张 健，隆 威，杜红娟，胡雪娇

（1. 太湖流域管理局水文局，上海 200434；2. 江苏南水科技有限公司，江苏 南京 210012；3. 水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012；4. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012）

箱式水量水质自动监测站的设计与应用

张 健1，隆 威2，3，杜红娟3，4，胡雪娇1

（1. 太湖流域管理局水文局，上海 200434；2. 江苏南水科技有限公司，江苏 南京 210012；3. 水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012；4. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012）

箱式水量水质自动监测站是将不需要使用试剂的电极式在线水质分析探头和水量在线测验设备H-ADCP、浮子式水位计等设备高度集成在高强度、耐腐蚀的不锈钢一体化野外机箱内，采用太阳能蓄电池供电、遥测站工作模式、清洗水重复利用设计方式，实现水量、水质的在线监测，为水资源管理提供重要的监测手段。通过介绍箱式水量水质自动监测站的设计方案，分析和介绍此类站点结构，各功能模块的设计理念、方法、特点及应用优势和适用领域。解决征地、供电、供水等问题，并首次应用到国家水资源管理系统建设中，为类似项目建设提供参考，具有良好的应用和推广价值。

箱式水量水质自动监测站；水资源管理；实时在线；设计；创新

0 引言

《中共中央 国务院关于加快水利改革发展的决定》[1]明确提出水是生命之源、生产之要、生态之基，第一次提出要实行最严格的水资源管理制度，并把严格水资源管理作为加快转变经济发展方式的战略举措。这意味着对水资源管理和监控提出了更高的要求，水量、水质的监控一直是水资源管理的重要内容。为此，水利部决定开展国家水资源监控能力建设项目，流域水资源监控能力建设项目是国家水资源监控能力建设项目的重要组成部分。

由于水质仪表运行、系统供电供水、系统集成化程度及站点运行方式等原因，常规的水量水质自动监测站都需要建设站房，将水量水质监测仪器、设备安装在站房内，并需要接入市电、自来水和有线网络等。由于站房建设占地面积较大，通常需要征地，土建工程投资较大，站点选址要求高，这些都大大增加了项目建设投资和难度，严重制约了站点设置密度，进而影响水量、水质监测能力和监测覆盖面。

为此，在太湖流域水资源监控能力建设项目中，针对监控断面需要监测参数的要求，创新地采用了箱式水量水质自动监测站建设方式，较好地解决了投资大、征地难、占地大、建设周期长等问题。箱式水量水质自动监测站是以野外遥测站为设计模板，站点具有占地面积小，不需要建设站房，不需要接入市电、自来水和有线网络等优点。具有建站灵活，适应性强，建站方便，投资低等特点。这些特点可使水量水质自动监测站的布设密度得到提高，建站难度大大降低，有效提高监测站点覆盖面，提高管理单位的水资源监控能力。

1 箱式水量水质自动监测站设计

1.1 总体设计

箱式水量水质自动监测站需实现水量水质参数的自动分析、处理、采集、控制等功能，可按功能分为水质和流量监测子系统。水质监测子系统由取排水、清洗、水质系统控制、水质分析、数据采集等单元组成；流量监测子系统由流量监测单元组成，其他设备还有系统供电、数据传输、现地监测设备、等离子显示屏[2]。其中，水质监测子系统控制单元和流量监测子系统共用同 1 台数据采集器。系统单元组成如图1 所示。

图1 监测站系统单元组成图

箱式结构站点考虑建站灵活，适应性强的要求，整体采用一体化野外机箱，设备集成在箱体中，除箱体安装所必需的基座外，基本不涉及土建。

1.2 分项设计

水量和水质采用在线数据采集方式进行流量、水位和水质参数的监测。结合目前国内的流量监测技术应用情况、监测河道断面现状和已建站的实际应用效果，流量监测采用超声波多普勒侧视法，水位监测采用浮子式水位计，水质监测项测量采用抽水式多参数水质分析仪（监测参数：水温、pH 值、溶解氧、电导率），配置氨离子（K 离子自动补偿）电极，小型化测量池及简易清洗装置，供电系统采用太阳能供电方式。

1.2.1 水质监测子系统

水质监测子系统主要由取水泵、取水浮台、管路、测量池、分析仪表、控制盒、数据采集器、清洗储水箱及阀门等组成，采用双泵双管路冗余结构，给水管选用 PPR 管材，排水管选用 PVC 管材。箱体内结构如图2 所示。

