饮用水在线监测与预警20140530

饮用水在线监测及预警研究

梁艳，***

南京南瑞集团公司 南京市胜利西路9号 211106

摘要：饮用水是人类生存的基本需求之一，其安全是影响人民生命健康和社会经济可持续发展的重要因素。在取水、制水、输配水和贮水各个环节对饮用水水质的卫生指标进行实时动态监测及预警，可有效预防因为自然灾害、人为事故、犯罪引起的用水安全事故的发生。本文概述了水质在线监测系统在水源到用水龙头的各个场景的应用，并对饮用水在线监测与预警汇总各种关键技术的应用给予简单的介绍。 关键词：饮用水；在线监测；预警；关键技术

引言

饮用水是人类生存的基本需求，其安全问题直接关系到广大人民群众的生命安全及身体健康。饮用水污染事件是指因物理、化学、生物等因素污染饮用水，导致水质感观性状和一般化学指标、毒理学指标、细菌学指标、放射性指标发生改变，超过国家卫生标准和卫生规范的限值或要求，造成或可能造成公众健康危害的事件，主要包括化学性污染事件、生物性污染事件和混合污染事件三类[1]。近年来，我国饮用水污染事件频繁发生，如2012年1月15日广西龙江河发生镉污染超标事件、2012年2月3日江苏镇江水污染事件，2012年2月29日武汉饮用自来水污染事件等。饮用水安全问题引起社会各界的广泛关注。结合我国经济社会发展的实际情况，饮用水在取水、制水、输配水和贮水的过程中均由可能会受到外界的污染，因此预防饮用水受到污染一方面要从源头抓起，切实保护饮用水源地，加强对排污企业污染物排放的监管，另一方面加强对自来水厂出厂水和到达用户水龙头的水质监测，杜绝在管网和水箱中造成水质恶化的隐患。

饮用水监测主要包括实验室、移动实验室和在线监测三种方式，由于在线监测的成本较高，所以，目前大多卫生监督部门对饮用水的监测大部分采用化学检测

作者单位：南京南瑞集团公司（江苏 南京 211106）

作者简介：梁艳（1982-），女，硕士研究生，从事环境在线监测技术研究及软件开发 通讯作者： E-mail: liangyan@sgepri.sgcc.com.cn

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的方式，基本靠平时携带便携设备进行现场快速抽检，以及供水部门送水样进行检测。由于人手原因，监测频次有限，并且由于实验室检测手段限制，往往无法对饮用水污染事件做出及时快速反应。

饮用水水质在线监测系统是一个集水质卫生指标监测传感器、无线数据传导设备和远程监控平台为一体，运用现代自动监测技术、自动控制技术、计算机应用技术并配以相关的专业软件，组成一个从取样、预处理、分析到数据处理及存储的完整系统[2]，从而实现了对饮用水水质的在线自动监测，可24小时连续、准确地监测饮用水中余氯、浑浊度、pH值等卫生指标[3]及其变化状况，并通过网络实时将数据传输到监控管理平台，便于相关单位对饮用水质信息进行实时公布和统计分析。系统为饮用水卫生监督提供科学依据，预警预防用水安全事故的发生，为经济社会可持续发展和构建和谐社会提供有力保障。 1 饮用水水质在线监测 1.1 水源地水质在线监测

据不完全统计，我国发生的饮用水事故，以水源地污染为主，污染泄露、交通事故、突然排污水水源地突发事件的主要类型。2008年环保专项行动的检查结果表明，上半年全国113个环保中重点城市的243个地表水水源地中，达标率为65%，84个不达标, 其中，涉及到16个省、自治区、直辖市的40个城市[4]。2012年，全国113个环境保护重点城市共监测387个集中式饮用水源地，水质达标率为95.3%，18个不达标[5]。目前我国不少城市的饮用水源较为单一，一旦饮用水源受到污染，就会对群众的生产生活造成很大影响，给人民群众生命健康带来巨大威胁。

