監(jiān)測方法在城市水環(huán)境監(jiān)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(chǎn)之要、生態(tài)之基。近年來隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化深入發(fā)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(xù)發(fā)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(jīng)濟結構調(diào)整和發(fā)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(xiāng)建設部科技發(fā)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(huán)境系統(tǒng)設施的監(jiān)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(huán)境監(jiān)控技術的角度，對水環(huán)境監(jiān)測分析方法進行了梳理、分析和對比，并闡述了水環(huán)境監(jiān)測方法在城市重要水源地水質(zhì)監(jiān)控預警方面的典型應用。

1.開展水環(huán)境監(jiān)測工作的必要性

一是水資源保護監(jiān)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(zhì)”的角度確保有安全的水、生態(tài)的水，從而促進經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。水資源管理中的水資源保護規(guī)劃、水功能區(qū)劃分、入河排污口管理等一系列業(yè)務管理工作離不開水環(huán)境監(jiān)測工作。

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

三是為應對突發(fā)性水污染事故提供有效的技術手段。突發(fā)性水環(huán)境污染事故不同于一般的環(huán)境污染，它沒有固定的排放方式和排放途徑，具有發(fā)生突然、危害嚴重等特點。近年來，各地的環(huán)境污染日趨加劇，突發(fā)性水環(huán)境污染事故也隨之增多，威脅著人類健康，破壞生態(tài)環(huán)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(fā)事件等，都造成了嚴重的危害。通過水環(huán)境監(jiān)測可第一時間掌握水污染情況，及時發(fā)出預警信號，為有效應對突發(fā)水污染事故提供技術支持。

2.水環(huán)境監(jiān)測方法分析

隨著科學技術的進步，水環(huán)境監(jiān)測技術迅速發(fā)展，儀器分析、計算機控制等現(xiàn)代化手段在水環(huán)境監(jiān)測中得到了廣泛應用。分析方法從分光光度法、電位法發(fā)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(jiān)測、遙感遙測裝置所代替。

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

實驗室監(jiān)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(zhì)分析工作的基本單位。監(jiān)測參量以常規(guī)監(jiān)測參數(shù)為主，無機、有機、生物監(jiān)測儀器為輔。監(jiān)測數(shù)據(jù)具有可比性、規(guī)范性和統(tǒng)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(zhì)動態(tài)數(shù)據(jù)等缺點。

自動監(jiān)測就是以在線自動分析儀器為核心，運用現(xiàn)代自動監(jiān)控技術、計算機技術及相關專用分析軟件進行水質(zhì)參量在線、自動監(jiān)測。它的主要作用就是實現(xiàn)水質(zhì)實時、連續(xù)監(jiān)測和遠程監(jiān)控，從而達到及時掌握重點水體斷面的水質(zhì)狀況、預警預報水質(zhì)污染事件、監(jiān)督總量控制制度落實情況和排放達標情況等。主要監(jiān)測參量為（1）常規(guī)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(shù)，如COD、BOD、TOC等；（3）表征氮源污染程度的參數(shù)，如氨氮、總氮等；（4）表征磷污染程度的參數(shù)，如總磷、正磷等。近年來隨著水污染事件的不斷發(fā)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(jiān)測。自動監(jiān)測的特點是快速、實時，使水質(zhì)監(jiān)測工作由被動監(jiān)測變?yōu)橹鲃颖O(jiān)測。

移動監(jiān)測是實驗室監(jiān)測和自動監(jiān)測之外的一種應急監(jiān)測形式，從不同的時空角度及時發(fā)現(xiàn)污染問題，彌補實驗室常規(guī)監(jiān)測與自動監(jiān)測的時空不足，具有對突發(fā)性污染事件的快速相應能力。移動監(jiān)測主要是以移動監(jiān)測車為基本監(jiān)測單元，以便攜水質(zhì)實驗室和現(xiàn)場水質(zhì)多參數(shù)分析儀為分析手段，以GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和GPRS/GSM無線數(shù)據(jù)通訊裝置為信息載體，有效地解決了偏遠地區(qū)以及突發(fā)性污染事件的水質(zhì)監(jiān)測的困難。主要監(jiān)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(fā)酚以及有機氯農(nóng)藥、苯系物、氯苯類等。移動監(jiān)測的特點是機動性強，監(jiān)測速度相對較快，受時間空間的限制較小，監(jiān)測結果也相對準確可靠。

遙感監(jiān)測就是用儀器對一段距離以外的目標物或現(xiàn)象進行觀測，是一種不直接接觸目標物或現(xiàn)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(jiān)測手段。近年來，國內(nèi)外逐步開展了利用衛(wèi)星遙感信息進行水體境監(jiān)測的研究，并形成一種新的水質(zhì)監(jiān)測方法。與常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測方法相比，遙感監(jiān)測將工作平臺從地面上升到高空，具有監(jiān)測范圍廣、成本相對較低、便于長期動態(tài)監(jiān)測等的優(yōu)勢，同時還能夠發(fā)現(xiàn)一些常規(guī)人工調(diào)查和采樣方法難以發(fā)現(xiàn)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(jiān)測內(nèi)容主要包括水華、泥沙含量、水生植被等指標的定性監(jiān)測以及葉綠素a、懸浮物濃度指標的定量反演。

3.水環(huán)境監(jiān)測預警的典型應用

隨著社會的發(fā)展，水源污染事件不斷增多。突發(fā)性水環(huán)境污染事故不同于一般的環(huán)境污染，它沒有固定的排放方式和排放途徑，具有發(fā)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(nèi)外已發(fā)生的突發(fā)水污染事故來分析，突發(fā)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(xiàn)事故和農(nóng)藥或其它毒藥投放時無意中污染水源；(3) 微生物爆發(fā)污染水體，即藻類爆發(fā)和其它微生物爆發(fā)；(4) 自然災害引起水質(zhì)突變。

