水质环境监测解决方案.docx

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水质环境监测解决方案

水质环境监测解决方案

一、需求分析

一.1水质监测现状

水质自动监测系统，可为环保行业相关项目、水利方向相关项目、企业及工业园区的水质监测项目等提供水质的实时连续监测和远程监控，达到及时掌握重点流域水体的水质情况，可实现污染预警、污染源有据可查等功能。

目前，相关部门在进行水质监测时主要面临的问题是：

（1）水质监测站数量少，布局不尽合理，全流域的管理尚未形成。

（2）缺少对水质监测的数据分析系统，无法建立智能化的水质污染预警，无法实现对水质污染的有效溯源。

（3）尚未建立一套智能化的管理平台，将水质监测的任务责任到人，无数字化的层级上报、群众监督、治理成果发布等功能。

因此，客户需要通过一套网络化、智能化的水质监测系统，实现对水质的实时监测，数据实时上传，通过对数据的分析形成水质预警机制、预警派单机制、处理结果上报机制、群众监督举报机制。

一.2客户需求

水质监测涉及多个行业的不同应用，不同行业的客户对水质监测系统的功能具有不同的要求。

（1）环保

水质监测在环保行业的应用包括：

河流交界断面水质监测项目、河流背景断面水质监测项目、饮用水源地水质监测项目、湖库背景水质监测项目、湖库营养状态水质监测项目等。

此应用场景中，要求对河流水域断面的水质进行实时监测，监测参数除常规五参（温度、PH值、电导率、浊度、溶氧量）外，还应包括总磷、总氮、氨氮、高锰酸盐等污染参数的监测。

平台监测点与GIS地图联动，其具有数据分析系统，通过对监测数据的分析，形成水质状况报告，并针对污染事件具备预警、派单及处理结果上报的功能。

（2）水利

水利方面涉及到与水质监测相关的项目包括：

水质水文监测项目、河长制项目、海绵城市水质监测项目。

此应用场景中，要求平台具有可拓展性，可将水质监测系统与水文监测、水土保持监测、土壤监测等其他监测系统对接；具备客户权级管理功能，实现监控责任到人；具备监测点与GIS地图联动，其具有数据分析系统，通过对监测数据的分析，形成水质状况报告，并针对污染事件具备预警、派单及处理结果上报的功能。

（3）企业及工业园区

各企业及工业园区涉及到与水质监测相关的项目方向包括：

能源、煤炭、化工、冶炼、制造等。

此应用场景中，要求对监测数据进行溯源分析，监测点与GIS地图联动，可追寻污染源源头，对污染情况的发生具备预警、派单及处理结果上报的功能。

二、系统设计

二.1总体架构

水质监测系统是运用现代传感器、自动测量、自动控制、计算机等高新技术以及相关的专用分析软件和通讯网络所组成的综合性在线自动监测体系，是对地表水水域进行实时在线监控的数字化管理平台，是环境监管部门实现有效监测水域环境变化因子、控制环境污染的重要技术手段。

水质监测系统包括：

基础建设单元、站房、传输网络、监测平台以及监测信息展示屏，如图1所示。

图1水质自动监测系统结构图

站房由水质监测的基础建设单元组成，而基础建设单元是水质监测的重要组成部分，其集采样、分析、传输等重要功能于一体，通过各类监测传感器，实现对不同水质参数的实时监测。

水质监测系统的传输网络可根据站房的选址及客户的要求，选择光纤传输或无线传输。

监测平台为客户提供各类服务功能，包括：

监测数据的展示和存储、数据的分析、GIS地图联动、预警及派单、客户权级管理等。

相关的监测信息，可以通过LED显示屏面向公众展示，LED显示屏可根据发布区域挂载至灯杆等载体上。

二.2功能设计

水质监测解决方案，可以实现水质的实时连续监测和远程监控，及时掌握主要流域重点断面水体的水质状况，预警预报重大水质污染事故，数据的存储可以解决跨行政区域的水污染事故纠纷，具体功能包括：

