专利名称：一种城市排水监测系统及其对水质水量的监测方法
技术领域：
本发明涉及一种水质水量监测系统及其应用方法，尤其是涉及ー种城市排水监测系统及其对水质水量的监测方法。
背景技术：
排水系统是排水的收集、输送、水质的处理和排放等设施以一定方式组合成的总体。受历史、自然地理、人类活动和经济社会发展水平等主要因素影响，我国南方大部分城市排水系统多为合流制系统，且防汛排涝的暴雨设计重现期较国内发达国家城市偏低，导致汛期超标准降雨时段的排水系统溢流对城市的水安全、收纳水体的水环境质量、水生态系统造成了严重的影响。以上海中心城区苏州河为例，沿岸大小排水系统30余个，毎年6 9月份汛期暴雨期间超过排水系统排水能力的合流污水大量溢流进入苏州河这一城市景观河道。溢流污水中携带了来自城市地表、城市生活污水、エ商业废水以及排水系统管道沉积的大量污染物质，对苏州河的水体造成了严重的短历时、高污染强度的冲击性污染，这也是 上海中心城区超过85%的点源污染被控制后，苏州河水环境质量和水生态系统进ー步改善难度加大的重要原因之一。为了有效控制城市排水系统溢流污染对城市景观河道等收纳水体的水质危害，上海在国内率先开展了大量的前期基础理论和实践研究工作，并且先行、先建和先试，高起点、高质量和高水平地在苏州河环境综合整治二期工程中建设了成都路、新昌平、梦清园、江苏路和芙蓉江5座大型雨水调蓄池(总有效容积达到70700m3)，以期充分发挥调蓄池减排汛期降雨期间排水系统溢流污水的功能。由于受到降雨特性、下垫面类型、人口数量、污水组成、排水系统截流倍数、排水系统运行水位、管道沉积物和管道疏通保养等多种因素的综合影响，城市排水系统降雨期间的水质水量变化规律复杂，因而排水系统溢流污染控制是ー个极其复杂多变的污染控制问题。其中，掌握溢流水质水量变化规律是这ー污染控制问题的核心所在。传统的获取城市排水系统水质变化规律的方法是采取前期现场人工取样，后期实验室分析。受降雨突发性、交通道路堵塞、人手安排不足等因素影响，人工取样常常不能及时进行，且费时、费力、费钱、人为干扰影响大。还存在着等人员赶到现场后，降雨已经开始一段时间或已经结束，溢流现象已发生或已结束，不能及时取得溢流水样，这ー问题在夏天暴雨期间尤为突出。对于多点位、大范围的排水系统水样采集，上述困难更为突出。虽然现有自动化水质在线监测系统因其自动化程度高，能实时、稳定、可靠地提供准确、快速监测数据的特点，目前已被广泛地应用于エ业废水水质监测、水质净化厂进出水水质监测、河流水质监测和饮用水处理过程控制等诸多领域。但由于现有的自动化水质在线监测系统数据分析周期长，以国家节能减排考核指标化学需氧量COD和氨氮为例，美国HACH品牌的COD在线分析仪的最短数据分析周期为I小时，德国WTW大型在线氮磷分析仪TresCon的最小分析间隔也在10分钟左右，且仪器设备经常出故障，不能满足研究降雨期间排水系统溢流水质水量变化规律需要的分钟级的水质采样分析周期，以及持续、稳定、可靠地提供快速、准确水质水量数据的要求。由此可见，受目前经济、技术、设备和人员等多方面因素限制，针对城市排水系统溢流水质水量变化过程及其特征的实时、准确、快速自动监测还存在瓶颈，亟待解決。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种实时、准确、快速自动监测的城市排水监测系统及其对水质水量的监测方法。