硫磺沟镇饮用水源地水质自动化监控系统设计

崔晓雨

(新疆维吾尔自治区水文局,乌鲁木齐 830000)

1 区域概况

硫磺沟镇取水口上游区位于中高山区,生态环境保存完好,环境质量优良,根据硫磺沟镇饮用水源的水质监测结果表明,氨氮和铁达到Ⅲ类标准,总硬度、溶解性总固体、硫酸盐、硝酸盐氮、高锰酸盐指数、亚硝酸盐氮、铜、铅、镉、氰化物达到Ⅱ类标准,其他各项均达到Ⅰ类标准,为Ⅱ类水质,属未受污染水质,在监测的24项指标中,8项必测项目指标数值均在标准范围内且均在Ⅱ级标准以上[1]。从水质综合评价结果看,F值为2.17,属良好,属于一级保护区的水质基本项目限值,水质达到了饮用标准。为维护水源地水质安全标准,同时警示区域潜在污染源,需要对取水口水源地进行自动化的水质监控,切实做好饮用水水源地的安全保障,如遇发生水质污染事件,可以及时关闭供水系统,同时启动供水应急预案,确保城镇居民的饮用水安全。

2 系统设计

2.1 设计原则

自动化监测系统作为水安全保护项目的重要组成部分,目的是为供水工程管理及安全运行提供技术保障,实现信息采集和管理的现代化[2-3]。其基本的设计原则如下:

1)在满足基本的供水工程情况和基本的水情采集、信息动态监测和查询的基础上实现工程的科学管理。

2)满足相关标准及技术规范:以地表水质量标准、计算机及通讯三类规程规范为主要设计依据,作好监测站点的科学合理布置设计。

3)尽量采用当前先进、成熟、通用的技术及产品,以防建设即落后,全面保障设备故障后的及时替换性,保证系统建设的起点高,系统性能的安全、可靠和实用。

4)在注重技术、设备先进性的同时,加强应用系统(特别是应用软件系统)集成工作,保证该系统即建即用,全面提高现代化管理水平,减少人为干预和人为疏忽。

5)充分考虑系统的可伸缩性,预留充足的多元化接口和通道,以便于将来系统地扩展或调整。

6)充分考虑系统的物理安全,构建严密地防火墙系统,加强电源、信号、线路及避雷、防人为破坏的措施,并进行定期监护。

2.2 系统设计

此次项目自动化系统由水源地水质自动监测系统和视频监控系统两大部分组成,主要为水源的理化性质检测及周边环境异动可能所引发水质变化音像监测[4-5]。

2.2.1 水源地水质自动监测系统

为满足水质自动监测系统的数据采集需要,项目设计在硫磺沟镇区水源地取水口布设了水质监测设备,对水源地的水质情况进行实时监测。水质自动监测站主要由物理硬件设施和计算机软件系统构成,整体的工作核心聚焦于自动化的监测仪表,其中的采样和水样预处理为辅助工程,最终系统所要求达到的目的是数据的采集传输和环境的远程监控[6-7]。水质理化性质监测系统的具体组成单元如下:

2.2.1.1 硬件组成单元

取水单元:负责对目标水体进行水样采集和输送的功能,本项目采用浮船式取水设备,利用自吸泵管道传送。

水样预处理及配水单元:负责对取样完成的水样进行预处理,主要是将水或气利用管路导入到相应的仪器装置中,通过处理以达到水样的可输送和初步清洗。一般具体的水样预处理是采用旋转式固液分离器和全自动自清洗型过滤器,由旋转式固液分离器、过滤芯等组成,利用向心力分离水和非可溶性杂质,完成后自动清洗内部容器,主要应用于含沙量比较大的地表水区域。

分析监测单元:作为主要的水质监测组成,该单元为自动化监测仪器,可以通过传感器对区域水样连续长期监测化验。文章所设计的自动化水质监测主要为可实时监测的常规五项,其参数包括水温、PH值、电导率、溶解氧、浊度。

现场系统控制单元:负责对水质自动监测系统的进行控制、数据采储和预处理可视化辨别等工作。主要由服务器构成。

通信单元:负责完成监测数据从监测仪器到监测终端存储,再到各水质自动监测站后,最终汇集到监测中心的通讯传输工作。

辅助单元:用于保证水质自动监测站能够长期稳定运行的辅助组成部分。主要包括:自清洁装备(自动冲洗装置、除藻装置、空气压缩设备、离心机)、超标留样装置、停电保护及稳压设备、防雷设备等。