（1）对水质多种参数的实时监控及数据及时上传。

客户可及时掌握水质是否被污染、污染严重程度，并制定相应的管理方法。

（2）水质监测点位与GIS地图联动。

客户可准确定位水质异常的监测点，便于及时现场查看及处理。

（3）监测数据个性化分析。

数据分析系统可根据客户的需求提供个性化分析模板，实现对水质数据异常的追踪，并结合分析数据，建立水质保持的管理方法。

（4）具备舆情监督能力。

为社会大众提供事件上报功能，为客户提供治理发布功能，实现水质环境线上、线下同时监督。

（5）安全管理功能。

通过对客户进行权级分级及流域管辖的管理机制，实现流域水质监测责任到人的管理目标。

通过建立数据统一管理机制，实现数据安全监管的目标。

（6）监测信息展示。

通过在灯杆等载体上挂载LED显示屏，面向公众发布水质监测的相关信息及水环境的相关知识。

二.3方案特点

本方案基于水质监测提供了一种智能化、数字化的管理系统。

其具有以下特点：

（1）可针对水质监测进行大范围布点，建设水质监测网，对现有水质监测点形成补充，使监测数据更加全面、合理、科学。

（2）系统维护工作量小。

实现了无人值守、自动运行、远程监控、自动校准、稳定长期运行的智能化、自动化水质监测，降低了人工巡检和维护的成本。

（3）平台设计模块化。

较高的拓展性有助于业务后期对平台的升级或监测设备的增加，保证了前期投资的充分利用，以及后续升级维护的低成本开发。

（4）平台提供舆情服务的功能，为社会大众提供水质监测监督上报的功能，为客户提供治理成果展示的服务，真正实现对水质的线上线下监测。

三、解决方案

三.1水质监测参数

水质监测系统可针对地表水的常规五参数（温度、PH值、电导率、浊度、溶氧量），以及总磷、总氮、氨氮、高锰酸盐等其他参数进行监测。

各监测参数常用的监测方法如表1所示。

表1各监测参数常用监测方法

监测项目

监测方法

监测项目

监测方法

常

规

五

参

温度

热电阻/

热电偶

可

扩

展

参

数

氨氮

氨气敏电极法/

无试剂光学法

PH值

玻璃电极法

总磷

钼酸铵分光光度法/

无试剂光学法

溶氧量

电化学法荧光法

总氮

过硫酸钾消解-紫外分光光度法

电导率

电极法

高锰酸盐

高锰酸钾氧化法

浊度

光散射发

氨氮

氨气敏电极法/

无试剂光学法

三.2基础建设单元

基础建设单元中，各组成部分的工作流程图2所示。

图2基础建设单元工作流程

三.2.1采样单元

采样单元的建设应在满足采样取水要求的前提下，尽量简洁，因地制宜，针对每个水站取水位置的不同，采取最合适的采样方式，保证采样的代表性和科学性。

在设计采样单元时，通常会根据水位的变化幅度、河岸的地质情况等选择不同的方式，包括：

固定式采水（如：

固定式栈桥采水、固定式悬杆采水、固定式桥墩采水等）、移动式采水（如：

移动式浮筒采水、移动式导索采水、移动式拉索采水等）、缆车式采水等。

三.2.2配水单元

配水单元包括配水系统、清洗反吹、样品预处理单元及管道等。

采样单元收集的水样，通过配水单元分配给不同的分析测试设备。

配水管路应设计合理，流向清晰，便于维护，且保证仪器分析测试的水样能代表断面水质情况并满足仪器测试需求。

配水单元也具备自动清洗功能，通过使用自来水进行反向冲洗，防止菌类和藻类等微生物对样品污染，排除管路和系统内的泥沙等杂质和污染物对系统工作造成的不良影响。

样品预处理单元负责水样的预处理及分配过程，保证水样满足各分析仪器的进样要求。

常规五参的测试不需要进行预处理，而总磷、总氮、高锰酸盐、氨氮等的测试，通常需要经过多级过滤，进行预处理后才可以进行。

管道所选的材料，应满足：

机械强度及化学稳定性好、使用寿命长、便于安装维护，不会对水样水质造成影响。

管路内径、压力、流量、流速满足仪器分析需要，并留有余量。

三.2.3分析单元

分析单元由一系列水质自动分析仪和水质采样器组成，依据所需监测水质参数的不同，可配置不同的自动分析系统。

当被测断面水质参数异常时，工控软件系统会发送信号至自动采样器，水质采样器开始启动做留样工作，并发出报警信号，运维工作人员通过查询软件，进行处理。

在选择水质自动分析设备时，应：

（1）所选用的监测设备，是经行业主管部门列装或批准的产品，具备国家和行业要求的基本功能，包括但不限于：

1）设备具有异常信息记录、上传功能，如零部件故障、超量程报警、超标报警、缺试剂报警等信息。

2）设备具有仪器状态（如测量、空闲、故障等）显示。

设备至少具有RS-232或RS-485标准通讯接口。

3）设备具备至少1小时监测一次的能力。

