4　仪器设备分类与应用推荐

本标准将国家水资源监控能力建设项目中应用的仪器设备分为水量监测设备、水质监测设备、信息采集与传输设备等。

4.1　水量监测设备

水资源水量监测主要包括供水水源地、行政边界控制断面的水量监测,地表水供水渠道、管道的水量监测,主要取水口、入河(湖)排水口的水量监测,地下水的取水量监测等。主要包括流量测量仪器、水位测量仪器、流速仪和测深仪。

4.1.1　流量测量仪器

流量测量包括明渠和管道流量测量两大类。明渠流量监测仪器包括声学时差法明渠流量计、声学多普勒剖面流速仪、堰槽流量计等,其中声学多普勒剖面流速仪又包括固定式和走航式两类。管道流量监测仪器包括声学时差法管道流量计、声学多普勒管道流量计、电磁管道流量计、电子远传水表、IC卡冷水水表、涡街流量计等。

4.1.1.1　声学时差法明渠流量计

声学时差法明渠流量计主要用于自动测量明渠断面某一水层或多个水层的平均流速,可同时测量水位。适用于流态较稳定、有一定水深的断面。使用时应用断面面积参数和用流速仪等标准测流设备标定流量系数。

4.1.1.2　声学多普勒剖面流速仪

声学多普勒剖面流速仪主要用于自动测量明渠断面上某一水层或垂直剖面的水流速度,包括固定式声学多普勒剖面流速仪和走航式声学多普勒剖面流速仪。固定式声学多普勒剖面流速仪不宜在大跨度河道以及含沙量较大、水深较浅的河床使用,使用时应用流速仪和测深仪等标准测流设备标定流速系数。走航式声学多普勒剖面流速仪是一种需渡河载体(如小船、缆道)的测流方法,在渡河的同时实现流量测验,能一次同时测出河床的断面形状、水深、流速和流量,适用于大江大河的流量监测,但不宜在较浅河流进行走航测量。

4.1.1.3　堰槽流量计

堰槽流量计适用于渠道或小支流的流量在线测量,多用于有一定比降的中小渠道的流量测量。堰槽流量计包括薄壁堰、宽顶堰、三角形剖面堰、巴歇尔槽等多种形式,应根据所测断面实际情况选择。

4.1.1.4　声学时差法管道流量计

声学时差法管道流量计采用时差法原理测量管道内的平均流速,有插入式、管段式和外夹式,适用于管道流量测量,可自动记录和输出测得的流速、流量、累积水量。主要用于供水管道,也可用于各种形状的过水涵洞的水量计量。外夹式可用于管道流量的移动监测。

4.1.1.5　声学多普勒管道流量计

声学多普勒管道流量计采用多普勒原理测量管道内的流速分布,有插入式、管段式和外夹式,适用于管道中固体悬浮物浓度不小于60mg/L流体的流量测量,可自动记录和输出测得的流速、流量、累积水量。主要用于取水管道的水量计量。外夹式可用于管道流量的移动监测。

4.1.1.6　电磁管道流量计

电磁管道流量计根据法拉第电磁感应定律来测量管道内导电介质体积流量,有分体型和一体型,适用于供水管道流量测量,可自动测量管道内水流的平均流速,并转换成流量,能显示和输出平均流速、瞬时流量和累积水量。

4.1.1.7　电子远传水表

电子远传水表是冷水水表加装水流量信号的机电转换和信号处理单元组成,加装的电子装置不应妨碍机械指示装置的读数。具有数据处理与信息存储信号远程传输等功能,可实现远程抄表。适用于较小口径供水管道的水量计量。

4.1.1.8　IC卡冷水水表

IC卡冷水水表是以冷水水表为基表,IC卡为信息载体,以及控制器和电控阀所组成的一种具有结算功能的水量计量仪表,适用于较小口径供水管道水量计量。多用于需要利用IC卡充值用水,并根据取用水户卡中的信息对用水量进行管理的情况。

4.1.1.9　涡街流量计

涡街流量计应用流体振荡原理来测量流量,在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、黏度等物性的影响。主要适用于封闭满管中稳定的或者变化缓慢的单相液体流量测量。

