水质在线生物预警技术在南水北调亦庄调节池中的应用

摘要：为加强水质保护工作，保障南水北调亦庄调节池供水水质安全，实现对供水水质连续实时的安全预警，针对以青鳉鱼为受试生物的水质在线生物安全预警技术应用实例，建设了水质综合毒性生物预警监测系统，对技术方案与指标参数设置进行分析，研究了监测数据应用情况。结果表明：亦庄调节池水质综合毒性生物预警监测系统设计理念优越，技术方案与指标参数设置合理，无试剂二次污染，可自动连续稳定运行，监测数据可靠，实现了对供水水质在线连续实时的安全预警，为水质监测预警和风险防范提供了高效持续的生物安全监测途径。研究成果可为南水北调供水水质安全预警系统建设提供技术储备和参考经验。

关键词：生物安全预警；水质监测；南水北调工程；亦庄调节池

中图法分类号：X524 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.02.020

文章编号：1006-0081（2024）02-0122-07

0 引 言

近年来，国内外对饮用水源安全的重视程度日渐加深，研究水质安全预警技术可为保障民生安全提供重要技术支撑。

亦庄调节池是北京市南水北调配套工程供水环路的调蓄池之一，是北京市南部地区重要的饮用水水源地，承担着上游来水调蓄，为北京第十水厂、亦庄水厂等供水的重要任务，其水质安全直接关系到受水区用水安全与首都市民的民生安全，建立亦庄调节池水环境安全监测系统十分必要。

目前，中国水环境监测方法多为理化分析方法，此类方法可以定性、定量分析相关污染物，准确性高，但分析出的水质参数有限，通常只能反映瞬时污染状况，监测结果不能直接反映水体内含有化学物质的毒性大小，尤其是未知的化学物质及其毒性；对污染物的实时性、连续性监测也不够，对环境受体污染物变化趋势难以把握，不能全面反映环境受体中各种有毒物质的长期综合效应，难以对突发性污染事故及时预警。生物监测技术因反应灵敏、成本较低、直观可视，能反映各种污染物的综合影响，日益受到环境监测领域的重视。

生态环境部和环境监测总站提出了“综合毒性生物预警”概念，将其列为生态环境部水质预警监测和应急管理工作中的重要项目。水质在线生物安全预警技术基于水生生物回避行为反应与污染物毒性存在较好的剂量与反应关系，通过电信号传感器技术来连续实时监测生物运动的行为变化，结合生物毒性数据模型、环境胁迫阈值模型、生物毒性行为解析模型对水质变化进行智能监测预警，迅速判断污染爆发时间和污染物综合毒性，直接、客观地反映出原水对水生生物的综合毒性，具有连续快速、实时多通道、自动监测预警等特点，可用于水源地水质生物综合毒性的在线监测和预警。宛如意等研究了基于生物监测技术的水质毒性在线监测系统。司镪等提出了引入新的监测技术开展水质生物毒性在线监测工作是水质在线监测工作的必然，探讨了生物毒性在线监测的常用方法。吴礼裕等¹⁴引入生物毒性监测指标，将其与水质自动站监测指标综合应用，能快速有效评价水质安全性，弥补了传统水质评价方法的不足，在常州地表水水质自动预警工作中发挥了良好作用。王永泉等从水质在线监测系统的结构、原理及影响水质在线监测系统运行效果的影响因素出发，详细介绍了其在南水北调尾水导流工程中的应用，同时提出了水质在线监测系统的发展方向，为水质在线监测系统的全面应用提供理论依据。综合毒性生物预警监测^］已在国内规模化运用。

为保障亦庄调节池饮用水水源安全，本文应用水质在线生物安全预警技术，在亦庄水厂1号取水口处建设了一套基于水质在线生物安全预警技术（Biological Early Warning system，BEWs）的水質综合毒性生物预警监测系统，以青鳉鱼为受试模式生物，通过生物传感器监测水体内模式鱼在不同水平上的生物学指标变化是否偏离安全阈值，反映水体综合毒性的变化，实现对供水水质综合毒性的在线连续实时监测和预警，及时掌控重点饮用水水源地水质变化情况。

