飲用水源地預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建

張全+徐達(dá)

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，水源地的水質(zhì)污染、水衰竭的問(wèn)題日漸突出。導(dǎo)致水源地頻發(fā)安全質(zhì)量事故，給國(guó)家安全和人類生存帶來(lái)極大威脅。建立飲用水水源地安全預(yù)警系統(tǒng)，提供區(qū)域聯(lián)網(wǎng)供水、集中供水，對(duì)保障飲用水水源地安全，維護(hù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)良性運(yùn)行具有戰(zhàn)略意義。

關(guān)鍵詞：飲用水水源地；預(yù)警系統(tǒng)；框架建立

中圖分類號(hào)：X832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

為了保證社會(huì)的穩(wěn)定和諧發(fā)展，限制工業(yè)排污對(duì)環(huán)境的巨大破壞，應(yīng)對(duì)飲用水水源地的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行深入地分析，保證水源地有足夠的水量和安全的水質(zhì)。這就需要采用可持續(xù)飲用水水源地預(yù)警的應(yīng)急體系，維持飲用水水源的可持續(xù)利用，滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)和工業(yè)、民用用水安全。

一、水源地安全預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)架

浙江省飲用水源地水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了固定站、集裝箱站、浮標(biāo)站3種形式。系統(tǒng)基本監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為水質(zhì)常規(guī)五參數(shù)（pH、水溫、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度）、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮，同時(shí)根據(jù)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的實(shí)際水質(zhì)情況加增急性毒性、藻類分類、總有機(jī)碳、重金屬、葉綠素a、揮發(fā)性有機(jī)物（可監(jiān)測(cè)有18種以上參數(shù)）、氟化物、氰化物等特征污染物，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、視頻圖像的采集、分析、傳輸功能，具備發(fā)布、遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)留樣等管理功能，具備水源地水質(zhì)安全預(yù)警能力。

1.預(yù)警指標(biāo)體系構(gòu)建

預(yù)警指標(biāo)體系的構(gòu)建描述水源地的安全現(xiàn)狀和變化趨勢(shì)等方面，評(píng)價(jià)和監(jiān)測(cè)一定時(shí)期的水源地的水質(zhì)狀況，分析影響水源地安全因素等。第二，對(duì)安全狀況、自然狀況等進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)未來(lái)的發(fā)展?fàn)顩r，確定水質(zhì)變化趨勢(shì)、速度，對(duì)不正常狀況的范圍和危害程度進(jìn)行預(yù)報(bào)。第三能夠?qū)Ω鞣N變化和惡化的情況提出綜合性對(duì)策，對(duì)未出現(xiàn)的問(wèn)題給予防范措施，設(shè)定有級(jí)別的警示信息。第四是正確判斷水污染帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)后果和環(huán)境后果，按照警情來(lái)尋找警源，以便采取有效的防控措施加以化解。

2.生物毒性監(jiān)測(cè)技術(shù)

Toxicity（毒性）：化合物或混合物對(duì)生物的有害效應(yīng)特性。

在水源地水質(zhì)預(yù)警能力上，化學(xué)監(jiān)測(cè)具有一定的局限性，指標(biāo)有限、各污染物綜合效應(yīng)難以監(jiān)測(cè)，而生物毒性監(jiān)測(cè)技術(shù)能反映水質(zhì)的綜合污染，揭示潛在的生物和生態(tài)效應(yīng)。生物毒性自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般基于活體生物毒性檢測(cè)技術(shù)，大致分為微生物急性毒性測(cè)試、浮游動(dòng)物急/慢性毒性測(cè)和魚(yú)類不同生命周期急/慢性毒性測(cè)試。相對(duì)而言，發(fā)光細(xì)菌法監(jiān)測(cè)的水質(zhì)適應(yīng)面廣，敏感性強(qiáng)，監(jiān)測(cè)的污染物復(fù)雜程度高，事故出現(xiàn)后連續(xù)監(jiān)測(cè)能力強(qiáng)。其檢測(cè)原理：通過(guò)測(cè)定發(fā)光菌與水樣接觸反應(yīng)前后發(fā)光強(qiáng)度的變化來(lái)判斷水中綜合毒性的大小。濃縮/稀釋倍數(shù)法：由于環(huán)境水樣的毒性大小差異很大，有些水樣毒性太強(qiáng)或太弱，無(wú)法直接檢測(cè)LC50或EC50，需進(jìn)行一定倍數(shù)的稀釋或濃縮處理以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確檢測(cè)。 因此，為了便于比較水體毒性，通常采用達(dá)到半數(shù)致死效應(yīng)所對(duì)應(yīng)的稀釋或濃縮倍數(shù)表征水樣毒性大小，稀釋倍數(shù)越大、濃縮倍數(shù)越小表明原始水樣的生物毒性越強(qiáng)。當(dāng)量濃度法：為了比較不同水樣的毒性效應(yīng)，近年逐漸有研究者選用致毒機(jī)制明確的物質(zhì)作為毒性測(cè)試的陽(yáng)性參照物，將待測(cè)水樣的毒性測(cè)試結(jié)果轉(zhuǎn)換為產(chǎn)生與之相當(dāng)效應(yīng)的陽(yáng)性參照物的當(dāng)量濃度。

3.藻類分類監(jiān)測(cè)技術(shù)

藻類熒光反應(yīng)有兩種特性：一是同一種藻受到不同波長(zhǎng)單位強(qiáng)度激勵(lì)光激勵(lì)時(shí)，發(fā)出的熒光強(qiáng)度不同；二是不同的藻在受到相同波長(zhǎng)單位強(qiáng)度激勵(lì)光激勵(lì)時(shí)，發(fā)出的熒光強(qiáng)度也不同。利用藻類的熒光特性進(jìn)行分類定量分析。