进行水质监测时，为了保证水温、pH、溶解氧、电导率、氨离子测量的准确性，由水泵直接从取水管路到测量池。水质分析仪进行水质分析处理，分析完成后由数据采集器采集分析结果。

水质分析完成后每次都需要对测量池进行清洗操作，防止测量池内残液影响下一次的正确测量。测量池先进行清洗，然后把池内灌满清水，使测量传感器浸泡在清水中，这样能对测量传感器进行有效的保护，减少仪器的维护工作量。

1.2.2 流量监测子系统

图2 监测站箱体结构图

流量监测子系统由 H-ADCP 传感器、水位传感器、数据采集器、电源系统、数据通讯等组成。其数据采集器、数据通讯与水质监测子系统共用。组成如图3 所示。

图3 流量监测子系统结构图

1.2.3 系统供电

箱式水量水质自动监测站以野外无市电供应条件为设计原则，供电系统采用太阳能电池板对蓄电池进行充电。本系统具有值守待机状态，数据采集器及 GPRS 等设备有发射和通信电流 2 种状态。

数据采集器静态值守电流小于 2 mA，工作时平均电流为 70 mA，发射电流为 100 mA；H-ADCP 传感器工作时平均电流为 50 mA，最大电流 100 mA；GPRS 静态值守电流为 11 mA，工作时平均电流为48 mA，发射电流为 110 mA。

24 h 工作时间电量计算：水质监测子系统中，水质传感器共约 200 mA；电动球阀 300 mA，同时运行工作电流共 600 mA ；取水水泵每个 4.5 A，开泵时间 10 min；清水水泵 4.5 A，开泵时间 5 min。水质监测子系统运行按 3 次/d，共运行 1 h。

H-ADCP 流量监测子系统 1 d 的发送次数是当天数据自报的次数，合计发送约 1 h 时间，则可计算出日发射耗电量。

Q1（日耗电量）= 发射时间×发射电流＋工作电流×24 h ＝ 7.9 A•h（按 H-ADCP 传感器工作最大计算）。

因此蓄电池容量 C ＝日耗电量×最大的连续无日照时间／容量修正系数 ＝ 7.9 A•h×14÷0.7 = 158 A•h，

式中：最大连续无日照时间按 14 d 计算；容量修正系数考虑蓄电池容量周期性的降落和它的老化，通常设为 0.7。

考虑到冗余量，本系统测站宜采用 3 个 12 V，100 A•h 的蓄电池，配用 3 块 40 W 的的太阳能电池板。2 个蓄电池串联组成 24 V，由 2 块太阳能板通过充电控制器给其充电，供水质监测子系统用电；1 个 12 V 蓄电池由 1 块太阳能板充电，供流量监测子系统和数据采集器用电。

2 特点及创新

2.1 特点

箱式水量水质自动监测站有别于常规的水质自动监测站，结构如图4 所示，为全天候野外监测站点。

这种野外箱式站点具有如下特点：

1）占地面积小，不需建站房，不需要接市电及自来水，建站灵活、方便，适应性强，投资低。可有效地避免因地形、环境、征地困难等因素影响监测站点建设，大大提高站点布设密度，进而提高水量水质自动在线监测覆盖面。增加水量水质监测数据采集量，提高水资源管理的数据支撑与服务能力。

2）系统集成度高，采用的设备结构简单、性能可靠、维护方便，具有防误操作、防潮、防腐、防雷击等能力，可在无人值守的条件下长期工作。

图4 箱式水量水质自动监测站结构图

3）水质分析仪器探头采用在线式电极，具有很好地工作环境适应性，维护周期较长、使用简单、费用低。

4）水质分析仪器不需要使用试剂，运行过程中不产生废液，因此减少了系统的维护工作量和废液处理设施，对环境无污染。

5）系统的清洗单元采用清洗水自行净化并重复使用的方式，因此系统不需要接入自来水。

6）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需求，相关设备保留一定的存储空间和相应的接口。

7）系统采用公网无线信道作为数据传输通道，不需要接入有线网络，通信费用低。

8）系统采用遥测站点工作方式，系统中使用数据采集仪（RTU）作为主控设备，具备自报、招测和固态存储的功能。

9）系统电源全部采用直流电源，各部分设备都使用低功耗设备。

2.2 设计理念与创新

箱式水量水质自动监测站采用了多项新颖设计理念，尤其是清洗水重复利用设计具有创新性。这些新颖的设计理念为实现系统全天候 24 h 实时在线监测水量和水质数据功能提供了保障，使得箱式水量水质自动监测站在流域水资源管理实际应用时具有一些优势。

