水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)在飲用水監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

汪 念

（安順生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，貴州 安順 561000）

在我國(guó)工業(yè)化推進(jìn)過程中，水源地污染事件頻頻發(fā)生，一些地區(qū)的飲用水遭受不同程度的污染，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)鼐用竦恼Ｉ睢；谶@種情況，水質(zhì)監(jiān)管部門加大了水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警管理力度，目的是不斷提升飲用水水質(zhì)監(jiān)測(cè)效果。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)建立了完善的飲用水監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，比如，美國(guó)通過在多個(gè)飲用水水源地布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，向相關(guān)部門實(shí)時(shí)傳送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，出現(xiàn)水源污染時(shí)及時(shí)采取有效的應(yīng)對(duì)措施。我國(guó)飲用水供應(yīng)主要有三大特點(diǎn)：一是確保水量供應(yīng)充足；二是保障飲用水質(zhì)量；三是在面對(duì)特殊情況時(shí)，增加預(yù)處理、強(qiáng)化常規(guī)處理和深度處理工藝，從而確保飲用水質(zhì)符合要求。這些措施在很大程度上保障了飲用水安全，但是明顯存在滯后性，缺乏相應(yīng)的預(yù)警效果。因此，應(yīng)結(jié)合地區(qū)飲用水水源地現(xiàn)狀，完善水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，以改善水質(zhì)、保障飲用水安全。

1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)概述

1.1 基本定義

水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要基于信息技術(shù)和水質(zhì)模擬技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真、地理信息系統(tǒng)、遙感等科技，采集水源地的生態(tài)環(huán)境、水資源分布、地形地貌、水質(zhì)狀況等信息，然后存儲(chǔ)和傳輸至數(shù)據(jù)中心，通過監(jiān)測(cè)和模擬水質(zhì)變化情況，生成詳細(xì)的數(shù)據(jù)報(bào)告和結(jié)論向大眾公示。水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)集監(jiān)測(cè)、模擬、計(jì)算、預(yù)測(cè)等功能于一體，主要工作內(nèi)容是診斷水源的突發(fā)情況，并結(jié)合水質(zhì)變化特征采取相應(yīng)的手段，為水質(zhì)環(huán)境的科學(xué)決策和管理提供參考，保障水質(zhì)的安全、可靠供應(yīng)。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

在系統(tǒng)構(gòu)成上，水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要分為三個(gè)部分，即水質(zhì)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸和預(yù)警。水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)儀表、模擬信號(hào)器、取水裝置、數(shù)據(jù)采集軟件和數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)等組成，該系統(tǒng)可以將數(shù)字模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)識(shí)別的形式，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程中心傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從而將水質(zhì)信息資料傳遞到?jīng)Q策部門，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)對(duì)于水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)有直接影響。預(yù)警系統(tǒng)包含原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理兩部分，其目的是接受和處理水質(zhì)信息資料，并進(jìn)行信息存儲(chǔ)，形成可靠的信息報(bào)告，供相關(guān)部門進(jìn)一步參考和決策。

1.3 飲用水監(jiān)測(cè)方式

飲用水質(zhì)監(jiān)測(cè)有三種形式，即在線監(jiān)測(cè)、實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)和移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)。當(dāng)前，我國(guó)飲用水監(jiān)測(cè)部門主要采用化學(xué)監(jiān)測(cè)，利用便捷式監(jiān)測(cè)設(shè)備完成飲用水源的抽樣和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。受人員、設(shè)備和工作環(huán)境的限制，數(shù)據(jù)采集和分析往往需要較長(zhǎng)的時(shí)間，實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)無法做到飲用水源監(jiān)測(cè)的快速響應(yīng)。在線監(jiān)測(cè)的應(yīng)用很好地解決了這方面的問題，在線監(jiān)測(cè)方式包含無線傳輸設(shè)備、水質(zhì)衛(wèi)生指標(biāo)傳感器、遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備等，結(jié)合相應(yīng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)軟件，完成飲用水的在線監(jiān)測(cè)。在線監(jiān)測(cè)不受時(shí)間和人員的限制，可以對(duì)飲用水源進(jìn)行全天候監(jiān)測(cè)，并定期傳輸和公布監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在線監(jiān)測(cè)為水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)提供了便利，是當(dāng)前應(yīng)用最普遍的飲用水監(jiān)測(cè)方式[1]。

2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)是保障飲用水水源建設(shè)不可或缺的一部分，在具體工作開展時(shí)應(yīng)樹立水質(zhì)安全目標(biāo)，基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，進(jìn)行水樣的監(jiān)測(cè)、采樣、分析和實(shí)驗(yàn)，綜合應(yīng)用多種水質(zhì)監(jiān)測(cè)和模擬技術(shù)，從而構(gòu)建完善的信息預(yù)警體系，主要分為水質(zhì)監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、評(píng)估、綜合決策四個(gè)模塊。

