城鎮(zhèn)供水水質監(jiān)測預警系統(tǒng)建設實踐
城鎮(zhèn)供水水質監(jiān)測預警系統(tǒng)建設實踐
宋蘭合
(中國城市規(guī)劃設計研究院，北京100044)
目前，我國城鎮(zhèn)供水安全形勢嚴峻。一是隨著經濟社會發(fā)展，水源地面臨的環(huán)境壓力顯著增大，飲用水水源水質總體呈下降趨勢。二是隨著水源水質下降和飲用水標準提升，凈水工藝落后、供水設施老化的問題日益突出。三是供水安全管理方面，無論是政府監(jiān)管還是供水企業(yè)管理，都存在亟待完善之處。尤其是，近年來水源突發(fā)污染事故頻發(fā)，對供水安全帶來極大挑戰(zhàn)。與“供水安全體系建設”相比，“加強供水安全風險管控”更切近問題實質。今后一個時期，全面推進城鎮(zhèn)供水水質監(jiān)測預警體系建設，非常重要，十分迫切。
1 有關法律規(guī)定
2003年SARS疫情暴發(fā)和2005年松花江重大水污染事故之后，我國于2007年發(fā)布實施了《中華人民共和國突發(fā)事件應對法》。解讀該法律第二、第三條，城鎮(zhèn)供水突發(fā)事件屬于公共衛(wèi)生事件，水質監(jiān)測預警適用本法。
綜合該法律第三十七條、第六十三條和第六十四條的規(guī)定，監(jiān)測預警體系建設、維護的責任主體，包括縣級以上人民政府及其有關部門、專業(yè)機構、有關單位、有關個人。與城鎮(zhèn)供水行業(yè)有關，所稱有關部門和有關單位，應當是指城鎮(zhèn)供水行政主管部門和供水企業(yè)。
依照該法律第四十一條的要求，監(jiān)測預警體系建設的主要內容應當包括：基礎信息數據庫，監(jiān)測網絡；要劃分監(jiān)測區(qū)域，確定監(jiān)測點，明確監(jiān)測項目；要具備必要的設備、設施，配備專職或者兼職人員，對可能發(fā)生的突發(fā)事件進行監(jiān)測。
2 有關規(guī)劃要求
根據國務院辦公廳《關于加強飲用水安全保障工作的通知》（國辦發(fā)［2005］45號）要求，國家發(fā)展改革委等五部委于2007年聯(lián)合編制了《全國城市飲用水安全保障規(guī)劃（2006—2020年）》，把建設全過程的飲用水安全監(jiān)測體系列為規(guī)劃重點之一。
為落實該規(guī)劃的任務部署，住房和城鄉(xiāng)建設部2012年發(fā)布《全國城鎮(zhèn)供水設施改造與建設“十二五”規(guī)劃及2020年遠景目標》，明確要求：“實現(xiàn)城鎮(zhèn)供水由主要滿足水量需求向更加注重水質保障的戰(zhàn)略性轉變，在增加供水能力的同時，著力提高供水水質、服務水平和應急保障能力”，“研究建立城鎮(zhèn)供水水質安全監(jiān)管信息化管理平臺，全面提升規(guī)劃建設、安全運行、應急處置、水質管理等方面的技術水平。”
2013年，中國城鎮(zhèn)供水排水協(xié)會供水協(xié)會編制了《城鎮(zhèn)供水設施建設與改造指南》，該指南是水專項“十一五”相關研究成果的集成，也是支撐《全國城鎮(zhèn)供水設施改造與建設“十二五”規(guī)劃及2020年遠景目標》實施的技術保障。關于城鎮(zhèn)供水水質監(jiān)測預警系統(tǒng)建設，指南的技術要求為:
①水質監(jiān)測預警系統(tǒng)包括水質監(jiān)測網絡和水質預警系統(tǒng)。
②有條件的地區(qū)或城市群，應建立城市間、部門間信息共享和上下游城市聯(lián)動預警機制。
③各地應當根據本地區(qū)規(guī)劃，建設城市供水系統(tǒng)水質監(jiān)測網絡，實現(xiàn)從“源頭到龍頭”的全流程監(jiān)測，監(jiān)測對象涵蓋水源水、出廠水、管網水和二次供水。
④供水水源污染風險較大的城市，應在水質監(jiān)測網絡基礎上，建立水質預警系統(tǒng)，涵蓋水質主要風險源，管理多信源水質信息，實現(xiàn)信息實時共享，提高預警響應速度。