監(jiān)測方式 優(yōu)點缺點實驗室監(jiān)測 監(jiān)測參數(shù)全面；監(jiān)測數(shù)據(jù)準確，具有可比性、規(guī)范性和統(tǒng)一性。需要現(xiàn)場取樣，采樣間隔長，勞動強度大，監(jiān)測時間長。無法獲得連續(xù)、動態(tài)的數(shù)據(jù)。自動監(jiān)測能實時、連續(xù)的反映所監(jiān)測水域的水質(zhì)情況；對水體水質(zhì)的變化趨勢提供連續(xù)、完整的數(shù)據(jù)；節(jié)省人力，不用人工采集水樣化驗；一般應用于對水體水質(zhì)的趨勢性監(jiān)測。監(jiān)測參量有限；投資規(guī)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(tǒng)穩(wěn)定性穩(wěn)定性較差；數(shù)據(jù)準確性一般。移動監(jiān)測適用于突發(fā)性水污染事件；水質(zhì)設備方便攜帶，可現(xiàn)場操作；檢測速度較實驗室快，數(shù)據(jù)準確性高。一般需要專業(yè)的移動監(jiān)測車來配合完成。遙感監(jiān)測是對傳統(tǒng)監(jiān)測方式的補充；從宏觀角度對城市水環(huán)境進行監(jiān)測和評價,著重于水體水質(zhì)的中短期的分析預測。遙感監(jiān)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(zhì)監(jiān)測；監(jiān)測參量少，監(jiān)測受遙感衛(wèi)星重返周期及天氣的影響；監(jiān)測數(shù)據(jù)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(xiàn)實意義和戰(zhàn)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(fā)事件，建立了覆蓋城市重要水源的水質(zhì)監(jiān)測預警系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過自動監(jiān)測、移動監(jiān)測、實驗室檢測相結合的三級監(jiān)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(fā)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(jiān)測站點選擇

監(jiān)測站點的合理選擇直接影響到城市水源水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)控的有效性。這一監(jiān)控體系應是一個動態(tài)的、連續(xù)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(jīng)沒有化工企業(yè)，容易造成突發(fā)污染事故的因素主要是上游河北境內(nèi)的一些鐵礦和金礦，這些礦場由于設備簡陋，發(fā)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(nèi)后一直到入庫河道一側緊鄰山地公路，容易發(fā)生翻車事故，所以選擇張家墳、下會控制入庫河道的突發(fā)污染事故。在庫區(qū)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(qū)目前還有一些比較大的工礦企業(yè)，也發(fā)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(jīng)常有運輸化學物質(zhì)的車輛通過，經(jīng)常發(fā)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(qū)為出庫站；城區(qū)取水口為“三家店站”。

在張坊應急供水系統(tǒng)中，由于其上游來水主要在河北境內(nèi)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(diào)節(jié)池入口處下寺站作為控制點，對八渡至輸水管道的水質(zhì)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(fā)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(jiān)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(jiān)測參量的選擇

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

其中常規(guī)多參數(shù)是綜合性指標，可以提供水質(zhì)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(guī)多參數(shù)可以排除部分生物毒性誤報。根據(jù)實踐經(jīng)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(fā)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(guī)污染監(jiān)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(jiān)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(fā)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(tǒng)覆蓋面，保證預警系統(tǒng)的寬檢測面。

通過上述監(jiān)測參量的選擇，形成了常規(guī)多參數(shù)監(jiān)測為主，特征污染監(jiān)測為輔的監(jiān)測指標體系。

3.3 監(jiān)測方式的應用

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

該系統(tǒng)通過新建和改建站點共建設了19個自動監(jiān)測站。其中密云、官廳水庫庫區(qū)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(jiān)測站監(jiān)測所用的測試方法以快速為主要特點，在線監(jiān)測設備在15分鐘內(nèi)，能夠初步判定水體受到了污染，重點監(jiān)測常規(guī)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(zhì)參數(shù)，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(jiān)測一旦確定有水污染事件發(fā)生，則立即派出最近的水質(zhì)移動監(jiān)測車進行移動監(jiān)測。移動監(jiān)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(nèi)確定污染物，并測出污染物濃度范圍，管理部門將根據(jù)結果及時啟動應急預案。

最后進行實驗室監(jiān)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(nèi)就能夠確定準確的污染物濃度，管理部門將根據(jù)實驗結果進一步開展決策支持。

三級監(jiān)測方式既可為突發(fā)水質(zhì)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(zhì)的日常監(jiān)控、在線分析水質(zhì)變化規(guī)律和趨勢預測提供基礎信息。通過立體化監(jiān)控模式的搭建，可全面有效的解決北京可持續(xù)發(fā)展過程中所面臨的水環(huán)境問題，提高對突發(fā)、惡性水質(zhì)污染事故的預警預報及快速反應能力。

4.結束語

水環(huán)境監(jiān)測是以流域或區(qū)域水環(huán)境為主要研究對象的系統(tǒng)化工程，水環(huán)境監(jiān)測技術僅僅是系統(tǒng)工程中最基礎的組成部分，如何將這些監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，如何通過建立水質(zhì)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(huán)境系統(tǒng)設施的監(jiān)控和預警研究”課題的研究，將從管理、技術方法和數(shù)據(jù)三方面建立相關體系，通過搭建國家、省、市三級城市水環(huán)境系統(tǒng)設施監(jiān)控預警管理信息平臺，最終將實現(xiàn)城市水環(huán)境系統(tǒng)設施信息的數(shù)據(jù)采集與分析、預警、應急響應和決策支持。