車載式水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)在水環(huán)境保護(hù)中的研究與應(yīng)用

曹 軍

（江蘇環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇 南通 226300）

車載式水質(zhì)檢測(cè)技術(shù)主要利用先進(jìn)的車輛改裝技術(shù)、環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與加工技術(shù)以及數(shù)據(jù)傳輸工具，能夠?qū)④囕v內(nèi)部的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)的對(duì)象達(dá)到充分融合的目的，逐步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)水樣進(jìn)行采集、分析、控制以及遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。我?guó)已經(jīng)進(jìn)入突發(fā)水質(zhì)污染高峰的階段，在我國(guó)各種高發(fā)的環(huán)境污染案件中，水污染發(fā)生頻率最高，造成的經(jīng)濟(jì)損失也最大。目前，我國(guó)很多地方對(duì)于突發(fā)性水污染的環(huán)境應(yīng)急保障體系還處在建設(shè)的初級(jí)階段，許多處理技術(shù)和應(yīng)急保障制度還不夠完善。水污染的應(yīng)急方案主要針對(duì)政府部門和指揮機(jī)構(gòu)，其對(duì)于危機(jī)進(jìn)行反應(yīng)的程序和時(shí)效規(guī)定比較多，但是對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行快速分析的設(shè)備研究比較少，特別是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的快速檢測(cè)設(shè)備幾乎處于空白。

1　車載式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

車載式水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由水質(zhì)監(jiān)測(cè)車、在線監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)和其他輔助設(shè)備等組成。其中，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)主要包括水質(zhì)取樣設(shè)備、污染物在線分析設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)污染物采集和傳輸設(shè)備、中心控制單元設(shè)備，輔助設(shè)備主要包括供電設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備等。

2　水質(zhì)監(jiān)測(cè)車輛改裝技術(shù)

2.1　車輛的基本選型

對(duì)車載式水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)使用的車輛進(jìn)行選型時(shí)，主要考慮車輛的整體承重、密封性好壞、減震性能是否優(yōu)劣、滿載時(shí)的車速、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的功率等。目前，主要選用的是進(jìn)口汽車，然后對(duì)其進(jìn)行改裝，這樣能夠做到比較好的密封作業(yè)，達(dá)到防塵與防雨的性能。

2.2　車輛的改裝技術(shù)

本研究中，水質(zhì)監(jiān)測(cè)車采用奔馳65d柴油機(jī)，這種車輛強(qiáng)度較高，具有完善的減震性能，車廂體能夠雙后開門和單側(cè)拉門，箱體的上部有天窗。水質(zhì)監(jiān)測(cè)車整體分為駕駛區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)兩個(gè)部分，中間可以設(shè)置推拉窗進(jìn)行隔斷。水質(zhì)監(jiān)測(cè)的儀器主要放在實(shí)驗(yàn)區(qū)的右側(cè)，實(shí)驗(yàn)區(qū)的左側(cè)可以選用耐腐蝕、耐氧化以及不易燃燒的實(shí)心理化板，理化板的下部主要包括有水箱、供電系統(tǒng)，左右側(cè)的系統(tǒng)重量要達(dá)到平衡狀態(tài)[1]。整個(gè)實(shí)驗(yàn)的車體右側(cè)是發(fā)電機(jī)的艙門，主要安裝的是進(jìn)口自鎖的發(fā)電機(jī)滑道，并且配備相應(yīng)的發(fā)電機(jī)，功率不能夠小于3 kW。

2.3　車載式水質(zhì)監(jiān)測(cè)的設(shè)備

在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處理時(shí)，需要對(duì)樣品進(jìn)行快速的傳遞，因此車載式監(jiān)測(cè)平臺(tái)必須要配備便攜式的現(xiàn)場(chǎng)分析儀器，這樣能夠有效提高環(huán)境監(jiān)測(cè)效率。按照這樣的配比原則，技術(shù)人員需要配置水和氣體的檢測(cè)試管、單項(xiàng)或者是多項(xiàng)的氣體檢測(cè)器、具有便攜功能的紫外可見分光光度計(jì)、具備便攜式的氣相色譜儀、具有多項(xiàng)目的水質(zhì)檢測(cè)器、袖珍式的爆炸或者是有毒有害氣體的檢測(cè)裝置、便攜式的離子劑、具有變形功能的離子色譜儀、多普勒流量?jī)x、反射式分光光度計(jì)、具有便攜功能的陽(yáng)極掃描伏安計(jì)、等比例的水質(zhì)采樣器、車載式的GC-MS儀器、具有便攜功能的傅立葉變換紅外光譜儀以及免疫分析儀等設(shè)備。有條件的地區(qū)可以配置開放通道的傅立葉變換紅外光譜儀，這種裝置能夠直接對(duì)污染源和大氣中污染物進(jìn)行不干擾測(cè)定，具有良好的流動(dòng)性[2]。

3　車載式水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)集成技術(shù)

3.1　水樣的采集存儲(chǔ)和反沖洗技術(shù)

