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[摘要]本文针对以流动河水为水源的水厂、偏远山区水源地，工艺运行中为实现浊度连续监测，而采用的采样装置中的采样泵承载器、定时采样控制装置、浊度仪的选择及其采样点的设置、等进行分析，并针对特殊水质的河流，如黄河或流量日随季节变化较大的其他水源河流，提供一种新型的采样方案，自制的采样泵器承载装置，解决了河流水源采样时遇到的诸多问题，同时研发设计了实用价值较高的定时采样自动控制装置，适用于任何水源监测的控制，以达到连续监测水质的目的。
关键词：流动河水为水源 连续自动监测 采样泵承载器 浊度仪 自动控制
中图分类号：X853
1 概述
水是城市的生命线，安全可靠的自来水是我们生活的保障，在自来水生产的工艺中，生产出优质合格的自来水，第一时间掌握水源水质变化，方可针对性的调整后续生产工艺，从而达到工艺环节控制的目的。为了提高生产的可靠性，自来水厂已经广泛的投入在线监测仪器，对各工艺阶段进行连续监测[1]。目前，受地理条件限制，在原水上安装线监测难度较大，不同地区自来水生产的水源不同，有湖泊水、水库水、江河水、井水等，湖泊、水库、井水水源原水检测相对固定，水质杂质较少，水位在已知的范围内变化，采样泵可选择直投或者充气式浮船安装，设备安装相对容易。江河水水情变化复杂，以黄河为例，黄河是一条季节性河流，每年丰水期其流量最高可达3800m3/s，但枯水期流量最低时仅320m3/s，水位在0.8—6.7米波动;遇上游强降雨天气，雨水会将地表的松土冲刷带入河流，造成水体中含沙土量增多，形成高浊度水[2];日常水体中也常常夹杂着颗粒较大的碎石，数枝、塑料等漂浮类杂质，充气式浮船容易被尖锐物体破坏，以黄河为水源实现水质连续监测，遇枯水期黄河水位低时，采样泵装置易裸露于河床，无法采样;丰水期因浊度高泥沙易堵塞采样泵进水口。以上原因均能导致黄河源水浊度监测中断，无法提供源水浊度在线监测数据，指导混凝剂投加，所有河流水监测的装置[3]，都会遇到类似的情况。
2 常见的采样装置
根据原水水质不同，可选择不同的采样装置，常见的采样方式有采样泵直投与水源中、充气式浮船、导管式采样。直投式采样方式适合于水庫水、或产水构筑物工艺控制环节的监测，构筑物有较为规整的边沿，便于固定和维修，水位长时间在已知的范围内波动，如清水池、沉淀池、拦坝水库等;充气式浮船适合于水面随水位变化较大，水面平缓的水源监测，如湖泊、自然水库等;导管式采样装置适合水质较好的生产系统中，各构筑物内杂质较少的工艺过程监测采样，采样泵体一般安装在地面以上的管道上，便于维修维护。
3 河流水源装置采样存在的问题
（1）河流水源流量随季节性变化较大，水位波动也较大，固定采样泵承载装置不能保证泵体与水体连续接触，当水位较低时，容易出现打空车现象，从而损坏泵组。
（2）目前常用的充气式浮船承载器在河流水源应用中，因水体中所含的尖锐杂质容易被损坏，从而失去承载的功能，导致采样泵搁浅或故障，运行中故障率较高，生产不能保证，且价格高。
（3）导管式采样装置不适合原水采样，尤其是像黄河此类河流水源，遇上游山洪、强降雨、水库排沙时，采样泵组极容易堵塞。
以上三种原因造成河流水源在线监测[3]装置一直不能够稳定运行，解决采样泵的正常采样问题是保证系统正常运行的关键所在。
4 研发目的、技术路线
4.1研发目的
为采样泵承载装置研发，用HCA—1的加盖双耳柔性塑料空桶制作随水位波动漂浮的可承载装置，采样泵安装在该装置内，设计采样泵定时控制装置，实现源水水质定时监测。