（2）所选用的监测设备的技术指标满足国家或行业的技术指标要求，包括但不限于：

1）高锰酸盐指数、氨氮、总磷、总氮分析仪具有自动标样核查、零点校准、标样校准等功能，且符合国家技术指标要求。

2）各设备的测定原理符合国家技术指标要求。

三.2.4控制单元

控制单元主要完成水质自动监测系统的控制工作，包括一体化控制柜、系统控制软件、PLC可编程控制器等。

PLC控制系统按照预先设定的程序负责完成系统采水配水控制，启动测试、超标自动留样，清洗、除藻、反冲洗等一系列的动作。

控制单元应具备以下功能要求：

（1）具有断电保护功能，能够在断电时保存系统参数和历史数据，在来电时自动恢复系统。

（2）具备对自动分析仪器的启停、校时、校准、质控测试等控制功能。

（3）具备对留样单元的留样、排样的控制功能。

（4）具备各仪器监测结果、状态参数、运行流程、报警信息等显示的功能。

三.2.5数据采集传输单元

数据采集传输单元主要完成系统的数据采集、处理、存储、传输等工作，包括数据采集设备、数据采集和处理软件、工控机、数据有线传输设备/无线传输模块等。

数据采集应满足以下要求：

（1）采集自动分析仪器的监测数据，并分类保存。

（2）采集自动分析仪器和集成系统各单元的工作状态量，并以运行日志的形式记录保存。

（3）断电后能自动保存历史数据和参数设置。

三.3站房选择

根据站址环境、监测参数数量以及监测精度的不同，水质监测站房可选择：

固定式站房、一体式站房、微型站房和浮标式站房。

三.3.1固定式站房

固定式站房水质自动监测站，是针对长期固定的监测点位，且附近具备固定永久性站房基础建设的条件下，建设的标准化水质自动监测站站房。

根据《地表水自动监测技术规范（施行）》的要求，在建设固定式站房时，应满足以下基本配置：

仪器间面积不小于60m2，质控间不小于30m2，值守人员生活空间不小于20m2。

除此之外，固定式站房应具备完善的供水、供电、防雷、防水、保暖、防冻、网络通讯等功能。

固定式站房具有以下特点：

（1）站房面积大，布局规范，便于规范化管理。

（2）便于维护人员、质控人员、值守人员的工作和休息。

（3）内部空间大，测试环境良好，支持安装多种水质监测设备，且扩展性较好。

固定式站房一般应用于河流断面考核监测、出入境断面监测、重要监测点位监测。

三.3.2一体式站房

一体式站房一般采用玻璃钢或不锈钢材料建造，表面做喷防腐处理，具备完善的供水、供电、防雷、防水、保暖、防冻、网络通讯等功能，仪表多采用壁挂方式安装，适用于占地面积有限、地理情况复杂、项目建设周期较短、有移址或调整监测点位需求的水站建设。

一体式站房具有以下特点：

（1）维护量小，运行稳定。

（2）占地小，施工周期短，可移址。

（3）监测参数可扩展。

三.3.3微型站房

微型站房采用冷轧钢建造，表面做喷防腐处理，集成一整套完整的水质在线监测系统，标准化设计，可系统的快速生产、现场快速安装调试，并在需要时可方便起吊、移址。

微型站房具备完善的供水、供电、防雷、防水、保暖、防冻、网络通讯等功能，占地面积不超过1m2，适用于大面积布点建设。

微型站房具有以下特点：

（1）无土地征用等费用。

（2）占地面积小，空间紧凑，标准化程度高。

（3）便于运输和现场安装，经济适用。

三.3.4浮标站

浮标站是在被监测水域中，选择有代表性的监测点放置，将监测传感器集成于浮标站平台（船体、浮柱等）上，并配备太阳能、风能供电设备，采用锚系固定在水面上的一种监测系统。

浮标站具有以下特点：

（1）不占地，无现场施工，投放方便。

（2）运行节能，便于维护。

（3）便于监测点位的变换。

浮标站适宜于水库、湖泊、景观水、湿地等水质的自动连续监测。

三.3.5站址选择要求

在选择站址时应注意：

（1）所选择的水域首先要有明确的水域功能，具有反映水环境质量状况的空间与时间代表性，满足环境管理的需要。

（2）必须保证设备所需的电力供应、通讯畅通，满足清洗仪器设备的自来水供应需求。

（3）站房设计建设时要考虑站房内的监测仪器和其他辅助设备的安全。

（4）站房及设备在运营期间需要进行人工巡检维护，因此应考虑周围环境的交通便利，以便于后期的维护。

（5）固定站房建设费用较大，在选址时应考虑长期使用性。

三.3.6站房环境监控系统

解决方案通过动环监控系统实现对站房环境的监控。

动环监控系统具有较强、较全面的监控能力，可实现电力状态管理（配电、开关电源、电池）、环境管理（机房温湿度、空调、新风系统、漏水状态、消防状态、门禁系统、室内外视频）、计费管理（交流电费、直流电费），且FSU预留一定数量的接口，如：