3 城鎮(zhèn)供水水質監(jiān)測預警的涵義
預警，最早用于軍事領域，是指運用雷達技術對進入防空區(qū)飛行器的識別。
引申到氣象學、地質學，預警的涵義已經超越了對既發(fā)事件感知，進而具有了對事物未來發(fā)展狀態(tài)進行預測的意義。
綜合國內外已建水質監(jiān)測預警系統(tǒng)的功能，城鎮(zhèn)供水水質監(jiān)測預警，是依據供水設施狀態(tài)和水質監(jiān)測信息，通過模型分析、數據驅動等技術手段，對一定時空范圍內供水水質非正常事件的感知、預測以及對既發(fā)事故發(fā)展趨勢的分析，包括由水源水質漸變引起的供水水質變化、由供水系統(tǒng)（水源系統(tǒng)、制水系統(tǒng)、輸配水系統(tǒng)、管理系統(tǒng)）風險導致的供水水質事故和水源突發(fā)性污染。
4 水質監(jiān)測預警系統(tǒng)的建設模式
4.1 水環(huán)境監(jiān)測預警
我國最早建立水質監(jiān)測預警系統(tǒng)的是環(huán)保系統(tǒng)，1998年以來已覆蓋全國主要水系145個國控重點斷面。根據系統(tǒng)處理數據，環(huán)保部每周動態(tài)發(fā)布水溫、pH、濁度、溶解氧、電導率、高錳酸鹽指數、氨氮和總有機碳等8項水環(huán)境指標。除145個國控重點斷面外，環(huán)保系統(tǒng)的省、市（縣）監(jiān)控斷面建立的水環(huán)境預警系統(tǒng)數以千計。
與此類似，水利系統(tǒng)采用自動監(jiān)測與實驗室檢測相結合的方式，建立了各省區(qū)和各流域的水質監(jiān)測預警系統(tǒng)。如長江委所屬長江干支流，目前已有551個水質監(jiān)測站,共680個監(jiān)測斷面，監(jiān)測指標包括氨氮、pH值、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、非離子氨、高錳酸鹽指數、生化需氧量、溶解氧、總磷、總砷、總汞、總鎘、總鉛、總銅、總氰化物、揮發(fā)酚、石油類、總大腸菌群等18項水環(huán)境指標。各地（流域）據此每月發(fā)布一次“水資源質量公報”。
總結環(huán)保和水利系統(tǒng)的水環(huán)境監(jiān)測預警系統(tǒng)的功能和技術特點，一是基于行政管理的部門職能，支撐國家、省、市（縣）三級監(jiān)控斷面管理；二是系統(tǒng)主要由水質自動監(jiān)測站、遠程數據傳輸、數據庫處理等三部分組成；三是系統(tǒng)的功能目前尚未實現(xiàn)“預測”，而是對當前水環(huán)境質量的感知和信息統(tǒng)計；四是預警系統(tǒng)的基礎信息并非全部依賴實時在線監(jiān)測，實驗室檢測數據等其他數據源也可以是預警基礎信息的一部分。
4.2 原水水質監(jiān)測預警系統(tǒng)
2005年北江鎘污染事件后，在廣東省科技廳支持下，佛山市水業(yè)集團有限公司聯(lián)合北江流域有關供水企業(yè)，以協(xié)議方式建立了“北江原水水質監(jiān)測與污染預警系統(tǒng)”，覆蓋韶關、清遠、廣州、佛山4市、17縣共60多個水廠。該系統(tǒng)由4個主要部分組成：①設立在各供水企業(yè)的原水水質監(jiān)測系統(tǒng)；②原水水質信息共享平臺；③原水污染事故發(fā)展趨勢模擬系統(tǒng)；④應急處理合作機制。目前，廣東省城鎮(zhèn)供水協(xié)會正在努力把這種預警應急合作模式推廣到廣東省的西江、東江、韓江等流域的供水企業(yè)。
從合作機制的角度看，“多瑙河事故應急預警系統(tǒng)”，與廣東北江模式極其相似。該系統(tǒng)由德國、奧地利、匈牙利等5個歐洲國家共同開發(fā)，由多瑙河沿岸各國的國際警報中心、各國間的信息傳輸系統(tǒng)以及各國內的學術支持機構組成。自1997年投入運行以來，該系統(tǒng)在預測預報多瑙河流域水質變化中發(fā)揮了重要作用。
