活动接头。

在室内配水管路的关键部位设计一段透明管路，用于监测管路中的积藻状况。

采配水单元设有效的除藻装置，可以定期自动或手动操作，有效的去除输水管路中的藻类，抑制藻类在管路中滋生问题，并且易于拆卸和更换。

取水口应采用有效的防护措施。

在采水头外围设计防护隔栅以有效的防止沙石、悬浮物堵塞，采水头具备防藻功能，结构设计易于日常维护。

2.2.3预处理单元

本单元负责水样的预处理及分配过程，保证水样的过滤效果（但不影响水中的化学成分）及各分析仪表分析的水样需求。

其中，水质五参数（包括温度、pH、溶解氧、电导率、浊度）测量不需预处理，直接分析。

氨氮使用超滤预处理技术，保证测量精度与准确性；其它参数采用水样化预处理系统，进水的停留时间不超过30min，此预处理系统需备有自动清沙、排沙功能。

LD-P60型仪器取样及预处理单元

LD-P60型采水预处理系统专为污染源排放废水水质在线监测而设计。

系统包括过滤模块、水中油及氰化物去除模块、重金属吸附预处理模块，可根据不同检测要求，对废水实施灵活的复杂预处理，为在线监测仪提供水样。

采水预处理系统及外接水泵：

产品名称

产品描述

P60型采水预处理系统

（不包括外接水泵及管路）

集成式采水预处理系统，带自留样功能，易清洗维护；

系统包括过滤模块、水中油及氰化物去除模块、重金属吸附预处理模块，可根据不同检测要求，对电镀工业废水实施灵活的复杂预处理，

三通分压过滤器

安装在仪器侧下方墙壁上，用于对水样进行第二级过滤和分压，可过滤掉水样中的碎叶、絮状物、塑料袋碎片等物体，易于拆卸冲洗。

外接自吸泵（根据工况选用）

额定功率：

375~750瓦；根据不同工况选用更大功率。

外接潜水泵（根据工况选用）

额定功率：

375~750瓦；根据不同工况选用更大功率。

2.2.4配水单元

该系统主要由沉沙池、搅拌装置、过滤器分流器、及控制部件等内容组成。

当取水口受含沙量影响较大时，需采用两级沉沙池预处理结构来过滤掉部分泥沙和杂物，采用不锈钢滤网式精细过滤芯，过滤掉大于100um的颗粒，保留小于100um的物质。

过滤芯耐酸碱性范围满足PH：

2～12，过滤器滤芯目数的大小，可根据需要而定，最小不低于50μm，并可以方便拆下清洗后再用。

水质分析仪表测量完成后的废液进入专用废液收集装置中，以防止污染周围环境和影响源水的水质。

配水单元主要结构为：

1）取水口应采用有效的防护措施。

在采水头外围设计防护隔栅以有效的防止沙石、悬浮物堵塞，采水头具备防藻功能，结构设计易于日常维护。

2）其它参数采用水样化预处理系统，进水的停留时间不超过30min，此预处理系统需备有自动清沙、排沙功能。

3）预处理需具备空气自动反吹、清洗功能，气/水切换阀自动切换，体积最小；并有气、样分离设计，保证分析仪器进样的连续性。

4）配水单元设有效的除藻装置，可以定期自动或手动操作，有效的去除输水管路中的藻类，抑制藻类在管路中滋生问题，并且易于拆卸和更换。

2.2.5反冲洗单元

反冲清洗主要是对管路系统进行自动清洗、空气反吹、除藻等维护操作，具有压力调节、状态监控和报警输出。

整个单元由PLC控制，能与数采通讯，实现远程监测保证整个系统的稳定运行。

2.3数据采集、传输及控制

当现场监测仪器对水样进行测量之后，数据采集控制系统能够实时通过接口接收从监测仪器中发送过来的测量数据并进行记录，必须保证所采集数据的真实有效。

数据采集系统所存储数据只能进行读取、写入但不能进行处理，以保证数据的真实性。

数据采集系统存储所采集的数据之后，通过接入的网络接口传输至监控中心，由监控中心对所采集的数据进行处理。

采集系统提供符合标准的接口，且具有接口扩展功能以备未来系统升级。

能现场显示系统自动运行状态。

现场平板电脑对系统工作进行控制及数据备份。

中心站PC可实现远程系统控制，中心站计算机配备数据采集、处理和各类报表生成于一体的操作软件。

2.3.1现场控制软件

通过本系统可实现现场同中心控制系统的通信，控制给水配水采样；设置监测频率、采样间隔等；直接仪表校检；按照组态数据的要求对数据进行现场模拟图、运行控制状态组、数据列表等监视；对现场信号源数据进行不同类型的监视，以便于直观地获得信息；可对监视的数据进行报警定义，可设高限报警、低限报警、开关量报警等，并记录报警时间，形成报警报表，提供可组态的工具对监视点信号进行报警组态设置。