4.2技术路线
（1）拟用7个HCA—1的加盖双耳柔性塑料空桶，将其中一个在其底部开小孔，密封盖中央打孔，将采样泵置于桶内，把泵组电缆及出水管从桶盖所开孔穿出，旋紧桶盖;其余六个空桶密封盖旋口处抹PVC专用粘合剂，旋紧盖，用钢丝绳把七个桶通过双耳绑在一起，同时在桶外壁抹上PVC专用粘合剂，使七个桶成为整体。6个空桶产生浮力，可保持采样泵承载装置随河流水位变化始终置于水体中;中间底部开过孔，安装采样泵的桶，源水会从小孔进入，小孔有过滤作用，可防止大颗粒的杂质进入采样泵;捆绑各桶的钢丝绳一端与河岸上的固定基桩相连，对装置牵引，维修时可拉扯上岸。
（2）电气控制方案
一般采用运行10分钟，停运50分钟设定。流程为：采样泵提升源水水样——提升至浊度仪——完成浊度检测——数据传输至PLC柜——进行后台机数据分析——指导生产混凝剂投加。
（3）黄河源水自动采样监测装置的创新
通过自己设计制作安装该装置，解决在线浊度仪在枯水期因水位降低和丰水期源水中所含杂质堵塞采样泵进水口导致无法取样实现水质监测，导致混凝剂投加量确定滞后的实际生产问题。采样泵承载装置研发制作、定时电气控制系统设计。
（4）采样泵承载器的制作方法
准备包装过HCA—1的加盖双耳柔性塑料空桶“1”共7个，将其中一个“2”，在其底部开小孔，孔径小于10mm，密封盖中央打孔，孔径比5柔性水管直径略大，将“3”采样泵置于桶内，把泵组电缆及出水管从桶盖所开孔穿出，旋紧桶盖;其余六个空桶密封盖旋口处抹PVC专用粘合剂，旋紧盖，用“4”钢丝绳把七个桶通过双耳绑在一起，同时在桶外壁抹上PVC专用粘合剂，使七个桶成为整体，有采样泵的桶在最中间，空桶安装在周围。如图1所示。
1、加盖双耳柔性塑料桶，2、加盖双耳柔性塑料桶底部打孔，3、采样泵，4、钢丝绳，5、柔性水管。
（5）承载器的运行原理图
周围的六个空桶产生浮力，可保持采样泵承载装置随河流水位变化始终置于水体中;中间底部开过孔，安装采样泵的桶，源水会从小孔进入，小孔有过滤作用，可防止大颗粒的杂质进入采样泵;捆绑各桶的钢丝绳一端与河岸上的固定基装相连，便于维修时将装置拉扯上岸。 （6）采样泵的定时控制
水厂运行时，对源水及各工序水监测[4]采用定時采样的办法，采样泵需要实现定时控制开停，常用的办法为计算机程序控制，因受地理位置的限制，河流水样监测站位置偏僻，采用计算机控制采样泵就必须配套土建项目，基建费用较高，一次性投资较大。计算机程序控制的方式更加适合工序内的水样检测，可利用现有车间放置计算机及相关配电设备，维护便利，运行可靠准时。
（6）一种便携式定时控制装置的研发
为解决偏远地带采样实现定时控制的目的，研发了一种便携式定时控制箱，通过电气元件FR、热继电器（保护），SB、停止按钮，SB1、启动按钮，KA、中间继电器，KM、辅助常开触点，KT、时间继电器的工作原理，实现采样泵按照工艺工作时间要求，定时开启完成一个工作周期的采样监测，整体配置体积较小，无需土建配合，便于安装，适合于有供电范围内所有环境安装，造价低维护量小，尤其适用于山村，无网络有配电的区域使用。配电线路如图2所示
图中：FR、热继电器（保护），SB、停止按钮，SB1、启动按钮，KA、中间继电器，KM、辅助常开触点，KT、时间继电器。
（7）便携式定时控制装置运行原理
