水質(zhì)在線生物預警技術在南水北調(diào)亦莊調(diào)節(jié)池中的應用

摘要：為加強水質(zhì)保護工作，保障南水北調(diào)亦莊調(diào)節(jié)池供水水質(zhì)安全，實現(xiàn)對供水水質(zhì)連續(xù)實時的安全預警，針對以青鳉魚為受試生物的水質(zhì)在線生物安全預警技術應用實例，建設了水質(zhì)綜合毒性生物預警監(jiān)測系統(tǒng)，對技術方案與指標參數(shù)設置進行分析，研究了監(jiān)測數(shù)據(jù)應用情況。結(jié)果表明：亦莊調(diào)節(jié)池水質(zhì)綜合毒性生物預警監(jiān)測系統(tǒng)設計理念優(yōu)越，技術方案與指標參數(shù)設置合理，無試劑二次污染，可自動連續(xù)穩(wěn)定運行，監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠，實現(xiàn)了對供水水質(zhì)在線連續(xù)實時的安全預警，為水質(zhì)監(jiān)測預警和風險防范提供了高效持續(xù)的生物安全監(jiān)測途徑。研究成果可為南水北調(diào)供水水質(zhì)安全預警系統(tǒng)建設提供技術儲備和參考經(jīng)驗。

關鍵詞：生物安全預警；水質(zhì)監(jiān)測；南水北調(diào)工程；亦莊調(diào)節(jié)池

中圖法分類號：X524 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.02.020

文章編號：1006-0081（2024）02-0122-07

0 引 言

近年來，國內(nèi)外對飲用水源安全的重視程度日漸加深，研究水質(zhì)安全預警技術可為保障民生安全提供重要技術支撐。

亦莊調(diào)節(jié)池是北京市南水北調(diào)配套工程供水環(huán)路的調(diào)蓄池之一，是北京市南部地區(qū)重要的飲用水水源地，承擔著上游來水調(diào)蓄，為北京第十水廠、亦莊水廠等供水的重要任務，其水質(zhì)安全直接關系到受水區(qū)用水安全與首都市民的民生安全，建立亦莊調(diào)節(jié)池水環(huán)境安全監(jiān)測系統(tǒng)十分必要。

目前，中國水環(huán)境監(jiān)測方法多為理化分析方法，此類方法可以定性、定量分析相關污染物，準確性高，但分析出的水質(zhì)參數(shù)有限，通常只能反映瞬時污染狀況，監(jiān)測結(jié)果不能直接反映水體內(nèi)含有化學物質(zhì)的毒性大小，尤其是未知的化學物質(zhì)及其毒性；對污染物的實時性、連續(xù)性監(jiān)測也不夠，對環(huán)境受體污染物變化趨勢難以把握，不能全面反映環(huán)境受體中各種有毒物質(zhì)的長期綜合效應，難以對突發(fā)性污染事故及時預警。生物監(jiān)測技術因反應靈敏、成本較低、直觀可視，能反映各種污染物的綜合影響，日益受到環(huán)境監(jiān)測領域的重視。

生態(tài)環(huán)境部和環(huán)境監(jiān)測總站提出了“綜合毒性生物預警”概念，將其列為生態(tài)環(huán)境部水質(zhì)預警監(jiān)測和應急管理工作中的重要項目。水質(zhì)在線生物安全預警技術基于水生生物回避行為反應與污染物毒性存在較好的劑量與反應關系，通過電信號傳感器技術來連續(xù)實時監(jiān)測生物運動的行為變化，結(jié)合生物毒性數(shù)據(jù)模型、環(huán)境脅迫閾值模型、生物毒性行為解析模型對水質(zhì)變化進行智能監(jiān)測預警，迅速判斷污染爆發(fā)時間和污染物綜合毒性，直接、客觀地反映出原水對水生生物的綜合毒性，具有連續(xù)快速、實時多通道、自動監(jiān)測預警等特點，可用于水源地水質(zhì)生物綜合毒性的在線監(jiān)測和預警。宛如意等研究了基于生物監(jiān)測技術的水質(zhì)毒性在線監(jiān)測系統(tǒng)。司鏹等提出了引入新的監(jiān)測技術開展水質(zhì)生物毒性在線監(jiān)測工作是水質(zhì)在線監(jiān)測工作的必然，探討了生物毒性在線監(jiān)測的常用方法。吳禮裕等¹⁴引入生物毒性監(jiān)測指標，將其與水質(zhì)自動站監(jiān)測指標綜合應用，能快速有效評價水質(zhì)安全性，彌補了傳統(tǒng)水質(zhì)評價方法的不足，在常州地表水水質(zhì)自動預警工作中發(fā)揮了良好作用。王永泉等從水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理及影響水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)運行效果的影響因素出發(fā)，詳細介紹了其在南水北調(diào)尾水導流工程中的應用，同時提出了水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展方向，為水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的全面應用提供理論依據(jù)。綜合毒性生物預警監(jiān)測^］已在國內(nèi)規(guī)?；\用。

