◎ 東莞市水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心 王建衛(wèi) 戴吉?jiǎng)?魯 巍

水污染特別是飲用水源的污染已經(jīng)逐漸威脅到城市飲用水的安全，而水源的突發(fā)污染事件（如吉林石化雙苯廠爆炸污染）對(duì)整個(gè)城市供水安全的影響也日益擴(kuò)大。而隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人們生活水平的逐步提高，供水水質(zhì)的安全保障要求越來越嚴(yán)格，對(duì)水務(wù)企業(yè)的壓力也越來越大。為滿足安全供水的需要，必須針對(duì)水源水質(zhì)建立及時(shí)、快速的預(yù)警機(jī)制，監(jiān)控水源水質(zhì)的變化并及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)措施，以保證供水水質(zhì)的穩(wěn)定。

東莞市以東江作為單一供水水源。一方面在很短的江段內(nèi)密布了6家大型水廠（＞30萬m3/d），多個(gè)水源取水口緊鄰，且取水口與水廠距離較短；另一方面，在東江兩岸分布了大量的工業(yè)企業(yè)，且東江在東莞境內(nèi)直接入海，東江水源同時(shí)面臨突發(fā)性工業(yè)廢水污染和咸潮污染這兩方面的威脅。而目前東莞尚未建立統(tǒng)一的水源預(yù)警機(jī)制，一旦污染發(fā)生時(shí)很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)，也很難有效地保障供水的安全。鑒于上述情況，建立東莞水源水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)是十分必要的。

1.水源水質(zhì)預(yù)警指標(biāo)的選擇

1.1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)

按照地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838－2002），地表水環(huán)境基本指標(biāo)有：水溫、pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、總磷（以P計(jì)）、總氮（以N計(jì)）、銅、鋅、氟化物（以F-計(jì)）、硒、砷、汞、鎘、鉻（六價(jià)）、鉛、氰化物、揮發(fā)酚、石油類、陰子表面活性劑、硫化物、糞大腸菌群（個(gè)/L）。

根據(jù)水質(zhì)現(xiàn)狀和管理需要可將水體水質(zhì)的主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)分為以下五類：

（1）綜合性指標(biāo)：包括水溫、pH、電導(dǎo)率、溶解氧（DO）、濁度、懸浮固體（SS）、氧化還原電位（ORP）等。

（2）水質(zhì)的污染指標(biāo)：主要包括生化耗氧量（BOD）、化學(xué)耗氧量（COD）、總需氧量（TOD）、總有機(jī)碳（TOC）、紫外吸收等。

（3）水質(zhì)污染組分指標(biāo)：金屬及類金屬污染物、四氮（硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氨氮及總氮）、總磷、磷酸鹽、氰化物、氯化物、酚類化合物等。

（4）生物指標(biāo)：大腸菌群數(shù)、細(xì)菌總數(shù)等。

（5）水文氣象參數(shù)：包括流量、流速、水深、風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、日照量、降水量等。

作為水源水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)，不可能也沒有必要檢測(cè)所有的水質(zhì)指標(biāo)，而應(yīng)根據(jù)源水水質(zhì)的特點(diǎn)，同時(shí)兼顧水體的使用功能，在分析往年監(jiān)測(cè)資料（確定重要污染物類型）、充分考慮水體特性的基礎(chǔ)上確定適當(dāng)?shù)乃|(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)。一般而言，水源水質(zhì)預(yù)警指標(biāo)以水質(zhì)綜合指標(biāo)和某些水質(zhì)污染指標(biāo)為主，以反映水質(zhì)的綜合情況，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)是否出現(xiàn)異常及確定污染變化情況。

水源水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)更重要的意義在于為水廠生產(chǎn)提供及時(shí)的水源水質(zhì)狀況、預(yù)警信息和應(yīng)對(duì)建議。傳統(tǒng)的水處理工藝（混凝、沉淀、過濾和消毒）主要去除水中的懸浮及膠體物質(zhì)，以出水的濁度、色度和細(xì)菌數(shù)（細(xì)菌總數(shù)和大腸桿菌數(shù)）為主要的工藝控制目標(biāo)。但近年來，水源水中的有機(jī)污染物不斷增多，對(duì)傳統(tǒng)工藝提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，水源水質(zhì)對(duì)水廠處理工藝的影響是多方面且前后連續(xù)的，眾多的水質(zhì)指標(biāo)對(duì)處理工藝都有不同程度的影響，因此還需要從水處理工藝的角度選擇水源水質(zhì)預(yù)警指標(biāo)。