以1小时运行一次为例，便携式定时控制装置运行过程如下：启动按钮SB1按下，线圈KM得电并自锁，电机启动。KM1、KT1常闭触点接通，KA中间继电器线圈带电，KA常闭触点断开，同时时间继电器KT1启动计时，10分钟后KT1常闭触点断开，KA线圈失电，KA常闭触点接通，KT1常开触点闭合，KM1线圈得电，KM1常闭触点断开，KM1常开触点闭合，KT2时间继电器动作计时，KT2瞬时断开延时闭合常闭触点断开，电机停止，50分钟后KT2瞬时断开延时闭合常闭触点闭合，电机继续启动，如此完成一个周期的采样检测，间隔时间继电器时长可根据生产需要灵活设定。
5.浊度仪选型
根据被监测水体的水质变化情况，浊度仪的正确选型[5]也同样关系到整套装置的运行平稳，浊度仪的选择是首先应当考虑量程，依据被监测水体连续3—5年的浊度监测数值，最大量程选择时最好以水源监测数值中的最大数值为参考依据[6]，为减少测量误差，仪器最大量程应高于水体浊度区间的20%。河流水源水体监测杂质较多，透光式浊度仪，需将水体引进浊度仪内，水体经过仪器内的去泡装置，容易发生堵塞，维护量较大，排水管路也易堵塞，透光式浊度仪，适用于水质较好的地下水[7]、出厂水监测，河流源水建议采用散射光监测原理的浊度仪，水样按照设计以每分钟1 至2 升的流速，流入倾斜的浊度计主体，液体溢出浊度计主体顶端的水平面，形成了平整的测量平面。一束强光束按某一角度射向液体表面，样品中的悬浮颗粒物发出散射光，放置在液体表面上方的检测器检测90 度的散射光，从获得原水浊度，光学元件从不接触水——不需要经常清洗探头等维护工作设备，维护量小，目前可选的产品测量范围能达到最高9999NTU，准 确 度：在0～2000NTU 时，读数的±5%;在2000～9999NTU 时，读数的±10%，使用方便维护量小，量程基本含盖大部分水源水质要求。
6.结论
水厂源水浊度实现连续监测，对水厂的安全运行有很重要的指导意义，正常情况下可以指导混凝剂的精准投加，避免药剂的浪费，特殊水情下，先知先觉能够给后续工艺充分的准备时间，应急处置的效率大大提高。自制的采样泵承载装置，更适合于特殊水体，同样适应如黄河等河流水样其他数据的在线监测，稳定的采样装置保证了数据更加真实[8]，实用价值更高，定时采样控制装置，原件价格低廉，组装后的体积小，便于安装，无需土建配合，装置原理简单，维护无需专业水平过高的网络工程师实施，普通电工就可以完成，在偏远山区无网络的水源监测中可以推广使用，具有较高的实用价值。
参考文献：
[1]杨四海，高坤. 水资源取用水监测系统的分析与设计[J]. 现代盐化工，2021，48（01）：80-81.
[2] 周伟，唐川，周春花.汶川震区暴雨泥石流激发雨量特征[J].水科学进展，2012，23（5）：650-655.
[3]董敬涛， 水环境在线监测技术及仪器. 安徽省，合肥利弗莫尔仪器科技有限公司，2018-07-27.
[4]章珏.自来水水质检测的意义及检测的关键环节[J].居舍，2019（02）：159.
[5]朱万浩，章盼梅.在线检测仪表安装与调试的几点思考[J].仪器仪表与分析监测，2018（01）：22-25.
[6]张四龙，许清传，汤志明.高精度在线浊度仪在饮用水行业的技术发展[J].净水技术，2019，38（S1）：21-24.
[7]宋云亮，王家忠，张建伟. 基于STM32的地下水分层智能采样器设计[J]. 河北农业大学学报，2020，43（05）：108-113+121.
[8]翟竟余，代鑫，杨丽仙. 河流水环境健康风险监测与评价系统设计[J]. 皮革制作与环保科技，2020，1（15）：70-75.