為保障亦莊調(diào)節(jié)池飲用水水源安全，本文應用水質(zhì)在線生物安全預警技術，在亦莊水廠1號取水口處建設了一套基于水質(zhì)在線生物安全預警技術（Biological Early Warning system，BEWs）的水質(zhì)綜合毒性生物預警監(jiān)測系統(tǒng)，以青鳉魚為受試模式生物，通過生物傳感器監(jiān)測水體內(nèi)模式魚在不同水平上的生物學指標變化是否偏離安全閾值，反映水體綜合毒性的變化，實現(xiàn)對供水水質(zhì)綜合毒性的在線連續(xù)實時監(jiān)測和預警，及時掌控重點飲用水水源地水質(zhì)變化情況。

1 工程概況

亦莊調(diào)節(jié)池工程占地98.6 hm，水面面積57.4 hm，調(diào)蓄容積260萬m，綠化面積36 hm。工程分兩期建設。① 亦莊調(diào)節(jié)池一期工程：總占地面積33 hm，其中水面面積15.4 hm。調(diào)節(jié)池調(diào)蓄容積52.5萬m，總?cè)莘e58.6萬m，最高水位32.50 m，正常運行水位31.90 m，最低運行水位27.30 m。主要建筑物包括一期調(diào)節(jié)池、亦莊泵站、進出水管線及其附屬構(gòu)筑物、永樂取水口、亦莊取水口、兩座連通閘、退水管及其附屬構(gòu)筑物、亦莊樞紐調(diào)度中心等。② 亦莊調(diào)節(jié)池二期工程：調(diào)節(jié)容積207.5萬m，蓄水面積42 hm，占地面積75 hm，池底高程26.30 m，池頂高程33.50 m，最高水位32.50 m，最低運行水位26.80 m，正常運行水位31.90 m。主要建筑物包括二期調(diào)節(jié)池、進水管線、2號和3號進水口、2號泵站進水間、亦莊水廠取水口、連通閘連接段、退水溢流管線等。亦莊調(diào)節(jié)池平面見圖1。

2 建設方案

2.1 選址方案

于亦莊調(diào)節(jié)池亦莊水廠1號取水口建設一套水質(zhì)綜合毒性生物預警監(jiān)測系統(tǒng)，包括生物預警站站房、在線生物預警設備、采水排水單元、配水及自動預處理裝置等。亦莊調(diào)節(jié)池水質(zhì)綜合毒性生物預警監(jiān)測系統(tǒng)嚴格按照HJ 915-2017《地表水自動監(jiān)測技術規(guī)范（試行）》和CJJ/T 271-2017《城鎮(zhèn)供水水質(zhì)在線監(jiān)測技術標準》中對于自動監(jiān)測技術設備以及魚類行為法生物綜合毒性在線監(jiān)測設備技術要求進行設計施工、安裝調(diào)試及運行維護。

王 艷 水質(zhì)在線生物預警技術在南水北調(diào)亦莊調(diào)節(jié)池中的應用站房選址位于亦莊調(diào)節(jié)池亦莊水廠1號取水口西側(cè)。經(jīng)了解和現(xiàn)場勘探，亦莊水廠1號取水口處水流平緩，全年有水，斷面能夠滿足交通、通電、供水、排水等條件，取水口東西側(cè)均有空地可滿足建站用地要求，采水管路長度可控制在40 m范圍內(nèi)，均滿足國家建設水質(zhì)自動站“四通一平”的要求。

站房采用整體設計，站房外部尺寸為2 650 mm×4 150 mm×3 200 mm。采用50 mm×50 mm的方鋼管及海運集裝箱專用腳件焊接成框架，內(nèi)外蒙皮采用3 mm厚玻璃鋼，內(nèi)置芯材，厚度為75 mm。

站房地面做水泥地基，將進出水管掩埋在水泥地基中；側(cè)板外表平整美觀，芯材采用聚苯乙烯高密度保溫材料，達到保溫、隔熱、隔音的效果（隔音效果大于20 db）。頂部四角設計有角件或吊環(huán)，方便吊裝和移動。站房底部最底兩層分別為鋼方管支架和鍍鋅鋼板，屋面為防靜電地板，美觀實用、防塵防潮且環(huán)保，無異味。整個鋼制底架部分噴涂防銹及相應油漆，站房整體外觀以白色為主，站房頂部覆蓋人工草皮（圖2，3）。

