一种河道断面水质监测系统及其方法技术领域
本发明涉及水质监测领域，尤其涉及一种河道断面水质监测系统及其方法。
背景技术
水是人类赖以生存的物质基础，也是生产生活中不可或缺的自然资源。外界环境
和水体内部因子的不断变化，使得水环境质量呈动态变化过程，因此进行水质监测对于水
质监控与污染防治具有重要意义。水质监测是通过监视和测定水体中污染物种类、浓度以
及变化趋势，对水质状况进行评价的一项复杂的系统工程。水质监测点的选择一般是由监
测目的和断面类型来论证确定的，监测断面的水质情况及其随时间的变化规律可以为污染
防治和监督管理提供科学依据。
传统的断面监测是按照水体区域大小平均分布的原则进行布设，即将水域平均分
割为固定大小的网格，并在每个网格的中心位置布测点，这种方法简单易行，但往往会导致
相邻断面出现水质监测结果相同或相近，造成监测资源浪费，因此需要进行不断地优化。通
过水质监测断面优化，以最小的代价和最高的效率使得监测断面具有最佳整体功能，可有
效整合水环境监测资源，减少重复投资和建设，最大程度地客观反映出水环境整体质量状
况，实现更加有效的水环境监测。人们在实际操作过程中，往往由实验员先把水质分析仪带
往需检测的水域，使分析仪直接接触目标水体，经过几秒钟的现场自动分析后，数据分析结
果直接存进内部存储芯片，然后由实验员把分析仪带回实验室，通过分析仪带有的通信接
口(如RS232接口、无线红外等)将分析接口上传给PC机。这些分析仪具有准确度高、可测量
水质参数多、监测探头可安装可卸载可自由组合等特点，但是这些分析仪需要人手主动操
作，工作量大，如果检测点在湖心，则非常不方便，且不能实现实时远程检测，对于需要长期
监控水质的使用要求，不能满足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种河道断面水质监测系统及其方法，该水质监测系统结
构简单、科学便利、针对性强、自动化程度高，操作方便，通过该方法，能实时监控河道断面
的水质情况，准确性高，并将信息远程主动推送，实现远程操控、方便工作人员随时获知水
质情况，减少人工劳动强度，从而提高工作效率，减少经济成本。
为了解决上述技术问题，采用如下技术方案：
一种河道断面水质监测系统，岸上控制基站和监测箱体，岸上控制基站和监测箱
体之间通过电缆进行信号传递，监测箱体内设有设有取样装置、水质监测装置和水下控制
装置，取样装置连接水质监测装置，水质监测装置连接水下控制装置，取样装置包括取样机
械手、控制台和取样管，取样机械手连接控制台，控制台连接取样管，取样管连接水质监测
装置，水质监测装置包括数据采集模块、水质检测传感器和数据分析模块，数据采集模块的
一端连接取样管，数据采集模块的另一端连接水质检测传感器，水质检测传感器连接数据
分析模块，数据分析模块连接水下控制装置，监测箱体的上部设有平衡稳定装置，监测箱体
的下部设有升降控制装置，监测箱体的前部设有摄像头，监测箱体的后部设有推进器和声
纳。通过岸上控制基站整体控制监测箱体的运动和监测工作，监测箱体可以根据河道需要
监测的断面点的数量和区域大小，安排合理的数量。当监测箱体到达河道断面监测点时，先
通过取样装置进行水体取样工作，然后通过水质监测装置分析出检测结果，在该断面检测
完成后，开始运动到下一个河道断面监测点，依次循环工作，每隔一段时间，获取该河道断
面的水质信息，从而能实时监控河道断面的水质情况，准确性高，在此基础上将获取的信息
远程主动推送，实现远程操控、方便工作人员随时获知水质情况。
进一步，平衡稳定装置包括平衡稳定箱，平衡稳定箱的前侧设有底盘，底盘上设有
稳定轴，稳定轴上设有平稳支脚，平稳支脚上设有导向轮，平衡稳定箱的后侧设有平衡尾翼
和连接板，平衡尾翼设于连接板之间，平衡尾翼和连接板设于平衡稳定箱中，连接板连接有
复位器。当监测箱体到达监测位置时，平衡稳定装置一方面通过稳定轴带动平稳支脚和导
向轮运动，起到很好地平衡作用，另一方面通过驱动器(图中未画出)，带动连接板展开平衡