在水質(zhì)監(jiān)測(cè)車的后箱安裝自吸泵，同時(shí)外接采水軟管，采水管道需要攜帶過(guò)濾網(wǎng)等裝置，正常情況下軟管長(zhǎng)度約為30 m，同時(shí)附加長(zhǎng)度也能夠滿足取水百米的要求，也需要保證車輛可以從橋上遠(yuǎn)距離進(jìn)行取水作業(yè)。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)中需要考慮到水樣分析的必要性，在采集樣品完畢后，可以分為兩路進(jìn)入儀器。比如，樣品可以直接進(jìn)入五參數(shù)的分析儀，多余樣品可以進(jìn)行直接排出；室內(nèi)部分樣品直接進(jìn)入儲(chǔ)水箱，并且經(jīng)過(guò)靜置沉淀后，對(duì)其高錳酸鉀指數(shù)、總磷或總氮指數(shù)進(jìn)行分析。水質(zhì)監(jiān)測(cè)車的儲(chǔ)水箱能夠進(jìn)水和出水，進(jìn)水或者是進(jìn)行向外排出水都需要閥門進(jìn)行控制。在水質(zhì)監(jiān)測(cè)車的車廂內(nèi)，需配置一個(gè)60 L的清洗水箱，它能夠方便作業(yè)人員完成相關(guān)作業(yè)以后，根據(jù)手動(dòng)設(shè)定的程序進(jìn)行自動(dòng)沖洗，實(shí)現(xiàn)對(duì)于氨氮等儀器取水管道和采水管道的沖洗。

3.2　水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器的選擇

綜合考慮到車體內(nèi)部的整體空間、儀器尺寸的大小以及投入的成本，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工作的實(shí)際需求，車載式水質(zhì)監(jiān)測(cè)主要考察五種參數(shù)：水質(zhì)的pH值、溶解氧值、電導(dǎo)率大小、水溫大小、高錳酸鉀的鹽指數(shù)、總磷和總氮的分析儀。在水質(zhì)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，監(jiān)測(cè)儀器盡量選用氣密性良好、運(yùn)行穩(wěn)定的成熟品牌。

3.3　現(xiàn)場(chǎng)工作的技術(shù)

現(xiàn)場(chǎng)控制技術(shù)系統(tǒng)主要由工控機(jī)、PLC（可編程控制系統(tǒng)）以及其他繼電器組成，該技術(shù)主要包括總線控制技術(shù)和組態(tài)開發(fā)技術(shù)。這種控制界面操作比較簡(jiǎn)單，能夠根據(jù)用戶的直接需求，設(shè)定工作周期，在中心控制模塊內(nèi)進(jìn)行啟動(dòng)或者關(guān)閉閥門水泵作業(yè)。系統(tǒng)可以根據(jù)水泵和閥門的反饋情況，對(duì)信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行判斷，對(duì)污染水質(zhì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，對(duì)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，能夠保證通信的暢通，保障車載式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)和接受數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.4　數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要基于CDMA的無(wú)線通信傳輸技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果的實(shí)時(shí)傳輸，與遠(yuǎn)處的環(huán)境監(jiān)測(cè)中心進(jìn)行無(wú)縫的連接，這樣會(huì)有效促進(jìn)系統(tǒng)查詢和統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

3.5　對(duì)于中心單元的監(jiān)控

車載式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的中心監(jiān)控端能夠支持多種接入方式，可以將車載式的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所得到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)也可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的儀器下達(dá)指令。

4　輔助設(shè)施的基層管理

4.1　供電單元的集成

整個(gè)供電系統(tǒng)包括有外接的電源接口、發(fā)電機(jī)、電源箱、蓄電池的電池組、對(duì)人的控制板等。其可以分為三個(gè)供電或用電的區(qū)域，主要是照明用電區(qū)域、儀器用電區(qū)域、空調(diào)供電的區(qū)域等。

車載式水質(zhì)監(jiān)測(cè)車的供電區(qū)域，由發(fā)電機(jī)通過(guò)UPS（不間斷電源）進(jìn)行發(fā)電，市電和發(fā)電機(jī)之間能夠自動(dòng)切換，發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行供電的同時(shí)，市電能夠相對(duì)應(yīng)接入U(xiǎn)PS，其能夠自動(dòng)打開市電的接入端口，將發(fā)電機(jī)的電力接入端口進(jìn)行關(guān)閉。水質(zhì)監(jiān)測(cè)的蓄電池組主要配置有八個(gè)12 V、40 μA的免維護(hù)電池，在沒有市電或發(fā)電機(jī)進(jìn)行供電的情況下，后備的蓄電池組能夠通過(guò)UPS為整個(gè)系統(tǒng)提供充足的電力。這種供電系統(tǒng)采用日本雅馬哈發(fā)電機(jī)，輸出的功率達(dá)到5.5 kW，為車載式水質(zhì)監(jiān)測(cè)車在野外工作提供足夠的電量，保證整個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的正常工作[3]。

