水质监测预警系统在饮用水监测中的应用

汪 念

（安顺生态环境监测中心，贵州 安顺 561000）

在我国工业化推进过程中，水源地污染事件频频发生，一些地区的饮用水遭受不同程度的污染，严重影响当地居民的正常生活。基于这种情况，水质监管部门加大了水质监测预警管理力度，目的是不断提升饮用水水质监测效果。目前，发达国家已经建立了完善的饮用水监测预警体系，比如，美国通过在多个饮用水水源地布设监测点，向相关部门实时传送监测数据，出现水源污染时及时采取有效的应对措施。我国饮用水供应主要有三大特点：一是确保水量供应充足；二是保障饮用水质量；三是在面对特殊情况时，增加预处理、强化常规处理和深度处理工艺，从而确保饮用水质符合要求。这些措施在很大程度上保障了饮用水安全，但是明显存在滞后性，缺乏相应的预警效果。因此，应结合地区饮用水水源地现状，完善水质监测预警系统，以改善水质、保障饮用水安全。

1 水质监测预警系统概述

1.1 基本定义

水质监测预警系统主要基于信息技术和水质模拟技术的发展，结合计算机仿真、地理信息系统、遥感等科技，采集水源地的生态环境、水资源分布、地形地貌、水质状况等信息，然后存储和传输至数据中心，通过监测和模拟水质变化情况，生成详细的数据报告和结论向大众公示。水质监测预警系统集监测、模拟、计算、预测等功能于一体，主要工作内容是诊断水源的突发情况，并结合水质变化特征采取相应的手段，为水质环境的科学决策和管理提供参考，保障水质的安全、可靠供应。

1.2 系统构成

在系统构成上，水质监测预警系统主要分为三个部分，即水质监测、数据传输和预警。水质监测系统主要由监测仪表、模拟信号器、取水装置、数据采集软件和数据采集计算机等组成，该系统可以将数字模拟信号转化为计算机识别的形式，然后进行数据传输。数据传输系统通过远程中心传输监测数据，从而将水质信息资料传递到决策部门，数据传输系统对于水质监测预警系统有直接影响。预警系统包含原始数据存储和数据处理两部分，其目的是接受和处理水质信息资料，并进行信息存储，形成可靠的信息报告，供相关部门进一步参考和决策。

1.3 饮用水监测方式

饮用水质监测有三种形式，即在线监测、实验室监测和移动实验室监测。当前，我国饮用水监测部门主要采用化学监测，利用便捷式监测设备完成饮用水源的抽样和现场监测。受人员、设备和工作环境的限制，数据采集和分析往往需要较长的时间，实验室监测无法做到饮用水源监测的快速响应。在线监测的应用很好地解决了这方面的问题，在线监测方式包含无线传输设备、水质卫生指标传感器、远程监控设备等，结合相应的水质监测软件，完成饮用水的在线监测。在线监测不受时间和人员的限制，可以对饮用水源进行全天候监测，并定期传输和公布监测数据，在线监测为水质监测预警系统提供了便利，是当前应用最普遍的饮用水监测方式[1]。

2 水质监测预警系统总体设计

2.1 系统建设目标

水质监测预警系统是保障饮用水水源建设不可或缺的一部分，在具体工作开展时应树立水质安全目标，基于物联网架构，进行水样的监测、采样、分析和实验，综合应用多种水质监测和模拟技术，从而构建完善的信息预警体系，主要分为水质监测、预测、评估、综合决策四个模块。

2.2 系统逻辑结构

从逻辑结构来看，水质监测系统分为应用与服务层、传输与网络层、感知层，各个结构之间相互连接，为水质预警监测提供数据支持。通过预警模型的评估，可以更好地开展综合调控管理。感知层主要包含水质传感器、水样分析仪、水文传感器、影响层析仪、遥感影像仪，利用通信接口进行站房在线监测、站房自动监测、水文在线监测、遥感监测、无人机监测，通过传输与网络上升到应用与服务层，在基础数据库和水质监测数据库的基础上进行水质评价，通过模型方法库进行水质污染风险预警，结合地理信息系统（GIS）数据库构建GIS平台。系统逻辑结构如图1所示。

图1 系统逻辑结构

3 水质监测质量的影响因素

3.1 水样采集与保存

水样采集与保存是水质监测的首要环节，这项工作对水质监测效果产生直接影响，技术人员要加以重视。在水样采集过程中，采集样本不规范、保存不合理等都可能导致水质受到物理或化学污染，导致水质监测效果达不到要求，这是水质监测中常见的问题。不仅如此，水样运输环节，如果运输保存不合理，运回实验室后可能出现物理变化，造成水样试验数据失真。从工作实践来看，水样采集、保存及运输环节，外部因素都会对此产生不同程度的影响，不利于水质的物理、化学及生物分析，影响水样监测数据结果，通常按月进行标准盲样考核和实际水样试验对比，每三个月回收加标、核查试剂，避免水质监测出现较大偏差[2]。