RJ45、RS32/485、AI/D等，以满足后期业务拓展的需求。

动环监控系统采用统一平台管理，形成自上而下的一级架构，标准统一、集中监控。

可实现数据存储、数据处理的集中化，实现故障直接派单、精准派单，提高了工单处理效率。

动环监控系统接入无线和互联网的数据传送方式，形成无线化、互联网化、IP化，监测数据既可以与视频监控系统共用传输，也可以直接利用无线数据卡传输，更加经济、快速和高效。

与此同时，FSU通过智能化升级，增加采集信息预处理、告警信息实时化、全量信息定制化的在线实时不间断监控。

三.4传输网络

本节从监测系统的传输网络形式和传输网络的安全性进行阐述。

（1）传输网络形式

水质监测系统要求将采集的数据实时上传，数据的传输可通过有线传输（光纤传输）和无线传输两种方式实现。

其中，固定站房和一体式站房，数据传输以有线传输（光纤传输）为主，无线传输辅助。

微型站房和浮标站，采用无线传输。

除了传统的无线传输方式，还可通过FSU进行无线传输，在满足数据可靠传输的同时，支持数据在平台的存储功能，实现了本地监测设备、监测数据与FSU网络无缝对接。

考虑到数据传输时网络信号覆盖的情况，建议在站点选择时，尽量避免网络信号覆盖较差的地方，避免监测数据丢包，以保证数据上传的实时性要求。

（2）安全性保障

水质监测系统要求将采集数据无篡改上传，因此系统需要较高的安全性和稳定性。

安全性主要是防止来自系统内外的有意和无意的破环，网络安全防护措施包括：

信道加密、信源加密、登录防护、访问防护、接入防护、防火墙等。

在保障数据安全性方面，也可以通过建立VPN专网传输，以实现数据的在传输过程中的相对安全。

三.5监测平台

建立一个水质监测平台，从数据的综合管理分析、设备的控制及信息化管理等三方面，实现水质监测的在线、实时、信息化管理。

三.5.1综合管理分析系统

综合管理分析系统实现对水质监测数据远程收集、校验、计算和存储，并对异常数据分类别分级别进行预警和报警，对监测数据进行汇总、统计和查询，并根据实际需求生成各种分析报表。

（1）数据管理：

对各设备采集的数据进行实时采集，将采集后的数据存入数据库，并对数据库中的数据进行处理、统计和分析。

（2）报表管理：

支持按天、按月形成水质数据报表，并可按照实际需求，针对预警信息、报警信息、处理信息等形成报表。

（3）预警管理：

通过设置预警值，对接近预警阈值的监测点进行预警警报；对超过阈值的监测点进行报警警报，并进行相应的处理。

三.5.2设备控制系统

设备控制系统可以统一实现对水质自动监控站点的控制功能，可以对仪器设备进行远程控制与操作，并获取现场系统、仪器运行状态。

（1）遥测管理：

对设备进行远程控制管理，进行报警、参数、复位等设置。

（2）自动巡检：

对设备的运行状态进行自动巡检，掌握设备的监测情况，对设备进行故障的快速诊断和维护。

三.5.3信息化管理

（1）系统安全管理：

实现安全日志管理、用户权限和分级管理。

（2）地理信息模块：

将监控数据、监控站点与地图有效结合，实现数字化图形管理。

三.6信息展示发布

水质监测系统所监测的水质信息，可通过户外LED显示屏面向公众展示，使公众实时了解水质治理的情况，有效的做到舆情监督。

除此之外，还可通过显示屏面向公众普及保护水环境的相关知识，增强公众对水环境保护意识。

三.7可拓展应用

水资源的可持续发展是推动社会进步和经济发展的重要前提，因此必须重视水环境的保护、加强水域的管理。

对水域的科学化、信息化、自动化的监测管理，除了从水质监测方面展开外，还可以通过对河道的视频监控等方面配合展开，具体解决方案请参考发布的《视频监控业务解决方案-河道监控分册》。