監測方法在城市水環境監測預警中的應用

◎ 北京水務信息管理中心 王昉 劉 梅

水是生命之源、生產之要、生態之基。近年來隨著工業化、城鎮化深入發展，全球氣候變化影響加大，我國水資源供需矛盾已成為可持續發展的主要瓶頸。2011年中央一號文明確提出要加大水利投入，著力實行最嚴格的水資源管理制度，并將其作為推進經濟結構調整和發展方式轉變的一個重要抓手，水資源管理將納入各級政府評估考核體系。

目前由住房和城鄉建設部科技發展促進中心牽頭，北京水務信息管理中心、上海市水務信息中心、同濟大學等6家單位參加，開展了國家水體污染控制與治理科技重大專項中“城市水環境系統設施的監控和預警研究”課題（課題編號2009ZX07318-002-02）的研究工作，本文主要是從水環境監控技術的角度，對水環境監測分析方法進行了梳理、分析和對比，并闡述了水環境監測方法在城市重要水源地水質監控預警方面的典型應用。

1.開展水環境監測工作的必要性

一是水資源保護監督管理最重要的基礎工作。實行最嚴格水資源管理制度，重點在于落實水資源管理的用水總量控制、用水效率和入河污染物限排總量控制“三條紅線”。一方面從總“量”的角度確保有水可用，另一方面是從“質”的角度確保有安全的水、生態的水，從而促進經濟社會的可持續發展。水資源管理中的水資源保護規劃、水功能區劃分、入河排污口管理等一系列業務管理工作離不開水環境監測工作。

二是為水污染治理提供基礎依據。通過水環境監測可以及時掌握水環境的變化狀況，有效監管重點污染源、排水戶的排放情況，為各級政府行業監管部門和公眾提供監管工具，為水污染治理提供基礎依據和管理手段，從而推動水污染治理的高效發展。

三是為應對突發性水污染事故提供有效的技術手段。突發性水環境污染事故不同于一般的環境污染，它沒有固定的排放方式和排放途徑，具有發生突然、危害嚴重等特點。近年來，各地的環境污染日趨加劇，突發性水環境污染事故也隨之增多，威脅著人類健康，破壞生態環境。如2005年11月13日中石油吉林省硝基苯大量泄漏，造成了松花江流域重大水污染事件，致使哈爾濱市市政供水停水四天；2007年夏天的太湖藍藻暴發事件等，都造成了嚴重的危害。通過水環境監測可第一時間掌握水污染情況，及時發出預警信號，為有效應對突發水污染事故提供技術支持。

2.水環境監測方法分析

隨著科學技術的進步，水環境監測技術迅速發展，儀器分析、計算機控制等現代化手段在水環境監測中得到了廣泛應用。分析方法從分光光度法、電位法發展到原子吸收法、原子熒光光譜法、氣相色譜法和液相色譜法等；手動和半自動實驗方法及儀器也正逐步被由計算機控制的自動監測、遙感遙測裝置所代替。

目前，各級政府在全國范圍內開展了大量的水環境監測工作，水質監測站網建設初具規模。概括來說，目前水環境監測方法主要包括實驗室監測、自動監測、移動監測和遙感監測四種，逐步形成了“常規監測與專項監測相結合、定點監測與機動巡測相結合、定時監測與實時監測相結合”的多元化、立體化的監測模式。

實驗室監測就是定時定點在河流的某些斷面取瞬時水樣，帶回實驗室分析，是日常水質分析工作的基本單位。監測參量以常規監測參數為主，無機、有機、生物監測儀器為輔。監測數據具有可比性、規范性和統一性。但存在取樣間隔長、檢測時間耗時、難以獲得不斷變化的水質動態數據等缺點。

自動監測就是以在線自動分析儀器為核心，運用現代自動監控技術、計算機技術及相關專用分析軟件進行水質參量在線、自動監測。它的主要作用就是實現水質實時、連續監測和遠程監控，從而達到及時掌握重點水體斷面的水質狀況、預警預報水質污染事件、監督總量控制制度落實情況和排放達標情況等。主要監測參量為（1）常規五項，即溫度、PH、溶解氧、濁度、氧化還原電位；（2）表征有機污染程度的參數，如COD、BOD、TOC等；（3）表征氮源污染程度的參數，如氨氮、總氮等；（4）表征磷污染程度的參數，如總磷、正磷等。近年來隨著水污染事件的不斷發生，針對水源地及供水工程還開展了重金屬污染、石油類污染和綜合毒性監測。自動監測的特點是快速、實時，使水質監測工作由被動監測變為主動監測。