2.2 采水方案

（1）生物預警站采水流程。采水位置位于亦莊水廠1號取水口北側(cè)30 m；采水流程采用24 h實時連續(xù)采樣模式，以供生物預警設備連續(xù)實時監(jiān)測水體；采水裝置由自吸泵、自吸泵止回閥取水頭、浮球、進樣軟管、壓縮空氣機構(gòu)成；設置兩臺自吸式取樣泵作為實時連續(xù)取樣水泵，一用一備，通過電器回路和控制系統(tǒng)進行運行切換和故障時自動切換；采水管路同時可實現(xiàn)自動和遠程控制相互反沖洗，防止泥沙沉積堵塞管路。

（2）浮球式取水平臺。采水頭置于水面下0.5～1.0 m處；采水平臺采用高分子聚乙烯環(huán)保材料制造的浮球，能經(jīng)受自然環(huán)境變化和低溫侵襲，重量輕、浮力大、耐酸堿，具有較高承載力；浮球式取水平臺通過錨和鐵鏈固定在水中，因其浮力的特性，浮球可隨水位起落而自動升降，錨鏈預留監(jiān)測水體最高水位長度；自吸泵取水頭采用鐵鏈栓掛在浮球上。采水浮球方便人工提升與安裝及日常清洗和維護，其與承重鐵鏈之間使用不銹鋼環(huán)固定，防止取水頭與鐵鏈之間纏繞。

根據(jù)采水點到站房的距離、地形等實際情況，選擇自吸泵和采水軟管，保證站房的進口壓力和流速達到整個系統(tǒng)內(nèi)所有儀器的要求，并具有良好的性能，確保采水系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

2.3 給排水方案

（1）采水單元。系統(tǒng)外部采用雙自吸泵、雙管路取水，站房內(nèi)設管路壓力傳感器監(jiān)測，自來水、氣路混合清洗管路，水壓調(diào)節(jié)手閥能夠滿足監(jiān)測站24 h 連續(xù)采水監(jiān)測需求。

（2）預處理單元。水樣預處理既能消除干擾儀表分析的因素，又不失去水樣的代表性。水樣經(jīng)初級過濾后，消除其中較大的雜物，進一步進行自然沉降，然后通過加熱裝置，保持水溫為25 ℃，供水給生物監(jiān)測設備。預處理單元能在系統(tǒng)停電恢復并自動啟動后按照控制器的控制時序自動啟動。

（3）回水管路?？蓪崿F(xiàn)帶壓排水和無壓排水兩種排水模式。監(jiān)測站維護維修產(chǎn)生的其他污水采取運維收集方式，不產(chǎn)生外排的污水。

站房內(nèi)所有排水均匯入回水總管道，并經(jīng)外回水管道排入相應排水點，回水總管徑不小于DN100，以保證回水暢通，排水管路可與進水管路相伴排布，排水點位于取水點附近岸邊。

3 運維方案

水質(zhì)綜合毒性生物預警監(jiān)測系統(tǒng)的運維核心工作分3個部分：① 合理設置技術指標參數(shù)；② 加強日常的保養(yǎng)、維護，盡量避免設備出現(xiàn)故障，防患于未然；③ 針對應急事件24 h內(nèi)響應。

3.1 技術指標

水質(zhì)綜合毒性生物預警監(jiān)測系統(tǒng)技術指標主要包括受試生物、監(jiān)測靈敏度、行為信號準確度等，詳見表1。

3.2 系統(tǒng)維護要求

（1）維護現(xiàn)場環(huán)境。包括機房、儀器、采樣系統(tǒng)、電氣線路、空調(diào)等環(huán)境的維護，保持設備和環(huán)境的整潔，保證溫度、濕度滿足一切正常運行的需求。

（2）配備易耗品。包括所有設備使用說明書所規(guī)定的需定期更換的易耗品，如儀器供水系統(tǒng)正常工作所需定期更換的材料，保障生物預警設備的穩(wěn)定運行。

（3）配備備用魚?，F(xiàn)場布置一臺魚缸，定期補充一批備用魚，避免出現(xiàn)標準模式下魚個體差異死亡情況，現(xiàn)場可以及時更換。

（4）提供零配件。包括儀器及采樣系統(tǒng)、管理處平臺硬軟件設備、數(shù)據(jù)傳輸模塊及信號線、監(jiān)控視頻及相關輔助設備線纜等維修需要的所有零配件。

