城市水環(huán)境監(jiān)測預警系統(tǒng)的建立

翁窈瑤，張 靜

(1.浙江工業(yè)職業(yè)技術學院，浙江紹興 312000；2.河北科技大學，河北石家莊 050000)

國內水質自動監(jiān)測系統(tǒng)建設起步較晚，20世紀90年代以來，隨著城市水環(huán)境問題的日益突出，我國大規(guī)模開展了水環(huán)境整治工作，各個城市都建設了大量的水環(huán)境設施并對水環(huán)境系統(tǒng)的各個方面進行科學合理的監(jiān)控監(jiān)測。各個相關水環(huán)境管理部門都陸續(xù)開展了水環(huán)境監(jiān)控方面的工作。1988年天津作為試點建立了我國第一個水質連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)，1995年以后相繼在上海、北京等地先后建立了水質連續(xù)自動監(jiān)測站。“十一五”期間，我國已初步建成覆蓋各環(huán)境要素的國家環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)和地方環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)。至2011年，全國主要水系共建115個重點斷面水質自動監(jiān)測站[1]。這套地表水自動監(jiān)測系統(tǒng)運行以來，充分發(fā)揮了其對地表水水系的實時監(jiān)測和預警功能。

水質在線監(jiān)測技術在近年來也開始應用于環(huán)保體系，主要監(jiān)測內容包括污水處理廠進出水口的水質監(jiān)測，以用于對污水廠的日常監(jiān)管和運行指導。我國許多省市環(huán)保局還在各大型企業(yè)排污口安裝了在線自動監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測廢水的流量和COD、氨氮等污染物的排放濃度，以防止企業(yè)偷排、超排現(xiàn)象發(fā)生，上述地表水水質監(jiān)測和污染源監(jiān)控是兩套相互獨立的監(jiān)測體系，分別覆蓋了地表水體以及污染源排放，但是還缺乏一套監(jiān)測體系，即城市水環(huán)境監(jiān)測體系來耦合這兩套監(jiān)測系統(tǒng)，以結合不同地區(qū)城市水功能定位及水環(huán)境的特點來開展城市水環(huán)境系統(tǒng)設施監(jiān)測與預警。

1 城市水環(huán)境自動監(jiān)測預警系統(tǒng)的建立

1.1系統(tǒng)建立的基礎預警系統(tǒng)的建立，關鍵在于3個部分，即預警指標體系的構建、預警方法的選取和預警閾值的界定。

影響水環(huán)境系統(tǒng)的因素很多，并且各個影響因子間又存在著十分復雜的關系。因此建立一套完整合理的預警指標體系是建立水環(huán)境預警系統(tǒng)的關鍵。而我國地域廣闊，不同地區(qū)的水環(huán)境特征參數(shù)均有不同，地區(qū)經(jīng)濟條件的差異也會直接影響到水環(huán)境監(jiān)測參數(shù)的選擇。因此，預警指標體系的建立應該充分結合各地的經(jīng)濟條件和城市水環(huán)境特征選取。

在預警指標體系建立的基礎上，需要對指標體系進行預警分析，這也是目前研究較多的問題。總結來看，預警方法一般可以歸為兩大類：定性方法和定量方法。定性分析方法主要適用于在預警所需資料缺乏，或者影響因素復雜，難以分清主次與因果，或主要影響因素難以定量分析時的情況。近年來，遙感監(jiān)測技術也逐漸被引入到定性分析方法之中。定量方法則可以結合數(shù)學模型來進行。例如統(tǒng)計定量中的決策樹方法[2]。而目前最主要的定量方法則是模型方法，因為使用模型方法進行預警是建立在相當深入研究的邏輯學、數(shù)學和其他具體科學基礎上的，具有一定的科學依據(jù)。在環(huán)境預警方面應用的比較廣泛的預警模型主要包括SD 預警模型[3]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡預警模型[4]、支持向量機等，這些方法的提出成功地推動了預警研究的發(fā)展。

水環(huán)境系統(tǒng)隨時都在承受著各種壓力，在一定壓力內，系統(tǒng)具有自我維持和自我調節(jié)的功能，保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，但超過這個閾值，系統(tǒng)可能會發(fā)生質的變化甚至導致系統(tǒng)崩潰。在對閾值進行研究時，警限的確定也是問題的關鍵。警限通常是用來表示警情嚴重程度的等級分界線，但也可看作各種狀態(tài)之間的臨界值。由于警情嚴重程度具有模糊性，而且水環(huán)境是一個多層次、多要素、多功能的復雜系統(tǒng)，其警限的確定是一個復雜的難題。

1.2城市水環(huán)境自動監(jiān)測預警系統(tǒng)的建立城市水環(huán)境監(jiān)測與預警系統(tǒng)的建立流程總圖如圖1所示，其建立可以分為以下幾個步驟。