1 工程概况

亦庄调节池工程占地98.6 hm，水面面积57.4 hm，调蓄容积260万m，绿化面积36 hm。工程分两期建设。① 亦庄调节池一期工程：总占地面积33 hm，其中水面面积15.4 hm。调节池调蓄容积52.5万m，总容积58.6万m，最高水位32.50 m，正常运行水位31.90 m，最低运行水位27.30 m。主要建筑物包括一期调节池、亦庄泵站、进出水管线及其附属构筑物、永乐取水口、亦庄取水口、两座连通闸、退水管及其附属构筑物、亦庄枢纽调度中心等。② 亦庄调节池二期工程：调节容积207.5万m，蓄水面积42 hm，占地面积75 hm，池底高程26.30 m，池顶高程33.50 m，最高水位32.50 m，最低运行水位26.80 m，正常运行水位31.90 m。主要建筑物包括二期调节池、进水管线、2号和3号进水口、2号泵站进水间、亦庄水厂取水口、连通闸连接段、退水溢流管线等。亦庄调节池平面见图1。

2 建设方案

2.1 选址方案

于亦庄调节池亦庄水厂1号取水口建设一套水质综合毒性生物预警监测系统，包括生物预警站站房、在线生物预警设备、采水排水单元、配水及自动预处理装置等。亦庄调节池水质综合毒性生物预警监测系统严格按照HJ 915-2017《地表水自动监测技术规范（试行）》和CJJ/T 271-2017《城镇供水水质在线监测技术标准》中对于自动监测技术设备以及鱼类行为法生物综合毒性在线监测設备技术要求进行设计施工、安装调试及运行维护。

王 艳 水质在线生物预警技术在南水北调亦庄调节池中的应用站房选址位于亦庄调节池亦庄水厂1号取水口西侧。经了解和现场勘探，亦庄水厂1号取水口处水流平缓，全年有水，断面能够满足交通、通电、供水、排水等条件，取水口东西侧均有空地可满足建站用地要求，采水管路长度可控制在40 m范围内，均满足国家建设水质自动站“四通一平”的要求。

站房采用整体设计，站房外部尺寸为2 650 mm×4 150 mm×3 200 mm。采用50 mm×50 mm的方钢管及海运集装箱专用脚件焊接成框架，内外蒙皮采用3 mm厚玻璃钢，内置芯材，厚度为75 mm。

站房地面做水泥地基，将进出水管掩埋在水泥地基中；侧板外表平整美观，芯材采用聚苯乙烯高密度保温材料，达到保温、隔热、隔音的效果（隔音效果大于20 db）。顶部四角设计有角件或吊环，方便吊装和移动。站房底部最底两层分别为钢方管支架和镀锌钢板，屋面为防静电地板，美观实用、防尘防潮且环保，无异味。整个钢制底架部分喷涂防锈及相应油漆，站房整体外观以白色为主，站房顶部覆盖人工草皮（图2，3）。

2.2 采水方案

（1）生物预警站采水流程。采水位置位于亦庄水厂1号取水口北侧30 m；采水流程采用24 h实时连续采样模式，以供生物预警设备连续实时监测水体；采水装置由自吸泵、自吸泵止回阀取水头、浮球、进样软管、压缩空气机构成；设置两台自吸式取样泵作为实时连续取样水泵，一用一备，通过电器回路和控制系统进行运行切换和故障时自动切换；采水管路同时可实现自动和远程控制相互反冲洗，防止泥沙沉积堵塞管路。