同时，对通讯故障进行管理及分析，为恢复异常通讯提供分析依据。

其主要工作流程为：

主要功能：

1）包括实时数据监视，对数据进行流程图显示、趋势曲线图显示、列表显示、仪表成组显示等常规监视，其中，流程图上包含模拟量数据显示、液位条形图显示、开关量状态变化显示等，趋势曲线图显示包括实时趋势曲线成组对比显示、显示比例缩放、工程量显示等。

历史数据监视，对数据的历史进行监视，显示历史趋势曲线，打印历史数据报表、汇总显示历史记录等。

2）远程系统运行控制、远程设置；利用远程控制台程序，可远程对系统控制中心、采样模态逻辑时序、支持485协议的监测仪器进行控制。

3）数据组态：

包含如下内容的组态：

监视画面组态，对最终用户的监视画面进行组态，包括各种流程图、列表组、仪表组、趋势组等，并将组态数据送到组态数据库中。

用户可以根据自己的习惯、关心的内容以及喜好组态不同的内容以不同的方式进行监视，实现用户化定制监视；报表组态，对实时系统的打印报表格式和打印数据进行组态，动态生成报表；数据组态，系统级别的管理员对系统中的所有实时数据进行组态，定义采集方式，确定采集周期和数学处理方式，定义过程点的来源等；报警组态，对要求报警的过程点进行报警值定义，可以进行上下限报警、偏差报警等。

4）数据备份及恢复管理，

5）系统通信日志、运行日志管理等。

6）用户的登记及口令、权限等管理可为用户方系统管理员提供系统应用的分级管理，确保系统的安全性。

现场软件设计：

A．主监控画面

采用直观的现场仪表及管道的分布,直观的显示现场仪表的数据,并通过现场显示器可以看到各个阀门及设备的运行状态.通过不同颜色显示报警状态下的数值及各设备的状态，并有报警记录文件。

主监控画面

B．参数设定画面

通过灵活的参数设定方式,实现任何可根据现场需求的控制方式,达到现场设备的控制需求,通过参数设定画面,对各个流程的时间和各流程所需要的控制设备进行控制,以及根据不同仪表所需要分析水质的时间,采集仪表的数据,实现现仪表数据与计算机数据相同。

设定设备启动的界面如下：

注意需要根据现场实际情况及控制的流程需要设定相关的控制设备。

C．历史曲线

在现场计算机上可以实现对仪表数据历史曲线的查询，在历史曲线上可以看到该对应时间的数值，可以增加减少仪表参数的曲线。

可以修改曲线的时间范围，及任意放大缩小曲线。

D．报表画面

报表画面包含日报表，周报表，月报表，年报表，可根据时间的起始点及查询数据的时间间隔，生成报表文件，可以导出EXCEL格式文件或打印。

现场系统软件可根据起始时间来查询该时间段内的数据，生成日报表、月报表，并可打印，方便浏览。

2.3.2中心站控制软件

软件采用先进的B/S结构体系，终端用户WEB浏览器方式操作，数据采集传输、报表分析图形化、动态化，报表报文可自动生成，应用工具组态化，开放的动态工具方便用户自行维护，具有很好的异构兼容性和可扩展性。

主要功能：

历史管理：

对要求有历史数据的采集点进行历史数据收集，以高效率的格式存储历史数据，便于其它子系统访问。

历史数据收集可以进行组态，定义收集间隔、收集点位号、收集长度等，提供历史数据打印，构造历史数据查询工具，提供灵活的手段对历史数据进行查询、汇总、统计、分析等，便于其它系统的应用。