4.1.2　水位测量仪器

水位测量仪器是测量明渠(江河、湖库等)或地下水水位的仪器,主要有浮子式水位计、压力式水位计、超声波水位计、雷达水位计、激光水位计、电子水尺等几种。

4.1.2.1　浮子式水位计

浮子式水位计利用浮子感应水位升降,以机械方式直接传动记录或带动水位编码器实现自记。主要用于便于建造水位测井的江河、湖泊、水库、河口、渠道等明渠水位的监测,以及船闸及多种水工建筑物处的水位测量。直径和测深条件许可的地下水井也可用浮子式水位计。

4.1.2.2　压力式水位计

压力式水位计基于所测水体静压与该水体的水位高度成比例的原理来测量,常用的有投入式压力水位计和气泡式压力水位计两种,主要用于不便建水位测井的明渠水位监测。投入式压力水位计也适用于地下水位测量。压力式水位计使用时要注意定时率定。

4.1.2.3　超声波水位计

超声波水位计应用声波反射的原理来测量水位,分为液介式和气介式两大类。主要用于不便建水位测井的明渠水位测量。超声波水位计精度略偏低,适用于水位变幅小、温度变化不大的监测点。

4.1.2.4　雷达水位计

雷达水位计利用电磁波反射的原理来测量水位,属于非接触型水位测量。主要用于不便建水位测井的明渠和不适宜采用浮子式水位计进行水位测量的情况。雷达水位计具有测量范围大、测验精度高、不需建井等特点,但仪器的安装维护有一定的条件限制。

4.1.2.5　激光水位计

激光水位计运用激光测距原理进行水位测量,适用于水位变化较小的明渠水位测量,多用于水工建筑物测流时的水位监测。具有测量范围大、测验精度高、不需建井等特点,但测量时需要水面有专用反射板。

4.1.2.6　电子水尺

电子水尺在本标准中主要指电极式和磁致伸缩式水尺。电极式电子水尺利用水的导电性原理,通过测量分布电极的电信号来测量水位。磁致伸缩式电子水尺由探测杆、电路单元和浮子三部分组成。测量时电路单元产生的电流脉冲产生环形磁场,探测杆外浮子沿探测杆随液位变化而上下移动,同时产生一个磁场。当电流磁场与浮子磁场相遇时产生“返回”脉冲,将“返回”脉冲与电流脉冲的时间差转换成脉冲信号,从而计算出浮子的实际位置,测得水位。电子水尺主要适用于水位变化不大的明渠水位测量,多用于水工建筑物及堰槽测流时的水位监测。

4.1.3　流速仪

流速仪是测量河流、湖泊和渠道等水体的水流速度的仪器,主要有转子式流速仪、声学多普勒点流速仪、电磁流速仪、电波流速仪等。通过流速测量及断面面积可推算出断面流量。

4.1.3.1　转子式流速仪

转子式流速仪是利用水流动力推动转子旋转,根据转动速度推求流速的仪器,分为旋杯式和旋桨式两种。旋杯式主要用于较低流速测量,旋桨式主要用于较高流速测量。转子式流速仪适用于点流速测量,通过已知的固定过水断面积、流量系数计算流量。转子式流速仪应定期进行检定和校准。

4.1.3.2　声学多普勒点流速仪

声学多普勒点流速仪是运用多普勒原理测量点流速的仪器,适用于点流速测量,通过已知的固定过水断面积和流量系数计算流量。可用于长期自动测量河流、湖泊、渠道、管道等点流速;因体积小,也可用于浅水低流速测量。

4.1.3.3　电磁流速仪

电磁流速仪是利用法拉第电磁感应定律测量流体流速,是可长期工作的自动点流速仪。

4.1.3.4　电波流速仪

电波流速仪是一种利用微波多普勒原理的测速仪器,是一种非接触式测流仪器,适合在桥上或岸上测量一定距离外的水面流速。电波流速仪测量速度快,测速准确性低于转子式流速仪,但在非接触式流速仪中,其测速准确性比较好。适用于漂浮物多、夹带污物的排水、高洪和含沙量大等常规测量方法困难的场合,包括明渠流量的移动监测。