（5）維護和保養(yǎng)儀器。包括標準儀器檢查、保養(yǎng)及維護，現(xiàn)場儀器故障的處理和零配件提供及更換，儀器設備的故障恢復等。

（6）維護和保養(yǎng)供水（采樣）系統(tǒng)。包括對供水管路、泵體等設備進行故障處理、維護及保養(yǎng)，供水系統(tǒng)的故障恢復。

（7）跟蹤現(xiàn)場設備及系統(tǒng)硬軟件設備的運行狀況，做好故障的記錄、分析，有問題及時處理，迅速準確地提出排除方案，并排除故障，盡力減少故障造成的損失。保證設備運行正常，監(jiān)控數(shù)據(jù)準確、實時上傳至管理處數(shù)據(jù)平臺。

3.3 服務響應要求

要求系統(tǒng)維護人員接到服務需求后在2 h內(nèi)快速響應，48 h內(nèi)到達現(xiàn)場，保證一般故障恢復時間＜12 h，特殊故障恢復時間＜48 h；如無法排除故障，立即用備機替換，48 h內(nèi)確保設備投運；購買備件、培訓等需求可做到立即轉(zhuǎn)給客戶服務部門，并進行專人處理。

在維修作業(yè)方面，嚴格按維修程序及操作規(guī)程執(zhí)行，確保維修質(zhì)量。如發(fā)現(xiàn)設備故障，立即電話通知管理處相關部門；對于一般故障，在月報中匯總匯報給管理處相關部門；對于重大故障，3 d內(nèi)以書面報告形式專項報告管理處相關部門。對于復雜故障，組織技術專家對故障會診，及時解決問題。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)原理及應用

4.1 評判指標

受試生物青鳉魚受到有毒物質(zhì)污染評判指標為水質(zhì)指數(shù)，通過模式魚行為強度及行為趨勢變化計算水質(zhì)指數(shù)，水質(zhì)指數(shù)量值為［0，100］。參照T/JSSES 31-2023《水質(zhì)毒性 魚菌合一在線預警監(jiān)測技術規(guī)范》，水質(zhì)指數(shù)計算方法為

式中：f為水質(zhì)狀態(tài)實時量化指數(shù)；v為指定計算周期內(nèi)的信號幅值；μ為前t分鐘內(nèi)的均值；σ為前t分鐘內(nèi)的方差；N為計算周期，以1 min為例，則N=1 200；i為計算周期時刻，i=1，2，3，…，N。

計算過程：當儀器設備運行時，軟件會采集一定時間內(nèi)（通常為10 min）的青鳉魚電信號數(shù)據(jù)，作為算法模型的訓練集（也可稱為此批模式魚的標準生物信號數(shù)據(jù)），將此數(shù)據(jù)傳給算法模型，提取特征值并進行訓練。訓練完成后，對后續(xù)每分鐘采集的電信號數(shù)據(jù)進行預警判斷，判斷時將數(shù)據(jù)傳遞給模型，會輸出水質(zhì)狀態(tài)與水質(zhì)指數(shù)。

4.2 安全閾值

在水質(zhì)安全情況下，模式魚在生物行為傳感器中游動時，傳感器實時采集的連續(xù)行為信號數(shù)據(jù)近似符合高斯分布；在水質(zhì)污染情況下，依據(jù)環(huán)境脅迫閾值模型，模式魚會出現(xiàn)運動行為逐漸增強的過程，生物行為傳感器監(jiān)測到的模式魚行為強度及行為趨勢會產(chǎn)生劇烈變化，根據(jù)3sigma準則及綜合毒性預警模型計算得到的水質(zhì)指數(shù)也會超過閾值（75）。在中毒過程中，水質(zhì)指數(shù)值會有逐漸變大的趨勢，毒性越強，水質(zhì)指數(shù)值越大，反映了綜合毒性的累積效應。

具體過程如下：根據(jù)3sigma準則，在水質(zhì)安全情況下，傳感器行為電信號數(shù)據(jù)的取值幾乎全部集中在（μ-3σ，μ+3σ），超出該范圍的可能性僅占不到0.3%；在水質(zhì)污染情況下，依據(jù)環(huán)境脅迫閾值模型，模式魚會出現(xiàn)運動強度逐漸增強的過程，傳感器行為電信號數(shù)據(jù)的值也會變大，超過3σ閾值。根據(jù)水質(zhì)指數(shù)計算公式，水質(zhì)安全情況下計算得到的水質(zhì)指數(shù)在［0，75）之間，水質(zhì)指數(shù)越小，水質(zhì)越安全；水質(zhì)污染情況下計算得到的水質(zhì)指數(shù)在［75，100］之間，水質(zhì)指數(shù)越大，水質(zhì)污染越嚴重，毒性越大。

