城市水環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的建立

翁窈瑤，張 靜

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

國(guó)內(nèi)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)起步較晚，20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著城市水環(huán)境問(wèn)題的日益突出，我國(guó)大規(guī)模開(kāi)展了水環(huán)境整治工作，各個(gè)城市都建設(shè)了大量的水環(huán)境設(shè)施并對(duì)水環(huán)境系統(tǒng)的各個(gè)方面進(jìn)行科學(xué)合理的監(jiān)控監(jiān)測(cè)。各個(gè)相關(guān)水環(huán)境管理部門(mén)都陸續(xù)開(kāi)展了水環(huán)境監(jiān)控方面的工作。1988年天津作為試點(diǎn)建立了我國(guó)第一個(gè)水質(zhì)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，1995年以后相繼在上海、北京等地先后建立了水質(zhì)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站。“十一五”期間，我國(guó)已初步建成覆蓋各環(huán)境要素的國(guó)家環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)和地方環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)。至2011年，全國(guó)主要水系共建115個(gè)重點(diǎn)斷面水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站[1]。這套地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行以來(lái)，充分發(fā)揮了其對(duì)地表水水系的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警功能。

水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在近年來(lái)也開(kāi)始應(yīng)用于環(huán)保體系，主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括污水處理廠進(jìn)出水口的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，以用于對(duì)污水廠的日常監(jiān)管和運(yùn)行指導(dǎo)。我國(guó)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(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(zhì)監(jiān)測(cè)和污染源監(jiān)控是兩套相互獨(dú)立的監(jiān)測(cè)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(cè)體系，即城市水環(huán)境監(jiān)測(cè)體系來(lái)耦合這兩套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以結(jié)合不同地區(qū)城市水功能定位及水環(huán)境的特點(diǎn)來(lái)開(kāi)展城市水環(huán)境系統(tǒng)設(shè)施監(jiān)測(cè)與預(yù)警。

1 城市水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的建立

1.1系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)預(yù)警系統(tǒng)的建立，關(guān)鍵在于3個(gè)部分，即預(yù)警指標(biāo)體系的構(gòu)建、預(yù)警方法的選取和預(yù)警閾值的界定。

影響水環(huán)境系統(tǒng)的因素很多，并且各個(gè)影響因子間又存在著十分復(fù)雜的關(guān)系。因此建立一套完整合理的預(yù)警指標(biāo)體系是建立水環(huán)境預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵。而我國(guó)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(jì)條件的差異也會(huì)直接影響到水環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)的選擇。因此，預(yù)警指標(biāo)體系的建立應(yīng)該充分結(jié)合各地的經(jīng)濟(jì)條件和城市水環(huán)境特征選取。

在預(yù)警指標(biāo)體系建立的基礎(chǔ)上，需要對(duì)指標(biāo)體系進(jìn)行預(yù)警分析，這也是目前研究較多的問(wèn)題?？偨Y(jié)來(lái)看，預(yù)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(yù)警所需資料缺乏，或者影響因素復(fù)雜，難以分清主次與因果，或主要影響因素難以定量分析時(shí)的情況。近年來(lái)，遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)也逐漸被引入到定性分析方法之中。定量方法則可以結(jié)合數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行。例如統(tǒng)計(jì)定量中的決策樹(shù)方法[2]。而目前最主要的定量方法則是模型方法，因?yàn)槭褂媚Ｐ头椒ㄟM(jìn)行預(yù)警是建立在相當(dāng)深入研究的邏輯學(xué)、數(shù)學(xué)和其他具體科學(xué)基礎(chǔ)上的，具有一定的科學(xué)依據(jù)。在環(huán)境預(yù)警方面應(yīng)用的比較廣泛的預(yù)警模型主要包括SD 預(yù)警模型[3]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)警模型[4]、支持向量機(jī)等，這些方法的提出成功地推動(dòng)了預(yù)警研究的發(fā)展。

水環(huán)境系統(tǒng)隨時(shí)都在承受著各種壓力，在一定壓力內(nèi)，系統(tǒng)具有自我維持和自我調(diào)節(jié)的功能，保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，但超過(guò)這個(gè)閾值，系統(tǒng)可能會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。在對(duì)閾值進(jìn)行研究時(shí)，警限的確定也是問(wèn)題的關(guān)鍵。警限通常是用來(lái)表示警情嚴(yán)重程度的等級(jí)分界線，但也可看作各種狀態(tài)之間的臨界值。由于警情嚴(yán)重程度具有模糊性，而且水環(huán)境是一個(gè)多層次、多要素、多功能的復(fù)雜系統(tǒng)，其警限的確定是一個(gè)復(fù)雜的難題。