圖1 城市水環(huán)境自動監(jiān)測預警流程圖

首先，在已有的水庫數(shù)據(jù)庫、雨水數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫的基礎上，對所有排水、污水、城市水體的監(jiān)測站點及監(jiān)測數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，監(jiān)測數(shù)據(jù)包括在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、移動監(jiān)測數(shù)據(jù)、實驗室監(jiān)測數(shù)據(jù)以及遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)等，通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉化、數(shù)據(jù)傳輸(其中遙感數(shù)據(jù)還要進行加工，包括數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)挖掘和參數(shù)識別)進入數(shù)據(jù)庫，獲得海量數(shù)據(jù)。

圖2 預警信號模塊流程圖

當監(jiān)測出現(xiàn)某個或某些參數(shù)超出閾值時要進行現(xiàn)場查看，判斷監(jiān)測數(shù)值超標的原因是否為設備故障，如為設備故障，將數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)庫，并記錄實際情況后進入正常管理；如果事件排除設備故障，此時發(fā)出預警信號(見圖2所示流程)，并派監(jiān)測車現(xiàn)場取樣，進行實驗室檢測，獲得檢測數(shù)據(jù)。

其次，對實驗室數(shù)據(jù)進行分析，將獲得的預警監(jiān)測因子的數(shù)值與預警監(jiān)測因子閾值進行對比，獲取超閾值因子及其參數(shù)。將超閾值參數(shù)及發(fā)生風險事件的坐標輸入分析模型及模型耦合系統(tǒng)，進行模擬預測，獲得影響模型(見圖3所示流程)。在影響模型中對風險事件進行風險分析和評價，對超閾值因子及其數(shù)值進行分析，獲得風險監(jiān)測因子，即確定對風險產(chǎn)生影響的各種參數(shù)，通過分析各參數(shù)對風險的影響程度的不同，確定各參數(shù)的風險權重，給參數(shù)附加風險權重后，計算出含風險權重在內的風險等級數(shù)據(jù)，通過對比風險等級數(shù)據(jù)，確定風險等級，發(fā)出等級信號(見圖4所示流程)。

圖3 模型分析模塊流程圖

圖4 風險分析模塊流程圖

再次，對事件進行應急處置，首先確定事件的種類，同時根據(jù)風險的對象和等級提出相應的應急措施(見圖5所示流程)。

圖5 應急處置預案模塊流程圖

最后，預警解除后對預案以及處理過程進行評價，將評價內容加入數(shù)據(jù)庫，豐富數(shù)據(jù)庫信息，為以后應急方案提供參考。

2 建立城市水環(huán)境自動監(jiān)測與預警系統(tǒng)存在的問題

目前存在的地表水水質監(jiān)測和污染源監(jiān)控是兩套相互獨立的監(jiān)測體系，分別覆蓋了地表水體以及污染源排放，但是兩套監(jiān)測系統(tǒng)各自為政，因此需要建立城市水環(huán)境監(jiān)測預警網(wǎng)，在城市范疇內將上述兩套監(jiān)測體系有效結合起來，實現(xiàn)城市水環(huán)境的全方面自動監(jiān)測。這樣既可以實時掌控城市水環(huán)境各類監(jiān)測對象的自身運行情況，也可以動態(tài)了解城市活動對水體造成的突發(fā)污染影響。

城市水環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測對象應包括城市相關水體、城市排水設施、污水處理設施、其他城市水設施。城市相關水體主要指城市河流、湖泊；城市排水設施主要指雨水管網(wǎng)、污水管網(wǎng)、合流制管網(wǎng)；污水處理設施主要指污水處理廠；其他城市水設施主要指再生水廠。

雖然目前上述四類監(jiān)測對象中，城市相關水體、污水處理設施已分別由水利部、環(huán)保部開展了自動監(jiān)測工作。但是要建立城市水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)，還應該解決當前存在的3個主要問題。

首先，監(jiān)測管理部門協(xié)作不強，數(shù)據(jù)共享體制不健全。目前我國開展水質監(jiān)測的部門主要有環(huán)保部、水利部、城鄉(xiāng)建設部。環(huán)保部門主要承擔污水處理廠等污染源在線監(jiān)控，水利部門則主要承擔河道水質監(jiān)測，城鄉(xiāng)建設部門則主要負責城市水資源利用和城市污水灌溉。所以，在城市水環(huán)境監(jiān)測的四類對象中，已有兩類監(jiān)測工作展開。但是由于各個監(jiān)測部門相互獨立，監(jiān)測數(shù)據(jù)互不共享，不僅浪費大量的監(jiān)測設備資源，而且對監(jiān)測數(shù)據(jù)不能充分有效利用。各部門之間如果能夠緊密協(xié)作，進行數(shù)據(jù)共享，不僅能有效地監(jiān)督企業(yè)排污，遏制偷排現(xiàn)象，而且通過監(jiān)測水量水質等數(shù)據(jù)，能夠科學地制定污染物總量控制目標，預警城市活動對城市水體造成的突發(fā)污染事故。為此，應最大限度地協(xié)調各個數(shù)據(jù)監(jiān)測管理部門，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，既可以提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的利用率，也可以優(yōu)化現(xiàn)有的監(jiān)測資源，盡快建立起全面的城市水環(huán)境監(jiān)測體系。