3.2 仪器设备

水质监测专业性较强，仪器设备对于操作人员要求较高，正确的操作会直接影响监测质量。从实际情况来看，由于仪器设备操作不当或者仪器检测分析不到位造成的水质监测偏差屡见不鲜。仪器设备对水质监测质量的影响主要体现在三个方面：一是仪器设备精准度较低，应用时监测数据误差大；二是仪器设备维护不当，一些技术人员在设备使用前没有进行校验，使用后不按照流程进行养护，使用时难免出现偏差；三是仪器设备操作不规范，以自身经验为主，没有按照说明书进行操作，比如监测前未清除监测仪探头表面的细菌或化学物质，造成监测数据失真。

3.3 试验环境

水样采集与保存后，要在实验室进行水质分析，试验环境十分关键。试验结果容易受到外部因素的影响，会造成试验数据不能准确反映水质情况。一方面，实验室环境不满足要求，比如，温度、湿度等要素不达标，会影响水质监测结果。另一方面，试验过程中，试剂选用不当可能影响化学试剂的发挥，无法对监测数据进行有效分析。此外，一些技术人员责任心不强，试验操作随意性较强，流程管控不当，试验分析标准流于形式，影响水质监测整体效果。在水质监测数据分析时，应营造良好的试验环境，确保试验流程符合规范要求，并提升试验人员的责任感和敬业精神，保障水质监测结果达标[3]。

4 水质监测预警系统在饮用水监测中的应用策略

4.1 强化关键技术的应用

一是水质遥感。水质监测技术需要进行大面积观测，应保障其效率和信息量，实现水质的动态监测。水质遥感可以获取多点位、多谱段和多要素的信息，有利于提高监测分析的精准度，通过分析水质分类模型和标准处理技术，实现常规水质和卫星遥感的无缝对接，利用遥感影像获取饮用水水质样本数据，并构建水质遥感模型。二是模型与GIS的集成。GIS技术的推广和应用有利于提升模型的预测性、模拟性和实用性。模型与GIS集成方式有三种，即紧密内嵌式、半紧密内嵌式和外联式，水质监测预警系统主要采用半紧密内嵌式，提升集成效率。三是预警技术。饮用水水质要求较高，水质特征受外界影响较大，采用超标预警和模拟评估可以实现对饮用水的监测预警[4]。

4.2 完善水质监测预警体系

水源突发污染事件危害性较大，具有紧急性和不确定性，如果相应控制措施不当，会造成严重的负面影响，要不断完善饮用水水质监测预警体系。预警体系可以从多个方面开展。一是建立健全预警组织，形成逐级供水应急机制，明确责任部分和具体责任人，制定科学、系统的应急供水预案，出现水源污染事件时能够及时响应；二是强化技术保障，根据饮用水水域情况选用恰当的预警技术，如生物鱼识别技术、发光菌识别技术、水蚤环境毒性检测技术、多维矢量指纹识别技术等，实现对水质的快速调查评估；三是提供人员保障，鉴于技术人员对水质监测效果的重要性，应从高校、科研单位等机构选择合适的技术人员组成水质监测团队等，从而及时应对饮用水水源突发污染情况；四是加强仪器设备保障，水质监测预警主要从水源地、水厂出水口、管网关键节点进行，要注重各种先进监测设备的应用，如全光谱传感器、氨氮传感器、浊度传感器、溶解氧传感器、余氯分析仪、电导率分析仪等，保障监测的精准性；五是实现信息保障，各个部门之间加强信息的共享和传输，出现水源突发污染事件时可以及时上报并制定相应对策[5]。

4.3 完善系统功能模块

一是在线监测模块。该模块主要进行水质在线监测、移动应急监测、实验室日常监测，做好风险源较大区域的监控，根据饮用水水源地配置监测数据种类和形式，实现多点位、多指标的水质监测，满足不同水质管理的要求，技术人员可以根据需要查询、对比和分析相关数据。二是水质模拟分析模块。通过构建水质模型，在监测数据的基础上评价饮用水水质，为日常供水和水质保护提供指导。三是水质预警模块。充分利用GIS技术的二维和三维展示功能，为技术人员提供可视化的模块信息，预测水质变化趋势。四是风险应急模块。在污染调查和模拟分析的基础上，对污染源进行有效识别，并确定污染源临界值，实现重大污染源的分级，发生污染事件后，利用应急模块预测事件影响范围和扩散过程，从而采取应急决策。五是综合管理模块。该模块主要统计和管理饮用水水源各种信息，通过分析水质变化趋势，导出相应的文档[6]。

5 结语

饮用水是人类赖以生存的根本，饮用水水质直接影响居民身体健康和社会稳定，要强化水质监测的各个环节，做好水样采集、保存、运输、试验等，实现水质的实时监测和反馈，形成系统的预警效果。最近几年，饮用水安全问题得到社会各界的广泛关注，一些地区饮用水控制不力，给居民用水安全造成威胁。水质监测预警系统的应用帮助人们全面掌握饮用水水源地水质特征，及时处理突发水质问题，保障居民饮用水安全，具有较强的推广价值。