2.2 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

從邏輯結(jié)構(gòu)來看，水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為應(yīng)用與服務(wù)層、傳輸與網(wǎng)絡(luò)層、感知層，各個(gè)結(jié)構(gòu)之間相互連接，為水質(zhì)預(yù)警監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持。通過預(yù)警模型的評(píng)估，可以更好地開展綜合調(diào)控管理。感知層主要包含水質(zhì)傳感器、水樣分析儀、水文傳感器、影響層析儀、遙感影像儀，利用通信接口進(jìn)行站房在線監(jiān)測(cè)、站房自動(dòng)監(jiān)測(cè)、水文在線監(jiān)測(cè)、遙感監(jiān)測(cè)、無人機(jī)監(jiān)測(cè)，通過傳輸與網(wǎng)絡(luò)上升到應(yīng)用與服務(wù)層，在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，通過模型方法庫進(jìn)行水質(zhì)污染風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）數(shù)據(jù)庫構(gòu)建GIS平臺(tái)。系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

3 水質(zhì)監(jiān)測(cè)質(zhì)量的影響因素

3.1 水樣采集與保存

水樣采集與保存是水質(zhì)監(jiān)測(cè)的首要環(huán)節(jié)，這項(xiàng)工作對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)效果產(chǎn)生直接影響，技術(shù)人員要加以重視。在水樣采集過程中，采集樣本不規(guī)范、保存不合理等都可能導(dǎo)致水質(zhì)受到物理或化學(xué)污染，導(dǎo)致水質(zhì)監(jiān)測(cè)效果達(dá)不到要求，這是水質(zhì)監(jiān)測(cè)中常見的問題。不僅如此，水樣運(yùn)輸環(huán)節(jié)，如果運(yùn)輸保存不合理，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后可能出現(xiàn)物理變化，造成水樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)失真。從工作實(shí)踐來看，水樣采集、保存及運(yùn)輸環(huán)節(jié)，外部因素都會(huì)對(duì)此產(chǎn)生不同程度的影響，不利于水質(zhì)的物理、化學(xué)及生物分析，影響水樣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，通常按月進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)盲樣考核和實(shí)際水樣試驗(yàn)對(duì)比，每三個(gè)月回收加標(biāo)、核查試劑，避免水質(zhì)監(jiān)測(cè)出現(xiàn)較大偏差[2]。

3.2 儀器設(shè)備

水質(zhì)監(jiān)測(cè)專業(yè)性較強(qiáng)，儀器設(shè)備對(duì)于操作人員要求較高，正確的操作會(huì)直接影響監(jiān)測(cè)質(zhì)量。從實(shí)際情況來看，由于儀器設(shè)備操作不當(dāng)或者儀器檢測(cè)分析不到位造成的水質(zhì)監(jiān)測(cè)偏差屢見不鮮。儀器設(shè)備對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)質(zhì)量的影響主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是儀器設(shè)備精準(zhǔn)度較低，應(yīng)用時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)誤差大；二是儀器設(shè)備維護(hù)不當(dāng)，一些技術(shù)人員在設(shè)備使用前沒有進(jìn)行校驗(yàn)，使用后不按照流程進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，使用時(shí)難免出現(xiàn)偏差；三是儀器設(shè)備操作不規(guī)范，以自身經(jīng)驗(yàn)為主，沒有按照說明書進(jìn)行操作，比如監(jiān)測(cè)前未清除監(jiān)測(cè)儀探頭表面的細(xì)菌或化學(xué)物質(zhì)，造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)失真。

3.3 試驗(yàn)環(huán)境

水樣采集與保存后，要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水質(zhì)分析，試驗(yàn)環(huán)境十分關(guān)鍵。試驗(yàn)結(jié)果容易受到外部因素的影響，會(huì)造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確反映水質(zhì)情況。一方面，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境不滿足要求，比如，溫度、濕度等要素不達(dá)標(biāo)，會(huì)影響水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果。另一方面，試驗(yàn)過程中，試劑選用不當(dāng)可能影響化學(xué)試劑的發(fā)揮，無法對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析。此外，一些技術(shù)人員責(zé)任心不強(qiáng)，試驗(yàn)操作隨意性較強(qiáng)，流程管控不當(dāng)，試驗(yàn)分析標(biāo)準(zhǔn)流于形式，影響水質(zhì)監(jiān)測(cè)整體效果。在水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析時(shí)，應(yīng)營(yíng)造良好的試驗(yàn)環(huán)境，確保試驗(yàn)流程符合規(guī)范要求，并提升試驗(yàn)人員的責(zé)任感和敬業(yè)精神，保障水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果達(dá)標(biāo)[3]。

4 水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)在飲用水監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用策略

4.1 強(qiáng)化關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用

一是水質(zhì)遙感。水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)需要進(jìn)行大面積觀測(cè)，應(yīng)保障其效率和信息量，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。水質(zhì)遙感可以獲取多點(diǎn)位、多譜段和多要素的信息，有利于提高監(jiān)測(cè)分析的精準(zhǔn)度，通過分析水質(zhì)分類模型和標(biāo)準(zhǔn)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)常規(guī)水質(zhì)和衛(wèi)星遙感的無縫對(duì)接，利用遙感影像獲取飲用水水質(zhì)樣本數(shù)據(jù)，并構(gòu)建水質(zhì)遙感模型。二是模型與GIS的集成。GIS技術(shù)的推廣和應(yīng)用有利于提升模型的預(yù)測(cè)性、模擬性和實(shí)用性。模型與GIS集成方式有三種，即緊密內(nèi)嵌式、半緊密內(nèi)嵌式和外聯(lián)式，水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要采用半緊密內(nèi)嵌式，提升集成效率。三是預(yù)警技術(shù)。飲用水水質(zhì)要求較高，水質(zhì)特征受外界影響較大，采用超標(biāo)預(yù)警和模擬評(píng)估可以實(shí)現(xiàn)對(duì)飲用水的監(jiān)測(cè)預(yù)警[4]。

