水質在線生物預警技術在南水北調亦莊調節池中的應用

摘要：為加強水質保護工作，保障南水北調亦莊調節池供水水質安全，實現對供水水質連續實時的安全預警，針對以青鳉魚為受試生物的水質在線生物安全預警技術應用實例，建設了水質綜合毒性生物預警監測系統，對技術方案與指標參數設置進行分析，研究了監測數據應用情況。結果表明：亦莊調節池水質綜合毒性生物預警監測系統設計理念優越，技術方案與指標參數設置合理，無試劑二次污染，可自動連續穩定運行，監測數據可靠，實現了對供水水質在線連續實時的安全預警，為水質監測預警和風險防范提供了高效持續的生物安全監測途徑。研究成果可為南水北調供水水質安全預警系統建設提供技術儲備和參考經驗。

關鍵詞：生物安全預警；水質監測；南水北調工程；亦莊調節池

中圖法分類號：X524 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.02.020

文章編號：1006-0081（2024）02-0122-07

0 引 言

近年來，國內外對飲用水源安全的重視程度日漸加深，研究水質安全預警技術可為保障民生安全提供重要技術支撐。

亦莊調節池是北京市南水北調配套工程供水環路的調蓄池之一，是北京市南部地區重要的飲用水水源地，承擔著上游來水調蓄，為北京第十水廠、亦莊水廠等供水的重要任務，其水質安全直接關系到受水區用水安全與首都市民的民生安全，建立亦莊調節池水環境安全監測系統十分必要。

目前，中國水環境監測方法多為理化分析方法，此類方法可以定性、定量分析相關污染物，準確性高，但分析出的水質參數有限，通常只能反映瞬時污染狀況，監測結果不能直接反映水體內含有化學物質的毒性大小，尤其是未知的化學物質及其毒性；對污染物的實時性、連續性監測也不夠，對環境受體污染物變化趨勢難以把握，不能全面反映環境受體中各種有毒物質的長期綜合效應，難以對突發性污染事故及時預警。生物監測技術因反應靈敏、成本較低、直觀可視，能反映各種污染物的綜合影響，日益受到環境監測領域的重視。

生態環境部和環境監測總站提出了“綜合毒性生物預警”概念，將其列為生態環境部水質預警監測和應急管理工作中的重要項目。水質在線生物安全預警技術基于水生生物回避行為反應與污染物毒性存在較好的劑量與反應關系，通過電信號傳感器技術來連續實時監測生物運動的行為變化，結合生物毒性數據模型、環境脅迫閾值模型、生物毒性行為解析模型對水質變化進行智能監測預警，迅速判斷污染爆發時間和污染物綜合毒性，直接、客觀地反映出原水對水生生物的綜合毒性，具有連續快速、實時多通道、自動監測預警等特點，可用于水源地水質生物綜合毒性的在線監測和預警。宛如意等研究了基于生物監測技術的水質毒性在線監測系統。司鏹等提出了引入新的監測技術開展水質生物毒性在線監測工作是水質在線監測工作的必然，探討了生物毒性在線監測的常用方法。吳禮裕等¹⁴引入生物毒性監測指標，將其與水質自動站監測指標綜合應用，能快速有效評價水質安全性，彌補了傳統水質評價方法的不足，在常州地表水水質自動預警工作中發揮了良好作用。王永泉等從水質在線監測系統的結構、原理及影響水質在線監測系統運行效果的影響因素出發，詳細介紹了其在南水北調尾水導流工程中的應用，同時提出了水質在線監測系統的發展方向，為水質在線監測系統的全面應用提供理論依據。綜合毒性生物預警監測^］已在國內規模化運用。

為保障亦莊調節池飲用水水源安全，本文應用水質在線生物安全預警技術，在亦莊水廠1號取水口處建設了一套基于水質在線生物安全預警技術（Biological Early Warning system，BEWs）的水質綜合毒性生物預警監測系統，以青鳉魚為受試模式生物，通過生物傳感器監測水體內模式魚在不同水平上的生物學指標變化是否偏離安全閾值，反映水體綜合毒性的變化，實現對供水水質綜合毒性的在線連續實時監測和預警，及時掌控重點飲用水水源地水質變化情況。