1.2 預(yù)警指標(biāo)選擇

（1）水溫：水溫對(duì)混凝的影響表現(xiàn)為：影響無機(jī)鹽混凝劑水解過程，由于該水解過程是吸熱反應(yīng)，因此低溫時(shí)混凝劑水解困難。但生產(chǎn)實(shí)際表明，當(dāng)水溫升高會(huì)發(fā)生明顯的“吃氯”現(xiàn)象。

（2）pH：pH對(duì)混凝過程有直接影響，主要表現(xiàn)為：直接影響水中膠體濁質(zhì)和藻類的電荷，控制水中化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；決定混凝劑的水解速率和混凝劑水解產(chǎn)物的類型、濃度和電荷；控制金屬氫氧化物沉淀在水中的溶解度等。pH還對(duì)石灰投加、氯的投加造成影響。pH本身也受到水處理單元過程的影響，如混凝過程降低pH值，投加石灰pH升高；氯化作用降低pH值，軟化水質(zhì)提高pH值等。

（3）電導(dǎo)率：電導(dǎo)率會(huì)對(duì)混凝劑投加量造成直接影響。研究表明，水中存在的正離子對(duì)天然水壓縮雙電層有利。

（4）濁度：濁度對(duì)混凝有直接影響。當(dāng)水中懸浮物含量低時(shí)，顆粒碰撞機(jī)率大大減小，混凝效果差；其次，是對(duì)消毒有影響。當(dāng)濁度4～84 NTU、游離性余氯質(zhì)量濃度在0.1～0.5 mg/L時(shí)，接觸時(shí)間為30 min，大腸桿菌仍能被檢測(cè)到。懸浮顆粒干擾消毒過程，是由于懸浮顆粒表面吸附的無機(jī)和有機(jī)化合物能消耗消毒劑，增加消毒劑用量。浮游微生物各個(gè)角度都受消毒劑作用，易被殺滅。然而，被包埋或發(fā)生粘附后，懸浮顆粒從某些角度提供保護(hù)，因而消毒劑的殺滅作用下降，微生物得以存活或只是受損，在輸配系統(tǒng)內(nèi)恢復(fù)生長(zhǎng)后重新獲得致病能力，威脅用戶健康。LeChevallier等進(jìn)行的試驗(yàn)表明，濁度1.5 NTU時(shí)，用0.5 mg/L氯消毒大腸菌數(shù)量在1 h內(nèi)減少99.99%，而濁度13 NTU時(shí)，即使用氯量增加到1.5 mg/L,大腸菌數(shù)量在1 h內(nèi)也只減少90%。濁度過高的水能使水中微生物得不到有效的殺滅，并能促進(jìn)管網(wǎng)中細(xì)菌的生長(zhǎng)。

（5）堿度：堿度在混凝過程中具有很強(qiáng)的緩沖作用，隨著鋁鹽或鐵鹽混凝劑加入水中后的水解反應(yīng)過程，會(huì)不斷產(chǎn)生H+，從而導(dǎo)致水的pH值下降。要使pH值保持在合適的范圍內(nèi)，水中應(yīng)有足夠的堿性物質(zhì)與H+中和。天然水中均含有一定的堿度（通常是HCO3-），它對(duì)pH值的下降有一定的緩沖作用。但是，當(dāng)水中堿度不足或者混凝劑投加量較高時(shí)，天然水中的堿度不足以中和水解反應(yīng)中和水解反應(yīng)產(chǎn)生的H+時(shí)，水中的pH值將會(huì)大大下降，不僅超出了混凝劑的最佳范圍，甚至影響混凝劑的繼續(xù)水解。因此水中堿度高低對(duì)混凝起著重要的作用和影響，有時(shí)甚至超過原水pH值的影響程度。此外，堿度對(duì)石灰投加的投加量及強(qiáng)化混凝的效果有直接影響。

（6）氨氮：氨氮的高低對(duì)濾池運(yùn)行有直接影響，氨氮高時(shí)容易引起濾池亞硝酸鹽氮的積累。當(dāng)原水氨氮增加（富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重），同時(shí)三氮（氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮）的相互轉(zhuǎn)化和歸趨出現(xiàn)了不同的規(guī)律和方向時(shí)，就容易出現(xiàn)“吃氯”現(xiàn)象。一般認(rèn)為，水中氨氮升高時(shí)，由于氯將氨氧化成亞硝酸氮和硝酸氮，為了獲得自由性余氯就必須增加大量的氯的投加。