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现ー种城市排水监测系统，该系统与进水系统连接，所述的进水系统由进水管路、反冲洗管路、进样水箱、预处理水箱、溢流管路构成，城市排水监测系统包括水质自动监测模块包括进水自动采样器、pH计、COD(化学需氧量)在线自动分 析仪、NH/-N(氨氮)在线自动分析仪和悬浮物(SS)在线自动分析仪，分别经管道与进样水箱连接；水量自动监测模块为设置在溢流排水管道内的插入式多普勒流量计；数据采集及控制模块包括硬件系统及软件系统，所述的硬件系统包括现场数据采集終端、无线GPRS通讯模块、多功能电量表、温湿度检测仪，所述的软件系统具有OPC (OLE for Process Control)数据米集、DSC (Data Service Center)数据通讯、实时数据显示、历史数据调功能，数据采集及控制模块与进水系统、水质自动监测模块、水量自动监测模块远程控制连接。所述的进水管路上设置有进水防护网罩。所述的pH计、COD在线自动分析仪、NH4+-N在线自动分析仪和悬浮物在线自动分析仪为相互独立的浸入式探头。所述的多普勒流量计经安装支架插设在地下溢流排水管道内，根据现场情况排水管道均在埋设地下的情况，选用探头插入式多普勒流量计。先开挖至管道部分，制作流量计维修井；而后在管道开孔出安装开孔安装支架，由专业开孔器开孔(可带水受压开孔)，安装探头阀门及固定支架；最后将多普勒流量计探头插入，调试运转至合格。所述的水质自动监测模块与水量自动监测模块采集的数据通过无线GPRS方式与设置在水质水量自动监测控制中心的数据采集及控制模块通讯链接，上传实时采集的数据，并通过数据采集及控制模块控制现场水质水量监测设备的运行。利用城市排水监测系统对水质水量进行监测的方法，该监测系统可以在非降雨期间及降雨期间分别自动对水质水量进行监測。在非降雨期间，保持进水系统中的水泵常开持续运行，保证水样流通，分3天，利用水量自动监测模块每天以I小时采样间隔连续采集旱流污水水样12个以上。pH计、COD在线自动分析仪、NH/-N在线自动分析仪和悬浮物在线自动分析仪的测量频率设定为10分钟，每10分钟可获取ー个pH值、COD、NH4+-N和SS水质数据。同时实验室测定所采集水样的pH值、C0D、NH4+-N和SS指标，建立非降雨期间水质自动监测模块监测到的读数和其实验室实测值之间的率定公式，依据率定公式的决定系数R2来判断水质自动监测模块读数的可靠性即可。在降雨期间，保持进水系统中的水泵常开持续运行，保证水样流通，分3场降雨，利用水量自动监测模块按5分钟的采样间隔连续采集降雨合流污水水样12个以上。pH计、COD在线自动分析仪、NH/-N在线自动分析仪和悬浮物在线自动分析仪的测量频率设定为I分钟，每I分钟可获取ー个pH值、COD、NH4+-N和SS水质数据，同时实验室测定所采集水样的pH值、C0D、NH4+-N和SS指标，建立非降雨期间水质自动监测模块监测到的读数和其实验室实测值之间的率定公式，依据率定公式的决定系数R2来判断水质自动监测模块读数的可靠性即可。R2 ^ 0. 90时候，认为率定公式的相关性达到优良以上水平，判断此率定公式可用，否则，重复水样采集和水质实验室分析步骤，直到累计足够数据样本，达到R2 ^ 0. 90的要求。城市排水监测系统还可以采用手动模式控制各模块的运转。与现有技术相比，本发明克服了现有水质水量在线监测设备响应时间长、数据采集频率较低、维护复杂等瓶颈，可实时、准确、快速和连续自动在线监测排水系统非降雨和 降雨期间的水质水量变化过程，与现有技术相比，本发明具有以下优点(I)采用现场数据采集和远程数据传输控制系统，利用自动高频水质水量监测仪器获取排水系统水质水量数据的方法，克服了现有水质在线监测设备响应时间长、数据采集频率较低、维护复杂等瓶颈，可及时、自动化、实时、快捷和准确获取城市排水系统溢流的水质水量变化过程。(2)排水系统溢流水质水量数据采集频率高，最快可达到秒级。(3)水质水量自动监测系统自动化程度高、操作界面便捷、易于控制。(4)省时、省力、人为干扰影响小。(5)节省了后期常规水质的分析成本。(6)设备运行维护便捷、周期长、费用低。
