地下水自動洗井留樣站關(guān)鍵技術(shù)及野外工程應(yīng)用研究

摘要

針對現(xiàn)階段我國地下水人工采樣運(yùn)維成本高、采樣規(guī)范性差、VOCs水樣易揮發(fā)、監(jiān)測頻次低、質(zhì)控溯源困難等行業(yè)痛點(diǎn)，本文以地下水自動洗井留樣站為研究對象，闡述設(shè)備整體架構(gòu)、核心單元工作原理、自動洗井?留樣閉環(huán)控制邏輯，分析氣囊泵低擾動取水、多模式留樣、4℃恒溫儲存、遠(yuǎn)程無線管控、全流程日志留痕等關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)合地下水考核點(diǎn)位、化工園區(qū)、污染地塊實(shí)際工況，探究設(shè)備在復(fù)雜野外環(huán)境下的運(yùn)行穩(wěn)定性，總結(jié)設(shè)備相較于傳統(tǒng)人工采樣的優(yōu)勢，為地下水智能化在線監(jiān)測裝備推廣、地下水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、采樣質(zhì)控體系建設(shè)提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：地下水監(jiān)測；自動洗井留樣站；氣囊泵；低擾動采樣；恒溫留樣；在線監(jiān)測；質(zhì)控溯源

0 引言

地下水作為我國核心戰(zhàn)略淡水資源，支撐城鄉(xiāng)飲水安全、工農(nóng)業(yè)供水、含水層生態(tài)穩(wěn)定、中深層地?zé)豳Y源開發(fā)利用。隨著《地下水管理?xiàng)l例》落地，HJ164?2020《地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》、HJ1019?2019揮發(fā)性有機(jī)物采樣導(dǎo)則、GB/T 14848?2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》落地執(zhí)行，國家對地下水采樣、洗井、留樣、儲存、轉(zhuǎn)運(yùn)、臺賬歸檔、全過程溯源提出嚴(yán)格硬性標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)前國內(nèi)絕大多數(shù)地下水監(jiān)測井依舊依靠人工定期野外巡檢采樣。偏遠(yuǎn)山區(qū)、無人區(qū)監(jiān)測點(diǎn)位路途遙遠(yuǎn)，人工運(yùn)維成本居高不下；洗井全憑操作人員經(jīng)驗(yàn)判斷水質(zhì)穩(wěn)定終點(diǎn)，極易出現(xiàn)洗井不充分、抽水?dāng)_動含水層、VOCs揮發(fā)性有機(jī)物逸散損耗；人工采樣頻次低，多為每月一次，無法捕捉地下水突發(fā)性滲漏污染；留樣缺少恒溫冷藏保存，水樣易變質(zhì)；采樣、洗井臺賬人工記錄易缺失、篡改，環(huán)保督查缺少完整證據(jù)鏈。

在此背景下，地下水自動洗井留樣站實(shí)現(xiàn)無人值守全自動作業(yè)，集成自動洗井、水質(zhì)在線判定、多模式留樣、恒溫儲存、無線傳輸、故障報(bào)警、日志留存功能，能夠解決傳統(tǒng)人工采樣諸多短板，是現(xiàn)階段地下水監(jiān)測智能化升級的核心裝備。

1 設(shè)備整體系統(tǒng)架構(gòu)

地下水自動洗井留樣站主要由自動洗井單元、監(jiān)測分析單元、控制單元、數(shù)據(jù)采集傳輸單元、水質(zhì)自動留樣單元、供電單元、戶外防護(hù)柜體七大模塊組成，模塊化分區(qū)、干濕分離布局，適配淺層監(jiān)測井至中深層地?zé)釗Q熱井。

1.1 自動洗井單元

設(shè)備配備變頻潛水泵、氣囊泵雙取水模式。常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測井采用潛水泵完成井體積置換、死水排放；VOCs、揮發(fā)性有機(jī)物監(jiān)測選用氣囊泵氣壓取水，無葉輪攪動水體，降低含水層擾動，避免揮發(fā)性物質(zhì)逸散。管路具備自動排空、沖洗、潤洗功能，消除管路殘留水體對水樣的干擾。

1.2 監(jiān)測分析單元

搭載免試劑多參數(shù)水質(zhì)分析儀，在線監(jiān)測pH、溶解氧、ORP、電導(dǎo)率、濁度、水溫、氨氮、硝酸鹽等指標(biāo)；配套水位傳感器監(jiān)測靜水位、洗井泄降水位；內(nèi)置水質(zhì)穩(wěn)定判定算法，水質(zhì)達(dá)標(biāo)自動停止洗井。

1.3 智能控制與傳輸單元

本地觸控操控+4G/NB?IoT遠(yuǎn)程云端管控；可遠(yuǎn)程啟停設(shè)備、修改留樣周期、設(shè)置超標(biāo)閾值；所有洗井、留樣、報(bào)警、門禁、斷電記錄自動存儲，本地存儲時(shí)長大于等于1年。

1.4 自動留樣單元

支持定時(shí)留樣、遠(yuǎn)程采樣、流量等比采樣、液位等比例采樣、應(yīng)急立即采樣；采樣瓶自動排空、沖洗、潤洗、密封；可自動添加固定劑，樣品放置于4℃恒溫冷藏托盤保存。

1.5 供電與戶外柜體

分為市電供電、太陽能光伏儲能供電；戶外柜體分為監(jiān)測區(qū)、冷藏區(qū)、廢液區(qū)、管路區(qū)、控制區(qū)、電力區(qū)；配備三級防雷、恒溫控溫、廢液密閉收集，適應(yīng)野外惡劣環(huán)境。