（2）浮球式取水平台。采水头置于水面下0.5～1.0 m处；采水平台采用高分子聚乙烯环保材料制造的浮球，能经受自然环境变化和低温侵袭，重量轻、浮力大、耐酸碱，具有较高承载力；浮球式取水平台通过锚和铁链固定在水中，因其浮力的特性，浮球可随水位起落而自动升降，锚链预留监测水体最高水位长度；自吸泵取水头采用铁链栓挂在浮球上。采水浮球方便人工提升与安装及日常清洗和维护，其与承重铁链之间使用不锈钢环固定，防止取水头与铁链之间缠绕。

根据采水点到站房的距离、地形等实际情况，选择自吸泵和采水软管，保证站房的进口压力和流速达到整个系统内所有仪器的要求，并具有良好的性能，确保采水系统的稳定运行。

2.3 给排水方案

（1）采水单元。系统外部采用双自吸泵、双管路取水，站房内设管路压力传感器监测，自来水、气路混合清洗管路，水压调节手阀能够满足监测站24 h 连续采水监测需求。

（2）预处理单元。水样预处理既能消除干扰仪表分析的因素，又不失去水样的代表性。水样经初级过滤后，消除其中较大的杂物，进一步进行自然沉降，然后通过加热装置，保持水温为25 ℃，供水给生物监测设备。预处理单元能在系统停电恢复并自动启动后按照控制器的控制时序自动启动。

（3）回水管路。可实现带压排水和无压排水两种排水模式。监测站维护维修产生的其他污水采取运维收集方式，不产生外排的污水。

站房内所有排水均汇入回水总管道，并经外回水管道排入相应排水点，回水总管径不小于DN100，以保证回水畅通，排水管路可与进水管路相伴排布，排水点位于取水点附近岸边。

3 运维方案

水质综合毒性生物预警监测系统的运维核心工作分3个部分：① 合理设置技术指标参数；② 加强日常的保养、维护，尽量避免设备出现故障，防患于未然；③ 针对应急事件24 h内响应。

3.1 技术指标

水质综合毒性生物预警监测系统技术指标主要包括受试生物、监测灵敏度、行为信号准确度等，详见表1。

3.2 系统维护要求

（1）维护现场环境。包括机房、仪器、采样系统、电气线路、空调等环境的维护，保持设备和环境的整洁，保证温度、湿度满足一切正常运行的需求。

（2）配备易耗品。包括所有设备使用说明书所规定的需定期更换的易耗品，如仪器供水系统正常工作所需定期更换的材料，保障生物预警设备的稳定运行。

（3）配备备用鱼。现场布置一台鱼缸，定期补充一批备用鱼，避免出现标准模式下鱼个体差异死亡情况，现场可以及时更换。

（4）提供零配件。包括仪器及采样系统、管理处平台硬软件设备、数据传输模块及信号线、监控视频及相关辅助设备线缆等维修需要的所有零配件。

（5）维护和保养仪器。包括标准仪器检查、保养及维护，现场仪器故障的处理和零配件提供及更换，仪器设备的故障恢复等。

（6）维护和保养供水（采样）系统。包括对供水管路、泵体等设备进行故障处理、维护及保养，供水系统的故障恢复。

（7）跟踪现场设备及系统硬软件设备的运行状况，做好故障的记录、分析，有问题及时处理，迅速准确地提出排除方案，并排除故障，尽力减少故障造成的损失。保证设备运行正常，监控数据准确、实时上传至管理处数据平台。

3.3 服务响应要求

要求系统维护人员接到服务需求后在2 h内快速响应，48 h内到达现场，保证一般故障恢复时间＜12 h，特殊故障恢复时间＜48 h；如无法排除故障，立即用备机替换，48 h内确保设备投运；购买备件、培训等需求可做到立即转给客户服务部门，并进行专人处理。

在维修作业方面，严格按维修程序及操作规程执行，确保维修质量。如发现设备故障，立即电话通知管理处相关部门；对于一般故障，在月报中汇总汇报给管理处相关部门；对于重大故障，3 d内以书面报告形式专项报告管理处相关部门。对于复杂故障，组织技术专家对故障会诊，及时解决问题。