图I为城市排水监测系统的结构示意图；图2为实施例I监测得到的降雨溢流污水pH值、C0D、NH4+-N、SS和流量变化过程；图3为实施例2监测得到的降雨溢流污水pH值、C0D、NH4+-N、SS和流量变化过程。图中，I为进水系统、11为进样水箱、12为预处理水箱、13为进水管路、14为溢流管路、15为水泵、2为水量自动监测模块、21为排水系统集水井、22为多普勒流量计、3为水质自动监测模块、31为全天候采样仪、32为pH计、33为NH4+-N在线自动分析仪、34为COD在线自动分析仪、35为悬浮物在线自动分析仪、4为数据采集及控制模块。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例I实施时间为2011年6 7月，地点在上海市新昌平排水系统，本实施完全按照上文所述的方法进行了操作。(1)2011年6月上旬于上海市新昌平排水系统集水井构建水质自动监测进水系统。
(2)2011年6月中旬构建由浸入式、探头法、高频测量的pH计、C0D、NH4+-N和SS独立水质自动监测单元所构成的排水系统水质自动监测系统。(3)在2011年6月下旬 7月上旬降雨期间校正和率定了 pH计、C0D、NH4+-N和SS等4个水质自动监测探头。前期在排水系统集水井按5分钟的采样间隔，连续采集3场降雨的排水系统合流污水水样共40个。实验室测定了水样的pH值、COD、NH4+-N和SS指标，建立了降雨期间水质自动监测探头读数和真实值之间的线性率定公式。率定公式的决定系数R2 = 0. 95，满足R2彡0. 90的要求，认为此率定公式可用。(4)在2011年6月上旬于排水系统溢流管道上安装水量自动监测系统。(5)在2011年6月中旬构建现场数据采集和远程数据传输控制系统。(6)水质水量数据自动监测模式设定非降雨模式、降雨模式和手动模式。(7) 2011年7月14日，于控制中心开启排水系统水质水量自动监测系统，按照步骤·(6)中设定的降雨监测模式，自动采集水质水量数据，获取了实时、准确、快速和连续的排水系统水质水量数据，并按步骤(3)建立的率定公式对水质数据进行修正。水质水量的变化曲线见图2。实施例2在实施例I进行期间，于2011年7 8月，在上海市芙蓉江排水系统，进行了第二例实施例，本实施完全按照上文所述的方法进行了操作。(1)2011年7月上旬于上海市芙蓉江排水系统集水井构建水质自动监测进水系统。(2)2011年7月中旬构建由浸入式、探头法、高频测量的pH计、C0D、NH4+-N和SS独立水质自动监测单元所构成的排水系统水质自动监测系统。(3)在2011年7月下旬 8月上旬降雨期间校正和率定水质自动监测探头。前期在集水井按5分钟的采样间隔连续采集3场降雨的排水系统合流污水水样共38个。实验室測定水样的PH值、C0D、NH4+-N和SS水质指标，建立降雨期间水质自动监测探头读数和真实值之间的线性率定公式。率定公式的决定系数R2 = 0. 97，满足R2 ^ 0. 90的要求，认为此率定公式可用。(4)在2011年7月上旬于排水系统溢流管道上安装水量自动监测系统。(5)在2011年7月中旬构建现场数据采集和远程数据传输控制系统。(6)水质水量数据自动监测模式设定非降雨模式、降雨模式和手动模式。(7) 2011年8月12日，于控制中心开启排水系统水质水量自动监测系统，按照步骤