作者：1. 赵 凌 女 汉族 大学本科学历 工程师 1981年4月出生于青海省西宁市
工作单位：兰州供水（集团）有限公司调度中心
2. 谢江峡 男 汉族 大学本科学历 高级工程师 1980年10月出生于甘肃省庄浪县
工作单位：兰州供水（集团）有限公司第一水厂
3. 王立哲 男 汉族 研究生学历 高级工程师 1971年7月出生于甘肃皋兰县
工作单位：兰州供水（集团）有限公司第一水厂
4.姜尔建 男 汉族 大专学历 1973年3月出生于甘肃省兰州市
工作单位：兰州供水（集团）有限公司第一水厂
关键词：流动河水为水源 连续自动监测 采样泵承载器 浊度仪 自动控制
中图分类号：X853
1 概述
水是城市的生命线，安全可靠的自来水是我们生活的保障，在自来水生产的工艺中，生产出优质合格的自来水，第一时间掌握水源水质变化，方可针对性的调整后续生产工艺，从而达到工艺环节控制的目的。为了提高生产的可靠性，自来水厂已经广泛的投入在线监测仪器，对各工艺阶段进行连续监测[1]。目前，受地理条件限制，在原水上安装线监测难度较大，不同地区自来水生产的水源不同，有湖泊水、水库水、江河水、井水等，湖泊、水库、井水水源原水检测相对固定，水质杂质较少，水位在已知的范围内变化，采样泵可选择直投或者充气式浮船安装，设备安装相对容易。江河水水情变化复杂，以黄河为例，黄河是一条季节性河流，每年丰水期其流量最高可达3800m3/s，但枯水期流量最低时仅320m3/s，水位在0.8—6.7米波动;遇上游强降雨天气，雨水会将地表的松土冲刷带入河流，造成水体中含沙土量增多，形成高浊度水[2];日常水体中也常常夹杂着颗粒较大的碎石，数枝、塑料等漂浮类杂质，充气式浮船容易被尖锐物体破坏，以黄河为水源实现水质连续监测，遇枯水期黄河水位低时，采样泵装置易裸露于河床，无法采样;丰水期因浊度高泥沙易堵塞采样泵进水口。以上原因均能导致黄河源水浊度监测中断，无法提供源水浊度在线监测数据，指导混凝剂投加，所有河流水监测的装置[3]，都会遇到类似的情况。
2 常见的采样装置
根据原水水质不同，可选择不同的采样装置，常见的采样方式有采样泵直投与水源中、充气式浮船、导管式采样。直投式采样方式适合于水庫水、或产水构筑物工艺控制环节的监测，构筑物有较为规整的边沿，便于固定和维修，水位长时间在已知的范围内波动，如清水池、沉淀池、拦坝水库等;充气式浮船适合于水面随水位变化较大，水面平缓的水源监测，如湖泊、自然水库等;导管式采样装置适合水质较好的生产系统中，各构筑物内杂质较少的工艺过程监测采样，采样泵体一般安装在地面以上的管道上，便于维修维护。
3 河流水源装置采样存在的问题
（1）河流水源流量随季节性变化较大，水位波动也较大，固定采样泵承载装置不能保证泵体与水体连续接触，当水位较低时，容易出现打空车现象，从而损坏泵组。
（2）目前常用的充气式浮船承载器在河流水源应用中，因水体中所含的尖锐杂质容易被损坏，从而失去承载的功能，导致采样泵搁浅或故障，运行中故障率较高，生产不能保证，且价格高。
（3）导管式采样装置不适合原水采样，尤其是像黄河此类河流水源，遇上游山洪、强降雨、水库排沙时，采样泵组极容易堵塞。
以上三种原因造成河流水源在线监测[3]装置一直不能够稳定运行，解决采样泵的正常采样问题是保证系统正常运行的关键所在。
4 研发目的、技术路线
4.1研发目的
为采样泵承载装置研发，用HCA—1的加盖双耳柔性塑料空桶制作随水位波动漂浮的可承载装置，采样泵安装在该装置内，设计采样泵定时控制装置，实现源水水质定时监测。
4.2技术路线
