河湖长制水质自动监测以实现水质在线监测数据实时及动态展示、污染排放追溯管理以及对水质变化进行分析研判，实现区域河湖水质精细化管理为目的，同时通过水质在线监测，建立追根溯源和水质水量预报调度体系，及时掌握河湖重点区域水质变化、污染成因，形成水质改善调度方案，预测水环境变化趋势，便于各级领导对辖区内水质实时情况、污染排放追溯管理以及对水质变化进行分析研判，实现区域河湖水质精细化管理的目的。

一、系统介绍

本项目拟采用的水质在线监测预警溯源系统是杭州希玛诺（SIGMARO）光电技术股份有限公司联合浙江大学历时十余年共同研发出的一款高集成多光谱水质在线快速分析系统，集水质监测、污染预警、污染溯源于一体，是新一代应对水污染、保护水资源的利器。

该系统采用了国际领先的多源光谱融合分析技术，将紫外／可见（UV/Vis）吸收光谱、荧光发射光谱（FL）和拉曼（Raman）光谱对水质的分析结果进行有机融合，可实现对总氮、总磷、高锰酸盐指数/化学需氧量等多种水体有机物综合指标的准确测量，突破了以往光学法水质分析仪表分析精度低、抗干扰能力差的技术瓶颈，显著提升了水质在线分析性能。该技术能承担水质实时在线监测预警工作，最高监测频率可达到每5分钟测量完毕并数据上传一次，24小时无间断，无需人员看管，在应对水体突发性污染事件中，能够做到及时预警并实时动态捕捉污染变化情况。而在多源光谱融合分析技术的基础上衍生出来的多源光谱联合溯源技术，利用在水质测量时生成的光学图谱进行特征污染物识别和匹配，能够对疑似污染源进行相似度排查，大大提高水环境管理效率。利用多种光谱法进行联合溯源，可克服单种光谱法溯源过程中无法避免的信息缺失，获得更高的准确度。

该系统由光学测量和数据处理系统、辅助安装系统、供电系统、通讯传输系统、安全防护系统等多个子系统构成。其中光学测量和数据处理系统包括水质监测模块、预警模块、溯源模块和边缘计算模块；辅助安装系统均采用户外无站房模式，具体安装方式根据实际情况可有多种选择；为偏远电力不足地区考虑，供电系统特别增加了太阳能供电选项，有效降低了监测站对监测环境的要求；通讯传输系统可兼容包括GPRS、CDMA、BDS、IoT在内的多种通讯协议，充分满足客户要求；安全防护系统包括护栏护杆、防雷电装置、防盗装置、视频监控等，可按照客户要求和监测站周边环境进行适配选择。

 

二、多源光谱融合分析技术介绍

目前常用的水质在线监测技术分为两种技术路线：光学法和化学法。本项目采用的多源光谱融合分析技术（光学法），是国家高技术研究与发展计划（国家863计划），科技部重点项目的研究成果，为《水利部先进实用技术重点推广指导目录》、《全国河湖长制适用技术指南》、《全国河长制湖长制适用技术细则》重点推荐的水质在线监测技术之一。

以下就两种水质在线监测技术在实际应用中的各项情况列表进行对比。

（一）在线监测性能对比

水质在线分析技术	传统化学法	光学（多源光谱融合）分析法
参数数量	单机只能测量单一的有机物综合指标COD。由于不同测量参数的化学反应过程不相同，因此单机设备不能测量多个有机物综合指标。	单机可同时测量COD、BOD、TP、TOC、TN、CODmn、pH、DO、TDS、TC、NH3-N、叶绿素a、蓝绿藻等多项指标。
测量时间	标准测量时间为120分钟，快速消解（3-100分钟）将导致化学反应不完全，误差加大。	最小测量时间为5分钟。
测量精度	符合或优于《地表水自动监测技术规范》（HJ 915-2017）	符合或优于《地表水自动监测技术规范》（HJ 915-2017）
二次污染	测量过程中需使用重铬酸钾、硫酸银、浓硫酸、硫酸汞等有毒试剂，测量后废弃水样泄漏将导致二次环境污染。	无需任何试剂，无二次污染。
运行成本	日常运行需使用各种昂贵的分析试剂，因此分析费用较高，每年总计可达设备总价值的20%以上。	除少量电费与通讯费（如数据远传）外，无日常运行费用。
维护要求	分析过程中要使用大量各种加热、搅拌、称量、配比、分光设备，维护复杂，技术要求高。同时由于设备结构复杂，因此故障率较高。	分析过程中除接触样品的探测器外，所有其他设备均为免维护设备。探测器具备自清洗功能，无需人工维护。
设备投资	仪表结构复杂，精密部件很多。且正常使用需高标准的设备机房。设备建设投资大。	仪表结构简单，体积小，可在户外或水下直接安装，设备建设总投资低。