1 工程概況

亦莊調節池工程占地98.6 hm，水面面積57.4 hm，調蓄容積260萬m，綠化面積36 hm。工程分兩期建設。① 亦莊調節池一期工程：總占地面積33 hm，其中水面面積15.4 hm。調節池調蓄容積52.5萬m，總容積58.6萬m，最高水位32.50 m，正常運行水位31.90 m，最低運行水位27.30 m。主要建筑物包括一期調節池、亦莊泵站、進出水管線及其附屬構筑物、永樂取水口、亦莊取水口、兩座連通閘、退水管及其附屬構筑物、亦莊樞紐調度中心等。② 亦莊調節池二期工程：調節容積207.5萬m，蓄水面積42 hm，占地面積75 hm，池底高程26.30 m，池頂高程33.50 m，最高水位32.50 m，最低運行水位26.80 m，正常運行水位31.90 m。主要建筑物包括二期調節池、進水管線、2號和3號進水口、2號泵站進水間、亦莊水廠取水口、連通閘連接段、退水溢流管線等。亦莊調節池平面見圖1。

2 建設方案

2.1 選址方案

于亦莊調節池亦莊水廠1號取水口建設一套水質綜合毒性生物預警監測系統，包括生物預警站站房、在線生物預警設備、采水排水單元、配水及自動預處理裝置等。亦莊調節池水質綜合毒性生物預警監測系統嚴格按照HJ 915-2017《地表水自動監測技術規范（試行）》和CJJ/T 271-2017《城鎮供水水質在線監測技術標準》中對于自動監測技術設備以及魚類行為法生物綜合毒性在線監測設備技術要求進行設計施工、安裝調試及運行維護。

王 艷 水質在線生物預警技術在南水北調亦莊調節池中的應用站房選址位于亦莊調節池亦莊水廠1號取水口西側。經了解和現場勘探，亦莊水廠1號取水口處水流平緩，全年有水，斷面能夠滿足交通、通電、供水、排水等條件，取水口東西側均有空地可滿足建站用地要求，采水管路長度可控制在40 m范圍內，均滿足國家建設水質自動站“四通一平”的要求。

站房采用整體設計，站房外部尺寸為2 650 mm×4 150 mm×3 200 mm。采用50 mm×50 mm的方鋼管及海運集裝箱專用腳件焊接成框架，內外蒙皮采用3 mm厚玻璃鋼，內置芯材，厚度為75 mm。

站房地面做水泥地基，將進出水管掩埋在水泥地基中；側板外表平整美觀，芯材采用聚苯乙烯高密度保溫材料，達到保溫、隔熱、隔音的效果（隔音效果大于20 db）。頂部四角設計有角件或吊環，方便吊裝和移動。站房底部最底兩層分別為鋼方管支架和鍍鋅鋼板，屋面為防靜電地板，美觀實用、防塵防潮且環保，無異味。整個鋼制底架部分噴涂防銹及相應油漆，站房整體外觀以白色為主，站房頂部覆蓋人工草皮（圖2，3）。

2.2 采水方案

（1）生物預警站采水流程。采水位置位于亦莊水廠1號取水口北側30 m；采水流程采用24 h實時連續采樣模式，以供生物預警設備連續實時監測水體；采水裝置由自吸泵、自吸泵止回閥取水頭、浮球、進樣軟管、壓縮空氣機構成；設置兩臺自吸式取樣泵作為實時連續取樣水泵，一用一備，通過電器回路和控制系統進行運行切換和故障時自動切換；采水管路同時可實現自動和遠程控制相互反沖洗，防止泥沙沉積堵塞管路。

（2）浮球式取水平臺。采水頭置于水面下0.5～1.0 m處；采水平臺采用高分子聚乙烯環保材料制造的浮球，能經受自然環境變化和低溫侵襲，重量輕、浮力大、耐酸堿，具有較高承載力；浮球式取水平臺通過錨和鐵鏈固定在水中，因其浮力的特性，浮球可隨水位起落而自動升降，錨鏈預留監測水體最高水位長度；自吸泵取水頭采用鐵鏈栓掛在浮球上。采水浮球方便人工提升與安裝及日常清洗和維護，其與承重鐵鏈之間使用不銹鋼環固定，防止取水頭與鐵鏈之間纏繞。

根據采水點到站房的距離、地形等實際情況，選擇自吸泵和采水軟管，保證站房的進口壓力和流速達到整個系統內所有儀器的要求，并具有良好的性能，確保采水系統的穩定運行。

2.3 給排水方案

（1）采水單元。系統外部采用雙自吸泵、雙管路取水，站房內設管路壓力傳感器監測，自來水、氣路混合清洗管路，水壓調節手閥能夠滿足監測站24 h 連續采水監測需求。

（2）預處理單元。水樣預處理既能消除干擾儀表分析的因素，又不失去水樣的代表性。水樣經初級過濾后，消除其中較大的雜物，進一步進行自然沉降，然后通過加熱裝置，保持水溫為25 ℃，供水給生物監測設備。預處理單元能在系統停電恢復并自動啟動后按照控制器的控制時序自動啟動。