4.1.3.5　流速流量记录仪

与转子式流速仪配套使用,用于记录、测算流速和流量。

4.1.4　测深仪

4.1.4.1　超声波测深仪

超声波测深仪适用于江河、湖泊、水库、渠道等水体水深的测量,但不适合于河底有水草等杂物环境下的测量。

4.2　水质在线监测仪器

水质在线监测应根据监测对象选择适当的水质参数和在线自动监测仪器。对于水功能区河道水质自动监测,以常规水质5项参数(水温、pH值、溶解氧、电导率、浊度)和水功能区纳污总量考核指标COD、氨氮为监测参数。对于水功能区湖库水质自动监测,除以上7项外,可加选对湖库富营养化有重要影响的总磷、总氮2项参数进行监测。

4.2.1　多参数水质监测仪器

可以是单一参数传感器,也可以是多参数一体化水质在线自动监测仪(主要包括水温、pH值、溶解氧、电导率、浊度等参数)。多参数监测仪主要适用于水质在线预警站,也可配合其他水质分析仪组成水质在线自动监测站。

对于水质参数超过检测方法要求测量范围的,水质分析仪器应能具有自动对水样进行稀释后进行分析测量的功能。

4.2.1.1　水温监测仪

适用于井水、江河水、湖泊和水库水,宜采用温度传感器直接测量水的表层温度。

方法标准:GB 13195—1991。

4.2.1.2　pH监测仪

适用于饮用水、地面水及工业废水,宜利用玻璃电计或甘汞电极测定pH值。

方法标准:GB 6920—1986。

4.2.1.3　电导率监测仪

适用于天然水,利用电导率仪或电导电极测定电导率。

方法标准:GB/T 13580.3—1992。

4.2.1.4　浊度监测仪

适用于饮用水、天然水等低浊度水,最低检测浊度为1～3度。

方法标准:GB/T 13200—1991。

在线自动分析仪器的原理目前与国家标准推荐方法的原理可不尽相同。

4.2.1.5　溶解氧监测仪

适用于天然水、污水和盐水,利用电化学探头法进行测定。测量盐水时,需对含盐量进行校正。

方法标准:GB 11913—1989。

4.2.2　COD测定仪

COD测定有重铬酸钾法和UV法两种方法,UV法COD测量仪主要适用于水质预警站监测,重铬酸钾法COD测量仪适用于水质在线自动监测站使用。

应满足经典的2h消解COD测定方法的基本原理,应内置标准COD测试曲线或支持用户自建曲线。

方法标准:GB 11914—1989、HJ/T 191—2005。

COD反映的是受还原性物质污染的程度,由于只能反映能被氧化的有机物污染,因此,COD测定仪主要应用于污染水体或工业废水的测定,其值低于10mg/L时,测量的准确度较差。

4.2.3　高锰酸盐指数分析仪

适用于饮用水、水源水和地表水水质监测。

方法标准:GB 11892—1989。

CODMn反映的是受有机污染物和还原性无机物质污染程度的综合指标,由于在规定的条件下,水中的有机物只能部分被氧化,因此,CODMn(高锰酸盐指数)分析仪宜用于污染比较轻微的水体或者较清洁水体的测定,不适用于测定工业废水、高有机污染等水体的检测。

4.2.4　氨氮分析仪

适用于饮用水、地表水和废水水质监测,如水样中含有悬浮物、余氯、钙镁等金属离子、硫化物等,需做适当的预处理,消除干扰后进行测定。

方法标准:GB 7479—1987、HJ 535—2009等。

氨氮以游离氨或铵盐的形式存在于水中,氨氮是评价水体污染和“自净”状况的重要指标。氨氮测定仪有氨电极测量仪和氨氮分析仪两种形式,氨电极测量仪主要适用于水质预警站监测,氨氮分析仪适用于水质在线自动监测站使用。

4.2.5　总氮分析仪

适用于地表水水质监测,可测定水中亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、无机铵盐、溶解态氨及大部分有机氮化合物的总和,应满足方法的消解和测定要求。