 

（二）预警溯源能力比较

水质在线分析技术	传统化学法	光学（多源光谱融合）分析法
实时响应性	通常为小时数量级，响应速度慢	通常为分钟数量级，响应速度快。
可溯源性	因化学反应试剂和流程的固定性，及单次测量时间为小时级别，所以无法即时识别水中污染物的种类及排查污染物质来源。，	5分钟测量完毕、24小时无间断，无需人员看管，在应对水体突发性污染事件中，能够做到及时预警并实时动态捕捉污染变化情况。且在水质测量时生成的光学图谱可以进行特征污染物识别和匹配，能够对疑似污染源进行相似度排查。
可识别 性	因化学反应试剂和流程的固定性，无法自动识别引起测定误差的各种干扰因素，因此难以设计出识别机制，对突发事件导致的测量误差做出有效的预警。	水体分析样品的各种模式对样品成分或浓度的变化极为敏感，因此可方便地通过样品的模式分析自动识别水质异常，进而做出有效的突发事件预警。
可适应性	由于化学反应试剂和流程的固定性，无法通过现场常规维护手段改变仪表原设计的水质和浓度有效适用范围。	仪表带有的现场标定/校正功能具备积累叠加效应，可通过多次水质异常测量校正逐步缩小测量误差，越来越适应复杂水质变化。或即具备“对突发事件的学习能力”。
可扩展性	仪表的核心能力是其化学反应试剂和流程设计，数据计算算法相对简单，不占主导地位。因此当仪表硬件条件一旦固定，无法通过现场或远程技术手段改变仪表原设计的核心测定流程。	仪表可在采集数据的基础上通过复杂计算获得测量结果，因此在仪表硬件条件已固定的条件下，仍可通过现场/远程技术手段，不断升级关于计算方法方面的最新研究成果，使仪表处理突发事件的能力越来越好。

 

由上可见传统化学法存在检测周期较长、废液处理不当容易对环境造成二次污染、成本较高，不仅包括大量化学分析试剂的购买成本，废液处理成本，还包括站房建设、运行和维护等成本等问题。而多源光谱融合水质分析法不仅无上述问题还能用于预警溯源，是河湖长制水环境管理的理想技术。

三、系统优点

Ø 测量精度高

本系统采取多源光谱融合分析法和电极法进行水质参数测量，因多源光谱融合分析技术的测量结果是综合了紫外光谱和荧光光谱分析结果，分析精度远远大于传统紫外光学在线分析技术，本系统精度可媲美人工实验室分析。

Ø 预警溯源功能

本系统作为国内外唯一一款具有污染源预警溯源功能的水质在线监测系统，当本系统监测到水质指标存在超标情况时，可进行报警并启动溯源功能，通过光谱匹配和特征识别能够对水中超标污染物进行溯源追踪。

Ø 集成度高

本系统属于高度集成，监测站体积仅为传统站房式化学在线监测站平均体积的二十分之一。

Ø 抗干扰能力强

本系统配有浊度补偿算法、高盐度模式以及低浓度模式，对于传统化学法或光学法水质在线分析无法克服的不利监测情况提供了解决方法。

Ø 建设费用低

本系统采用景观化安装方式和无人值守模式，不存在征地和建设站房以及人员值守的费用。

Ø 运行费用低

本系统运行过程中无需化学试剂，没有化学试剂购买以及废液回收处理的费用。且仪表具有自清洗功能，与传统化学法水质在线监测站相比，运维频次大大降低，减少了运维费用。

Ø 实时监测

本系统测量速度极快，单次测量时间小于5分钟，可设定每5分钟监测一次，可实时反映水质动态变化情况并上传至管理平台。

 