（3）回水管路。可實現帶壓排水和無壓排水兩種排水模式。監測站維護維修產生的其他污水采取運維收集方式，不產生外排的污水。

站房內所有排水均匯入回水總管道，并經外回水管道排入相應排水點，回水總管徑不小于DN100，以保證回水暢通，排水管路可與進水管路相伴排布，排水點位于取水點附近岸邊。

3 運維方案

水質綜合毒性生物預警監測系統的運維核心工作分3個部分：① 合理設置技術指標參數；② 加強日常的保養、維護，盡量避免設備出現故障，防患于未然；③ 針對應急事件24 h內響應。

3.1 技術指標

水質綜合毒性生物預警監測系統技術指標主要包括受試生物、監測靈敏度、行為信號準確度等，詳見表1。

3.2 系統維護要求

（1）維護現場環境。包括機房、儀器、采樣系統、電氣線路、空調等環境的維護，保持設備和環境的整潔，保證溫度、濕度滿足一切正常運行的需求。

（2）配備易耗品。包括所有設備使用說明書所規定的需定期更換的易耗品，如儀器供水系統正常工作所需定期更換的材料，保障生物預警設備的穩定運行。

（3）配備備用魚。現場布置一臺魚缸，定期補充一批備用魚，避免出現標準模式下魚個體差異死亡情況，現場可以及時更換。

（4）提供零配件。包括儀器及采樣系統、管理處平臺硬軟件設備、數據傳輸模塊及信號線、監控視頻及相關輔助設備線纜等維修需要的所有零配件。

（5）維護和保養儀器。包括標準儀器檢查、保養及維護，現場儀器故障的處理和零配件提供及更換，儀器設備的故障恢復等。

（6）維護和保養供水（采樣）系統。包括對供水管路、泵體等設備進行故障處理、維護及保養，供水系統的故障恢復。

（7）跟蹤現場設備及系統硬軟件設備的運行狀況，做好故障的記錄、分析，有問題及時處理，迅速準確地提出排除方案，并排除故障，盡力減少故障造成的損失。保證設備運行正常，監控數據準確、實時上傳至管理處數據平臺。

3.3 服務響應要求

要求系統維護人員接到服務需求后在2 h內快速響應，48 h內到達現場，保證一般故障恢復時間＜12 h，特殊故障恢復時間＜48 h；如無法排除故障，立即用備機替換，48 h內確保設備投運；購買備件、培訓等需求可做到立即轉給客戶服務部門，并進行專人處理。

在維修作業方面，嚴格按維修程序及操作規程執行，確保維修質量。如發現設備故障，立即電話通知管理處相關部門；對于一般故障，在月報中匯總匯報給管理處相關部門；對于重大故障，3 d內以書面報告形式專項報告管理處相關部門。對于復雜故障，組織技術專家對故障會診，及時解決問題。

4 監測數據原理及應用

4.1 評判指標

受試生物青鳉魚受到有毒物質污染評判指標為水質指數，通過模式魚行為強度及行為趨勢變化計算水質指數，水質指數量值為［0，100］。參照T/JSSES 31-2023《水質毒性 魚菌合一在線預警監測技術規范》，水質指數計算方法為

式中：f為水質狀態實時量化指數；v為指定計算周期內的信號幅值；μ為前t分鐘內的均值；σ為前t分鐘內的方差；N為計算周期，以1 min為例，則N=1 200；i為計算周期時刻，i=1，2，3，…，N。

計算過程：當儀器設備運行時，軟件會采集一定時間內（通常為10 min）的青鳉魚電信號數據，作為算法模型的訓練集（也可稱為此批模式魚的標準生物信號數據），將此數據傳給算法模型，提取特征值并進行訓練。訓練完成后，對后續每分鐘采集的電信號數據進行預警判斷，判斷時將數據傳遞給模型，會輸出水質狀態與水質指數。