方法标准:GB 11894—1989等。

总氮是水中各种形态无机和有机氮的总量,是饮用水源地和水功能保护区重要的监测指标。总氮测定仪适用于水质在线自动监测站使用。

4.2.6　总磷分析仪

适用于地表水、废污水的水质监测。

方法标准:GB 11893—1989等。

总磷是水中各种形态磷的总量,是饮用水源地和水功能保护区重要的监测指标。总磷测定仪适用于水质在线自动监测站使用。

4.2.7　水质自动分析仪

水质自动分析仪主要是指能够自动抽取水样,并对水样进行自动分析、测量的水质在线分析仪器。宜配备多种分析试剂,并需要一定的测量时间。水质自动分析仪可根据监测目的选择适当的水质监测参数,通过将多种水质监测参数仪器集成,实现水质在线自动监测功能,构建水质在线自动监测站。对于水质参数超过检测方法要求测量范围的,水质自动分析仪器应能具有自动对水样进行稀释后进行分析测量的功能。

4.3　数据采集(测控)终端机

数据采集(测控)终端机具有自动实时采集、存储并传输各类水位、流速、流量等监测传感器的监测数据,并配合数据传输单元实现信息传输的功能。也可具有自动控制水泵的电源或回路、自动控制阀门的开闭等控制功能。

4.4　数据传输单元

数据传输单元应依据测站特点和周边通信条件、前期其他水利信息化系统建设状况,以及传输流量的大小进行合理选择。除视频信息外,其他信息传输流量一般比较小,因此可优先选择公共移动通信方式。

4.5　其他

4.5.1　管道压力仪

管道压力仪是广泛应用于各种工业自控环境的一种压力传感器,是用于监测水流管道压力的专用仪器。

4.5.2　闸门开度仪

闸门开度仪是测量闸门开启高度的仪器,适用于通过闸门开度、稳定的水位—流量关系推算供排水流量的水闸。

4.5.3　阀门开度仪

阀门开度仪是监测阀门开启位置的仪器,适用于通过阀门开启位置来推算流量的场所。

4.5.4　功率表

功率表是指测量直流、交流电路中功率的电表,适用于通过泵站机组功率来推算流量的场所。

4.6　应用推荐

4.6.1　地表水水位自动监测

宜采用浮子式水位计。对不便建造测井的地方,可选择压力式水位计或雷达式水位计。上述水位计均不适合的地方,可选用超声波式水位计。

4.6.2　地下水水位自动监测

宜采用压力式水位计,如果条件允许,也可采用浮子式水位计。

4.6.3　河道(明渠)型取水流量在线自动监测

有超声波时差法、声学多普勒剖面流速仪法、水工建筑物测流法、堰槽法和比降面积法。超声波时差法和侧视式声学多普勒流速剖面仪法可实现在线自动测流;水工建筑物测流法和比降面积法在精度不高的要求下也可作为在线测流;堰槽法精度较高,但只能适用于较小的流量测验。推荐采用声学多普勒剖面流速仪、超声波时差法明渠流量计和堰槽流量计测算流量;采用地表水水位监测仪器测量河段上下游的水位;采用电子水尺、激光水位计等监测过堰水流的水位、闸门上下游水位;采用闸位计监测闸门开度。

4.6.4　管道型取水流量自动监测

宜采用声学管道流量计、电磁管道流量计、涡街流量计、电子远传水表。

4.6.5　由泵站机组特性曲线推算流量

宜采用泵站功率表,监测泵站机组的功率,通过效率曲线推算提取的流量。

4.6.6　水质在线自动监测

应根据监测对象不同选择适当的水质监测要素以及水质在线监测仪器和自动分析仪器。对于水功能区河道水质自动监测,以常规水质五参数(水温、pH值、溶解氧、电导率、浊度)和水功能区纳污考核指标COD、氨氮为监测参数,应选择水温监测仪、pH监测仪、溶解氧监测仪、电导率监测仪、浊度监测仪、COD测定仪、高锰酸盐指数分析仪和氨氮分析仪。对于水功能区湖库水质自动监测,除以上7项外,还可选择对湖库富营养化有重要影响的水质参数(如总磷、总氮)等进行监测,应增加选择总磷分析仪和总氮分析仪等。