城镇供水水质监测预警系统建设实践
城镇供水水质监测预警系统建设实践
宋兰合
(中国城市规划设计研究院，北京100044)
目前，我国城镇供水安全形势严峻。一是随着经济社会发展，水源地面临的环境压力显著增大，饮用水水源水质总体呈下降趋势。二是随着水源水质下降和饮用水标准提升，净水工艺落后、供水设施老化的问题日益突出。三是供水安全管理方面，无论是政府监管还是供水企业管理，都存在亟待完善之处。尤其是，近年来水源突发污染事故频发，对供水安全带来极大挑战。与“供水安全体系建设”相比，“加强供水安全风险管控”更切近问题实质。今后一个时期，全面推进城镇供水水质监测预警体系建设，非常重要，十分迫切。
1 有关法律规定
2003年SARS疫情暴发和2005年松花江重大水污染事故之后，我国于2007年发布实施了《中华人民共和国突发事件应对法》。解读该法律第二、第三条，城镇供水突发事件属于公共卫生事件，水质监测预警适用本法。
综合该法律第三十七条、第六十三条和第六十四条的规定，监测预警体系建设、维护的责任主体，包括县级以上人民政府及其有关部门、专业机构、有关单位、有关个人。与城镇供水行业有关，所称有关部门和有关单位，应当是指城镇供水行政主管部门和供水企业。
依照该法律第四十一条的要求，监测预警体系建设的主要内容应当包括：基础信息数据库，监测网络；要划分监测区域，确定监测点，明确监测项目；要具备必要的设备、设施，配备专职或者兼职人员，对可能发生的突发事件进行监测。
2 有关规划要求
根据国务院办公厅《关于加强饮用水安全保障工作的通知》（国办发［2005］45号）要求，国家发展改革委等五部委于2007年联合编制了《全国城市饮用水安全保障规划（2006—2020年）》，把建设全过程的饮用水安全监测体系列为规划重点之一。
为落实该规划的任务部署，住房和城乡建设部2012年发布《全国城镇供水设施改造与建设“十二五”规划及2020年远景目标》，明确要求：“实现城镇供水由主要满足水量需求向更加注重水质保障的战略性转变，在增加供水能力的同时，着力提高供水水质、服务水平和应急保障能力”，“研究建立城镇供水水质安全监管信息化管理平台，全面提升规划建设、安全运行、应急处置、水质管理等方面的技术水平。”
2013年，中国城镇供水排水协会供水协会编制了《城镇供水设施建设与改造指南》，该指南是水专项“十一五”相关研究成果的集成，也是支撑《全国城镇供水设施改造与建设“十二五”规划及2020年远景目标》实施的技术保障。关于城镇供水水质监测预警系统建设，指南的技术要求为:
①水质监测预警系统包括水质监测网络和水质预警系统。
②有条件的地区或城市群，应建立城市间、部门间信息共享和上下游城市联动预警机制。
③各地应当根据本地区规划，建设城市供水系统水质监测网络，实现从“源头到龙头”的全流程监测，监测对象涵盖水源水、出厂水、管网水和二次供水。
④供水水源污染风险较大的城市，应在水质监测网络基础上，建立水质预警系统，涵盖水质主要风险源，管理多信源水质信息，实现信息实时共享，提高预警响应速度。
3 城镇供水水质监测预警的涵义
预警，最早用于军事领域，是指运用雷达技术对进入防空区飞行器的识别。
引申到气象学、地质学，预警的涵义已经超越了对既发事件感知，进而具有了对事物未来发展状态进行预测的意义。
综合国内外已建水质监测预警系统的功能，城镇供水水质监测预警，是依据供水设施状态和水质监测信息，通过模型分析、数据驱动等技术手段，对一定时空范围内供水水质非正常事件的感知、预测以及对既发事故发展趋势的分析，包括由水源水质渐变引起的供水水质变化、由供水系统（水源系统、制水系统、输配水系统、管理系统）风险导致的供水水质事故和水源突发性污染。
4 水质监测预警系统的建设模式
4.1 水环境监测预警
我国最早建立水质监测预警系统的是环保系统，1998年以来已覆盖全国主要水系145个国控重点断面。根据系统处理数据，环保部每周动态发布水温、pH、浊度、溶解氧、电导率、高锰酸盐指数、氨氮和总有机碳等8项水环境指标。除145个国控重点断面外，环保系统的省、市（县）监控断面建立的水环境预警系统数以千计。
与此类似，水利系统采用自动监测与实验室检测相结合的方式，建立了各省区和各流域的水质监测预警系统。如长江委所属长江干支流，目前已有551个水质监测站,共680个监测断面，监测指标包括氨氮、pH值、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、非离子氨、高锰酸盐指数、生化需氧量、溶解氧、总磷、总砷、总汞、总镉、总铅、总铜、总氰化物、挥发酚、石油类、总大肠菌群等18项水环境指标。各地（流域）据此每月发布一次“水资源质量公报”。