尾翼，此时平衡尾翼呈扇形状，在水的浮力作用下，平衡稳定箱平稳地悬浮在水中，保证监
测箱体可以安全平稳地进行工作。
进一步，升降控制装置包括气囊、充气气源和充气电机，气囊连接有浮腔，浮腔连
接有充气管，充气管连接充气气源，充气气源连接充气电机，充气电机连接水下控制装置。
升降控制装置可以控制监测箱体的水下竖直位置，当监测箱体需要下降时，启动充气电机，
充气气源开始抽气工作，通过充气管将气囊里面的气体渐渐排出，气囊随着体积的减小浮
力也不断减小，这样监测箱体就会持续下降，到达指定监测位置；当监测箱体需要上升时，
启动充气电机，充气气源开始进气工作，通过充气管将气体通入到气囊内，气囊随着体积的
增大浮力也不断增大，这样监测箱体就会持续上升。这样便于岸上控制基站有效地控制监
测箱体进行水下竖直上下运动。
进一步，气囊和浮腔的连接处设有接头体，接头体上设有气囊端盖，气囊端盖上设
有气囊护罩，气囊端盖和气囊之间设有密封组件。
进一步，充气管上设有充气电磁阀。
进一步，推进器包括螺旋桨和推行轴，螺旋桨连接推行轴。通过推进器，由推行轴
带动螺旋桨运动，使监测箱体可以进行水平面内的运动，由此配合升降控制装置，使监测箱
体可以精确快速地到达监测位置。
进一步，取样管上设有取样电磁阀。
一种河道断面水质监测方法，其特征在于包括以下步骤：
(a)建立岸上控制基站：通过对河道图纸进行了解和分析，了解河道的各个断面
点，分析出实际监测具体分布情况，划分出各个监测网点，然后根据分析出的数据图在岸边
建立监测的岸上控制基站；
(b)安装电缆：将电缆连接电极探头，再将电极探头固定在监测箱体的顶部，接着
将电极探头接入的电缆的一端连接到水下控制装置，并将电缆的另一端连接到岸上控制基
站；
(c)控制监测箱体到达河道断面监测点：开启监测箱体控制电开关，将监测箱体从
岸上放入到河道内，开启推进器，根据河道水压和水流的实际情况，控制推进器的转速，然
后通过岸上控制基站内的无线手柄远程遥控监测箱体，对监测箱体发送控制命令，监测箱
体进行水下三维自由度沿着指定的河道断面监测点运动；
(d)河道断面水质监测：当监测箱体达到指定的河道断面监测点时，先开启摄像
头，用摄像头对断面监测点的情况进行实时影像监视、记录、图像抓拍的操作；然后通过控
制取样机械手，对河道断面监测点进行取样工作，并通过取样管输送到水质监测装置内；接
着通过数据采集模块采集取样管内输送过来的水样，并通过水质检测传感器得到该断面监
测点水样的pH值、水温、溶解氧、锰酸盐指数、日生化需氧量、化学需氧量、悬浮物量、氨氮
量、总磷量、石油类量和大肠菌群量的数据信息；最后通过数据分析模块对得到的数据信息
进行分类统计，将得到的统计结果无线传输给在岸上控制基站；每隔一个小时，重复上述过
程，对该河道断面水质进行实时监测。
进一步，在步骤(c)中，监测箱体的航速控制在0～50m/min，监测箱体处于水下工
作时间控制在12～18h。
进一步，在步骤(d)中，在同一河道断面进行取样过程中，根据河道的宽度每隔1m
设置一个监测取样点。
由于采用上述技术方案，具有以下有益效果：
本发明为一种河道断面水质监测系统及其方法，该水质监测系统结构简单、科学
便利、针对性强、自动化程度高，操作方便，通过该方法，能实时监控河道断面的水质情况，
准确性高，并将信息远程主动推送，实现远程操控、方便工作人员随时获知水质情况，减少
人工劳动强度，从而提高工作效率，减少经济成本。
通过岸上控制基站整体控制监测箱体的运动和监测工作，监测箱体可以根据河道
需要监测的断面点的数量和区域大小，安排合理的数量。当监测箱体到达河道断面监测点
时，先通过取样装置进行水体取样工作，然后通过水质监测装置分析出检测结果，在该断面
检测完成后，开始运动到下一个河道断面监测点，依次循环工作，每隔一段时间，获取该河
道断面的水质信息，从而能实时监控河道断面的水质情况，准确性高，在此基础上将获取的
信息远程主动推送，实现远程操控、方便工作人员随时获知水质情况。