（1）拟用7个HCA—1的加盖双耳柔性塑料空桶，将其中一个在其底部开小孔，密封盖中央打孔，将采样泵置于桶内，把泵组电缆及出水管从桶盖所开孔穿出，旋紧桶盖;其余六个空桶密封盖旋口处抹PVC专用粘合剂，旋紧盖，用钢丝绳把七个桶通过双耳绑在一起，同时在桶外壁抹上PVC专用粘合剂，使七个桶成为整体。6个空桶产生浮力，可保持采样泵承载装置随河流水位变化始终置于水体中;中间底部开过孔，安装采样泵的桶，源水会从小孔进入，小孔有过滤作用，可防止大颗粒的杂质进入采样泵;捆绑各桶的钢丝绳一端与河岸上的固定基桩相连，对装置牵引，维修时可拉扯上岸。
（2）电气控制方案
一般采用运行10分钟，停运50分钟设定。流程为：采样泵提升源水水样——提升至浊度仪——完成浊度检测——数据传输至PLC柜——进行后台机数据分析——指导生产混凝剂投加。
（3）黄河源水自动采样监测装置的创新
通过自己设计制作安装该装置，解决在线浊度仪在枯水期因水位降低和丰水期源水中所含杂质堵塞采样泵进水口导致无法取样实现水质监测，导致混凝剂投加量确定滞后的实际生产问题。采样泵承载装置研发制作、定时电气控制系统设计。
（4）采样泵承载器的制作方法
准备包装过HCA—1的加盖双耳柔性塑料空桶“1”共7个，将其中一个“2”，在其底部开小孔，孔径小于10mm，密封盖中央打孔，孔径比5柔性水管直径略大，将“3”采样泵置于桶内，把泵组电缆及出水管从桶盖所开孔穿出，旋紧桶盖;其余六个空桶密封盖旋口处抹PVC专用粘合剂，旋紧盖，用“4”钢丝绳把七个桶通过双耳绑在一起，同时在桶外壁抹上PVC专用粘合剂，使七个桶成为整体，有采样泵的桶在最中间，空桶安装在周围。如图1所示。
1、加盖双耳柔性塑料桶，2、加盖双耳柔性塑料桶底部打孔，3、采样泵，4、钢丝绳，5、柔性水管。
（5）承载器的运行原理图
周围的六个空桶产生浮力，可保持采样泵承载装置随河流水位变化始终置于水体中;中间底部开过孔，安装采样泵的桶，源水会从小孔进入，小孔有过滤作用，可防止大颗粒的杂质进入采样泵;捆绑各桶的钢丝绳一端与河岸上的固定基装相连，便于维修时将装置拉扯上岸。 （6）采样泵的定时控制
水厂运行时，对源水及各工序水监测[4]采用定時采样的办法，采样泵需要实现定时控制开停，常用的办法为计算机程序控制，因受地理位置的限制，河流水样监测站位置偏僻，采用计算机控制采样泵就必须配套土建项目，基建费用较高，一次性投资较大。计算机程序控制的方式更加适合工序内的水样检测，可利用现有车间放置计算机及相关配电设备，维护便利，运行可靠准时。
（6）一种便携式定时控制装置的研发
为解决偏远地带采样实现定时控制的目的，研发了一种便携式定时控制箱，通过电气元件FR、热继电器（保护），SB、停止按钮，SB1、启动按钮，KA、中间继电器，KM、辅助常开触点，KT、时间继电器的工作原理，实现采样泵按照工艺工作时间要求，定时开启完成一个工作周期的采样监测，整体配置体积较小，无需土建配合，便于安装，适合于有供电范围内所有环境安装，造价低维护量小，尤其适用于山村，无网络有配电的区域使用。配电线路如图2所示
图中：FR、热继电器（保护），SB、停止按钮，SB1、启动按钮，KA、中间继电器，KM、辅助常开触点，KT、时间继电器。
（7）便携式定时控制装置运行原理
以1小时运行一次为例，便携式定时控制装置运行过程如下：启动按钮SB1按下，线圈KM得电并自锁，电机启动。KM1、KT1常闭触点接通，KA中间继电器线圈带电，KA常闭触点断开，同时时间继电器KT1启动计时，10分钟后KT1常闭触点断开，KA线圈失电，KA常闭触点接通，KT1常开触点闭合，KM1线圈得电，KM1常闭触点断开，KM1常开触点闭合，KT2时间继电器动作计时，KT2瞬时断开延时闭合常闭触点断开，电机停止，50分钟后KT2瞬时断开延时闭合常闭触点闭合，电机继续启动，如此完成一个周期的采样检测，间隔时间继电器时长可根据生产需要灵活设定。