4 监测数据原理及应用

4.1 评判指标

受试生物青鳉鱼受到有毒物质污染评判指标为水质指数，通过模式鱼行为强度及行为趋势变化计算水质指数，水质指数量值为［0，100］。参照T/JSSES 31-2023《水质毒性 鱼菌合一在线预警监测技术规范》，水质指数计算方法为

式中：f为水质状态实时量化指数；v为指定计算周期内的信号幅值；μ为前t分钟内的均值；σ为前t分钟内的方差；N为计算周期，以1 min为例，则N=1 200；i为计算周期时刻，i=1，2，3，…，N。

计算过程：当仪器设备运行时，软件会采集一定时间内（通常为10 min）的青鳉鱼电信号数据，作为算法模型的训练集（也可称为此批模式鱼的标准生物信号数据），将此数据传给算法模型，提取特征值并进行训练。训练完成后，对后续每分钟采集的电信号数据进行预警判断，判断时将数据传递给模型，会输出水质状态与水质指数。

4.2 安全阈值

在水质安全情况下，模式鱼在生物行为传感器中游动时，传感器实时采集的连续行为信号数据近似符合高斯分布；在水质污染情况下，依据环境胁迫阈值模型，模式鱼会出现运动行为逐渐增强的过程，生物行为传感器监测到的模式鱼行为强度及行为趋势会产生剧烈变化，根据3sigma准则及综合毒性预警模型计算得到的水质指数也会超过阈值（75）。在中毒过程中，水质指数值会有逐渐变大的趋势，毒性越强，水质指数值越大，反映了综合毒性的累积效应。

具体过程如下：根据3sigma准则，在水质安全情况下，传感器行为电信号数据的取值几乎全部集中在（μ-3σ，μ+3σ），超出该范围的可能性仅占不到0.3%；在水质污染情况下，依据环境胁迫阈值模型，模式鱼会出现运动强度逐渐增强的过程，传感器行为电信号数据的值也会变大，超过3σ阈值。根据水质指数计算公式，水质安全情况下计算得到的水质指数在［0，75）之间，水质指数越小，水质越安全；水质污染情况下计算得到的水质指数在［75，100］之间，水质指数越大，水质污染越严重，毒性越大。

4.3 行为强度及趋势变化

亦庄调节池水质综合毒性生物预警监测系统以青鳉鱼为受试生物，通过生物行为传感器监测水体内模式鱼行为强度及行为趋势变化，反映水体综合毒性的变化，进而对有毒物质污染情况进行在线监测和预警，生物预警报警测试如表2～3所示，水质安全及水质污染条件下模式鱼行为强度及行为趋势变化如图4～5所示。

4.4 数据应用

系统自2021年底建成投入使用以来运行平稳，2022年全年水质指数变化趋势如图6所示，水质指数值在10～50之间波动，变化趋势平稳，未出现报警现象，说明亦庄调节池水质总体安全。

5 结论与建议

本文介绍的水质综合毒性生物预警监测系统，能够实现对供水水质在线连续实时的安全预警，是及时掌控重点饮用水水源地水质变化情况的有效手段，为水质监测预警和风险防范提供了高效持续的生物安全监测途径，为首都居民安全用水提供了重要保障。但是，该系统运行过程中出现了如配套预警响应机制不健全、应急处置能力不足、污染风险预判不足等问题。因此，对生物预警监测站后期运行提出以下建议。

（1）根据单位架构和流程，建立健全配套预警响应机制。编制预警响应应急预案，明确各部门职责与任务，规范响应流程，列出切实可行的响应措施，组织有序、指挥正确、有序处置。