采用光谱融合的多源光谱融合分析法具有以下优点：

Ø 测量精度高

Ø 数据实时获取

Ø 系统集成度高、稳定性好、扩展性强

Ø 抗干扰能力强、预警性强

Ø 建设费用低、可景观式安装

Ø 运行费用低、无二次污染

Ø 维护容易、安全性高

四、技术参数指标

1）采用UV/VIS光谱和荧光光谱等多种类光谱融合分析方法、电极法、测量所需水质指标。无需建设站房，测量过程不得使用任何化学试剂。

2）同时自动监测水温、pH、溶解氧、电导率、浊度、高锰酸盐指数、氨氮、总磷和总氮等9项水质指标。

3）在高浊度、高盐度、高酸碱度的水质条件下，具备测量精度补偿性能。

4）最小监测周期5min

（2）技术参数指标

1）水温测量方法：温度传感器法；

量程范围：0-50℃；测量精度：±0.1℃；分辨率：0.01℃。

2）酸碱度测量方法：玻璃电极法；

量程范围：0-14pH；测量精度：±0.1pH；分辨率：0.01pH。

3）溶解氧测量方法：光学/膜电极法；

量程范围：0-25 mg/L；测量精度：±0. 2 mg/L；分辨率：0.01 mg/L。

4）电导率测量方法：电导电极法；

量程范围：0-100 ms/cm；测量精度：±1 %FS；分辨率：4位

5）浊度测量方法：光散射法；

量程范围：0-100 NTU；测量精度：±5%；分辨率：1 NTU。

6）氨氮测量方法：光学/膜电极法；

量程范围：0-5、50、100、200 mg/L多档可选；重现性：≤±2% FS；准确度：≤±10%；检出限：0.05mg/l。

7）高锰酸盐指数测量方法：无试剂光学法；

量程范围：0-5、50、100、200 mg/L多档可选；重现性：≤±10% FS；准确度：≤±10%。

8）总磷测量方法：无试剂光学法；

量程范围：0.05～2.0 mg/L；重现性：≤±10%；准确度：≤±10%；检出限：0.01mg/l。

9）总氮测量方法：无试剂光学法；

量程范围：0.05～4.0 mg/L；重现性：≤±10%；准确度：≤±10%；检出限：0.05mg/l。

五、站点形式选择

针对河湖长制各类水体不同的应用场景，有不同安装形式方案可选。

（一）河道式站点

1. 立杆式安装

立杆式承载平台是水环境监测预警溯源设备的一种承载平台形式。立杆式承载平台分为遮阳盖、箱体、基座三部分。立杆式承载平台总高2010mm，遮阳盖尺寸为：长580mm×宽580mm×高50mm，箱体尺寸为：长530mm×宽530mm×高752mm，基座高1108mm。

 

图2-1立杆式承载平台尺寸图

 

图2-2立杆式安装效果图

立杆式承载平台占地面积不大于1.5m2，无需建设监测站房，大幅削减水质监测站建设成本。立杆式承载平台将测量单元、供电单元等其它单元都置于箱体内部，有利于适应复杂地理环境，防止洪涝灾害影响。供排水管直接内嵌于立杆内部，保持整洁美观。

2. 景观立杆式安装

景观式承载平台秉承“融站入景”的原则，是专为市区内或旅游景点等对景观要求较高的水系所设计。景观式承载平台以白色为主色调，绿色为辅助色，仪表箱为圆形，外形简约，给人一种现代和谐的感觉。景观式承载平台整体材质为不锈钢，防潮防锈。

景观式承载平台机箱直径为0.72m，高2.15m，机箱被置于人舒适取放物品的高度之上，有一定的防盗作用，且可自如应对水位上涨。

 

 

3. 极寒保温微站式安装

极寒保温微站式承载平台是为了保障在极低能耗下监测站也能够在极寒环境中正常运行而专门设计的。微站式承载平台尺寸为：长1200mm×宽1030mm×高2000mm。微站内部采取了一系列保温措施，在不必额外加装空调的情况下，保障了在我国北方冬天零下-20℃的环境中监测站依然能够以极低功耗稳定运行。

 

图2-3极寒保温微站式承载平台尺寸图

 

图2-4极寒保温微站式安装效果图

4. 供排水装置

（a）供水装置

为了避免对航道的影响，河道型水环境监测预警溯源自动站使用采水装置将河道水样直接提升至位于高处的监测站箱体内，所以需要用到供水装置。供水装置根据各监测自动站点的实际需求选择合适功率、扬程的取水泵。在大多数情况下，选用电压为12V、流量为6LPM的潜水泵作为取水泵，已能满足监测需求。取水泵材质一般选用不锈钢，管道入口配有相应的粗过滤防护装置，防止水中石块、树枝等较大杂物损坏水泵。

供水装置采用双泵采水，一采一备，满足实时不间断监测的要求。当一路出现故障时，能够自动切换到另一路进行工作，保证监测系统的正常运行。同时系统会通过故障自检系统上报故障原因，维护人员即可前往现场维修或更换。

 

 

 

 

 

 

 

 

图2-5供水装置

 

