水質監(jiān)測預警系統(tǒng)在飲用水監(jiān)測中的應用

汪 念

（安順生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，貴州 安順 561000）

在我國工業(yè)化推進過程中，水源地污染事件頻頻發(fā)生，一些地區(qū)的飲用水遭受不同程度的污染，嚴重影響當地居民的正常生活?；谶@種情況，水質監(jiān)管部門加大了水質監(jiān)測預警管理力度，目的是不斷提升飲用水水質監(jiān)測效果。目前，發(fā)達國家已經建立了完善的飲用水監(jiān)測預警體系，比如，美國通過在多個飲用水水源地布設監(jiān)測點，向相關部門實時傳送監(jiān)測數據，出現水源污染時及時采取有效的應對措施。我國飲用水供應主要有三大特點：一是確保水量供應充足；二是保障飲用水質量；三是在面對特殊情況時，增加預處理、強化常規(guī)處理和深度處理工藝，從而確保飲用水質符合要求。這些措施在很大程度上保障了飲用水安全，但是明顯存在滯后性，缺乏相應的預警效果。因此，應結合地區(qū)飲用水水源地現狀，完善水質監(jiān)測預警系統(tǒng)，以改善水質、保障飲用水安全。

1 水質監(jiān)測預警系統(tǒng)概述

1.1 基本定義

水質監(jiān)測預警系統(tǒng)主要基于信息技術和水質模擬技術的發(fā)展，結合計算機仿真、地理信息系統(tǒng)、遙感等科技，采集水源地的生態(tài)環(huán)境、水資源分布、地形地貌、水質狀況等信息，然后存儲和傳輸至數據中心，通過監(jiān)測和模擬水質變化情況，生成詳細的數據報告和結論向大眾公示。水質監(jiān)測預警系統(tǒng)集監(jiān)測、模擬、計算、預測等功能于一體，主要工作內容是診斷水源的突發(fā)情況，并結合水質變化特征采取相應的手段，為水質環(huán)境的科學決策和管理提供參考，保障水質的安全、可靠供應。

1.2 系統(tǒng)構成

在系統(tǒng)構成上，水質監(jiān)測預警系統(tǒng)主要分為三個部分，即水質監(jiān)測、數據傳輸和預警。水質監(jiān)測系統(tǒng)主要由監(jiān)測儀表、模擬信號器、取水裝置、數據采集軟件和數據采集計算機等組成，該系統(tǒng)可以將數字模擬信號轉化為計算機識別的形式，然后進行數據傳輸。數據傳輸系統(tǒng)通過遠程中心傳輸監(jiān)測數據，從而將水質信息資料傳遞到決策部門，數據傳輸系統(tǒng)對于水質監(jiān)測預警系統(tǒng)有直接影響。預警系統(tǒng)包含原始數據存儲和數據處理兩部分，其目的是接受和處理水質信息資料，并進行信息存儲，形成可靠的信息報告，供相關部門進一步參考和決策。

1.3 飲用水監(jiān)測方式

飲用水質監(jiān)測有三種形式，即在線監(jiān)測、實驗室監(jiān)測和移動實驗室監(jiān)測。當前，我國飲用水監(jiān)測部門主要采用化學監(jiān)測，利用便捷式監(jiān)測設備完成飲用水源的抽樣和現場監(jiān)測。受人員、設備和工作環(huán)境的限制，數據采集和分析往往需要較長的時間，實驗室監(jiān)測無法做到飲用水源監(jiān)測的快速響應。在線監(jiān)測的應用很好地解決了這方面的問題，在線監(jiān)測方式包含無線傳輸設備、水質衛(wèi)生指標傳感器、遠程監(jiān)控設備等，結合相應的水質監(jiān)測軟件，完成飲用水的在線監(jiān)測。在線監(jiān)測不受時間和人員的限制，可以對飲用水源進行全天候監(jiān)測，并定期傳輸和公布監(jiān)測數據，在線監(jiān)測為水質監(jiān)測預警系統(tǒng)提供了便利，是當前應用最普遍的飲用水監(jiān)測方式[1]。

