太阳能小型无人值守水质自动监测站的开发和应用

太阳能小型无人值守水质自动监测站的开发和应用

贾 坤1,王 虎1,李秋水1,张小路2

(1.国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司,江苏省南京市210003; 2.上海浦东新区水文水资源管理署,上海市200129)

摘要:介绍了上海浦东新区太阳能小型无人值守水质自动监测系统的特点、组成和软件框架,同时对水质自动监测数据和实验室分析数据进行了比较分析,表明两者之间有很好的相关性和对比性。太阳能小型无人值守水质自动监测站体积小、功能强、投入少、维护量小,适用于不同水体的长期连续在线监测。

关键词:水质监测;水质自动监测系统;无人值守;太阳能

收稿日期:2009 09 25;修回日期:2009 11 27。

0 引言

上海浦东新区自1990年开发以来,已成为国内发展最快、变化最大的地区之一。然而,在经济快速发展的同时,生态环境也受到一定程度的破坏,尤其是河道水质严重恶化,水环境已成为浦东新区政府和广大市民关注的焦点问题。在此背景下提出了水环境自动监控系统的建设,目的在于为解决浦东新区水环境问题提供客观(技术)依据和技术支撑。

水质自动监测系统可以实时掌握水环境现状,通过模型的建立和演算,及时预测预报河道水质的变化趋势,掌握水环境容量,科学合理地提供水体置换及调水的频次和水量,为截污纳管、河道整治提供决策依据,为保护水资源、改善水环境奠定基础。

1 系统特点及功能

太阳能小型无人值守水质自动监测系统是一套以自动监测仪器为核心,运用现代传感器、自动测量、自动控制、计算机应用等技术以及相关的专用分析软件和通信网络组成的综合性在线自动监测体系[1]

。目前,浦东新区已建成和运行太阳能小型无人值守水质自动监测站5座,即张江高科站、张家浜洋泾站、三林水质站、东陆水质站和世博园区站。

太阳能小型无人值守水质自动监测站区别于传统的水质自动监测站,其特点及功能如下:

1)投资费用低。目前所用的水质自动监测系统多为有站房水质自动监测站,且多为大型进口设备,一般耗资上百万元,加上站房、电力、通信等附属设施的配套建设,仅固定资产投入就近200万元。而太阳能小型无人值守水质自动监测系统具有建设周期短、建设费用低、安全稳定等特点,建设一座太阳

能小型无人值守水质监测站仅需30万元左右。

2)运行费用低。大型水质自动监测系统的运行,有许多需由人工实施的步骤,包括自动站的电力、通信、供水系统及计算机控制、水样输送管道、各独立设备之间的相互连接,以及防盗、防雷、防潮等措施。同时,大型水质自动监测系统需要消耗大量昂贵的化学试剂,也会造成环境污染。而太阳能小型无人值守水质自动监测站的运行费用相对较低,每月只需对探头标定一次,数据便可准确、及时地传送到中心站,且无需消耗化学试剂,无需人员值守,每个站点每月只需数十元的数据通信费用。

3)野外适应能力强。大型水质自动监测站的建设往往受到征地及水、电等基础设施的限制,占地面积大,需要220V 市电供电和市政自来水制备纯水,对于经济发达、土地资源紧张或者偏僻、水电供应困难的地区而言,是很难满足的。而太阳能小型无人

值守水质自动监测站,占地面积小(仅0.3m 2

),无需市政水、电基础配套设施,仅依靠一块60W 的太阳能电池板和一块100A h 的电池即可维持系统正常运行,适合于土地资源紧张或偏僻地区使用。

综上所述,太阳能小型无人值守水质自动监测站具有投资费用低、运行费用少、占地面积小、野外适应能力强、无需人员值守等特点,尤其适应于浦东新区等经济发达、人多地少的地区。

2 系统硬件组成

2.1 硬件单元

太阳能无人值守水质自动监测系统由采水单元、配水单元、分析单元和控制单元组成。以通用分

组无线电业务(GPRS)为信道的通信方式[2]

,实现浦东新区水文水资源管理署中心站对太阳能水质监测站的实时监控。

结合浦东新区对水文水质数据的要求以及水文

第34卷 第3期2010年6月20日Vo l.34 N o.3June 20,2010

资料的规范要求,将水质数据的采集频率设置为每2h 采集1次。耗电量较大的设备有直流潜水泵和喷水泵,直流潜水泵每次工作5min,喷水泵每15min 工作1次,每次工作5s 。系统硬件结构及工作流程如图1