在我国，饮用水源地都被划定了保护区，一级饮用水源保护区内没有排污口，二级饮用水源保护区内没有生产用水排污口[6]。水源地保护区存在的主要问题包括：排污口多，污水排放量大；城市化进程对水源地胁迫日益突出；农业面源污染日趋严重；饮用水水源地管理措施薄弱等[7]。在《全国饮用水水源地环境保护规划》中对水源地水质实时在线监测的实现做出了明确的规定和要求[8]。因此，针对水源地特征，辨别风险因子及风险源，建立污染预测模型，构建集实时监测、模拟、预警

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和风险应急于一体的饮用水水源地水质监测预警系统[9-11]，结合地理信息系统（GIS），为饮用水源地管理提供全面、可视化的决策支撑，为维护水厂的运行，提高和保证供水水质，保障饮用水安全把好第一道关。

按照《生活饮用水水质标准》和《地表水环境质量标准》[12]中关于水源的规定，结合各地区的实际情况，可对常规五参数pH、电导率、浊度、溶解氧、温度及氨氮、总磷、总氮、耗氧量和酚等参数进行在线监测。 1.2 出厂水水质在线监测

经过城市市政水厂、城市自建水厂各种工艺段处理后，出厂水水质指标的在线监测是安全供水的重要保证[13]，通过对水质指标的实时监测，使得市水务局指挥中心、市自来水供水调度中心等监管单位在第一时间获取和掌握水质情况，确保安全供水。

世界上饮用水水质管理模式正向“多层次”、“全过程”的目标迈进，逐渐由原来的“产品控制”向“过程控制”。随着在线监测技术的发展和完善，人们不满足于单一出厂水的水质监测，全流程水质在线监测开始流行。全流程水质在线监测是指从原水、工艺过程水（混凝沉淀工艺监测、污泥处理工艺监测、过滤工艺监测、深度处理工艺监测、消毒工艺监测）、出厂水监测、管网监测[14-15]，进行全流程水质监测，为水处理工艺过程的控制提供依据，提高生产过程水质控制能力[16]，有效的指导生产。

根据《生活饮用水卫生标准》的相关规定：出厂水水质检测必须测定浊度、余氯（二氧化氯）、细菌、大肠菌群、色度、肉眼可见物、耗氧量（CODMn）七项指标。在线监测指标包括浊度、pH、氨氮、余氯/总氯、一氯胺、二氧化氯、CODMn/TOC等。其中，浊度、余氯（二氧化氯）是两个重要的监控指标。 1.3 管网末梢水水质在线监测

通常，经过水厂处理过的出厂水水质都能达到国家所要求的水质标准，但是，出厂水需要经过庞大的管网系统才能输送到用户，饮用水水质在连续、不间断的输送过程中，容易受到外界因素的影响，造成二次污染。影响因素主要包括管龄老化、

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管道材料（如灰铸铁管的质量和性能较差，腐蚀较为严重）的质量和性能、水在管网中的停留时间、季节变化、二次供水设施的影响等[17]。据调查，因管网污染、自备供水污染、及二次供水污染在水污染环节中的比例占到70%以上[18]。因此加强对管网末梢水及二次供水水质的监测是保障安全供水的必要手段。

《全国城市饮用水卫生安全保障规划（2011~2020年）》明确提出建立供水末梢水质卫生在线监督监测系统，实时监控供水水质动态变化，提高卫生安全监管效能。直辖市与省会城市按照15万人口布设一个水质自动在线监测点；其他地级市按照20万人口布设一个水质自动在线监测点。全国拟设置饮用水卫生在线监测点不少于2028个，覆盖人口约3.76亿，监测点中必须有居民小区，其次是酒店、宾馆、办公楼等公共场所，包括用了二次供水的高层建筑和低水压区单位居民用水。

自来水出厂后如果时间过长，水中余氯量不足，可能会造成微生物超标；国家标准对水中的余氯设有下限，但没有上限，主要是为了防止流经管网的过程被细菌污染，而浊度过高，表示管网可能有渗漏，所以浊度和余氯作为管网在线监测的最基本指标。此外还需监测反映水的化学稳定性的关键参数pH值、电导率以及反映生物稳定性的有机物综合指标（如CODMn、TOC）[19-20]。