2 核心關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 原位自動洗井?留樣閉環(huán)控制技術(shù)

設(shè)備接收本地或遠(yuǎn)程指令啟動洗井，實(shí)時(shí)監(jiān)測水質(zhì)與水位；系統(tǒng)自動識別水質(zhì)穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)標(biāo)后結(jié)束洗井，隨即啟動留樣流程。整套流程全自動化，無需人員到場，規(guī)避人為操作誤差。

2.2 多模式智能留樣與低溫儲存技術(shù)

針對日常監(jiān)測、突發(fā)污染、周期性徑流監(jiān)測，設(shè)置五種留樣模式；水樣4℃恒溫冷藏，抑制微生物繁殖、防止有機(jī)物揮發(fā)，保障水樣送檢合規(guī)性。

2.3 全流程數(shù)字化質(zhì)控溯源技術(shù)

設(shè)備所有動作自動留痕，洗井曲線、水質(zhì)數(shù)據(jù)、留樣瓶編號、柜門開關(guān)、設(shè)備故障全部上傳平臺，實(shí)現(xiàn)采樣全過程可追溯，滿足環(huán)保督查、質(zhì)控核查標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 野外環(huán)境自適應(yīng)防護(hù)技術(shù)

干濕分離獨(dú)立分區(qū)、三級防雷、恒溫柜體、廢液收集，解決野外高溫嚴(yán)寒、雷電、管路堵塞、設(shè)備受潮等問題，實(shí)現(xiàn)長期無人值守。

3 工程應(yīng)用優(yōu)勢

3.1 降低野外運(yùn)維成本

替代人工高頻次巡檢采樣，山區(qū)、無人區(qū)點(diǎn)位依靠太陽能供電長期運(yùn)行，大幅減少人力、交通成本。

3.2 采樣標(biāo)準(zhǔn)化程度高

嚴(yán)格按照國標(biāo)開展井體積置換洗井、低擾動取水，系統(tǒng)自動判定洗井終點(diǎn)，不受操作人員經(jīng)驗(yàn)影響，水樣代表性更強(qiáng)。

3.3 兼顧在線預(yù)警與法定留樣

多參數(shù)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測水質(zhì)，超標(biāo)第一時(shí)間預(yù)警；加密留樣送至第三方實(shí)驗(yàn)室檢測，檢測結(jié)果具備法定效力，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警?證據(jù)留存一體化。

3.4 監(jiān)測頻次大幅提升

可設(shè)置雙周、每日加密留樣，捕捉瞬時(shí)污染滲漏，適合化工園區(qū)、污染地塊動態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管控。

4 結(jié)論與展望

地下水自動洗井留樣站從硬件架構(gòu)、自動控制、質(zhì)控溯源層面解決傳統(tǒng)人工采樣痛點(diǎn)，適配淺層、中深層地?zé)峋⒌V山疏干井等多類井型。未來設(shè)備可集成更多重金屬、有機(jī)物在線傳感器，優(yōu)化AI水質(zhì)穩(wěn)定算法，打通地方生態(tài)環(huán)境監(jiān)管平臺數(shù)據(jù)接口，全面推動我國地下水監(jiān)測朝著自動化、智能化、可溯源方向升級。

論文《地下水自動洗井留樣站關(guān)鍵技術(shù)及野外工程應(yīng)用研究》詳細(xì)分類關(guān)鍵詞

1 研究主題類

地下水環(huán)境監(jiān)測、地下水自動監(jiān)測、地下水采樣質(zhì)控、揮發(fā)性有機(jī)物采樣、地下水野外監(jiān)測、地下水常態(tài)化監(jiān)管、地下水環(huán)境調(diào)查

2 核心設(shè)備類

地下水自動洗井留樣站、氣囊泵低擾動取水裝置、變頻潛水泵、免試劑多參數(shù)水質(zhì)分析儀、恒溫冷藏留樣模塊、物聯(lián)網(wǎng)傳輸終端、戶外一體化防護(hù)柜體、太陽能供電模組、管路自動沖洗組件

3 核心技術(shù)類

原位自動洗井?留樣閉環(huán)控制、井體積置換洗井技術(shù)、低擾動密閉采樣、4℃恒溫儲樣技術(shù)、多模式智能留樣、全流程數(shù)字化溯源、水質(zhì)穩(wěn)定自動判定、三級防雷防護(hù)、干濕分離分區(qū)設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程無線管控、超標(biāo)自動留樣

4 監(jiān)測參數(shù)類

地下水水位、動態(tài)泄降水位、pH值、溶解氧、氧化還原電位、電導(dǎo)率、濁度、水溫、氨氮、硝酸鹽氮、重金屬、VOCs揮發(fā)性有機(jī)物

5 國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范類

HJ164?2020、HJ1019?2019、GB/T 14848?2017、地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范、地塊土壤地下水VOCs采樣導(dǎo)則、地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

6 工程應(yīng)用場景類

地下水考核點(diǎn)位、化工園區(qū)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測井、建設(shè)用地污染地塊、飲用水源地監(jiān)測、礦山地下水監(jiān)測、突發(fā)環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測

7 行業(yè)痛點(diǎn)與效益類

人工采樣缺陷、野外運(yùn)維成本、采樣標(biāo)準(zhǔn)化、水樣代表性、地下水污染預(yù)警、監(jiān)測頻次優(yōu)化、環(huán)保督查質(zhì)控溯源