当监测箱体到达监测位置时，平衡稳定装置一方面通过稳定轴带动平稳支脚和导
向轮运动，起到很好地平衡作用，另一方面通过驱动器(图中未画出)，带动连接板展开平衡
尾翼，此时平衡尾翼呈扇形状，在水的浮力作用下，平衡稳定箱平稳地悬浮在水中，保证监
测箱体可以安全平稳地进行工作。
升降控制装置可以控制监测箱体的水下竖直位置，当监测箱体需要下降时，启动
充气电机，充气气源开始抽气工作，通过充气管将气囊里面的气体渐渐排出，气囊随着体积
的减小浮力也不断减小，这样监测箱体就会持续下降，到达指定监测位置；当监测箱体需要
上升时，启动充气电机，充气气源开始进气工作，通过充气管将气体通入到气囊内，气囊随
着体积的增大浮力也不断增大，这样监测箱体就会持续上升。这样便于岸上控制基站有效
地控制监测箱体进行水下竖直上下运动。
通过推进器，由推行轴带动螺旋桨运动，使监测箱体可以进行水平面内的运动，由
此配合升降控制装置，使监测箱体可以精确快速地到达监测位置。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1为本发明中一种河道断面水质监测系统及其方法的结构示意图；
图2为本发明中监测箱体的结构示意图；
图3为本发明中升降控制装置的结构示意图；
图4为本发明中气囊的结构示意图；
图5为本发明中平衡稳定装置的结构示意图。
图中：1-岸上控制基站；2-监测箱体；3-电缆；4-取样装置；5-水质监测装置；6-水
下控制装置；7-平衡稳定装置；8-升降控制装置；9-摄像头；10-推进器；11-声纳；12-电极探
头；13-螺旋桨；14-推行轴；15-取样机械手；16-控制台；17-取样管；18-取样电磁阀；19-数
据采集模块；20-水质检测传感器；21-数据分析模块；22-平衡稳定箱；23-底盘；24-稳定轴；
25-平稳支脚；26-导向轮；27-平衡尾翼；28-连接板；29-复位器；30-气囊；31-充气气源；32-
充气电机；33-浮腔；34-充气管；35-接头体；36-气囊端盖；37-气囊护罩；38-密封组件；39-
充气电磁阀。
具体实施方式
如图1至图5所示，一种河道断面水质监测系统，岸上控制基站1和监测箱体2，岸上
控制基站1和监测箱体2之间的通信及监测箱体2本体的动力电源供给通过电缆3来实现。岸
上控制基站1主要由一台主控计算机、交换机、数据储存器、液晶显示器和无线手柄组成，主
控计算机选用的是工控机，工控机采用嵌入式总线结构，噪音低、体积小、耗能低；交换机是
一种用于电(光)信号转发的网络设备，它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享
的电信号通路。无线手柄选用的是Saitck P3000无线手柄，该手柄轻巧方便，操作灵活，无
线手柄控制监测箱体2前进、后退、下潜、上浮、转向。
监测箱体2内设有设有取样装置4、水质监测装置5和水下控制装置6，取样装置4连
接水质监测装置5，水质监测装置5连接水下控制装置6。取样装置4包括取样机械手15、控制
台16和取样管17，取样机械手15连接控制台16，控制台16连接取样管17，取样管17上设有取
样电磁阀18，取样管17连接水质监测装置5。水质监测装置5包括数据采集模块19、水质检测
传感器20和数据分析模块21，数据采集模块19的一端连接取样管17，数据采集模块19的另
一端连接水质检测传感器20，水质检测传感器20连接数据分析模块21，数据分析模块21连
接水下控制装置6。监测箱体2的上部设有平衡稳定装置7，监测箱体2的下部设有升降控制
装置8，监测箱体2的前部设有摄像头9，监测箱体2的后部设有推进器10和声纳11。水下控制
装置6内有数据储存器和控制器，数据储存器用于暂时存储监测到的实时数据信息，每隔一
段时间发送给岸上控制基站1；控制器用于控制水质检测传感器20的工作，便于水质检测传
感器20准确快速地检测出水质结果。水质检测传感器20包括pH值检测传感器、水温检测传
