船载高密度水质自动监测系统分析研究

2017-05-24

船载高密度水质监测分析仪

高密度监测分析仪由取水单元、监测单元、GPS 定位单元、终端处理单元4个单元组成。取水单元负责完成水样的采集和信息传输，包括水泵、管路、电磁阀和水样过滤等系统；监测单元负责完成水环境信息的获取，由水质分析仪和全球卫星定位系统组成；GPS 定位单元负责精准的GPS 定位；终端处理单元负责对信号进行处理、传送及数据的储存和管理。水质监测环境的指标涵盖了水质基础指标、营养盐指标和有机物指标，具体包括水温、pH、浊度、氨氮、硝酸盐、COD、TOC、电导率等。

该仪器系统的特点是：（1） 测量周期短，可以采集较多的数据且测量的参数种类较多，更利于对当地水质的分析；（2）仪器直接测量，不需要试剂；（3）采用自动压缩空气吹洗系统，几乎“零”维护；（4）提供3千瓦 汽油发电机供电，仪器具有防水功能，几乎适用于任何船只；（5）具有GPS 定位功能，能实现互联网历史航线曲线查询，方便数据的分析；（6）仪器人机界面更人性化，具有8参数数据实时显示、历史曲线分析、历史数据保存及导出功能等，方便数据分析处理；（7）具有水下自动采样及过滤系统，能适应更加恶劣的水质；（8）自动化控制，操作及维护简单方便。

该仪器系统适用于各类受污染河流和湖泊的水质（移动）监测及预警。主要应用领域及范围如下：（1）黑臭水体的污染源排查；（2）由于泄漏事故、环境污染或人为破坏而造成的河流湖泊的水污染的监测及预警；（3）河道污染源的定位、分析及控制。该仪器系统经过一年多的研发已经实现了产业化，并应用于江苏省太滆南运河和社渎港等污染河道的监测，取得了良好的应用效果。

船载高密度水质自动监测系统

为了实现移动式自动监测的目标，施汉昌教授研究团队设计了船载式集成系统的解决方案。首先把在线分析仪器放置于监测船上，当船沿河巡航时，自吸泵持续把距水面1.2米深的水样抽入水箱，5台自动分析仪器的传感器置于水箱中，同时监测水箱中的水质变化。从分析仪器得到的数据和从GPS得到的时间位置信息存入计算机中(见图1)，以备数据处理和发送。

移动式水质自动监测系统中采用的监测指标，一方面要满足水环境监测规范的要求，使其所选择的监测指标尽可能反映比较多的水质特征，另一方面相应的检测设备应符合快速测量的要求，检测限和检测范围满足河流水质的现状。综合考虑这两方面的因素，选择5种指标作为前期研究的监测指标：化学需氧量、氨氮、硝酸盐氮、磷酸盐和电导率。由于要在船航行的过程中进行测试，所以对仪器检测的速度要求较高。例如；当船的航行速度在10km/h时，每8分钟测出一组数据，就相当于每1 300米的距离上有一组测试数据。仪器的测试速度越快，测试周期越短，在相同的航速下移动测试过程中能获得的数据信息就越多。

经过对国内外各种自动水质检测仪的调研和分析，该研究确定采用美国ISCO/ STIP公司的“STIP-Scan 多合一水质自动监测仪”“氨氮自动监测仪”“磷酸盐自动监测仪”、美国HYDROLAB公司的“多参数水质分析仪”和中国合众思状科技有限公司的“ST-2020测量型GPS”。将这些仪器与数据采集及计算机集成为一个系统，开发出适用的软件，就可以开始现场测试的实验研究了。

研究组在长江水利委员会长江流域水环境监测中心的支持下，多次在长江武汉段和三峡库区进行了移动测试的现场试验。测量区域自秭归开始，至重庆结束，干流航道距离近200千米，沿途经过香溪河、大宁河等7条支流。其中某次监测任务采用移动式自动监测技术，历时11天采集表层水样（水面以下1.2 米）388个。其中支流取样289个，干流取样99个。监测指标的采样频率约为6～8分钟/个，在航速10～15千米/小时的情况下，一般约每1公里可测得一组数据。由于移动监测系统的监测方法和监测原理方法与常规监测不同，加之自动监测仪个别指标正常波动的特征，移动监测的数据和常规监测的结果存在差异。与此同时，移动监测也表现出常规监测不具有的移动性和快捷性的优点。

移动式水质自动监测系统的测试速度快，自动化程度高。由于测量周期短，能快速提供不同地点的大量水质监测数据。同时，获得的水质监测数据具有准确的时间和空间定位，经计算机软件处理，能快速全面地反映水质状况及其变化。测试实验表明，移动式水质监测系统的稳定性好，监测仪器的灵敏度和检出限能够满足一般地表水水质监测，明显区分对于不同程度污染状况的要求。

针对我国水环境污染特点和需求，发展具有自主知识产权的环境检测大型仪器设备及监测系统，是国家发展战略需求，也是我国“中长期科技发展战略”的重点工作。在环境监测传感技术及其仪器系统的研发方面，我们与欧美同行的差距已日益缩小，及时开展该领域的研究将使我国环境检测科学仪器发展跻身于国际领先行列。