其次，在線監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性不高。自動監(jiān)測體系的質量保證與質量控制尚不完善，很多自動監(jiān)測系統(tǒng)的運行維護工作不到位，實際監(jiān)測中自動監(jiān)測系統(tǒng)故障頻發(fā)，導致實際應用中自動監(jiān)測站數(shù)據(jù)的可信度不高。為提高自動監(jiān)測站數(shù)據(jù)的可靠性，一方面要從檢測設備入手，選用可靠性、準確性高的儀器，加強儀器的定期維護校準，加大自動監(jiān)測系統(tǒng)的運行維護力度；另一方面，自動監(jiān)測系統(tǒng)應配合水質監(jiān)測實驗室和移動監(jiān)測設備同時進行。移動監(jiān)測具有相對靈活的特點，可以實現(xiàn)對城市重點污染河段、水污染事故動態(tài)監(jiān)測，根據(jù)污染事故的監(jiān)測需要，在野外現(xiàn)場完成水質采樣、處理和分析。實驗室監(jiān)測是一種最常規(guī)的水質分析方法，可以對眾多的水質指標做出精確的分析和評價。因此移動監(jiān)測和實驗室監(jiān)測方式，既可以作為自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的校正及補充，也可以在系統(tǒng)故障或數(shù)據(jù)有異時，補充以常規(guī)監(jiān)測。

第三，初期雨水徑流排放水質難以實現(xiàn)自動監(jiān)測。由城市內部的街道匯集而成的雨水路面徑流，具有排放時間隨機、流量相對集中、污染物種類多、水質條件復雜多變的特點，國外學者對城市雨水徑流的水質[5-6]做了大量的監(jiān)測分析工作，結果表明路面雨水徑流污染嚴重，尤其是初期雨水徑流，如果直接排放至水體，將會給地表水造成嚴重的污染。但是國內對于初期雨水徑流的水質監(jiān)測研究幾乎是空白的，用于雨水水質監(jiān)測的自動監(jiān)測設備也不多，這也成為城市水環(huán)境系統(tǒng)監(jiān)測預警的又一難題。

3 小結

我國城市水環(huán)境雖然近年來已有所改善，但是問題依然存在。全國各大水系的水體、污水處理設施已經(jīng)分別由水利部、環(huán)保部開展了自動監(jiān)測工作。但是由于部門協(xié)調問題，數(shù)據(jù)無法共享，造成資源的浪費，也很難達成兩套系統(tǒng)的聯(lián)動。自動監(jiān)測系統(tǒng)的運行維護問題導致在線監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性并不高，同時城市雨水徑流造成的水質污染還沒有引起足夠的重視。

因此，為了實時掌控城市水環(huán)境各類監(jiān)測對象的自身運行情況以及準確動態(tài)地了解城市活動對城市水體造成的突發(fā)污染影響，提出兩點建議：一方面，協(xié)調監(jiān)測管理部門，加強分工協(xié)作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，既可以提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的利用率，也可以優(yōu)化現(xiàn)有監(jiān)測站網(wǎng)，建立全面的城市水環(huán)境監(jiān)測體系。另一方面，加大自動監(jiān)測系統(tǒng)的運行維護力度，并且配備水質監(jiān)測實驗室和移動監(jiān)測設備，既可以作為自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的校正，也可以在系統(tǒng)故障或數(shù)據(jù)有異時，補充以常規(guī)監(jiān)測。

[1] 齊文啟，陳光，孫宗光.水質環(huán)境監(jiān)測技術和儀器的發(fā)展[J].現(xiàn)代科學儀器，2003(6)：6-12.

[2] 盧金鎖，黃廷林，韓宏大，等.基于決策樹技術及在線監(jiān)測的水質預測[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術，2006(2)：38-41.

[3] 張波，王橋，孫強，等.基于SD-GIS的突發(fā)水污染事故水質時空模擬[J].武漢大學學報：信息科學版，2009(3)：348-351.

[4] 郭慶春，何振芳，李力.人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型在黃河水質預測中的應用[J].人民黃河，2011(10)：42-43.

[5] JAFRUL HASAN，STANLEY STATES，ROLF DEININGER.Safeguarding the security of public water supplies using early warning systems：A brief review[J].Universities Council on Water Resources Journal of Contemporary Water Research and Education，2004，10(129)：27-33.

[6] STENSTORM M K，LAU S，LEE H，et al.First flush stormwater runoff from highways[C].Orlando，F(xiàn)lorida：ASCE，2001.