城鎮供水水質監測預警系統建設實踐
城鎮供水水質監測預警系統建設實踐
宋蘭合
(中國城市規劃設計研究院，北京100044)
目前，我國城鎮供水安全形勢嚴峻。一是隨著經濟社會發展，水源地面臨的環境壓力顯著增大，飲用水水源水質總體呈下降趨勢。二是隨著水源水質下降和飲用水標準提升，凈水工藝落后、供水設施老化的問題日益突出。三是供水安全管理方面，無論是政府監管還是供水企業管理，都存在亟待完善之處。尤其是，近年來水源突發污染事故頻發，對供水安全帶來極大挑戰。與“供水安全體系建設”相比，“加強供水安全風險管控”更切近問題實質。今后一個時期，全面推進城鎮供水水質監測預警體系建設，非常重要，十分迫切。
1 有關法律規定
2003年SARS疫情暴發和2005年松花江重大水污染事故之后，我國于2007年發布實施了《中華人民共和國突發事件應對法》。解讀該法律第二、第三條，城鎮供水突發事件屬于公共衛生事件，水質監測預警適用本法。
綜合該法律第三十七條、第六十三條和第六十四條的規定，監測預警體系建設、維護的責任主體，包括縣級以上人民政府及其有關部門、專業機構、有關單位、有關個人。與城鎮供水行業有關，所稱有關部門和有關單位，應當是指城鎮供水行政主管部門和供水企業。
依照該法律第四十一條的要求，監測預警體系建設的主要內容應當包括：基礎信息數據庫，監測網絡；要劃分監測區域，確定監測點，明確監測項目；要具備必要的設備、設施，配備專職或者兼職人員，對可能發生的突發事件進行監測。
2 有關規劃要求
根據國務院辦公廳《關于加強飲用水安全保障工作的通知》（國辦發［2005］45號）要求，國家發展改革委等五部委于2007年聯合編制了《全國城市飲用水安全保障規劃（2006—2020年）》，把建設全過程的飲用水安全監測體系列為規劃重點之一。
為落實該規劃的任務部署，住房和城鄉建設部2012年發布《全國城鎮供水設施改造與建設“十二五”規劃及2020年遠景目標》，明確要求：“實現城鎮供水由主要滿足水量需求向更加注重水質保障的戰略性轉變，在增加供水能力的同時，著力提高供水水質、服務水平和應急保障能力”，“研究建立城鎮供水水質安全監管信息化管理平臺，全面提升規劃建設、安全運行、應急處置、水質管理等方面的技術水平。”
2013年，中國城鎮供水排水協會供水協會編制了《城鎮供水設施建設與改造指南》，該指南是水專項“十一五”相關研究成果的集成，也是支撐《全國城鎮供水設施改造與建設“十二五”規劃及2020年遠景目標》實施的技術保障。關于城鎮供水水質監測預警系統建設，指南的技術要求為:
①水質監測預警系統包括水質監測網絡和水質預警系統。
②有條件的地區或城市群，應建立城市間、部門間信息共享和上下游城市聯動預警機制。
③各地應當根據本地區規劃，建設城市供水系統水質監測網絡，實現從“源頭到龍頭”的全流程監測，監測對象涵蓋水源水、出廠水、管網水和二次供水。
④供水水源污染風險較大的城市，應在水質監測網絡基礎上，建立水質預警系統，涵蓋水質主要風險源，管理多信源水質信息，實現信息實時共享，提高預警響應速度。
3 城鎮供水水質監測預警的涵義
預警，最早用于軍事領域，是指運用雷達技術對進入防空區飛行器的識別。
引申到氣象學、地質學，預警的涵義已經超越了對既發事件感知，進而具有了對事物未來發展狀態進行預測的意義。
綜合國內外已建水質監測預警系統的功能，城鎮供水水質監測預警，是依據供水設施狀態和水質監測信息，通過模型分析、數據驅動等技術手段，對一定時空范圍內供水水質非正常事件的感知、預測以及對既發事故發展趨勢的分析，包括由水源水質漸變引起的供水水質變化、由供水系統（水源系統、制水系統、輸配水系統、管理系統）風險導致的供水水質事故和水源突發性污染。
4 水質監測預警系統的建設模式
4.1 水環境監測預警
我國最早建立水質監測預警系統的是環保系統，1998年以來已覆蓋全國主要水系145個國控重點斷面。根據系統處理數據，環保部每周動態發布水溫、pH、濁度、溶解氧、電導率、高錳酸鹽指數、氨氮和總有機碳等8項水環境指標。除145個國控重點斷面外，環保系統的省、市（縣）監控斷面建立的水環境預警系統數以千計。
與此類似，水利系統采用自動監測與實驗室檢測相結合的方式，建立了各省區和各流域的水質監測預警系統。如長江委所屬長江干支流，目前已有551個水質監測站,共680個監測斷面，監測指標包括氨氮、pH值、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、非離子氨、高錳酸鹽指數、生化需氧量、溶解氧、總磷、總砷、總汞、總鎘、總鉛、總銅、總氰化物、揮發酚、石油類、總大腸菌群等18項水環境指標。各地（流域）據此每月發布一次“水資源質量公報”。