感器、溶解氧检测传感器、锰酸盐指数检测传感器、日生化需氧量检测传感器、化学需氧量
检测传感器、悬浮物检测传感器、氨氮检测传感器、总磷检测传感器、石油类检测传感器和
大肠菌群检测传感器等检测传感器，用于快速检测出水样中的pH值、水温、溶解氧、锰酸盐
指数、日生化需氧量、化学需氧量、悬浮物量、氨氮量、总磷量、石油类量和大肠菌群量。
通过岸上控制基站1整体控制监测箱体2的运动和监测工作，监测箱体2可以根据
河道需要监测的断面点的数量和区域大小，安排合理的数量。当监测箱体2到达河道断面监
测点时，先通过取样装置4进行水体取样工作，然后通过水质监测装置5分析出检测结果，在
该断面检测完成后，开始运动到下一个河道断面监测点，依次循环工作，每隔一段时间，获
取该河道断面的水质信息，从而能实时监控河道断面的水质情况，准确性高，在此基础上将
获取的信息远程主动推送，实现远程操控、方便工作人员随时获知水质情况。
平衡稳定装置7包括平衡稳定箱22，平衡稳定箱22的前侧设有底盘23，底盘23上设
有稳定轴24，稳定轴24上设有平稳支脚25，平稳支脚25上设有导向轮26，平衡稳定箱22的后
侧设有平衡尾翼27和连接板28，平衡尾翼27设于连接板28之间，平衡尾翼27和连接板28设
于平衡稳定箱22中，连接板28连接有复位器29。当监测箱体2到达监测位置时，平衡稳定装
置7一方面通过稳定轴24带动平稳支脚25和导向轮26运动，起到很好地平衡作用，另一方面
通过驱动器(图中未画出)，带动连接板28展开平衡尾翼27，此时平衡尾翼27呈扇形状，在水
的浮力作用下，平衡稳定箱22平稳地悬浮在水中，保证监测箱体2可以安全平稳地进行工
作。
升降控制装置8包括气囊30、充气气源31和充气电机32，气囊30连接有浮腔33，浮
腔33连接有充气管34，充气管34上设有充气电磁阀39。充气管34连接充气气源31，充气气源
31连接充气电机32，充气电机32连接水下控制装置6。气囊30和浮腔33的连接处设有接头体
35，接头体35上设有气囊端盖36，气囊端盖36上设有气囊护罩37，气囊端盖36和气囊30之间
设有密封组件38。升降控制装置8可以控制监测箱体2的水下竖直位置，当监测箱体2需要下
降时，启动充气电机32，充气气源31开始抽气工作，通过充气管34将气囊30里面的气体渐渐
排出，气囊30随着体积的减小浮力也不断减小，这样监测箱体2就会持续下降，到达指定监
测位置；当监测箱体2需要上升时，启动充气电机32，充气气源31开始进气工作，通过充气管
34将气体通入到气囊30内，气囊30随着体积的增大浮力也不断增大，这样监测箱体2就会持
续上升。这样便于岸上控制基站1有效地控制监测箱体2进行水下竖直上下运动。
推进器10包括螺旋桨13和推行轴14，螺旋桨13连接推行轴14。通过推进器10，由推
行轴14带动螺旋桨13运动，使监测箱体2可以进行水平面内的运动，由此配合升降控制装置
8，使监测箱体2可以精确快速地到达监测位置。
一种河道断面水质监测方法，其特征在于包括以下步骤：
(a)建立岸上控制基站1：通过对河道图纸进行了解和分析，了解河道的各个断面
点，分析出实际监测具体分布情况，划分出各个监测网点，然后根据分析出的数据图在岸边
建立监测的岸上控制基站1。
(b)安装电缆3：将电缆3连接电极探头，再将电极探头固定在监测箱体2的顶部，接
着将电极探头接入的电缆3的一端连接到水下控制装置6，并将电缆3的另一端连接到岸上
控制基站1。
(c)控制监测箱体2到达河道断面监测点：开启监测箱体2控制电开关，将监测箱体
2从岸上放入到河道内，开启推进器10，根据河道水压和水流的实际情况，控制推进器10的
转速，监测箱体2的航速控制在0～50m/min，监测箱体2处于水下工作时间控制在12～18h。
然后通过岸上控制基站1内的无线手柄远程遥控监测箱体2，对监测箱体2发送控制命令，监
测箱体2进行水下三维自由度沿着指定的河道断面监测点运动。
(d)河道断面水质监测：当监测箱体2达到指定的河道断面监测点时，先开启摄像