2 水質監(jiān)測預警系統(tǒng)總體設計

2.1 系統(tǒng)建設目標

水質監(jiān)測預警系統(tǒng)是保障飲用水水源建設不可或缺的一部分，在具體工作開展時應樹立水質安全目標，基于物聯網架構，進行水樣的監(jiān)測、采樣、分析和實驗，綜合應用多種水質監(jiān)測和模擬技術，從而構建完善的信息預警體系，主要分為水質監(jiān)測、預測、評估、綜合決策四個模塊。

2.2 系統(tǒng)邏輯結構

從邏輯結構來看，水質監(jiān)測系統(tǒng)分為應用與服務層、傳輸與網絡層、感知層，各個結構之間相互連接，為水質預警監(jiān)測提供數據支持。通過預警模型的評估，可以更好地開展綜合調控管理。感知層主要包含水質傳感器、水樣分析儀、水文傳感器、影響層析儀、遙感影像儀，利用通信接口進行站房在線監(jiān)測、站房自動監(jiān)測、水文在線監(jiān)測、遙感監(jiān)測、無人機監(jiān)測，通過傳輸與網絡上升到應用與服務層，在基礎數據庫和水質監(jiān)測數據庫的基礎上進行水質評價，通過模型方法庫進行水質污染風險預警，結合地理信息系統(tǒng)（GIS）數據庫構建GIS平臺。系統(tǒng)邏輯結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)邏輯結構

3 水質監(jiān)測質量的影響因素

3.1 水樣采集與保存

水樣采集與保存是水質監(jiān)測的首要環(huán)節(jié)，這項工作對水質監(jiān)測效果產生直接影響，技術人員要加以重視。在水樣采集過程中，采集樣本不規(guī)范、保存不合理等都可能導致水質受到物理或化學污染，導致水質監(jiān)測效果達不到要求，這是水質監(jiān)測中常見的問題。不僅如此，水樣運輸環(huán)節(jié)，如果運輸保存不合理，運回實驗室后可能出現物理變化，造成水樣試驗數據失真。從工作實踐來看，水樣采集、保存及運輸環(huán)節(jié)，外部因素都會對此產生不同程度的影響，不利于水質的物理、化學及生物分析，影響水樣監(jiān)測數據結果，通常按月進行標準盲樣考核和實際水樣試驗對比，每三個月回收加標、核查試劑，避免水質監(jiān)測出現較大偏差[2]。

3.2 儀器設備

水質監(jiān)測專業(yè)性較強，儀器設備對于操作人員要求較高，正確的操作會直接影響監(jiān)測質量。從實際情況來看，由于儀器設備操作不當或者儀器檢測分析不到位造成的水質監(jiān)測偏差屢見不鮮。儀器設備對水質監(jiān)測質量的影響主要體現在三個方面：一是儀器設備精準度較低，應用時監(jiān)測數據誤差大；二是儀器設備維護不當，一些技術人員在設備使用前沒有進行校驗，使用后不按照流程進行養(yǎng)護，使用時難免出現偏差；三是儀器設備操作不規(guī)范，以自身經驗為主，沒有按照說明書進行操作，比如監(jiān)測前未清除監(jiān)測儀探頭表面的細菌或化學物質，造成監(jiān)測數據失真。

3.3 試驗環(huán)境

水樣采集與保存后，要在實驗室進行水質分析，試驗環(huán)境十分關鍵。試驗結果容易受到外部因素的影響，會造成試驗數據不能準確反映水質情況。一方面，實驗室環(huán)境不滿足要求，比如，溫度、濕度等要素不達標，會影響水質監(jiān)測結果。另一方面，試驗過程中，試劑選用不當可能影響化學試劑的發(fā)揮，無法對監(jiān)測數據進行有效分析。此外，一些技術人員責任心不強，試驗操作隨意性較強，流程管控不當，試驗分析標準流于形式，影響水質監(jiān)測整體效果。在水質監(jiān)測數據分析時，應營造良好的試驗環(huán)境，確保試驗流程符合規(guī)范要求，并提升試驗人員的責任感和敬業(yè)精神，保障水質監(jiān)測結果達標[3]。