（2）组织开展水质安全预警演练。组织对预警响应应急预案的模拟演练，提升应急处置能力，确保一旦发生水质预警情况，能够第一时间妥善处置，最大限度降低水质安全危害。

（3）积极构建水文水质安全预警模型。基于水质生物监测预警体系获取的数据，结合历史数据（总磷、总氮、高锰酸盐指数等），利用空间信息技术，建立基于WebGIS技术的水质突变实时监控和污染事件预警应急系统，构建基于多模型预测的亦庄调节池水质安全预警模型，实现亦庄调节池水质变化实时监控、污染事故动态跟踪、应急措施模拟及决策支持、案例推演和预案优化、数据管理、分析与网络发布功能，为保障亦庄调节池及受水区水质安全、事故预警和应急决策提供科学支持。

参考文献：

［1］ 田昊，王源楠，杨琳.基于“ 互联网+ ”的城乡供水自动化监测与管理系统设计与实现［J］.水利水电快报，2022，43（2）：111-116.

［2］ 王艳，李兆欣，艾超坤.南水北调亦庄调节池浮游植物时空变化分析［J］.人民长江，2022，53（8）：65-69.

［3］ 李萌.亦庄调节池水力特性研究分析［D］.北京：清华大学，2016.

［4］ 陈文华.论我国环境监测分析方法的现状问题及对策建议［J］.广州化工，2014（13）：126-128.

［5］ 季晔鑫.水环境生物监测的发展方向与核心技术［J］.北方环境，2020，32（12）：77-78.

［6］ 朱冰清，姜晟，蔡琨，等.生物監测技术在工业废水监测领域的应用研究［J］.中国环境监测，2021，37（1）：1-10.

［7］ 祝淑芳.生物监测技术在水环境监测中的应用研究进展［J］.中国资源综合利用，2021，39（7）：117-119.

［8］ 刘翠棉，饶凯锋，李婧，等.青鳉鱼的行为特征提取研究［J］.生态毒理学报，2020，15（2）：162-172.

［9］ 羅毅，王伟，刘勇，等.基于One-Class SVM的青鳉鱼异常行为识别方法［J］.河北工业科技，2022，39（3）：230-236.

［10］ 于瑞莲，徐建玲，赵元慧，等.取代芳烃化合物对水生生物毒性的四种QSAR模型的比较研究［J］.东北师大学报（自然科学版），1999，3（17）：73-78.

［11］ 无锡中科水质环境技术有限公司，中国科学院生态环境研究中心.用于水质突发污染事故水质生态评估的便携式生物预警仪：ZL201921775013.0［P］.2020-09-11.

［12］ 宛如意，李晓如，黄凯宁，等.基于生物监测技术的水质毒性在线监测系统［Z］.深圳：深圳市开天源自动化工程有限公司，2014.

［13］ 司镪，武丹，王海英.水质生物毒性在线监测的必要性和常用方法探讨［J］.绿色科技，2013（4）：205-207.

［14］ 吴礼裕，沈丽娟，张翔.生物毒性在线监测方法在常州地表水水质预警监测的应用研究［J］.环境保护与循环经济，2017，37（12）：39-43.

［15］ 王永泉，许雪记，殷承.水质在线监测在南水北调工程中的应用［J］.资源节约与环保，2020（10）：37-39，51.

［16］ 王子健，饶凯锋.突发性水源水质污染的生物监测、预警与应急决策［J］.给水排水，2013，49（10）：1-3.

［17］ 蒋奇，沈来新，付云升，等.北京市南水北调工程配套工程东干渠输水隧洞设计方案研究［J］.水利水电技术，2015，46（10）：82-86.

［18］ 梁建宏，王田苗，魏宏兴.仿生机器鱼技术研究进展及关键问题探讨［J］.机器人技术与应用，2003（3）：14-19.

［19］ 张兰真，邢昱，孔海燕.水质监测预警系统在饮用水水源地监测的应用［J］.化工设计通讯，2018，44（2）：212.

（编辑：张 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