1）清洗水重复利用创新设计。箱式水量水质自动监测站的水质测量系统设计增加了清洗水箱，在清洗水箱中定期添加自来水，系统使用这些自来水对水质测量系统中的测量池和管路进行清洗。

系统每次完成测量池和管路清洗后，都会自动把使用后的清洗水进行回收，重新储存在清洗水箱里。使用后的清洗水在清洗水箱内进行沉淀自净，完成沉淀自净后的清洗水再进行重复使用。

这种设计使得站点不需要接入自来水，解决了野外自来水接入的困难，只需要定期（1 个月左右）更换清洗水并清洗清洗水箱。

2）箱体设计。箱式水量水质自动监测站集成度高，主要设备集成在箱体内，使得站点建设时不需要建设站房，占地面积小，减小了项目建设难度和投资。箱体设计时需综合考虑设备集成、长期野外工作、环境温度变化等要求。箱体尺寸根据集成的设备仪器安装需要设计，采用双层保温、通风结构，以适应冬夏季温差变化；箱体材料采用高强度、耐腐蚀的不锈钢喷塑工艺，以保证野外恶劣环境下测站正常工作及安全。

3）测量池设计。箱式水量水质自动监测站水质测量在线式电极安装在一个测量池中，测量池材料采用有机玻璃，形状、尺寸根据安装电极大小设计，采用下进水方式，以保证测量池缓慢进水并注满整个测量池；同时测量池设计止水阀，以保证测量池注满水并控制进水量。

4）太阳能蓄电池供电系统设计。箱式水量水质自动监测站以野外无市电供应条件为设计原则，采用太阳能电池板对蓄电池进行充电的方式。

这种设计使得站点不需要接入市电，所有设备都使用直流电源。解决了偏远站点系统供电问题，减小了项目建设难度和投资。

5）遥测站工作模式设计。箱式水量水质自动监测站采用普通遥测站点的工作模式，使用数据采集仪（RTU）作为主控设备。使系统具备数据自报、招测和固态存储功能，增强了水量水质数据的时效性和可靠性。

6）水量和水质测验都采用在线式设备的设计。箱式水量水质自动监测站的水量测验设备采用 H-ADCP（流速测量）和浮子式水位计（水位测量）2 种在线设备；水质测验设备采用在线式电极（pH、电导、溶氧、ORP、浊度等）。

3 箱式水量水质自动监测站在太湖流域水资源监控能力建设项目中的应用

太湖流域水资源监控能力建设项目是国家水资源监控能力建设项目的重要组成部分，是加强流域水资源管理、贯彻落实最严格的水资源管理制度和《太湖流域管理条例》的重要基础性工作。箱式水量水质自动监测站设计方案已应用在太湖流域水资源监控能力建设项目中，在环太湖的幻溇闸、濮溇闸、汤溇闸、夹浦（迁建到长丰涧）、洑东大港、社渎港、官渎港、洪巷港及望虞河东岸的琳桥港、永昌泾闸、冶长泾闸，太浦河北岸的北窑港枢纽等 12 个口门[3-4]建设了箱式水量水质自动监测站，结合其他项目建设的监测站点，实时监测环太湖主要口门出入湖水量水质、“引江济太”调水入太湖水质和入湖效率及太浦河主要支流入河水量水质等情况，动态监测主要取水河道取用水情况。测站于 2013年 8月建成投入使用以来，运行稳定，每站各获得了近3 000 条水质数据、140 000 条水量数据，为太湖流域水资源管理、水环境综合治理提供了大量有效的数据，进一步提高了太湖流域水资源监控能力。

3.1 流量实时在线监测设备

根据 SL 365—2015《水资源水量监测技术导则》[5]流量实时在线监测设备选择用于河流和明渠流速、流量实时监测的声学多普勒仪器 H-ADCP 和浮子式水位计。H-ADCP 和浮子式水位计通过电缆与电脑连接即可以作为一个独立的流速、流量实时监测系统。

H-ADC 主要技术指标为

1）频率：1 200， 600 kHz；2）最小单元长度：0.25 m；3）最大剖面宽度：20 m；4）声束角：20°；5）声束扩散角：1.5°；6）流 速 量 程： ± 5.0 m/s（默认），± 20.0 m/s（最大）；7）环境要求：工作温度 -5～45℃，存放温度 -30～75℃；8）电源：12 V。