5.浊度仪选型
根据被监测水体的水质变化情况，浊度仪的正确选型[5]也同样关系到整套装置的运行平稳，浊度仪的选择是首先应当考虑量程，依据被监测水体连续3—5年的浊度监测数值，最大量程选择时最好以水源监测数值中的最大数值为参考依据[6]，为减少测量误差，仪器最大量程应高于水体浊度区间的20%。河流水源水体监测杂质较多，透光式浊度仪，需将水体引进浊度仪内，水体经过仪器内的去泡装置，容易发生堵塞，维护量较大，排水管路也易堵塞，透光式浊度仪，适用于水质较好的地下水[7]、出厂水监测，河流源水建议采用散射光监测原理的浊度仪，水样按照设计以每分钟1 至2 升的流速，流入倾斜的浊度计主体，液体溢出浊度计主体顶端的水平面，形成了平整的测量平面。一束强光束按某一角度射向液体表面，样品中的悬浮颗粒物发出散射光，放置在液体表面上方的检测器检测90 度的散射光，从获得原水浊度，光学元件从不接触水——不需要经常清洗探头等维护工作设备，维护量小，目前可选的产品测量范围能达到最高9999NTU，准 确 度：在0～2000NTU 时，读数的±5%;在2000～9999NTU 时，读数的±10%，使用方便维护量小，量程基本含盖大部分水源水质要求。
6.结论
水厂源水浊度实现连续监测，对水厂的安全运行有很重要的指导意义，正常情况下可以指导混凝剂的精准投加，避免药剂的浪费，特殊水情下，先知先觉能够给后续工艺充分的准备时间，应急处置的效率大大提高。自制的采样泵承载装置，更适合于特殊水体，同样适应如黄河等河流水样其他数据的在线监测，稳定的采样装置保证了数据更加真实[8]，实用价值更高，定时采样控制装置，原件价格低廉，组装后的体积小，便于安装，无需土建配合，装置原理简单，维护无需专业水平过高的网络工程师实施，普通电工就可以完成，在偏远山区无网络的水源监测中可以推广使用，具有较高的实用价值。
参考文献：
[1]杨四海，高坤. 水资源取用水监测系统的分析与设计[J]. 现代盐化工，2021，48（01）：80-81.
[2] 周伟，唐川，周春花.汶川震区暴雨泥石流激发雨量特征[J].水科学进展，2012，23（5）：650-655.
[3]董敬涛， 水环境在线监测技术及仪器. 安徽省，合肥利弗莫尔仪器科技有限公司，2018-07-27.
[4]章珏.自来水水质检测的意义及检测的关键环节[J].居舍，2019（02）：159.
[5]朱万浩，章盼梅.在线检测仪表安装与调试的几点思考[J].仪器仪表与分析监测，2018（01）：22-25.
[6]张四龙，许清传，汤志明.高精度在线浊度仪在饮用水行业的技术发展[J].净水技术，2019，38（S1）：21-24.
[7]宋云亮，王家忠，张建伟. 基于STM32的地下水分层智能采样器设计[J]. 河北农业大学学报，2020，43（05）：108-113+121.
[8]翟竟余，代鑫，杨丽仙. 河流水环境健康风险监测与评价系统设计[J]. 皮革制作与环保科技，2020，1（15）：70-75.
作者：1. 赵 凌 女 汉族 大学本科学历 工程师 1981年4月出生于青海省西宁市
工作单位：兰州供水（集团）有限公司调度中心
2. 谢江峡 男 汉族 大学本科学历 高级工程师 1980年10月出生于甘肃省庄浪县
工作单位：兰州供水（集团）有限公司第一水厂
3. 王立哲 男 汉族 研究生学历 高级工程师 1971年7月出生于甘肃皋兰县
工作单位：兰州供水（集团）有限公司第一水厂
4.姜尔建 男 汉族 大专学历 1973年3月出生于甘肃省兰州市
工作单位：兰州供水（集团）有限公司第一水厂