（7）藻類：藻類對(duì)混凝有直接影響。由于藻類形成的濁度，其組成大多為有機(jī)質(zhì)，電動(dòng)電位（ζ）約在-40 mV以上，具有較高的穩(wěn)定性，比重小，難于下沉，因此對(duì)堿鋁的投加量的影響較大。藻類還對(duì)濾池運(yùn)行有影響，藻類自身常粘附在濾料表面，使過濾周期縮短。藻類對(duì)消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生量也有影響，藻是產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物的重要前題。

（8）有機(jī)物：飲用水源中一般都會(huì)含有一定濃度的天然有機(jī)物（NOM），而隨著生活污水和工業(yè)廢水，特別是有機(jī)化工、制藥、石油化工、電鍍、農(nóng)藥和殺蟲劑等行業(yè)的廢水的注入，原水中也含有越來越多的人工合成有機(jī)物（SOC），原水中還含有多種有毒有害有機(jī)物。有機(jī)物對(duì)水廠生產(chǎn)和供水水質(zhì)的影響表現(xiàn)為：影響混凝沉淀過程、對(duì)過濾過程產(chǎn)生影響、對(duì)加氯消毒的影響及消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生。

國(guó)內(nèi)地表水水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所選用的指標(biāo)一般為：pH、電導(dǎo)率，濁度、DO、溫度、TN、TP、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、CODMn、CODCr、SS、流量等。不同的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要根據(jù)所監(jiān)測(cè)的對(duì)象來確定監(jiān)測(cè)的水質(zhì)指標(biāo)。對(duì)于飲用水，常用到的指標(biāo)為pH、電導(dǎo)率，濁度、DO、溫度、NH4+-N、CODMn、UV254和葉綠素等；對(duì)于污水常用到的為CODCr、SS、流量、TN、TP、NH4+-N、NO3-–N和NO2-–N。

根據(jù)東莞市水源水質(zhì)的特點(diǎn)，同時(shí)考慮在線監(jiān)測(cè)儀器測(cè)定結(jié)果的穩(wěn)定性和后續(xù)藥劑投加控制的需要，將監(jiān)測(cè)指標(biāo)的選擇順序按優(yōu)先級(jí)從高到低排序?yàn)椋?/p>

（1）第一類指標(biāo)：水溫、濁度、pH值、氨氮、堿度、UV254、CODMn、電導(dǎo)率、溶解氧、葉綠素（或藻數(shù)）；

（2）第二類指標(biāo)： B O D、ORP、大腸菌群數(shù)、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、正磷酸鹽（PO43-）、色度、酚、CN-、鉛、六六六；

（3）第三類指標(biāo)：細(xì)菌總數(shù)、亞硝酸鹽氮、總磷、總氮、F、總鐵、總錳。

確定第一類水質(zhì)指標(biāo)以及第二類指標(biāo)中的鉛共11項(xiàng)指標(biāo)作為在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，以綜合反映水質(zhì)狀況、及時(shí)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)的變化趨勢(shì)，其中最優(yōu)先的應(yīng)選擇pH值、氨氮、電導(dǎo)率（鹽度）和溶解氧作為水源水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)反映水源水質(zhì)的指標(biāo)；后兩類指標(biāo)如有條件可以適當(dāng)選擇，或作為擴(kuò)展項(xiàng)目安排，逐步增加連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目數(shù)。

表1

2.水源水質(zhì)預(yù)警限值

根據(jù)目前已有的水廠運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)其處理能力進(jìn)行判斷，尋找其最大處理限值，由此根據(jù)源水水質(zhì)對(duì)水廠提出預(yù)警，當(dāng)源水某一指標(biāo)高于或低于某一值時(shí)，該水廠目前處理能力不能保證出水安全，需要加深度處理或是需要進(jìn)行一系列措施調(diào)整，才能保證出水安全。對(duì)于預(yù)警級(jí)別設(shè)為一級(jí)預(yù)警以及二級(jí)預(yù)警，一級(jí)預(yù)警表示源水該指標(biāo)過高或過低，如不加注意，則出水會(huì)超標(biāo)，需要對(duì)該工藝進(jìn)行某些調(diào)整或同時(shí)采取多種優(yōu)化措施以保證出水，二級(jí)預(yù)警表示目前水廠的處理能力達(dá)不到出水安全的要求，需要加新的處理工藝等。