总结环保和水利系统的水环境监测预警系统的功能和技术特点，一是基于行政管理的部门职能，支撑国家、省、市（县）三级监控断面管理；二是系统主要由水质自动监测站、远程数据传输、数据库处理等三部分组成；三是系统的功能目前尚未实现“预测”，而是对当前水环境质量的感知和信息统计；四是预警系统的基础信息并非全部依赖实时在线监测，实验室检测数据等其他数据源也可以是预警基础信息的一部分。
4.2 原水水质监测预警系统
2005年北江镉污染事件后，在广东省科技厅支持下，佛山市水业集团有限公司联合北江流域有关供水企业，以协议方式建立了“北江原水水质监测与污染预警系统”，覆盖韶关、清远、广州、佛山4市、17县共60多个水厂。该系统由4个主要部分组成：①设立在各供水企业的原水水质监测系统；②原水水质信息共享平台；③原水污染事故发展趋势模拟系统；④应急处理合作机制。目前，广东省城镇供水协会正在努力把这种预警应急合作模式推广到广东省的西江、东江、韩江等流域的供水企业。
从合作机制的角度看，“多瑙河事故应急预警系统”，与广东北江模式极其相似。该系统由德国、奥地利、匈牙利等5个欧洲国家共同开发，由多瑙河沿岸各国的国际警报中心、各国间的信息传输系统以及各国内的学术支持机构组成。自1997年投入运行以来，该系统在预测预报多瑙河流域水质变化中发挥了重要作用。
天津芥园水厂和上海某水厂的原水水质监测预警系统，在国内可能具有典型代表性。芥园水厂对浊度、pH值、溶解氧、水温、氧化还原电位、电导率、氨氮、总磷、大地照度进行在线监测，建立了预测原水中次日叶绿素的决策树模型，经仿真验证，模型的平均预测准确率可达到80％。上海某水厂的原水预警系统，其监测系统由综合毒性仪、紫外光谱扫描仪、其他在线监测仪等可以互相印证和补充的三部分构成。其他在线监测指标为pH值、ORP、浑浊度、氨氮、电导率、亚硝酸盐、锰，可以实时监测有关水质及氧化环境的动态；综合毒性仪监测未知污染物的污染水平；而紫外光谱扫描仪可以针对综合毒性仪监测信息，完成未知污染物的快速定性分析。
4.3 供水系统水质监测预警系统
水专项十一五“饮用水水质监控预警及应急技术研究与示范”项目，集成相关课题成果，在济南、杭州、东莞示范建设了“城市供水水质监测预警系统技术平台”，该预警平台由水质信息采集网络、数据处理中心、可视化平台构成。其中，水质信息采集网络，由水质在线监测系统（包括原水、出厂水、管网水、二次供水）、实验室水质检测数据报送系统、异构系统信息接入共享等构成。在线监测的指标包括电导率、pH值、水温、余氯、浊度、溶解氧、叶绿素、耗氧量、综合毒性、总磷、氨氮、汞、锌、镉、铅、总有机碳、氰化物等17个。
预警平台采用的预警技术，包括在线监测和预测模型。利用在线监测信息，可直接对余氯、浑浊度、耗氧量、氨氮、汞、锌、镉、铅、总有机碳、氰化物等10个指标报警；利用电导率，推定氯化物的水平及咸潮入侵情况。利用预测模型和pH值、水温、溶解氧、叶绿素、综合毒性、总磷、氨氮等监测数据，可定性分析原水的氧化环境，并配合分析耗氧量、氨氮、总有机碳的水平，对藻类生长及暴发情况实施监控。同时，采用神经网络模拟，可对管网水质事故的影响范围、污染程度、持续时间等进行分析判断。
预警平台示范项目于2007年进入设计阶段，2010年投入运行，事件预测准确率达到80%以上。
5 城镇供水水质监测预警技术展望
对水质非正常事件的预警范围、响应时间和预测准确率，是衡量水质预警系统技术水平及其应用前景的三项技术指标，而水质检测技术、信息技术和管理科学的发展则是不断改进该三项指标的基本动力。
近年来，水质检测技术快速发展，基于物联网技术的智能水质在线监测系统技术已经可以对约50项水质指标实行实时监测，标准化水质检测方法可以支撑对近400种污染物的快速监测，水中综合毒性分级解析和分类解构技术可望取得重要突破，云技术的发展将使得数据处理中心与预警业务平台相互分离成为现实，大数据应用技术也将为预警模型的多途径和便捷化提供科技支撑。
可以预见，“十二五”期间城镇供水水质监测预警，将要发展为“多级屏障协同预警系统”，即：通过智能水质在线监测，实施对饮用水标准中约60%的污染物实时监控；通过优化检测频率、信息共享、大数据应用，对饮用水标准中约40%的污染物及时测定；通过协同应用综合毒性分级解析和分类解构技术、应急监测技术，实现对饮用水标准外有毒污染物的快速监测。
（本文发表于《中国给水排水》杂志2014年第18期“给水深度处理及饮用水安全保障技术交流会专题”栏目）
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