（b）取水管路

采水管采用硬质胶管、UPVC管等材质稳定的材料，避免对水样产生污染。采水管道采用排空设计，管道内不存水，防止藻类孳生。为防止供水管道意外堵塞，以及方便维护时清洗沉积泥沙，采水管路设计为可拆洗式。

采水管路外部配有聚乙稀保温套管进行隔热保温处理，并在外部套用PVC管材，减少环境因素，如强烈阳光直射，对水样监测结果造成干扰，保证对监测指标(除水温外)的监测结果影响小于5%，对水温的影响必须小于20%，以及在冬季时，保证采样管道不被冻裂。

取水方式采用支架加浮球的组合方式，以便取水口能随水位上下变化，保证取水管的进水端一直位于水表面以下0.5m～1m处，且与河底保持一定距离，进水端不沉底，确保所采集到的水样具有代表性，符合监测需求。

 

图2-7 取水装置图

 

(c) 排水装置

当河道型水环境监测预警溯源自动站每次测量完毕后，仪表主机会发送控制命令至排水装置，驱动器会自动打开球阀将已测量过的水样排空。为不干扰取水水样的准确性和代表性，排水点应设在采水点下游至少5m以外。

 

5. 前置处理装置

因河道水环境中常含有树叶、杂草、垃圾等杂物，不仅可能会堵塞供排水管道，还会干扰水质监测结果，故对河道型水环境监测预警溯源自动站会依据实际情况加装前置处理装置。对一些有特殊进样要求的应用场合，不加装前置处理装置。

前置处理装置避免水中杂物进入管道，也能过滤掉一些大直径颗粒物，在保持水样代表性的基础上，即前置处理装置不会对实际水样监测结果产生影响，保证水环境监测预警溯源自动站能够长时间稳定可靠运行。

前置处理装置能在系统停电并恢复供电后，自动恢复运行。

6.安全防护单元

（1）防冻措施

  箱体保温

  监测箱体内部设置有隔热层，夏季可有效防止阳光直射造成监测设备温度过高，冬季配合辅助加热装置确保监测设备结冰。

  温控装置

  监测箱体嵌入温度传感器，当室外温度达到0度以下时，温控开关自动切换至辅助加热系统，并同时进行水箱排水，仪表停机，保证监测设备安全性。

  加热装置

  箱体测量设备周围采用低压电伴热带缠绕，在温度低于0摄氏度时，电板热带通电工作，将温度稳定在10摄氏度左右。当室外温度大于10度时，辅助加热装置停止加热，同时启动仪表进行测量工作。

  管道保温

  取水管道采用50mm厚保温棉进行防护，并将管道埋设于地下30厘米处。防止冬季管道存水被冻裂或堵塞。

（2）防雷措施

提供三级避雷装置及通讯防雷，包括等电位连接系统、共用接地系统、屏蔽系统、合理布线系统、浪涌保护器等。

第一级 在监测点立杆顶部安装0.5米长的避雷针并做好接措施。

第二级 电源接入整个系统的控制柜之前，安装避雷器。

第三级 在每台仪器中均安装防浪涌装置。

（3）防风措施

1、立杆底部采用长1米、宽1米、深0.8米的混凝土浇筑底座，底座内预埋直径16cm的钢筋，用于固定立杆。

2、根据安装现场环境确定（地区最大风力），是否加装拉线，保证立杆稳定性。

3、尽量避免在立杆上安装大面积设施，减小风阻。

4、保证设备及立杆在7级风以内正常工作，8级风设备不被破坏。

（4）其他防护措施

在监测点周围安装1.5米锌钢栅栏，仪表安装gps定位系统，入侵探测报警系统，保障在线监测站的财物安全。

 

（二）湖库型（大面积水域）站点

1. 浮动平台式承载平台

浮动平台用于承载湖库型水环境监测预警溯源自动站对于湖库中央水下水质进行原位监测。浮动平台尺寸直径为2.5m，整体最大浮力约为15000N（=1530kg），浮筒及框架重约为510kg，仪表自重20kg，浮台（含设备）整体种约为530kg。仪器安装于平台中央, 现场安装和售后维护时，浮动平台允许至少三人同时上浮动平台进行操作。仪表沉入水下500~1200mm。设备浮动平台上方安装有太阳能电板。平台上安装有高出护栏500mm的防雷杆、防止设备被盗的警示标牌、防止碰撞的航标灯和旧轮胎等辅助设施。

 

图2-8浮标式安装效果图

 

图2-9 浮标安装示意图

 