头9，用摄像头9对断面监测点的情况进行实时影像监视、记录、图像抓拍的操作。然后通过
控制取样机械手15，对河道断面监测点进行取样工作，并通过取样管17输送到水质监测装
置5内；在取样机械手15进行取样工作时，通过水下控制装置6将平衡装置中的平衡尾翼27
打开，使监测箱体2平稳地停留在断面监测点。平衡稳定装置7一方面通过稳定轴24带动平
稳支脚25和导向轮26运动，起到很好地平衡作用，另一方面通过驱动器(图中未画出)，带动
连接板28展开平衡尾翼27，此时平衡尾翼27呈扇形状，在水的浮力作用下，平衡稳定箱22平
稳地悬浮在水中，保证监测箱体2可以安全平稳地进行工作。接着通过数据采集模块19采集
取样管17内输送过来的水样，并通过水质检测传感器20得到该断面监测点水样的pH值、水
温、溶解氧、锰酸盐指数、日生化需氧量、化学需氧量、悬浮物量、氨氮量、总磷量、石油类量
和大肠菌群量的数据信息。最后通过数据分析模块21对得到的数据信息进行分类统计，将
得到的统计结果无线传输给在岸上控制基站1；每隔一个小时，重复上述过程，对该河道断
面水质进行实时监测。在同一河道断面进行取样过程中，根据河道的宽度每隔1m设置一个
监测取样点。
本发明具体的评价方法与结果分析：根据现状监测结果，采用标准指数法对单项
水质参数进行评价。单项水质评价因子i在第j取样点的标准指数：
Si，j＝Ci,j/CSi
式中：Ci,j—水质评价因子i在在第j取样点浓度，mg/L；
时
时
CSi—因子的评价标准。
DO的标准指数为：
DOf＝468/(31.6+T)
式中：DOf—饱和溶解氧浓度，mg/L；
DOj—j点测定的溶解氧浓度，mg/L；
DOs—溶解氧的地面水质标准值，mg/L；
T—监测时水温，℃。
pH的评价标准指数为：
式中：pHj—j取样点水样pH值；
pHsd—评价标准规定下限值；
pHsu—评价标准规定上限值。
评价因子的标准指数值≤1，表明该因子符合水质评价标准，满足功能区使用要
求；如果评价因子的标准指数值>1，表明该因子超过了水质评价标准，已经不能满足使用要
求，也说明水质已受到该因子的污染，指数值越大，污染程度越重。
工作人员具体通过该方法监测常山县常山港治理一期工程项目的2015年8月监测
断面水质监测结果如下表1所示。
表1
从表1监测数据可知，常山县常山港治理一期工程项目2015年8月监测断面水质监
测，青石护岸朱家渡大桥、赵家坪右岸堤指挥部施工断面地表水水质检测指标均能符合《地
表水环境质量标准》(GB3838-2002)III类水质标准和《生活饮用水卫生标准》(GB5749-
2006)，本次监测以青石护岸朱家渡大桥施工断面上游500m与赵家坪右岸堤指挥部施工断
面上游500m为对照断面，基本可以反映地表水水质原始状态，项目监测断面上游500m处水
质较监测断面与下游500m处相对好些，可能的原因主要为施工时期开挖断面引起河流底泥
翻动导致施工断面与下游500m处检测指标略大于上游500m处，待施工期完成后，该水质断
面基本会恢复原来状态。青石护岸朱家渡大桥施工断面五日生化需氧量、化学需氧量、总磷
及高锰酸盐指数未能满足《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)III类水质标准要求，主要
原因为该施工断面取水点为一滩死水(由于施工区域需开挖临近水域的大面积陆域区块，
施工时先将陆域区块中间挖空，隔绝河流水体流入，便于施工，从而形成的一滩死水，时间
久容易发臭，导致水质变差)，未与常山港流域连接，故检测指标未能满足标准要求。
以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发
明为基础，为解决基本相同的技术问题，实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等
同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。