浮子式水位计主要技术指标为

1）测量范围：0～40 m（可选 10，20 m 量程）；2）最大水位变率：100 cm/min；3）分辨力：± 1 cm；4）测量精度：不超过 10 m 时，全量程范围内 95% 测点的允许误差为 ± 2 cm，99% 测点的允许误差 ± 3 cm；5）平均无故障工作时间 MTBF≥40 000 h；6）工作环境：温度 -30～60℃，空气相对湿度不限；7）输出接口：RS-485。

3.2 水质分析仪表

水质分析仪表选用的是电极式水质测量传感器及主机[6]，性能指标为

1）pH 智能电极。a. 量程：0～14；b. 精度：0.02；c. 分辨力：0.01；d. 温度测量范围：0～100 ℃。

2）电导率数字电极。a. 电极量程：0～2 000 uS/cm；b. 分辨力：0.01 uS/cm；c. 温度测量范围：0～100 ℃；d. 电极材质：钛材。

3）溶解氧数字电极。a. 电极量程：4 mg/L，0.05%～300% 氧气/空气饱和度；b. 分辨力：0.1 mg/L；c. 温度测量范围：-10～100℃； d. 电极材质：316 L不锈钢。

4）氨氮数字电极。a. 测试量程：0.1～100 mg/L；b. 分辨力：1 或 0.1 mg/L；c. 周边条件操作温度：0～40℃，贮存温度：0～40℃；d. 准确度：± 5%测试值或 ± 0.2 mg/L 标准液；e. 功耗 0.2 W。

4 结语

箱式水量水质自动监测站设计方案解决了水质自动监测站建设占地大、征地难、供水供电难等问题，为水量水质自动监测系统建设提供了一种新的设计思路，可为流域和区域水资源管理与调度、重点河湖取水总量控制、水功能区监督管理、水污染防治等提供新的监测手段与技术支撑，具有良好的应用和推广价值。太湖流域水资源监控能力建设项目中应用本方案建设了 12 个箱式水量水质自动监测站，自 2013年投入运行以来，监测了大量有效数据，在太湖流域水资源管理、水环境综合治理中发挥了积极作用。

[1] 中共中央、国务院. 中共中央 国务院关于加快水利改革发展的决定[A]. 北京：中共中央、国务院，2011: 1-3.

[2] 水利部南京水利水文自动化研究所. 太湖流域水资源监控能力建设项目流量和水质预警监测站点建设施工设计[R]. 南京：水利部南京水利水文自动化研究所，2013: 15-44.

[3] 上海网波信息技术有限公司. 太湖流域水资源管理系统建设实施方案[R]. 上海：上海网波信息技术有限公司，2011: 130-139.

[4] 水利部太湖流域管理局. 太湖流域水资源监控能力建设项目实施方案[R]. 上海：水利部太湖流域管理局，2011: 24-33.

[5] 中华人民共和国水利部. 水资源水量监测技术导则：SL 365—2015[S]. 北京：中国水利水电出版社，2015: 5-8.

Design and application of water quantity and quality automatically monitoring station of box-type

ZHANG Jian1, LONG Wei2,3, DU Hongjuan3,4, HU Xuejiao1

（1. Bureau of Hydrology of Taihu Basin Authority, Shanghai 200434, China; 2. Jiangsu Naiwch Corporation, Nanjing 210012, China; 3. Hydrology and Water Resources Engineering Research Center for Monitoring, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China; 4. Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China）

Water Quantity and Quality Automatically Monitoring Station of Box-type is a kind of on-line monitoring, which highly integrates monitoring instruments into a stainless steel outdoor crate of high strength and corrosion resistance. The monitoring instruments are on-line water quality analysis probe, on-line monitoring for water quantity H-ADCP, float type level meter, and so on. The on-line water quality analysis probe is a type of electrode, without using reagent. The automatically monitoring station uses solar and battery power supply, telemeter station working mode, recycle cleaning water, which realizes on-line monitoring of water quantity and quality, offers important monitoring methods for water resource management. By means of introducing the design scheme of water quantity and quality automatically monitoring station of box-type, this paper analyzes the design ideas, methods and characteristics of the structure and the function modules, introduces the application advantages and application fields. It can solve a series of problems, such as requisition of land, power supply, water supply, and so on. It has been applied to the construction of national water resources management system for the first time, offers reference for similar projects, has good application and expanding value.

water quantity and quality automatically monitoring mtation of box-type; water resource management; real-time Online; design; innovate

X832

A

1674-9405（2017）03-0046-05

2016-08-31

张 健（1963-），男，安徽滁州人，高级工程师，主要从事水文水资源监测技术与管理工作。

10.19364/j.1674-9405.2017.03.011