整体系统被设计在机柜中方便人员操控和检索设备,主要由控制柜、各监测仪表分析柜等标准机柜组成。以上介绍得到各个单元系统装置均合理布置于机柜中,机柜间进行固定分割和标注,整体简洁有序排布于建筑设施中。

2.2.1.2 主要硬件单元的功能实现

水质硬件监测设备具有良好的人机互交功能,可以根据用户的标准设定,达到连续、及时、准确的监测目的,该设备为24h连续的在线监测,可处理存储大量的水质数据,具体监测指标,如表1所示。设备的运行主要采用预编译的控制器来实现对水泵、电磁阀、空压机、分析仪表等设备的控制,阶段性控制完成管路取水、配水、分析、清洗、反吹等具体的应用功能。在信息系统建设方面,建立的水源地监测站可自动与远程的水监测中心建立通讯连接,在实时地将获取数据存入本地后,可及时上载到监测中心数据库存档。建立的数据传输系统均可被PSTN、SMS、GPRS等通讯方式支持,在得到仪器运行状态和监测数据后,也可通过可视化处理将其实时显示在屏幕中。

表1 常规五参数分析仪主要技术参数

2.2.1.3 软件管理单元

水质自动监测系统的仪器设备管理是采用电脑软件进行集成的,为此建立了一个监测中心管理系统,该系统是一个集远程数据采集、数据汇总、分析以及远程控制等功能组成的软件[8]。具体的监测管理软件要达到在线水质的实时监测、查询和评价功能。水质在线监测管理系统作为本项目的主要软件管理单元,将数据管理和远程控制等功能融为一体,是一个多仪器、多平台集成的重要功能组成,能够准确地自行分析判断被测区域的水质变化情况,及时反映突发环境污染事件,达到真正智能化管理的要求。

2.2.1.4 软件单元的功能实现

测站信息处理系统软件具有信息提取采集功能,并对监测数据进行合理性检查和实时处理,把提取采集来的数据以统一的格式自动存入数据库,方便管理人员从中可以调取子站实时、历史数据,并自动形成各子站日报,且允许人工修正。该系统软件还具备对监测数据进行合理性检查和实时处理的功能,可按规定格式存入指定数据库,形成各站的数据系列图、点位图、曲线图等。进一步,测站信息处理系统软件可基于人工智能特点便捷化处理、分析和统计计算数据,实现与地理信息系统的相互集成,可以在地图上显示监测位置和监测数据的时间变化规律。

2.2.2 视频监控系统

在硫磺沟镇区水源地配置了一套视频监控系统,对水源地及周边安防情况进行实时图像监视,主要包括16台摄像机和1台硬盘录像机,硬盘录像机是作为摄像机的存储单元,对监测视频进行实时存储的,该仪器可以对不同的存储时间节点进行历史图像数据的回溯,也能导出记录数据,方便检视。视频监控系统建立在网络环境下,采用封装的一体化远程信息体系,主要包括仪器控制、网络通信、人机交互、图像处理等技术,依赖于实时的图像信息采集、传输、监控等一系列自动化计算机处理过程。作为视觉监控补充,视频监控系统可以为生产运行人员和各级领导及职能部门及时、准确的提供各种现场信息。视频监视系统由现场控制站和监控前端两部分组成。

现场控制站:监控中心由硬盘录像机、管理软件等组成。硬盘录像机负责存储各个监视点的监测视频数据和实时运行状态。

监控前端:监控前端包括12个红外防水枪形摄像机和4个一体化高速球形摄像机,监视水源地工作及安防情况,具体监测设备参数如表2。

表2 监控设备的主要技术参数

监控前端由摄像机及其配套设备组成。镜头控制信号通过视频服务器发出,利用网络传输后由解码器译码编译后,再传输成控制电流,操控镜头运动,实现控制中心对现场摄像机的角度及聚焦度控制和图像状态监视;对于无遮挡物的独立监控设备,要在安装支架上安装避雷针,防止电流传输引起的雷击,破坏设备财产。

3 结 语

文章项目所搭建的水质自动监测系统,是利用多要素集合的自动监测分析仪器,通过智能化操作软件,实现对水源地水样的自动采样和理化性质实时检测。系统核心的设备为水质检测分析和视频监测系统,其具有连续自动运行,采集和存储监测数据的智能化特点,可提供远程传输及控制接口,方便管理人员及时监察操作。总的来说,水质自动监测系统提高了水质监测的效率,减少了人工成本投入,且方便及时掌握水源水体的水质状况,起到预警预报水污染事故的作用,尤其在发生重大水污染事故时,可有效掌控水源水质状况,做到防范、解决突发水污染事故的目的,保障人民群众的生产健康安全。