總結環保和水利系統的水環境監測預警系統的功能和技術特點，一是基于行政管理的部門職能，支撐國家、省、市（縣）三級監控斷面管理；二是系統主要由水質自動監測站、遠程數據傳輸、數據庫處理等三部分組成；三是系統的功能目前尚未實現“預測”，而是對當前水環境質量的感知和信息統計；四是預警系統的基礎信息并非全部依賴實時在線監測，實驗室檢測數據等其他數據源也可以是預警基礎信息的一部分。
4.2 原水水質監測預警系統
2005年北江鎘污染事件后，在廣東省科技廳支持下，佛山市水業集團有限公司聯合北江流域有關供水企業，以協議方式建立了“北江原水水質監測與污染預警系統”，覆蓋韶關、清遠、廣州、佛山4市、17縣共60多個水廠。該系統由4個主要部分組成：①設立在各供水企業的原水水質監測系統；②原水水質信息共享平臺；③原水污染事故發展趨勢模擬系統；④應急處理合作機制。目前，廣東省城鎮供水協會正在努力把這種預警應急合作模式推廣到廣東省的西江、東江、韓江等流域的供水企業。
從合作機制的角度看，“多瑙河事故應急預警系統”，與廣東北江模式極其相似。該系統由德國、奧地利、匈牙利等5個歐洲國家共同開發，由多瑙河沿岸各國的國際警報中心、各國間的信息傳輸系統以及各國內的學術支持機構組成。自1997年投入運行以來，該系統在預測預報多瑙河流域水質變化中發揮了重要作用。
天津芥園水廠和上海某水廠的原水水質監測預警系統，在國內可能具有典型代表性。芥園水廠對濁度、pH值、溶解氧、水溫、氧化還原電位、電導率、氨氮、總磷、大地照度進行在線監測，建立了預測原水中次日葉綠素的決策樹模型，經仿真驗證，模型的平均預測準確率可達到80％。上海某水廠的原水預警系統，其監測系統由綜合毒性儀、紫外光譜掃描儀、其他在線監測儀等可以互相印證和補充的三部分構成。其他在線監測指標為pH值、ORP、渾濁度、氨氮、電導率、亞硝酸鹽、錳，可以實時監測有關水質及氧化環境的動態；綜合毒性儀監測未知污染物的污染水平；而紫外光譜掃描儀可以針對綜合毒性儀監測信息，完成未知污染物的快速定性分析。
4.3 供水系統水質監測預警系統
水專項十一五“飲用水水質監控預警及應急技術研究與示范”項目，集成相關課題成果，在濟南、杭州、東莞示范建設了“城市供水水質監測預警系統技術平臺”，該預警平臺由水質信息采集網絡、數據處理中心、可視化平臺構成。其中，水質信息采集網絡，由水質在線監測系統（包括原水、出廠水、管網水、二次供水）、實驗室水質檢測數據報送系統、異構系統信息接入共享等構成。在線監測的指標包括電導率、pH值、水溫、余氯、濁度、溶解氧、葉綠素、耗氧量、綜合毒性、總磷、氨氮、汞、鋅、鎘、鉛、總有機碳、氰化物等17個。
預警平臺采用的預警技術，包括在線監測和預測模型。利用在線監測信息，可直接對余氯、渾濁度、耗氧量、氨氮、汞、鋅、鎘、鉛、總有機碳、氰化物等10個指標報警；利用電導率，推定氯化物的水平及咸潮入侵情況。利用預測模型和pH值、水溫、溶解氧、葉綠素、綜合毒性、總磷、氨氮等監測數據，可定性分析原水的氧化環境，并配合分析耗氧量、氨氮、總有機碳的水平，對藻類生長及暴發情況實施監控。同時，采用神經網絡模擬，可對管網水質事故的影響范圍、污染程度、持續時間等進行分析判斷。
預警平臺示范項目于2007年進入設計階段，2010年投入運行，事件預測準確率達到80%以上。
5 城鎮供水水質監測預警技術展望
對水質非正常事件的預警范圍、響應時間和預測準確率，是衡量水質預警系統技術水平及其應用前景的三項技術指標，而水質檢測技術、信息技術和管理科學的發展則是不斷改進該三項指標的基本動力。
近年來，水質檢測技術快速發展，基于物聯網技術的智能水質在線監測系統技術已經可以對約50項水質指標實行實時監測，標準化水質檢測方法可以支撐對近400種污染物的快速監測，水中綜合毒性分級解析和分類解構技術可望取得重要突破，云技術的發展將使得數據處理中心與預警業務平臺相互分離成為現實，大數據應用技術也將為預警模型的多途徑和便捷化提供科技支撐。
可以預見，“十二五”期間城鎮供水水質監測預警，將要發展為“多級屏障協同預警系統”，即：通過智能水質在線監測，實施對飲用水標準中約60%的污染物實時監控；通過優化檢測頻率、信息共享、大數據應用，對飲用水標準中約40%的污染物及時測定；通過協同應用綜合毒性分級解析和分類解構技術、應急監測技術，實現對飲用水標準外有毒污染物的快速監測。
（本文發表于《中國給水排水》雜志2014年第18期“給水深度處理及飲用水安全保障技術交流會專題”欄目）
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