2 在线监测与预警相关技术

饮用水在线监测与预警系统主要由数据采集、通讯传输网络、数据存储、应用服务等几部分组成，如下图所示。

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水源地水质监测与预警水厂水质监测与预警管网末梢水水质监测与预警测站管理与维护信息发布应用服务应用数据接口数据接口数据中心空间数据库水源地信息水厂信息管网信息行政法规水质数据库污染事件信息实验室数据审核结果模型库数据存储空间数据库数据专网/无线网络水源地水质监测出水厂水质监测管网末梢水水质监测实验室水质检测数据采集

数据采集承担在线数据的采集、处理和发送，涉及现地控制及数据采集技术，包括自动控制技术、工业测控总线技术等；通讯传输网络负责数据的传输，由公共无线网络和内部的局域网组成；数据存储主要承担数据的接收、转换和存储入库，由数据中心和支撑硬件系统组成，各种关系型数据库的应用是关键；应用服务主要为各类应用系统提供相应的数据资源和基础服务，其中地理信息系统和模型等新技术的应用使得水质监测与预警更加及时和直观。 2.1 现地控制及数据采集技术

水质监测数据是卫生部门决策和管理的基础与依据，亦是支撑其他系统运行的信息基础。由现地监测站（检测单元、控制单元和网络通信单元）和数据采集模块组成数据采集系统主要承担在线数据的采集、处理和发送[21-22]。饮用水在线监测项目多样，检测单元由不同的生产厂家的各检测仪器组成，现场总线技术的引入有效解决了设备间的通信问题[23]。各仪器通过总线与PLC连接，再将数据传输至数据采集平台，采集平台主要完成监测设备的上位机监控技术的处理工作，将采集到的实时数据利用网络传输至监测中心。数据采集模式包括实现数据定时采集、突发性污染事故数据上传、监测中心查询命令数据采集等。

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2.2 网络传输技术

饮用水水质监测监系统网络一般分为三级，第一级为建设在水库、水厂等水源地的水质分析监测站，第二级为县级、市级中心管理控制平台，第三级为省级中心管理控制平台[24]。

一级站点负责将数据采集器采集到的数据传输至各中心站[25]，同时可将二级中心站的有关控制命令发送至一级站点。根据站点实际通讯情况，可采用一种或几种方式，如公共交换电话网络（PSTN）、光纤以太网、移动（GPRS、CDMA）、卫星等，保证数据无丢失和损坏；

二级站点通过光纤（还有其他方式吗）将数据传输至三级省级中心管理平台，三级站点使用专网和Internet网络实现系统或网页的访问。 2.3 数据库技术

数据库对饮用水在线监测与预警系统的数据信息进行存储于管理。采用国际上成熟可靠的关系型数据库技术（Oracle、SQL Server等），建立一个数据平台，为所有系统提供统一的数据源，为后期的数据检索、数据分析、数据挖掘、智能应用提供服务。利用数据库技术实现数据的接收、转换和存储入库，并提供异构数据库接口，可接入外单位提交的水质监测原始数据，同时具备水质应用数据库向水质历史数据库的数据同步传输的功能。通过数据的抽取、数据的存储和管理、数据的展现等技术实现海量数据挖掘。 2.4 监测中心业务应用软件

监控中心饮用水在线监测与预警系统是卫生领域水质监测、管理与辅助决策的基础应用软件平台，为信息采集与传输、信息管理、决策支持与远程监控等基本功能提供软硬件环境和操作平台。在监控中心工作人员能够及时准确地掌握各水质自动监测站水质状况，提高水质监测的自动化与智能化程度，提高卫生监督安全管理的运行效率。

目前大多数饮用水在线监测与预警系统采用面向对象的分析与设计[27]，系统基于J2EE的三层结构，在技术上采用符合J2EE规范的多层分布应用模式，实现人机

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界面、业务逻辑、数据存取相分离的架构方案。中间件技术、组件技术等相关技术的综合运用，使得软件的二次开发、升级和维护都更加便捷[28]。随着浏览器/服务器（B/S）三层结构的广泛应用，用户通过网络即可远程查看数据，及时掌握饮用水监测与预警的最新动态，同时业务处理逻辑从客户端的任务中分离出来，负荷均衡地分配给了应用服务器，减轻了客户端的运行压力[24,25]。 2.5 地理信息系统