4.2 安全閾值

在水質安全情況下，模式魚在生物行為傳感器中游動時，傳感器實時采集的連續行為信號數據近似符合高斯分布；在水質污染情況下，依據環境脅迫閾值模型，模式魚會出現運動行為逐漸增強的過程，生物行為傳感器監測到的模式魚行為強度及行為趨勢會產生劇烈變化，根據3sigma準則及綜合毒性預警模型計算得到的水質指數也會超過閾值（75）。在中毒過程中，水質指數值會有逐漸變大的趨勢，毒性越強，水質指數值越大，反映了綜合毒性的累積效應。

具體過程如下：根據3sigma準則，在水質安全情況下，傳感器行為電信號數據的取值幾乎全部集中在（μ-3σ，μ+3σ），超出該范圍的可能性僅占不到0.3%；在水質污染情況下，依據環境脅迫閾值模型，模式魚會出現運動強度逐漸增強的過程，傳感器行為電信號數據的值也會變大，超過3σ閾值。根據水質指數計算公式，水質安全情況下計算得到的水質指數在［0，75）之間，水質指數越小，水質越安全；水質污染情況下計算得到的水質指數在［75，100］之間，水質指數越大，水質污染越嚴重，毒性越大。

4.3 行為強度及趨勢變化

亦莊調節池水質綜合毒性生物預警監測系統以青鳉魚為受試生物，通過生物行為傳感器監測水體內模式魚行為強度及行為趨勢變化，反映水體綜合毒性的變化，進而對有毒物質污染情況進行在線監測和預警，生物預警報警測試如表2～3所示，水質安全及水質污染條件下模式魚行為強度及行為趨勢變化如圖4～5所示。

4.4 數據應用

系統自2021年底建成投入使用以來運行平穩，2022年全年水質指數變化趨勢如圖6所示，水質指數值在10～50之間波動，變化趨勢平穩，未出現報警現象，說明亦莊調節池水質總體安全。

5 結論與建議

本文介紹的水質綜合毒性生物預警監測系統，能夠實現對供水水質在線連續實時的安全預警，是及時掌控重點飲用水水源地水質變化情況的有效手段，為水質監測預警和風險防范提供了高效持續的生物安全監測途徑，為首都居民安全用水提供了重要保障。但是，該系統運行過程中出現了如配套預警響應機制不健全、應急處置能力不足、污染風險預判不足等問題。因此，對生物預警監測站后期運行提出以下建議。

（1）根據單位架構和流程，建立健全配套預警響應機制。編制預警響應應急預案，明確各部門職責與任務，規范響應流程，列出切實可行的響應措施，組織有序、指揮正確、有序處置。

（2）組織開展水質安全預警演練。組織對預警響應應急預案的模擬演練，提升應急處置能力，確保一旦發生水質預警情況，能夠第一時間妥善處置，最大限度降低水質安全危害。

（3）積極構建水文水質安全預警模型。基于水質生物監測預警體系獲取的數據，結合歷史數據（總磷、總氮、高錳酸鹽指數等），利用空間信息技術，建立基于WebGIS技術的水質突變實時監控和污染事件預警應急系統，構建基于多模型預測的亦莊調節池水質安全預警模型，實現亦莊調節池水質變化實時監控、污染事故動態跟蹤、應急措施模擬及決策支持、案例推演和預案優化、數據管理、分析與網絡發布功能，為保障亦莊調節池及受水區水質安全、事故預警和應急決策提供科學支持。

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（編輯：張 爽）

Application of online biological warning technology for water quality in

Yizhuang regulating pool of South to North Water Diversion ProjectWANG Yan

（Ring Pipeline Management Department of Beijing South to North Water Diversion，Beijing 100176，China）

Abstract：In order to strengthen water quality protection work，ensure the safety of water supply in the Yizhuang regulating pool of the South to North Water Diversion Project，and achieve continuous and real-time safety warning of water supply quality，an online biological safety warning technology for water quality was applied，with green killifish as the test organism. Water quality comprehensive toxicity biological early warning monitoring system was constructed，and the technical scheme and indicator parameter settings were analyzed. The application of monitoring data was studied. The results showed that the design concept of comprehensive toxicity biological early warning and monitoring system for water quality in the Yizhuang regulating pool was leading，the technical scheme and indicator parameters were reasonable，there was no secondary pollution from reagents.The system can automatically and continuously operate，and the monitoring data was reliable. It had achieved online and real-time safety warning for water quality，providing an efficient and sustainable biological safety monitoring approach for water quality monitoring，early warning，and risk prevention. The research results can provide a technical reserves and reference for the construction of the water quality safety early warning system for the South to North Water Diversion Project．

Key words：biological safty warning；water quality monitoring；South to North Water Diversion Project；Yizhuang regulating pool