所示。

图1 系统硬件结构及工作流程

1)采水单元

采水单元包括水泵、管路及供电部分,是整个监测系统能否长期正常工作、监测数据是否准确的关键,必须充分考虑当地的地理环境、水文条件、维护检修和管理部门的要求。

水泵采用12V 直流潜水泵。由于整个浦东新区河道水流缓、水位低,采用钢丝网罩取水保护设施,保证所采水样具有代表性。该设计能够应对各种气候、地形、水位变化及泥沙等问题,并采取相应的解决措施,能够连续、自动地与整个系统同步工作,向系统提供可靠、有效的水样。

2)配水单元

配水单元包括水样预处理装置、自动清洗装置及加湿部分。配水单元直接向自动监测仪供水,具有泥沙沉淀和过滤功能,其水质、水压和水量应满足自动监测仪的需要。水质采集仪的测量电极对清洁度和湿润度有严格要求,自动清洗装置及加湿部分可对采集仪进行定时清洗和润湿,保证其获得的数据的准确性。

3)分析单元

分析单元由YSI 6820多参数水质自动分析仪构成,可以监测的水质参数有:水温、pH 值、溶解氧浓度、电导率、浊度、氨氮浓度。其分析原理和测量

范围[3]

如表1所示。

4)控制单元

控制单元包括:中心站服务器和系统控制软件,数据采集、处理与存储及其应用软件,GPRS 通信设备。控制单元为整个水站的控制中心,安装了南京南瑞集团公司自主研发的ACS300 MM 数据采集控制器,对现场仪器设备进行控制,并实时显示仪器与设备的运行状态[4]。控制单元不仅对系统参数(水泵状态、流量、箱体温度、供电电压等)进行实时监控,还可根据系统运行状态设置和修改监测频率、清洗润湿频率、读取数据频率等系统参数。水质监测仪器输出信号输入到控制采集系统中,通过采集控制程序和上层软件进行数据采集和存储。

表1 YSI 6820多参数水质分析仪指标

参数测量原理测量范围溶解氧浓度快速脉冲极谱法0~50mg/L 电导率四电极流通式电导测量管法0~10S/m 温度热敏电阻法(-5~+45)!

酸碱度玻璃复合电极法0~14氨氮浓度(以氮表示)

离子选择电极法0~200m g/L 浊度

90∀光散射式脉冲光纤法

0~1000NTU

2.2 通信设备箱体

由于浦东新区人多地少,因此,在充分考虑通信稳定性及仪器安全性的同时,还要打破传统的建站模式(即所有仪器安装在测站房间内),将通信设备安装在完全密闭的箱体内,箱体用膨胀螺丝固定在事先浇铸的混凝土地基上。

经调研[5],选用密度1.4g/cm 3~2.2g/cm 3的玻璃钢,其具有导热性能较差、耐化学腐蚀、脱水性好、不受电磁作用、不反射电磁波、能透过微波等特性,满足了通信稳定性和仪器安全性的要求,价格便宜,便于搬运,且基本无回收价值。最终选用1340mm #750mm #330m m 的玻璃钢箱体,该箱体外形美观,自重仅60kg,箱体厚度达2cm 。箱体内包括了水质监测仪、通信模块、采水模块、保湿模块、给排水管路、流通池、蓄电池、电路控制模块等。2.3 设备能耗分析及供电

系统供电部分由一块60W 的太阳能电池板和一块100A h 的电池构成。太阳能电池板是太阳能发电系统的核心部分,其作用是将太阳的辐射能转化为电能,送往蓄电池中存储起来。在有阳光时,太阳能板给电池充电,同时电池维持系统正常运行;在没有阳光时,电池则依靠本身所存储的能量维持系统的正常运行。

下面对设备具体能耗进行分析。

1)直流潜水泵每日耗电(12次/日):2.2A #12次#5min/次=2.2A h 。

2)直流潜水泵每日平均负载电流:2.1A h ∃24h %0.088A 。

3)喷水泵每日耗电(96次/日): 2.2A #96次#5s/次%0.293A h 。

水情测报与水调自动化 贾 坤,等 太阳能小型无人值守水质自动监测站的开发和应用