4.2 完善水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警體系

水源突發(fā)污染事件危害性較大，具有緊急性和不確定性，如果相應(yīng)控制措施不當(dāng)，會(huì)造成嚴(yán)重的負(fù)面影響，要不斷完善飲用水水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警體系。預(yù)警體系可以從多個(gè)方面開展。一是建立健全預(yù)警組織，形成逐級(jí)供水應(yīng)急機(jī)制，明確責(zé)任部分和具體責(zé)任人，制定科學(xué)、系統(tǒng)的應(yīng)急供水預(yù)案，出現(xiàn)水源污染事件時(shí)能夠及時(shí)響應(yīng)；二是強(qiáng)化技術(shù)保障，根據(jù)飲用水水域情況選用恰當(dāng)?shù)念A(yù)警技術(shù)，如生物魚識(shí)別技術(shù)、發(fā)光菌識(shí)別技術(shù)、水蚤環(huán)境毒性檢測(cè)技術(shù)、多維矢量指紋識(shí)別技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)的快速調(diào)查評(píng)估；三是提供人員保障，鑒于技術(shù)人員對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)效果的重要性，應(yīng)從高校、科研單位等機(jī)構(gòu)選擇合適的技術(shù)人員組成水質(zhì)監(jiān)測(cè)團(tuán)隊(duì)等，從而及時(shí)應(yīng)對(duì)飲用水水源突發(fā)污染情況；四是加強(qiáng)儀器設(shè)備保障，水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警主要從水源地、水廠出水口、管網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，要注重各種先進(jìn)監(jiān)測(cè)設(shè)備的應(yīng)用，如全光譜傳感器、氨氮傳感器、濁度傳感器、溶解氧傳感器、余氯分析儀、電導(dǎo)率分析儀等，保障監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)性；五是實(shí)現(xiàn)信息保障，各個(gè)部門之間加強(qiáng)信息的共享和傳輸，出現(xiàn)水源突發(fā)污染事件時(shí)可以及時(shí)上報(bào)并制定相應(yīng)對(duì)策[5]。

4.3 完善系統(tǒng)功能模塊

一是在線監(jiān)測(cè)模塊。該模塊主要進(jìn)行水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)、移動(dòng)應(yīng)急監(jiān)測(cè)、實(shí)驗(yàn)室日常監(jiān)測(cè)，做好風(fēng)險(xiǎn)源較大區(qū)域的監(jiān)控，根據(jù)飲用水水源地配置監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)種類和形式，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)位、多指標(biāo)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，滿足不同水質(zhì)管理的要求，技術(shù)人員可以根據(jù)需要查詢、對(duì)比和分析相關(guān)數(shù)據(jù)。二是水質(zhì)模擬分析模塊。通過構(gòu)建水質(zhì)模型，在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上評(píng)價(jià)飲用水水質(zhì)，為日常供水和水質(zhì)保護(hù)提供指導(dǎo)。三是水質(zhì)預(yù)警模塊。充分利用GIS技術(shù)的二維和三維展示功能，為技術(shù)人員提供可視化的模塊信息，預(yù)測(cè)水質(zhì)變化趨勢(shì)。四是風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急模塊。在污染調(diào)查和模擬分析的基礎(chǔ)上，對(duì)污染源進(jìn)行有效識(shí)別，并確定污染源臨界值，實(shí)現(xiàn)重大污染源的分級(jí)，發(fā)生污染事件后，利用應(yīng)急模塊預(yù)測(cè)事件影響范圍和擴(kuò)散過程，從而采取應(yīng)急決策。五是綜合管理模塊。該模塊主要統(tǒng)計(jì)和管理飲用水水源各種信息，通過分析水質(zhì)變化趨勢(shì)，導(dǎo)出相應(yīng)的文檔[6]。

5 結(jié)語

飲用水是人類賴以生存的根本，飲用水水質(zhì)直接影響居民身體健康和社會(huì)穩(wěn)定，要強(qiáng)化水質(zhì)監(jiān)測(cè)的各個(gè)環(huán)節(jié)，做好水樣采集、保存、運(yùn)輸、試驗(yàn)等，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋，形成系統(tǒng)的預(yù)警效果。最近幾年，飲用水安全問題得到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，一些地區(qū)飲用水控制不力，給居民用水安全造成威脅。水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用幫助人們?nèi)嬲莆诊嬘盟吹厮|(zhì)特征，及時(shí)處理突發(fā)水質(zhì)問題，保障居民飲用水安全，具有較強(qiáng)的推廣價(jià)值。