1.2城市水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的建立城市水環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)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(gè)步驟。

圖1 城市水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警流程圖

首先，在已有的水庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)、雨水?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)和空間數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，對(duì)所有排水、污水、城市水體的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、移動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，通過(guò)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)傳輸(其中遙感數(shù)據(jù)還要進(jìn)行加工，包括數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)挖掘和參數(shù)識(shí)別)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)，獲得海量數(shù)據(jù)。

圖2 預(yù)警信號(hào)模塊流程圖

當(dāng)監(jiān)測(cè)出現(xiàn)某個(gè)或某些參數(shù)超出閾值時(shí)要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)查看，判斷監(jiān)測(cè)數(shù)值超標(biāo)的原因是否為設(shè)備故障，如為設(shè)備故障，將數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)庫(kù)，并記錄實(shí)際情況后進(jìn)入正常管理；如果事件排除設(shè)備故障，此時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)(見(jiàn)圖2所示流程)，并派監(jiān)測(cè)車現(xiàn)場(chǎng)取樣，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，獲得檢測(cè)數(shù)據(jù)。

其次，對(duì)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將獲得的預(yù)警監(jiān)測(cè)因子的數(shù)值與預(yù)警監(jiān)測(cè)因子閾值進(jìn)行對(duì)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(fēng)險(xiǎn)事件的坐標(biāo)輸入分析模型及模型耦合系統(tǒng)，進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，獲得影響模型(見(jiàn)圖3所示流程)。在影響模型中對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)價(jià)，對(duì)超閾值因子及其數(shù)值進(jìn)行分析，獲得風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)因子，即確定對(duì)風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生影響的各種參數(shù)，通過(guò)分析各參數(shù)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的影響程度的不同，確定各參數(shù)的風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重，給參數(shù)附加風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重后，計(jì)算出含風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重在內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)數(shù)據(jù)，確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，發(fā)出等級(jí)信號(hào)(見(jiàn)圖4所示流程)。

圖3 模型分析模塊流程圖

圖4 風(fēng)險(xiǎn)分析模塊流程圖

再次，對(duì)事件進(jìn)行應(yīng)急處置，首先確定事件的種類，同時(shí)根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)的對(duì)象和等級(jí)提出相應(yīng)的應(yīng)急措施(見(jiàn)圖5所示流程)。

圖5 應(yīng)急處置預(yù)案模塊流程圖

最后，預(yù)警解除后對(duì)預(yù)案以及處理過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)，將評(píng)價(jià)內(nèi)容加入數(shù)據(jù)庫(kù)，豐富數(shù)據(jù)庫(kù)信息，為以后應(yīng)急方案提供參考。

2 建立城市水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)存在的問(wèn)題

目前存在的地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)和污染源監(jiān)控是兩套相互獨(dú)立的監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)各自為政，因此需要建立城市水環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警網(wǎng)，在城市范疇內(nèi)將上述兩套監(jiān)測(cè)體系有效結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)城市水環(huán)境的全方面自動(dòng)監(jiān)測(cè)。這樣既可以實(shí)時(shí)掌控城市水環(huán)境各類監(jiān)測(cè)對(duì)象的自身運(yùn)行情況，也可以動(dòng)態(tài)了解城市活動(dòng)對(duì)水體造成的突發(fā)污染影響。

城市水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)對(duì)象應(yīng)包括城市相關(guān)水體、城市排水設(shè)施、污水處理設(shè)施、其他城市水設(shè)施。城市相關(guān)水體主要指城市河流、湖泊；城市排水設(shè)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(shè)施主要指污水處理廠；其他城市水設(shè)施主要指再生水廠。

雖然目前上述四類監(jiān)測(cè)對(duì)象中，城市相關(guān)水體、污水處理設(shè)施已分別由水利部、環(huán)保部開(kāi)展了自動(dòng)監(jiān)測(cè)工作。但是要建立城市水環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)，還應(yīng)該解決當(dāng)前存在的3個(gè)主要問(wèn)題。