4.3 行為強度及趨勢變化

亦莊調(diào)節(jié)池水質(zhì)綜合毒性生物預警監(jiān)測系統(tǒng)以青鳉魚為受試生物，通過生物行為傳感器監(jiān)測水體內(nèi)模式魚行為強度及行為趨勢變化，反映水體綜合毒性的變化，進而對有毒物質(zhì)污染情況進行在線監(jiān)測和預警，生物預警報警測試如表2～3所示，水質(zhì)安全及水質(zhì)污染條件下模式魚行為強度及行為趨勢變化如圖4～5所示。

4.4 數(shù)據(jù)應用

系統(tǒng)自2021年底建成投入使用以來運行平穩(wěn)，2022年全年水質(zhì)指數(shù)變化趨勢如圖6所示，水質(zhì)指數(shù)值在10～50之間波動，變化趨勢平穩(wěn)，未出現(xiàn)報警現(xiàn)象，說明亦莊調(diào)節(jié)池水質(zhì)總體安全。

5 結(jié)論與建議

本文介紹的水質(zhì)綜合毒性生物預警監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對供水水質(zhì)在線連續(xù)實時的安全預警，是及時掌控重點飲用水水源地水質(zhì)變化情況的有效手段，為水質(zhì)監(jiān)測預警和風險防范提供了高效持續(xù)的生物安全監(jiān)測途徑，為首都居民安全用水提供了重要保障。但是，該系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)了如配套預警響應機制不健全、應急處置能力不足、污染風險預判不足等問題。因此，對生物預警監(jiān)測站后期運行提出以下建議。

（1）根據(jù)單位架構(gòu)和流程，建立健全配套預警響應機制。編制預警響應應急預案，明確各部門職責與任務，規(guī)范響應流程，列出切實可行的響應措施，組織有序、指揮正確、有序處置。

（2）組織開展水質(zhì)安全預警演練。組織對預警響應應急預案的模擬演練，提升應急處置能力，確保一旦發(fā)生水質(zhì)預警情況，能夠第一時間妥善處置，最大限度降低水質(zhì)安全危害。

（3）積極構(gòu)建水文水質(zhì)安全預警模型。基于水質(zhì)生物監(jiān)測預警體系獲取的數(shù)據(jù)，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)（總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)等），利用空間信息技術，建立基于WebGIS技術的水質(zhì)突變實時監(jiān)控和污染事件預警應急系統(tǒng)，構(gòu)建基于多模型預測的亦莊調(diào)節(jié)池水質(zhì)安全預警模型，實現(xiàn)亦莊調(diào)節(jié)池水質(zhì)變化實時監(jiān)控、污染事故動態(tài)跟蹤、應急措施模擬及決策支持、案例推演和預案優(yōu)化、數(shù)據(jù)管理、分析與網(wǎng)絡發(fā)布功能，為保障亦莊調(diào)節(jié)池及受水區(qū)水質(zhì)安全、事故預警和應急決策提供科學支持。

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（編輯：張 爽）

Application of online biological warning technology for water quality in

Yizhuang regulating pool of South to North Water Diversion ProjectWANG Yan

（Ring Pipeline Management Department of Beijing South to North Water Diversion，Beijing 100176，China）

Abstract：In order to strengthen water quality protection work，ensure the safety of water supply in the Yizhuang regulating pool of the South to North Water Diversion Project，and achieve continuous and real-time safety warning of water supply quality，an online biological safety warning technology for water quality was applied，with green killifish as the test organism. Water quality comprehensive toxicity biological early warning monitoring system was constructed，and the technical scheme and indicator parameter settings were analyzed. The application of monitoring data was studied. The results showed that the design concept of comprehensive toxicity biological early warning and monitoring system for water quality in the Yizhuang regulating pool was leading，the technical scheme and indicator parameters were reasonable，there was no secondary pollution from reagents.The system can automatically and continuously operate，and the monitoring data was reliable. It had achieved online and real-time safety warning for water quality，providing an efficient and sustainable biological safety monitoring approach for water quality monitoring，early warning，and risk prevention. The research results can provide a technical reserves and reference for the construction of the water quality safety early warning system for the South to North Water Diversion Project．

Key words：biological safty warning；water quality monitoring；South to North Water Diversion Project；Yizhuang regulating pool