地理信息系统（GIS）因其强大的图形显示和地图制作功能可准确、直观显示环境状况的实时变化情况以及环境污染的空间分布扩散规律。依托数据采集、分析等基本功能，GIS能通过利用空间分析技术、模型分析技术、数据集成技术等演绎出更加高效和专业的应用 [29-30]。组件式GIS技术、 空间数据库技术、多源空间数据无缝集成技术以及WebGIS技术的发展促进了进一步促进了GIS在环保、水利行业的专业应用。

在饮用水在线监测系统中，使用GIS技术，分类显示饮用水源地监测站的地理分布及在线情况，以及各水质监测站的实时数据、数据采集率、数据有效率、报警故障等信息[31-32]，并对突发性污染事件进行动态、可视化模拟预测，为事故应急处理提供决策支持[33-35]。 2.6 预警模型技术

模型技术应用于饮用水在线监测和预警可有效应对突发性饮用水安全事故的发生，并为预警预防饮用水卫生安全问题提供科学的数据支撑。

当饮用水源地发生突发性污染事故时，采用水质预警模型，对污染事故进行模拟，得到污染物的扩散规律，计算下游取水口受事故危害影响的时间以及危害终止的时间，相关单位依据模拟结果采取相应的风险预警和事故应急措施。饮用水水源地水质要求高，受地形、气象、水文、输水系统的复杂性等多种因素的影响，水质特征具有时空异质性和不确定性，需要模拟的水质指标比较多[33,36]，涉及水动力模型、水质模型等[37]。如何选择合适的指标及事宜的预警模型，并提高模型预测的精度，简化模型的运算的条件，以及计算结果与GIS集成方式与可视化展示都需要结

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合水源地实际条件做出进一步研究。

出厂水在配送过程中的安全问题越来越受到人们的重视。部分学者对供水管网余氯衰减的规律和衰减模型进行了深入研究[38-40]，利用管网余氯衰减模型，可以动态显示整个管网节点余氯浓度的变化情况，并结合GIS技术以及其他的图形绘制技术进行展示，当余氯浓度低于国标时，发出报警信号，为恶化水质的处理提供科学参考，从而为加氯决策提供有力的依据[41]，最终实现余氯优化控制和管网污染灾害预警，保障供水安全。此外还有学者研究了饮用水管网微生物学水质模拟，利用神经网络模型，预测水质管道中的细菌总数[42]，为配水管网中的水质安全提供技术支持。

3 结语

从水源到用水龙头，是一个完整的供水系统。要始终保证向用户供应符合标准的水，建立城市供水水质安全监控的全过程、全方位、高精度和准确定位的立体监测网络和实时的安全保障的信息化技术平台，实现闭环的城市供水水质安全在线监测评估和控制体系[43]。筛选适合的饮用水水质在线监测指标[44]，建立预警模型和预警机制，对在线监测数据进行有效的分析利用，严格控制水源地、水厂、配水管网各个环节的水质安全，提高卫生、市政等相关部门对自然灾害、人为事故、犯罪预防防范能力，切实保障广大人民群众的用水安全。 参考文献

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On-line Monitoring and Warning of Drinking Water

Liangyan, Wangjianping

NARI Group Corporation, 180 Shenglixi Rd., 211106;

Abstract: Drinking water is one of the basic needs of human and the safety of which is an important element affects public's health and society sustainable development. The application of on-line monitoring and warning of sanitation items of drinking water in every step such as source water intake, drinking water treatment, distribution and water storage could positively prevent water safety accident caused by natural disasters, human error accident and crime. In this paper the application of on-line monitoring and warning system from water sources to taps was summarized and the related technology was also briefly introduced. Keywords: drinking water, on-line monitoring, warning, related technology

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