對(duì)東莞市各主要水廠歷年的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，針對(duì)源水濁度、pH值、氨氮、CODMn、電導(dǎo)率、葉綠素、溶解氧、鉛等8個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)制定了相應(yīng)的判斷條件，如表1所示。

3.遠(yuǎn)程監(jiān)控中心系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心是整個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的頂端和核心，主要功能是接收現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)服務(wù)器完成存儲(chǔ)，并再由各分項(xiàng)PC通過軟件完成數(shù)據(jù)顯示、分析、預(yù)警等功能，還要提供網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)。

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的硬件主要包括數(shù)據(jù)通訊接收設(shè)備（主要是GSM無線數(shù)字調(diào)制解調(diào)器1臺(tái)）、數(shù)據(jù)服務(wù)器1臺(tái)和若干功能PC（可根據(jù)需要添置，也可以暫不設(shè)置）。數(shù)據(jù)通訊接收設(shè)備可采用雙頻數(shù)字調(diào)制解調(diào)器，可接在數(shù)據(jù)服務(wù)器上。數(shù)據(jù)服務(wù)器承擔(dān)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、備份、數(shù)據(jù)庫(kù)使用和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等多項(xiàng)功能，因此要求選用質(zhì)量較好的企業(yè)級(jí)專用服務(wù)器（如IBM XSeries 236）。

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心軟件系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)接收軟件、水源水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)及其功能軟件。數(shù)據(jù)接收軟件要求能連續(xù)接收來自現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)。而遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫(kù)是整個(gè)水源水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，它將各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)集成起來，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、備份、處理、管理和服務(wù)功能。主要采用ASP網(wǎng)頁編程（Active Server Page，是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的一種）和數(shù)據(jù)庫(kù)編程，與ADO對(duì)象（ActiveX Data Objects）結(jié)合，在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)各種功能，體系如圖1所示。

數(shù)據(jù)庫(kù)是軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)核心，選用MS SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫(kù)來完成數(shù)據(jù)的儲(chǔ)備，以服務(wù)器/客戶端（S/C）混合模式安裝到監(jiān)控中心數(shù)據(jù)服務(wù)器的操作系統(tǒng)（采用Windows 2000 Server）上。這樣安裝的數(shù)據(jù)庫(kù)，可以借助IIS設(shè)置成為各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)中心，存放所有站點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并為后端的水質(zhì)預(yù)警模式計(jì)算和報(bào)警模塊提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支持。數(shù)據(jù)庫(kù)功能界面是軟件系統(tǒng)的功能核心，通過調(diào)用后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中的實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)來完成各項(xiàng)數(shù)據(jù)應(yīng)用功能，主要包括：登陸界面、主界面、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、判斷報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、自動(dòng)報(bào)表、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)報(bào)表生成、數(shù)據(jù)分析、應(yīng)急處置建議、系統(tǒng)維護(hù)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、用戶管理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)調(diào)整等。系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 水源水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件系統(tǒng)體系架構(gòu)圖

圖2 水源水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件界面的功能結(jié)構(gòu)示意圖

4.結(jié)論

水源水質(zhì)預(yù)警是在源水水質(zhì)惡化、污染事故數(shù)量及危害程度增加、保障安全飲用水和“9.11”恐怖襲擊后全球防恐機(jī)制下的基礎(chǔ)上在近年提出的，用于保障安全飲用水和服務(wù)于供水企業(yè)及民眾的預(yù)警系統(tǒng)。在水源水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)庫(kù)和預(yù)警響應(yīng)模式進(jìn)行集成，才能形成水源水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)的軟件體系。先有監(jiān)測(cè)，才有預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，之后才能預(yù)警。前者是后者的基礎(chǔ)，后者是前者的深化和發(fā)展。開發(fā)科學(xué)有效的軟件分析、專家測(cè)評(píng)系統(tǒng)是預(yù)警體系得以有效發(fā)揮作用的關(guān)鍵，研究開發(fā)系統(tǒng)分析專業(yè)軟件，并關(guān)聯(lián)現(xiàn)況供配水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)最終至用戶的科學(xué)調(diào)度，是預(yù)警系統(tǒng)急需研究開發(fā)的方向。