(6)中设定的降雨监测模式，自动采集水质水量数据，获取了实时、准确、快速和连续的排水系统水质水量数据，并按步骤(3)建立的率定公式对水质数据进行修正。水质水量的变化曲线见图3。实施例3ー种城市排水监测系统，其结构如图I所示，该监测系统与进水系统I连接，进水系统I由进样水箱11、预处理水箱12、进水管路13、溢流管路14、反冲洗管路构成，进水管路13、反冲洗管路、溢流管路14组成进样水箱11与预处理水箱12的连接管道，另外，在进水管路13上还设置有进水防护网罩。城市排水监测系统由水量自动监测模块2、水质自动监测模块3、数据采集及控制模块4构成。水量自动监测模块2 :为设置在排水管道内的插入式多普勒流量计22，经管道经过排水系统集水井21后与预处理水箱12连接，多普勒流量计22经安装支架插设在地下排水管道内，根据现场情况排水管道均在埋设地下的情况，选用探头插入式多普勒流量计22。先开挖至管道部分，制作流量计维修井；而后在管道开孔出安装开孔安装支架，由专业开孔器开孔(可带水受压开孔)，安装探头阀门及固定支架；最后将多普勒流量计22探头插入，调试运转至合格；水质自动监测模块3为相互独立的浸入式探头，包括全天候采样仪31、pH计32、COD在线自动分析仪33、NH4+-N在线自动分析仪34和悬浮物在线自动分析仪35，分别经管道与进样水箱11连接；
数据采集及控制模块4 :包括硬件系统及软件系统，硬件系统包括现场数据采集终端、无线GPRS通讯模块、多功能电量表、温湿度检测仪，软件系统具有0PC(0LE forProcess Control)数据采集、DSC (Data Service Center)数据通讯、实时数据显示、历史数据调功能。水质自动监测模块3与水量自动监测模块2采集的数据通过无线GPRS方式与设置在水质水量自动监测控制中心的数据采集及控制模块4通讯链接，上传实时采集的数据，并通过数据采集及控制模块控制现场水质水量监测设备的运行。利用城市排水监测系统对水质水量进行监测的方法，该监测系统可以在非降雨期间及降雨期间分别调试对水质水量进行监測。在非降雨期间，保持进水系统中的水泵常开持续运行，保存水样流通，分3天，利用水量自动监测模块每天以I小时采样间隔连续采集旱流污水水样12个以上，pH计32、COD在线自动分析仪33、NH4+-N在线自动分析仪34和悬浮物在线自动分析仪35的测量频率设定为10分钟，每10分钟可获取ー个PH值、COD、NH4+-N和SS水质数据，同时实验室测定水样的PH值、C0D、NH4+-N和SS指标，建立非降雨期间水质自动监测模块监测到的读数和其实验室实测值之间的率定公式，依据率定公式的决定系数R2来判断水质自动监测模块读数的可靠性即可。在降雨期间，保持进水系统中的水泵常开持续运行，保存水样流通，分3场降雨，利用水量自动监测模块按5分钟的采样间隔连续采集降雨合流污水水样12个以上，pH计32,COD在线自动分析仪33、NH4+-N在线自动分析仪34和悬浮物在线自动分析仪35的測量频率设定为I分钟，每I分钟可获取ー个PH值、COD、NH4+-N和SS水质数据，同时实验室测定水样的PH值、C0D、NH4+-N和SS指标，建立非降雨期间水质自动监测模块监测到的读数和其实验室实测值之间的率定公式，依据率定公式的决定系数R2来判断水质自动监测模块读数的可靠性即可。R2 ^ 0. 90时候，认为率定公式的相关性达到优良以上水平，判断此率定公式可用，否则，重复水样采集和水质实验室分析步骤，直到累计足够数据样本，达到R2 ^ 0. 90的要求。另外，城市排水监测系统还可以采用手动模式控制各模块的运转，于水质水量自动监测控制中心按照监测模式，开启排水系统水质水量自动监测设备，自动获取实时、准确、快速和连续的排水系统水质水量数据，并建立的率定公式对水质数据进行修正。
权利要求
1.一种城市排水监测系统，该系统与进水系统连接，所述的进水系统由进水管路、反冲洗管路、进样水箱、预处理水箱、溢流管路构成，其特征在于，城市排水监测系统包括 水质自动监测模块包括进水自动采样器、PH计、COD在线自动分析仪、NH4+-N在线自动分析仪和悬浮物在线自动分析仪，分别经管道与进样水箱连接； 水量自动监测模块为设置在溢流排水管道内的插入式多普勒流量计； 数据采集及控制模块包括硬件系统及软件系统，所述的硬件系统包括现场数据采集终端、无线GPRS通讯模块、多功能电量表、温湿度检测仪，所述的软件系统具有0PC(0LE forProcess Control)数据采集、DSC (Data Service Center)数据通讯、实时数据显示、历史数据调功能，数据采集及控制模块与进水系统、水质自动监测模块、水量自动监测模块远程控制连接。