移動監測是實驗室監測和自動監測之外的一種應急監測形式，從不同的時空角度及時發現污染問題，彌補實驗室常規監測與自動監測的時空不足，具有對突發性污染事件的快速相應能力。移動監測主要是以移動監測車為基本監測單元，以便攜水質實驗室和現場水質多參數分析儀為分析手段，以GPS全球衛星定位系統和GPRS/GSM無線數據通訊裝置為信息載體，有效地解決了偏遠地區以及突發性污染事件的水質監測的困難。主要監測參量有溫度、PH、溶解氧、濁度、氧化還原電位、COD、BOD、氨氮、總氮、氰化物、硝酸鹽、揮發酚以及有機氯農藥、苯系物、氯苯類等。移動監測的特點是機動性強，監測速度相對較快，受時間空間的限制較小，監測結果也相對準確可靠。

遙感監測就是用儀器對一段距離以外的目標物或現象進行觀測，是一種不直接接觸目標物或現象而能收集信息，對其進行識別、分析、判斷的更高自動化程度的監測手段。近年來，國內外逐步開展了利用衛星遙感信息進行水體境監測的研究，并形成一種新的水質監測方法。與常規水質監測方法相比，遙感監測將工作平臺從地面上升到高空，具有監測范圍廣、成本相對較低、便于長期動態監測等的優勢，同時還能夠發現一些常規人工調查和采樣方法難以發現的污染物排放源、遷移擴散方向以及影響范圍等特征，具有整體性和宏觀性。目前遙感監測內容主要包括水華、泥沙含量、水生植被等指標的定性監測以及葉綠素a、懸浮物濃度指標的定量反演。

3.水環境監測預警的典型應用

隨著社會的發展，水源污染事件不斷增多。突發性水環境污染事故不同于一般的環境污染，它沒有固定的排放方式和排放途徑，具有發生突然，危害嚴重、污染影響長遠且難于完全消除等特點。從國內外已發生的突發水污染事故來分析，突發水污染主要有以下幾方面：(1) 人為投毒，即恐怖分子投毒和對社會不滿分子投毒；(2) 事故污染，即儲存、運輸危險品出現事故和農藥或其它毒藥投放時無意中污染水源；(3) 微生物爆發污染水體，即藻類爆發和其它微生物爆發；(4) 自然災害引起水質突變。

監測方式 優點缺點實驗室監測 監測參數全面；監測數據準確，具有可比性、規范性和統一性。需要現場取樣，采樣間隔長，勞動強度大，監測時間長。無法獲得連續、動態的數據。自動監測能實時、連續的反映所監測水域的水質情況；對水體水質的變化趨勢提供連續、完整的數據；節省人力，不用人工采集水樣化驗；一般應用于對水體水質的趨勢性監測。監測參量有限；投資規模較大，運行費用較高；對運行、維護人員的技術水平要求較高；系統穩定性穩定性較差；數據準確性一般。移動監測適用于突發性水污染事件；水質設備方便攜帶，可現場操作；檢測速度較實驗室快，數據準確性高。一般需要專業的移動監測車來配合完成。遙感監測是對傳統監測方式的補充；從宏觀角度對城市水環境進行監測和評價,著重于水體水質的中短期的分析預測。遙感監測技術還不成熟，多處于研究階段。只適用于大江大河的水質監測；監測參量少，監測受遙感衛星重返周期及天氣的影響；監測數據準確性不高。

北京市作為一個水資源嚴重短缺的特大型城市，保護首都城市水源，保障供水安全具有重要的現實意義和戰略意義。奧運期間，北京水務局為了應對重要水源水污染突發事件，建立了覆蓋城市重要水源的水質監測預警系統。該系統通過自動監測、移動監測、實驗室檢測相結合的三級監測方式，構筑了御污染于水源地之外、御污染于取水口之外的兩道預警防線，為北京重要水源地突發水污染事件的快速檢測、準確分析、早期預警提供了有效地手段。

3.1 監測站點選擇

監測站點的合理選擇直接影響到城市水源水質監控系統動態監控的有效性。這一監控體系應是一個動態的、連續的、追蹤的完整體系。從北京的情況來分析，供城市用水的水源主要是兩類，地表水源和地下水源。地表水源主要是密云水庫、官廳水庫、懷柔水庫。

在密云、懷柔水庫周邊和上游由于多年的治理保護，已經沒有化工企業，容易造成突發污染事故的因素主要是上游河北境內的一些鐵礦和金礦，這些礦場由于設備簡陋，發生過氰化物泄露、洗礦廢水泄露事故。密云水庫上游河道主要是白河和潮河，來水量占90%以上，進入北京境內后一直到入庫河道一側緊鄰山地公路，容易發生翻車事故，所以選擇張家墳、下會控制入庫河道的突發污染事故。在庫區因為水面非常大，所以選擇九松山取水口和白河主壩兩個出水口最為控制點。

下游輸水河道京密引水渠的“躍進橋站”、“埝頭站”和“溫泉站”、“龍背山站”和“團城湖站”是京引渠上與多條高速公路相交的關鍵點，因此選擇這幾個站作為此次建設的站點。