4.安全預(yù)警系統(tǒng)

安全預(yù)警系統(tǒng)包含了對(duì)警義等進(jìn)行明確、尋找、分析和預(yù)報(bào)以及報(bào)警等內(nèi)容。對(duì)于水源地的預(yù)警系統(tǒng)，具有多目標(biāo)的功能。在預(yù)警系統(tǒng)的邏輯框架中，水源地的風(fēng)險(xiǎn)被劃分為多個(gè)指標(biāo)體系，通過(guò)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器可以實(shí)現(xiàn)各種預(yù)警闞值的測(cè)算和預(yù)警。并根據(jù)不同的時(shí)間和污染物發(fā)布發(fā)出預(yù)警信號(hào)，采取預(yù)防、預(yù)控的措施的綜合系統(tǒng)，對(duì)飲用水水源地的安全進(jìn)行監(jiān)控。

體系的構(gòu)建包括信息重疊、定性分析、分層設(shè)計(jì)等手法。安全預(yù)警模型的建立使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架。模擬社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境，通過(guò)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)分析的功能，對(duì)數(shù)據(jù)的模型采用安全預(yù)警的方式，通過(guò)多個(gè)載水源地構(gòu)件的預(yù)警模型，對(duì)警兆指標(biāo)等加以精確計(jì)算，得到關(guān)于輸入層、輸出層以及隱藏層的節(jié)點(diǎn)數(shù)值。節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)警情指標(biāo)。

通過(guò)安全預(yù)警模型，將節(jié)點(diǎn)指標(biāo)加以輸入，獲得具有隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具，然后采用水源地安全預(yù)警模型的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練模式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)水源地安全的預(yù)警分析。

二、飲用水源地預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用重點(diǎn)

1.對(duì)水源水中異味的監(jiān)測(cè)和預(yù)警

近十幾年內(nèi)，水體異味問(wèn)題發(fā)生較多，引起社會(huì)廣泛關(guān)注。如霉腐味、魚(yú)腥味等，針對(duì)異味的分析包括了很多方法，而且獲得成分也相對(duì)復(fù)雜，如帶有土腥味的Geosmin（二甲萘烷醇）、2-甲基異茨醇等。飲用水源水體中產(chǎn)生異味的因素除了直接來(lái)自于化工業(yè)污水排放以外，更常見(jiàn)的為水體富營(yíng)養(yǎng)化產(chǎn)生異味的藻類，現(xiàn)在已知大約50余種。

第一，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不同于平常的某一時(shí)段存在異常高的污染物系統(tǒng)可自動(dòng)報(bào)警。

第二，從異味藻的數(shù)量上進(jìn)行預(yù)警。比對(duì)發(fā)現(xiàn)水體中各月都可以嗅到土腥味和霉腐味，異味藻的細(xì)胞密度往往達(dá)到每升2萬(wàn)個(gè)。當(dāng)為預(yù)警值來(lái)說(shuō)，可以初步定在1×1O4/L細(xì)胞。

第三，對(duì)于水中產(chǎn)生異味的數(shù)量和變化規(guī)律等，采用分季節(jié)、分時(shí)段的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要把監(jiān)測(cè)的時(shí)間和重點(diǎn)予以記錄。

第四，水中異味物質(zhì)多為揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機(jī)物，嗅閾值非常低，其濃度為痕量甚至超痕量，往往人工嗅辨水質(zhì)有異味，而儀器檢測(cè)不出，可引入SPME、SBSE等痕量物質(zhì)前處理方法，并加強(qiáng)對(duì)重點(diǎn)異味因子（苯酚類）的分析。

2.應(yīng)急預(yù)警監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析

在通過(guò)自動(dòng)預(yù)警監(jiān)測(cè)的同時(shí)，通過(guò)衛(wèi)星遙感、氣象觀測(cè)等可以將監(jiān)測(cè)范圍擴(kuò)大到飲用水水源地取水口、水源地I到II級(jí)保護(hù)區(qū)、取水口5km以外。隨著現(xiàn)代科技手段的不斷創(chuàng)新，水源地建立了基于寬帶IP網(wǎng)的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)飲用水進(jìn)行24h監(jiān)控，并實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，為采取應(yīng)急措施提供科學(xué)依據(jù)。

結(jié)語(yǔ)

浙江省飲用水源地水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目建設(shè)前，飲用水源地水質(zhì)監(jiān)測(cè)主要依靠月度水質(zhì)人工監(jiān)測(cè)工作，每次監(jiān)測(cè)間隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，同保障飲用水源地水質(zhì)安全，連續(xù)報(bào)告水質(zhì)變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排查安全隱患等工作需要比，存在較大的不足與盲點(diǎn)，影響到了公眾健康和社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展。

本項(xiàng)目成功建成后，基本實(shí)現(xiàn)主要飲用水源地水質(zhì)監(jiān)測(cè)和預(yù)警的自動(dòng)化，實(shí)時(shí)快速反映飲用水水環(huán)境質(zhì)量和變化狀況。有效提升了飲用水源地水質(zhì)監(jiān)測(cè)、預(yù)警、處理和發(fā)布能力，滿足地方政府環(huán)境管理與決策的實(shí)時(shí)需要，為環(huán)境決策、管理和科研部門(mén)提供更為科學(xué)、詳實(shí)、有效的科學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為保障人民群眾的飲用水安全，加強(qiáng)飲用水源地水質(zhì)保護(hù)工作發(fā)揮更高、更深層次的作用。

參考文獻(xiàn)

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