4 水質監(jiān)測預警系統(tǒng)在飲用水監(jiān)測中的應用策略

4.1 強化關鍵技術的應用

一是水質遙感。水質監(jiān)測技術需要進行大面積觀測，應保障其效率和信息量，實現水質的動態(tài)監(jiān)測。水質遙感可以獲取多點位、多譜段和多要素的信息，有利于提高監(jiān)測分析的精準度，通過分析水質分類模型和標準處理技術，實現常規(guī)水質和衛(wèi)星遙感的無縫對接，利用遙感影像獲取飲用水水質樣本數據，并構建水質遙感模型。二是模型與GIS的集成。GIS技術的推廣和應用有利于提升模型的預測性、模擬性和實用性。模型與GIS集成方式有三種，即緊密內嵌式、半緊密內嵌式和外聯式，水質監(jiān)測預警系統(tǒng)主要采用半緊密內嵌式，提升集成效率。三是預警技術。飲用水水質要求較高，水質特征受外界影響較大，采用超標預警和模擬評估可以實現對飲用水的監(jiān)測預警[4]。

4.2 完善水質監(jiān)測預警體系

水源突發(fā)污染事件危害性較大，具有緊急性和不確定性，如果相應控制措施不當，會造成嚴重的負面影響，要不斷完善飲用水水質監(jiān)測預警體系。預警體系可以從多個方面開展。一是建立健全預警組織，形成逐級供水應急機制，明確責任部分和具體責任人，制定科學、系統(tǒng)的應急供水預案，出現水源污染事件時能夠及時響應；二是強化技術保障，根據飲用水水域情況選用恰當的預警技術，如生物魚識別技術、發(fā)光菌識別技術、水蚤環(huán)境毒性檢測技術、多維矢量指紋識別技術等，實現對水質的快速調查評估；三是提供人員保障，鑒于技術人員對水質監(jiān)測效果的重要性，應從高校、科研單位等機構選擇合適的技術人員組成水質監(jiān)測團隊等，從而及時應對飲用水水源突發(fā)污染情況；四是加強儀器設備保障，水質監(jiān)測預警主要從水源地、水廠出水口、管網關鍵節(jié)點進行，要注重各種先進監(jiān)測設備的應用，如全光譜傳感器、氨氮傳感器、濁度傳感器、溶解氧傳感器、余氯分析儀、電導率分析儀等，保障監(jiān)測的精準性；五是實現信息保障，各個部門之間加強信息的共享和傳輸，出現水源突發(fā)污染事件時可以及時上報并制定相應對策[5]。

4.3 完善系統(tǒng)功能模塊

一是在線監(jiān)測模塊。該模塊主要進行水質在線監(jiān)測、移動應急監(jiān)測、實驗室日常監(jiān)測，做好風險源較大區(qū)域的監(jiān)控，根據飲用水水源地配置監(jiān)測數據種類和形式，實現多點位、多指標的水質監(jiān)測，滿足不同水質管理的要求，技術人員可以根據需要查詢、對比和分析相關數據。二是水質模擬分析模塊。通過構建水質模型，在監(jiān)測數據的基礎上評價飲用水水質，為日常供水和水質保護提供指導。三是水質預警模塊。充分利用GIS技術的二維和三維展示功能，為技術人員提供可視化的模塊信息，預測水質變化趨勢。四是風險應急模塊。在污染調查和模擬分析的基礎上，對污染源進行有效識別，并確定污染源臨界值，實現重大污染源的分級，發(fā)生污染事件后，利用應急模塊預測事件影響范圍和擴散過程，從而采取應急決策。五是綜合管理模塊。該模塊主要統(tǒng)計和管理飲用水水源各種信息，通過分析水質變化趨勢，導出相應的文檔[6]。

5 結語

飲用水是人類賴以生存的根本，飲用水水質直接影響居民身體健康和社會穩(wěn)定，要強化水質監(jiān)測的各個環(huán)節(jié)，做好水樣采集、保存、運輸、試驗等，實現水質的實時監(jiān)測和反饋，形成系統(tǒng)的預警效果。最近幾年，飲用水安全問題得到社會各界的廣泛關注，一些地區(qū)飲用水控制不力，給居民用水安全造成威脅。水質監(jiān)測預警系統(tǒng)的應用幫助人們全面掌握飲用水水源地水質特征，及時處理突發(fā)水質問題，保障居民飲用水安全，具有較強的推廣價值。