官廳水庫上游的張家口地區目前還有一些比較大的工礦企業，也發生過化學品泄露和酒糟泄露事故。另外上游河道兩側緊鄰公路，經常有運輸化學物質的車輛通過，經常發生翻車事故。所以選擇洋河與桑干河匯流點的永定河“八號橋站”；庫區為出庫站；城區取水口為“三家店站”。

在張坊應急供水系統中，由于其上游來水主要在河北境內上游也有一些廠礦，所以選擇在入境的八渡設置控制點，同時選擇應急水源調節池入口處下寺站作為控制點，對八渡至輸水管道的水質進行控制。

從北京以往地下水污染事故分析，造成地下水源突發污染事故的主要是油庫或加油站的泄露事故。所以在供水量大的八廠水源地、三廠水源地、平谷水源地、懷柔應急水源地選擇點位進行監測。

通過上述站點的選擇，構筑了御污染于水源地之外、御污染于取水口之外的兩道預警防線。

3.2 監測參量的選擇

根據北京水務局長期水質自動監測的實踐經驗以及國外先進的預警思想，該系統監測以常規多參數（PH、電導率、溶解氧、渾濁度、氨氮、總磷等）為主，并根據站點性質的不同，有針對性的選擇特征污染物進行監測，如有機污染監測、重金屬污染監測、石油類污染監測和綜合毒性監測。

其中常規多參數是綜合性指標，可以提供水質基本狀況，很多水污染事件能引起這些指標中的一個或多個變化，另一方面常規多參數可以排除部分生物毒性誤報。根據實踐經驗，當水體受到生活污染時，溶解氧、渾濁度、氨氮會有明顯變化；當水體受到藻類及水華污染時，PH值和溶解氧會發生明顯變化；當水中有金屬污染時，也會導致水體的電導率有明顯的波動。這些常規污染監測指標能幫助我們快速識別污染類別，同時結合在線專有監測設備，達到快速確定污染目標的目的。

利用特征污染物檢測來應對大部分突發污染，對藻類、石油類、常見有機物等重要特征污染物進行檢測，能夠包含污染事件的絕大部分，可以預警70%以上的污染事件；以生物毒性作為補償和印證，增加預警系統覆蓋面，保證預警系統的寬檢測面。

通過上述監測參量的選擇，形成了常規多參數監測為主，特征污染監測為輔的監測指標體系。

3.3 監測方式的應用

城市重要水源地水質監測預警系統建立了自動監測、移動監測以及實驗室三種監測方式相結合的立體化監測模式。

該系統通過新建和改建站點共建設了19個自動監測站。其中密云、官廳水庫庫區上游的河道、入庫口和京密引水渠道等地表水源地共設站9個，在地下水源地共設站點4個，在水廠取水口共設6個站點。自動監測站監測所用的測試方法以快速為主要特點，在線監測設備在15分鐘內，能夠初步判定水體受到了污染，重點監測常規五項（PH、水溫、溶解氧、濁度、電導率）、氨氮、石油類、有機物、藍綠藻、葉綠素、綜合毒性等水質參數，這類檢測方法不要求馬上檢測出污染物是什么，但能確定是否有致命污染物。

通過自動監測一旦確定有水污染事件發生，則立即派出最近的水質移動監測車進行移動監測。移動監測的方法能夠比較快、比較可靠的確定污染物的結果，一般在3小時內確定污染物，并測出污染物濃度范圍，管理部門將根據結果及時啟動應急預案。

最后進行實驗室監測，通過實驗室檢測能夠給出最可靠的確定污染物的結果。若利用最近的實驗室進行分析，在6小時內就能夠確定準確的污染物濃度，管理部門將根據實驗結果進一步開展決策支持。

三級監測方式既可為突發水質污染事件的早期預警、及時處置提供必要的技術手段，也可以為水源水質的日常監控、在線分析水質變化規律和趨勢預測提供基礎信息。通過立體化監控模式的搭建，可全面有效的解決北京可持續發展過程中所面臨的水環境問題，提高對突發、惡性水質污染事故的預警預報及快速反應能力。

4.結束語

水環境監測是以流域或區域水環境為主要研究對象的系統化工程，水環境監測技術僅僅是系統工程中最基礎的組成部分，如何將這些監測數據進行統計分析，如何通過建立水質模型來進行綜合分析、風險預測、應急處置則是城市管理部門面臨的一大難題。通過“城市水環境系統設施的監控和預警研究”課題的研究，將從管理、技術方法和數據三方面建立相關體系，通過搭建國家、省、市三級城市水環境系統設施監控預警管理信息平臺，最終將實現城市水環境系統設施信息的數據采集與分析、預警、應急響應和決策支持。