天津芥園水廠和上海某水廠的原水水質監(jiān)測預警系統(tǒng)，在國內可能具有典型代表性。芥園水廠對濁度、pH值、溶解氧、水溫、氧化還原電位、電導率、氨氮、總磷、大地照度進行在線監(jiān)測，建立了預測原水中次日葉綠素的決策樹模型，經仿真驗證，模型的平均預測準確率可達到80％。上海某水廠的原水預警系統(tǒng)，其監(jiān)測系統(tǒng)由綜合毒性儀、紫外光譜掃描儀、其他在線監(jiān)測儀等可以互相印證和補充的三部分構成。其他在線監(jiān)測指標為pH值、ORP、渾濁度、氨氮、電導率、亞硝酸鹽、錳，可以實時監(jiān)測有關水質及氧化環(huán)境的動態(tài)；綜合毒性儀監(jiān)測未知污染物的污染水平；而紫外光譜掃描儀可以針對綜合毒性儀監(jiān)測信息，完成未知污染物的快速定性分析。
4.3 供水系統(tǒng)水質監(jiān)測預警系統(tǒng)
水專項十一五“飲用水水質監(jiān)控預警及應急技術研究與示范”項目，集成相關課題成果，在濟南、杭州、東莞示范建設了“城市供水水質監(jiān)測預警系統(tǒng)技術平臺”，該預警平臺由水質信息采集網絡、數據處理中心、可視化平臺構成。其中，水質信息采集網絡，由水質在線監(jiān)測系統(tǒng)（包括原水、出廠水、管網水、二次供水）、實驗室水質檢測數據報送系統(tǒng)、異構系統(tǒng)信息接入共享等構成。在線監(jiān)測的指標包括電導率、pH值、水溫、余氯、濁度、溶解氧、葉綠素、耗氧量、綜合毒性、總磷、氨氮、汞、鋅、鎘、鉛、總有機碳、氰化物等17個。
預警平臺采用的預警技術，包括在線監(jiān)測和預測模型。利用在線監(jiān)測信息，可直接對余氯、渾濁度、耗氧量、氨氮、汞、鋅、鎘、鉛、總有機碳、氰化物等10個指標報警；利用電導率，推定氯化物的水平及咸潮入侵情況。利用預測模型和pH值、水溫、溶解氧、葉綠素、綜合毒性、總磷、氨氮等監(jiān)測數據，可定性分析原水的氧化環(huán)境，并配合分析耗氧量、氨氮、總有機碳的水平，對藻類生長及暴發(fā)情況實施監(jiān)控。同時，采用神經網絡模擬，可對管網水質事故的影響范圍、污染程度、持續(xù)時間等進行分析判斷。
預警平臺示范項目于2007年進入設計階段，2010年投入運行，事件預測準確率達到80%以上。
5 城鎮(zhèn)供水水質監(jiān)測預警技術展望
對水質非正常事件的預警范圍、響應時間和預測準確率，是衡量水質預警系統(tǒng)技術水平及其應用前景的三項技術指標，而水質檢測技術、信息技術和管理科學的發(fā)展則是不斷改進該三項指標的基本動力。
近年來，水質檢測技術快速發(fā)展，基于物聯(lián)網技術的智能水質在線監(jiān)測系統(tǒng)技術已經可以對約50項水質指標實行實時監(jiān)測，標準化水質檢測方法可以支撐對近400種污染物的快速監(jiān)測，水中綜合毒性分級解析和分類解構技術可望取得重要突破，云技術的發(fā)展將使得數據處理中心與預警業(yè)務平臺相互分離成為現(xiàn)實，大數據應用技術也將為預警模型的多途徑和便捷化提供科技支撐。
可以預見，“十二五”期間城鎮(zhèn)供水水質監(jiān)測預警，將要發(fā)展為“多級屏障協(xié)同預警系統(tǒng)”，即：通過智能水質在線監(jiān)測，實施對飲用水標準中約60%的污染物實時監(jiān)控；通過優(yōu)化檢測頻率、信息共享、大數據應用，對飲用水標準中約40%的污染物及時測定；通過協(xié)同應用綜合毒性分級解析和分類解構技術、應急監(jiān)測技術，實現(xiàn)對飲用水標準外有毒污染物的快速監(jiān)測。
（本文發(fā)表于《中國給水排水》雜志2014年第18期“給水深度處理及飲用水安全保障技術交流會專題”欄目）
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