2.根据权利要求I所述的一种城市排水监测系统，其特征在于，所述的进水管路上设置有进水防护网罩。
3.根据权利要求I所述的一种城市排水监测系统，其特征在于，所述的pH计、COD在线自动分析仪、NH；-N在线自动分析仪和悬浮物在线自动分析仪为相互独立的浸入式探头。
4.根据权利要求I所述的一种城市排水监测系统，其特征在于，所述的多普勒流量计经安装支架插设在地下溢流排水管道内。
5.根据权利要求I所述的一种城市排水监测系统，其特征在于，所述的水质自动监测模块与水量自动监测模块采集的数据通过无线GPRS方式与设置在水质水量自动监测控制中心的数据采集及控制模块通讯链接，上传实时采集的数据，并通过数据采集及控制模块控制现场水质水量自动监测设备的运行。
6.一种利用权利要求I所述的城市排水监测系统对水质水量进行监测的方法，其特征在于，该监测系统可以在非降雨期间及降雨期间分别调试对水质水量进行自动监测。
7.根据权利要求6所述的城市排水监测系统对水质水量进行监测的方法，其特征在于在非降雨期间，保持进水系统中的水泵常开持续运行，保证水样流通，分3天，利用水量自动监测模块每天以I小时采样间隔连续采集旱流污水水样12个以上；pH计、COD在线自动分析仪、NH4+-N在线自动分析仪和悬浮物在线自动分析仪的测量频率设定为10分钟，每10分钟可获取一个pH值、COD、NH4+-N和SS水质数据；同时实验室测定所采集水样的pH值、COD、NH4+-N和SS指标，建立非降雨期间水质自动监测模块监测到的读数和其实验室实测值之间的率定公式，依据率定公式的决定系数R2来判断水质自动监测模块读数的可靠性即可。
8.根据权利要求6所述的城市排水监测系统对水质水量进行监测的方法，其特征在于在降雨期间，保持进水系统中的水泵常开持续运行，保证水样流通，分3场降雨，利用水量自动监测模块按5分钟的采样间隔连续采集降雨合流污水水样12个以上；pH计、COD在线自动分析仪、NH/-N在线自动分析仪和悬浮物在线自动分析仪的测量频率设定为I分钟，每I分钟可获取一个PH值、COD、NH4+-N和SS水质数据；同时实验室测定所采集水样的pH值、COD、NH4+-N和SS指标，建立非降雨期间水质自动监测模块监测到的读数和其实验室实测值之间的率定公式，依据率定公式的决定系数R2来判断水质自动监测模块读数的可靠性即可。
9.根据权利要求7或8所述的城市排水监测系统对水质水量进行监测的方法，其特征在于，率定公式的决定系数R2 ^ 0. 90时候，认为率定公式的相关性达到优良以上水平，判断此率定公式可用。
10.根据权利要求6所述的城市排水监测系统对水质水量进行监测的方法，其特征在于，城市排水监测系统还可以采用手动模式远程控制各模块的运转。
全文摘要
本发明涉及一种城市排水监测系统及其对水质水量的监测方法，该监测系统包括进水系统、水质自动监测模块、水量自动监测模块、数据采集及控制模块，该监测系统可以在非降雨期间及降雨期间按设定的自动模式分别对水质水量进行监测，还可以采用手动模式控制各模块的运转。与现有技术相比，本发明服了现有水质水量在线监测设备响应时间长、数据采集频率较低、维护复杂等瓶颈，可实时、准确、快速和连续自动地在线监测排水系统非降雨和降雨期间的水质水量变化过程。
文档编号G01N33/18GK102809638SQ20121029098
公开日2012年12月5日 申请日期2012年8月15日 优先权日2012年8月15日
发明者程晓波, 姚杰, 潘炜, 陈华, 丁敏, 程江 申请人:上海市城市排水有限公司排水设计研究分公司