报警管理：

对需要进行报警监视的过程点进行监视，发生报警时及时进行记录并采用声光等方式报警。

记录报警发生的时间、报警值、解除时间、确认时间等信息。

数据查询：

产生数据统计报表、分析报表，采用一定的数学方法对数据进行处理，产生对决策有辅助作用的信息。

在浏览器上对数据分析、统计结果进行监视，形成多层B/S结构，便于远程或网上查询。

提供标准的ACTIVEX控件，对数据进行查询、统计、分析，使系统能够进行跨平台的操作。

提供浏览器界面，进行流程图、趋势曲线、仪表组、报警记录等常规监视功能。

动态报表设置及管理：

用户可自定义报表相应字段、表名、分析列表项、字体、统计类等项目，动态生成用户需要的格式报表；通过定义可以树型组态显示相应报表，便于用户直观查询统计报表并输出打印；用户可自定义动态列表分析或分析图形。

数据分析处理：

可通过录入人工分析标定数据对比实测监测值，检测数据的有效性、可靠性，并整理生成有效数据源。

数据备份及恢复管理。

中心站软件设计：

A.监测点维护

1）树型结构显示所有监测点，层次清晰，反映不同级别监测点的从属关系；系统能够存储的监测点个数不受限制；灵活设置各监测点参数；

2）可远程设置系统的采样周期（1－24次／天）；

3）可远程设置系统的应急连续采样（无待机间隔）；

B.数据采集

1）采用MODBUS工业控制总线协议，远程异步多点数据采集，支持；支持远程调取历史数据和报警数据；

2）实时监控现场仪器及系统控制状态，远程设置仪器参数，远程修改系统控制参数；

3）自动采集历史数据功能，协助用户建立无人职守的数据采集机制，定时完成历史数据采集；采集过程中实时显示通讯状态、数据大小和数据时间；

4）自动记录并分类数据采集异常信息，便于用户全面管理数据；不同监测点可以灵活设置不同监测项目；

C.数据浏览

1）采用表格和曲线两种方式显示水质历史数据。

2）在一张曲线图上可以同时浏览多个不同监测项目的变化趋势曲线。

3）随意设定时间范围，浏览任意时间段的数据。

D.数据处理

1）相同时间段的不同监测点的各监测项目数据对比。

2）相同监测点在不同时间段的各监测项目数据对比。

3）相同时间段的不同流域的各监测项目数据对比。

E.数据加工

1）原始数据加工处理，将采集到的历史数据加工成日均值。

2）周报生成，完成各指标周均值计算，同时自动判断各指标水质类别。

3）周报存储，将编辑完毕的周报存储到数据库中。

4）水质自动监测周报维护，编辑、修改数据库中存储的周报数据。

3仪表选型及性能描述

3.1仪表选型基本原则

在线水质分析仪器是水质自动监测站的核心部分，是由不需人工操作能自动稳定运行的各类检测仪器组成。

自动监测仪器测定方法应符合国家标准方法或行业标准方法，鉴于后期的运营维护考虑，所有仪表尽量使用同一品牌的国际知名产品。

广州XXX科技发展有限公司为水质自动监测系统选用的各水质分析仪器都具有可靠性强，测量精度高，操作维护简单，运行成本低等特点，可以长时间稳定运行。

目前市场上水质分析仪做为水质自动监测站的核心部分，建议所选的水质分析仪应选用市场上知名度高，客户满意度较高，维护量较少的厂家产品。

3.3仪表性能参数

3.3.1水质五参数

IMP一体化多参数水质分析仪

IMP多参数水质监测仪是特别针对水环境、水资源监测而设计，可以在线监测水质常规5项参数（水温、pH、溶解氧、电导率、浊度），还可以测量叶绿素和蓝绿藻。

IMP多参数水质监测仪具备自清洗功能，提供稳定而精确的实时数据，维护量极少，非常适合应用于无人值守的水质自动监测预警站，为水环境、水资源监测提供简便易用的监测工具，是水环境检测解决方案的关键数据端。

技术指标：

测量参数

测量范围

分辨率

精确度

24h漂移

pH值

0~14pH

0.01pH

±0.1pH

±0.1pH

溶解氧

0~20mg/L

0.01mg/L

±0.15mg/L

±0.3mg/L

温度

-5℃~50℃

0.2℃

±0.1℃

±0.1℃

电导率

0~100mS/cm

0.1mS/cm

±1%

±0.5%

浊度

0~100NUT

0~500NUT

0~1000NUT

≤1NUT

1~10NUT时，1NUT；10~100NUT时，5NUT；

100~400NUT时，10NUT；400~1000NUT时，50NUT；

大于1000NUT时，100NUT；

±1%

功能特性：

1、水质分析传感器

常规水质五参数（水温、pH、溶解氧、导电率、浊度）是水