首先，監(jiān)測(cè)管理部門(mén)協(xié)作不強(qiáng)，數(shù)據(jù)共享體制不健全。目前我國(guó)開(kāi)展水質(zhì)監(jiān)測(cè)的部門(mén)主要有環(huán)保部、水利部、城鄉(xiāng)建設(shè)部。環(huán)保部門(mén)主要承擔(dān)污水處理廠等污染源在線監(jiān)控，水利部門(mén)則主要承擔(dān)河道水質(zhì)監(jiān)測(cè)，城鄉(xiāng)建設(shè)部門(mén)則主要負(fù)責(zé)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(cè)的四類對(duì)象中，已有兩類監(jiān)測(cè)工作展開(kāi)。但是由于各個(gè)監(jiān)測(cè)部門(mén)相互獨(dú)立，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)互不共享，不僅浪費(fèi)大量的監(jiān)測(cè)設(shè)備資源，而且對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不能充分有效利用。各部門(mén)之間如果能夠緊密協(xié)作，進(jìn)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(guò)監(jiān)測(cè)水量水質(zhì)等數(shù)據(jù)，能夠科學(xué)地制定污染物總量控制目標(biāo)，預(yù)警城市活動(dòng)對(duì)城市水體造成的突發(fā)污染事故。為此，應(yīng)最大限度地協(xié)調(diào)各個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)管理部門(mén)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，既可以提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的利用率，也可以優(yōu)化現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)資源，盡快建立起全面的城市水環(huán)境監(jiān)測(cè)體系。

其次，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性不高。自動(dòng)監(jiān)測(cè)體系的質(zhì)量保證與質(zhì)量控制尚不完善，很多自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)工作不到位，實(shí)際監(jiān)測(cè)中自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障頻發(fā)，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用中自動(dòng)監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)的可信度不高。為提高自動(dòng)監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)的可靠性，一方面要從檢測(cè)設(shè)備入手，選用可靠性、準(zhǔn)確性高的儀器，加強(qiáng)儀器的定期維護(hù)校準(zhǔn)，加大自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)力度；另一方面，自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)配合水質(zhì)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室和移動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備同時(shí)進(jìn)行。移動(dòng)監(jiān)測(cè)具有相對(duì)靈活的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)城市重點(diǎn)污染河段、水污染事故動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，根據(jù)污染事故的監(jiān)測(cè)需要，在野外現(xiàn)場(chǎng)完成水質(zhì)采樣、處理和分析。實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)是一種最常規(guī)的水質(zhì)分析方法，可以對(duì)眾多的水質(zhì)指標(biāo)做出精確的分析和評(píng)價(jià)。因此移動(dòng)監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)方式，既可以作為自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的校正及補(bǔ)充，也可以在系統(tǒng)故障或數(shù)據(jù)有異時(shí)，補(bǔ)充以常規(guī)監(jiān)測(cè)。

第三，初期雨水徑流排放水質(zhì)難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。由城市內(nèi)部的街道匯集而成的雨水路面徑流，具有排放時(shí)間隨機(jī)、流量相對(duì)集中、污染物種類多、水質(zhì)條件復(fù)雜多變的特點(diǎn)，國(guó)外學(xué)者對(duì)城市雨水徑流的水質(zhì)[5-6]做了大量的監(jiān)測(cè)分析工作，結(jié)果表明路面雨水徑流污染嚴(yán)重，尤其是初期雨水徑流，如果直接排放至水體，將會(huì)給地表水造成嚴(yán)重的污染。但是國(guó)內(nèi)對(duì)于初期雨水徑流的水質(zhì)監(jiān)測(cè)研究幾乎是空白的，用于雨水水質(zhì)監(jiān)測(cè)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備也不多，這也成為城市水環(huán)境系統(tǒng)監(jiān)測(cè)預(yù)警的又一難題。

3 小結(jié)

我國(guó)城市水環(huán)境雖然近年來(lái)已有所改善，但是問(wèn)題依然存在。全國(guó)各大水系的水體、污水處理設(shè)施已經(jīng)分別由水利部、環(huán)保部開(kāi)展了自動(dòng)監(jiān)測(cè)工作。但是由于部門(mén)協(xié)調(diào)問(wèn)題，數(shù)據(jù)無(wú)法共享，造成資源的浪費(fèi)，也很難達(dá)成兩套系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)。自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)問(wèn)題導(dǎo)致在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性并不高，同時(shí)城市雨水徑流造成的水質(zhì)污染還沒(méi)有引起足夠的重視。

因此，為了實(shí)時(shí)掌控城市水環(huán)境各類監(jiān)測(cè)對(duì)象的自身運(yùn)行情況以及準(zhǔn)確動(dòng)態(tài)地了解城市活動(dòng)對(duì)城市水體造成的突發(fā)污染影響，提出兩點(diǎn)建議：一方面，協(xié)調(diào)監(jiān)測(cè)管理部門(mén)，加強(qiáng)分工協(xié)作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，既可以提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的利用率，也可以優(yōu)化現(xiàn)有監(jiān)測(cè)站網(wǎng)，建立全面的城市水環(huán)境監(jiān)測(cè)體系。另一方面，加大自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)力度，并且配備水質(zhì)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室和移動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，既可以作為自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的校正，也可以在系統(tǒng)故障或數(shù)據(jù)有異時(shí)，補(bǔ)充以常規(guī)監(jiān)測(cè)。

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