2. 锚固装置

浮动平台采用水下抛锚方式，锚体采用的定制的双杆鳐锚，锚体重200kg，锚链链径φ10mm，锚链拉断实验负荷107KN。浮动平台与锚体之间通过锚链和钢丝绳连接，采用万向转扣防止缆绳发生旋转缠绕。一般在湖库底部平坦区域进行抛锚，锚爪深嵌入湖库底泥中。待锚体固定好以后，顺着锚体抓地方向放置锚链，连接钢丝缆绳留有足够的余量应对水位落差造成的浮动平台位置变动，保证锚链始终平躺于湖库底部，在浮动平台在浮动过程中锚体始终受到水平拉力，避免锚体被拉起。

 

 

 

 

 

 

 

图  锚定装置

供电单元

（a）市电供电

水环境监测预警溯源自动站可采用220V交流电直接供电，电路控制系统包括内嵌式计算机、可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller, PLC）、各种电源转换模块、继电器等器件，定时向自动站输出系统正常运行所需的稳定电压。

（b）太阳能供电

水环境监测预警溯源自动站还可以采取太阳能供电模式。太阳能供电模块主要由太阳能电池板方阵、充放电控制器、逆变器蓄电池组等构成，要求能够在30个连续阴雨天内持续向自动站供电，保障整个自动站稳定正常运行。

 

图2-5 供电系统结构图

1. 太阳能电池板

太阳能电池板的作用是将太阳辐射能量直接转换为直流电，供负载使用或贮存于蓄电池内备用。太阳能电池板的光电转换率和使用寿命是决定太阳能电池板使用价值的重要因素。为保证充足电量，可将太阳能电池板组成各种面积不同的太阳能电池方阵，亦称太阳能电池阵列。太阳能电池板的输出功率与其受光照面积密切相关，面积越大，在相同光照条件下的输出功率也越大。

2. 充放电控制器

充放电控制器在整个供电系统中起着系统管理和组织核心的作用。充放电控制器能够为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长电池的使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。

3. 蓄电池组

蓄电池组是独立太阳能供电模块不可缺少的重要部件。蓄电池组将太阳能电池方阵发出的直流电储存起来，供负载使用。蓄电池一般选用铅酸电池，性价比高、无需维护。

4. 配置

水环境监测预警溯源自动站按照安装地区、供电要求等条件配备太阳能电池板和蓄电池组。

因湖库型水环境监测预警溯源自动站一般位于湖库中央，更多采用太阳能供电。一般在浮动平台上配有2块并联的长2000mm，宽1200mm，电压为24V，功率为250Wp的太阳能电池板，并根据光照角度调整太阳能电池板安装倾角，保证任意方向至少有一块太阳能电池板能够正常采光。浮动平台上一般还配有4块（电压为12V，容量为250Ah）的蓄电池。

对于采用太阳能供电模式的河道型水环境监测预警溯源自动站，一般采用2块并联的规格为长1200mm、宽500mm，电压为24V，功率为100Wp的太阳能电池板，和由4块单块额定电压为12V、容量为250Ah的蓄电池组成的蓄电池组。

数据传输单元

 

图4-1 数据传输示意图

数据传输单元可基于GPRS/CDMA/BDS/IoT 通讯协议进行远程无线数据传输和接收。数据采集与传输通过远程终端通讯单元（RTU）或数采仪实现。RTU符合《水资源监测数据传输规约》（SZY206-2012/2016）的规定，并具有水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心的规约符合性监测报告。数采仪符合《污染物在线监控（监测）系统数据传输标准》（HJ212-2017）的规定，并具有《中国环境保护产品认证证书》。

当自动站启动并正常运行后， RTU能够自动搜索匹配的远程联网中心站。通过中心站的指令设置，可实现以下数据通讯功能。

(1) 自报功能，按设定的监测周期，定时将水质监测数据进行处理后，经由GPRS/CDMA/BDS/IoT传输给省水资源统一接收平台。

(2) 查询/应答功能，可响应中心站的信息查询指令，上传有关仪表自报数据种类、报警上下限、地址、实时时钟、当前工作模式、事件记录、测量数据历史记录、上传失败测量数据以及报警状态的查询结果。

(3) 具有实时状态检测功能：实时检测设备状态是否正常，检测项标括供电状态、供电电压、信号强度等，当发生异常发出报警信息；

(4) 具有历史数据存储功能：采用循环存储的方式保存储监测数据，可保存近三年的监测数据，掉电不丢失；

六、系统配置清单

一、河道型水环境监测及预警溯源自动站

 

 

二、湖库型水环境监测及预警溯源自动站