4.2　空調(diào)的通風(fēng)系統(tǒng)集成

水質(zhì)監(jiān)測(cè)車的通風(fēng)單元主要由帶有過(guò)濾裝置的空氣進(jìn)氣口和實(shí)驗(yàn)室空氣的排風(fēng)扇組成。實(shí)驗(yàn)區(qū)可以配置空調(diào)，空調(diào)的功率大約為2 kW。在水質(zhì)監(jiān)測(cè)車正常工作時(shí)，夏季的氣溫要控制在22℃左右；冬天寒冷干燥的氣候條件下，應(yīng)該啟動(dòng)電加熱裝置，這樣可以使得車內(nèi)的溫度控制在25℃以上。

5　車載式水質(zhì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)在水環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用

5.1　應(yīng)用的示范

丹江口水庫(kù)位于河南省與湖北省的交界處，是南水北調(diào)中線工程的水源地。人們可以采用車載式的自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)水庫(kù)重點(diǎn)敏感區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而確保整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，掌握水庫(kù)重點(diǎn)區(qū)域的水質(zhì)情況。其間，人們要分析和總結(jié)車載式自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和具體應(yīng)用，形成可以推廣的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。監(jiān)測(cè)時(shí)，人們選擇了25個(gè)具有代表性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)選取了30多個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，這些指標(biāo)包括水溫、水的pH值、總氮值、溶解氧的數(shù)量、總鐵值、總磷值、電導(dǎo)率、高錳酸鉀指標(biāo)等。最后對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，人們得到了評(píng)價(jià)結(jié)果，與應(yīng)用傳統(tǒng)方法得到的數(shù)據(jù)相比，該方法具有更加良好的效果，這說(shuō)明車載式自動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)比較先進(jìn)，能夠滿足國(guó)家的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

5.2　車載式水質(zhì)監(jiān)測(cè)在水環(huán)境環(huán)保中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)

5.2.1常規(guī)與應(yīng)急可以兼顧

車載式自動(dòng)監(jiān)測(cè)是一個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)⑦h(yuǎn)程的通信傳輸和在線監(jiān)測(cè)融為一體，形成具有獨(dú)立性與完整性的新系統(tǒng)。在日常工作中，人們可以將車載式自動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)看作是一個(gè)活動(dòng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，如果轄區(qū)內(nèi)發(fā)生水環(huán)境污染事故，水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)可以作為環(huán)境應(yīng)急響應(yīng)監(jiān)測(cè)的一部分，在最短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)污染水質(zhì)進(jìn)行快速測(cè)量，對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)流動(dòng)車、實(shí)驗(yàn)室安全測(cè)量分析進(jìn)行合理補(bǔ)充，配合相關(guān)機(jī)構(gòu)開展水污染調(diào)查工作，這樣就能充分發(fā)揮車載式自動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)流動(dòng)監(jiān)測(cè)站和流動(dòng)監(jiān)測(cè)的功能[4]。

5.2.2能夠提高數(shù)據(jù)精確性

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)配備有先進(jìn)的控制系統(tǒng)和在線監(jiān)測(cè)儀器，在與水質(zhì)自動(dòng)站進(jìn)行質(zhì)控對(duì)比時(shí)，人們可以利用同一種水樣和同一種設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，對(duì)質(zhì)量控制進(jìn)行比對(duì)，查找誤差產(chǎn)生的原因，對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精確性進(jìn)行校準(zhǔn)，這樣能夠提高自動(dòng)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理精確性。以太湖流域?yàn)槔伺d市環(huán)境監(jiān)測(cè)部門平時(shí)將自動(dòng)監(jiān)測(cè)車停放在自動(dòng)監(jiān)測(cè)站內(nèi)，每個(gè)月需要與太湖的水質(zhì)自動(dòng)站進(jìn)行質(zhì)控對(duì)比，采樣需要一同進(jìn)行，然后進(jìn)行同步的化學(xué)分析。這樣通過(guò)兩套自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)水樣進(jìn)行分析和檢測(cè)，比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)定，可以提高整個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精確性，能夠?yàn)樘饔蛩|(zhì)監(jiān)測(cè)提供更好的總量監(jiān)測(cè)指標(biāo)和生態(tài)補(bǔ)償服務(wù)[5]。

6　結(jié)語(yǔ)

車載式水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)在水環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用是一種新鮮的嘗試，能夠?qū)⑺|(zhì)自動(dòng)檢測(cè)站的主要工作內(nèi)容置于水質(zhì)監(jiān)測(cè)車之內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)水質(zhì)的自動(dòng)采樣、自動(dòng)分析，并且能夠與控制中心進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。車載式水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠克服人工進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)時(shí)自動(dòng)化程度較弱的缺陷，同時(shí)也解決了固定式自動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站無(wú)法根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整監(jiān)測(cè)水位的問題，對(duì)于重要城市的水源供應(yīng)地、省界水質(zhì)情況、污染水體的重要控制斷面、進(jìn)入河流的重要排污口情況能夠?qū)崿F(xiàn)全天候的實(shí)時(shí)監(jiān)控。