翁窈瑤，張 靜

(1.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江紹興 312000；2.河北科技大學(xué)，河北石家莊 050000)

國內(nèi)水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)起步較晚，20世紀(jì)90年代以來，隨著城市水環(huán)境問題的日益突出，我國大規(guī)模開展了水環(huán)境整治工作，各個城市都建設(shè)了大量的水環(huán)境設(shè)施并對水環(huán)境系統(tǒng)的各個方面進(jìn)行科學(xué)合理的監(jiān)控監(jiān)測。各個相關(guān)水環(huán)境管理部門都陸續(xù)開展了水環(huán)境監(jiān)控方面的工作。1988年天津作為試點(diǎn)建立了我國第一個水質(zhì)連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)，1995年以后相繼在上海、北京等地先后建立了水質(zhì)連續(xù)自動監(jiān)測站?！笆晃濉逼陂g，我國已初步建成覆蓋各環(huán)境要素的國家環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)和地方環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)。至2011年，全國主要水系共建115個重點(diǎn)斷面水質(zhì)自動監(jiān)測站[1]。這套地表水自動監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行以來，充分發(fā)揮了其對地表水水系的實(shí)時監(jiān)測和預(yù)警功能。

水質(zhì)在線監(jiān)測技術(shù)在近年來也開始應(yīng)用于環(huán)保體系，主要監(jiān)測內(nèi)容包括污水處理廠進(jìn)出水口的水質(zhì)監(jiān)測，以用于對污水廠的日常監(jiān)管和運(yùn)行指導(dǎo)。我國許多省市環(huán)保局還在各大型企業(yè)排污口安裝了在線自動監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)測廢水的流量和COD、氨氮等污染物的排放濃度，以防止企業(yè)偷排、超排現(xiàn)象發(fā)生，上述地表水水質(zhì)監(jiān)測和污染源監(jiān)控是兩套相互獨(dú)立的監(jiān)測體系，分別覆蓋了地表水體以及污染源排放，但是還缺乏一套監(jiān)測體系，即城市水環(huán)境監(jiān)測體系來耦合這兩套監(jiān)測系統(tǒng)，以結(jié)合不同地區(qū)城市水功能定位及水環(huán)境的特點(diǎn)來開展城市水環(huán)境系統(tǒng)設(shè)施監(jiān)測與預(yù)警。

1 城市水環(huán)境自動監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的建立

1.1系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)預(yù)警系統(tǒng)的建立，關(guān)鍵在于3個部分，即預(yù)警指標(biāo)體系的構(gòu)建、預(yù)警方法的選取和預(yù)警閾值的界定。

影響水環(huán)境系統(tǒng)的因素很多，并且各個影響因子間又存在著十分復(fù)雜的關(guān)系。因此建立一套完整合理的預(yù)警指標(biāo)體系是建立水環(huán)境預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵。而我國地域廣闊，不同地區(qū)的水環(huán)境特征參數(shù)均有不同，地區(qū)經(jīng)濟(jì)條件的差異也會直接影響到水環(huán)境監(jiān)測參數(shù)的選擇。因此，預(yù)警指標(biāo)體系的建立應(yīng)該充分結(jié)合各地的經(jīng)濟(jì)條件和城市水環(huán)境特征選取。

在預(yù)警指標(biāo)體系建立的基礎(chǔ)上，需要對指標(biāo)體系進(jìn)行預(yù)警分析，這也是目前研究較多的問題。總結(jié)來看，預(yù)警方法一般可以歸為兩大類：定性方法和定量方法。定性分析方法主要適用于在預(yù)警所需資料缺乏，或者影響因素復(fù)雜，難以分清主次與因果，或主要影響因素難以定量分析時的情況。近年來，遙感監(jiān)測技術(shù)也逐漸被引入到定性分析方法之中。定量方法則可以結(jié)合數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行。例如統(tǒng)計定量中的決策樹方法[2]。而目前最主要的定量方法則是模型方法，因?yàn)槭褂媚Ｐ头椒ㄟM(jìn)行預(yù)警是建立在相當(dāng)深入研究的邏輯學(xué)、數(shù)學(xué)和其他具體科學(xué)基礎(chǔ)上的，具有一定的科學(xué)依據(jù)。在環(huán)境預(yù)警方面應(yīng)用的比較廣泛的預(yù)警模型主要包括SD 預(yù)警模型[3]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)警模型[4]、支持向量機(jī)等，這些方法的提出成功地推動了預(yù)警研究的發(fā)展。

水環(huán)境系統(tǒng)隨時都在承受著各種壓力，在一定壓力內(nèi)，系統(tǒng)具有自我維持和自我調(diào)節(jié)的功能，保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，但超過這個閾值，系統(tǒng)可能會發(fā)生質(zhì)的變化甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。在對閾值進(jìn)行研究時，警限的確定也是問題的關(guān)鍵。警限通常是用來表示警情嚴(yán)重程度的等級分界線，但也可看作各種狀態(tài)之間的臨界值。由于警情嚴(yán)重程度具有模糊性，而且水環(huán)境是一個多層次、多要素、多功能的復(fù)雜系統(tǒng)，其警限的確定是一個復(fù)雜的難題。

1.2城市水環(huán)境自動監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的建立城市水環(huán)境監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的建立流程總圖如圖1所示，其建立可以分為以下幾個步驟。

圖1 城市水環(huán)境自動監(jiān)測預(yù)警流程圖

首先，在已有的水庫數(shù)據(jù)庫、雨水?dāng)?shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，對所有排水、污水、城市水體的監(jiān)測站點(diǎn)及監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)測數(shù)據(jù)包括在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、移動監(jiān)測數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測數(shù)據(jù)以及遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)等，通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)傳輸(其中遙感數(shù)據(jù)還要進(jìn)行加工，包括數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)挖掘和參數(shù)識別)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫，獲得海量數(shù)據(jù)。

圖2 預(yù)警信號模塊流程圖

當(dāng)監(jiān)測出現(xiàn)某個或某些參數(shù)超出閾值時要進(jìn)行現(xiàn)場查看，判斷監(jiān)測數(shù)值超標(biāo)的原因是否為設(shè)備故障，如為設(shè)備故障，將數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)庫，并記錄實(shí)際情況后進(jìn)入正常管理；如果事件排除設(shè)備故障，此時發(fā)出預(yù)警信號(見圖2所示流程)，并派監(jiān)測車現(xiàn)場取樣，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測，獲得檢測數(shù)據(jù)。

其次，對實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將獲得的預(yù)警監(jiān)測因子的數(shù)值與預(yù)警監(jiān)測因子閾值進(jìn)行對比，獲取超閾值因子及其參數(shù)。將超閾值參數(shù)及發(fā)生風(fēng)險事件的坐標(biāo)輸入分析模型及模型耦合系統(tǒng)，進(jìn)行模擬預(yù)測，獲得影響模型(見圖3所示流程)。在影響模型中對風(fēng)險事件進(jìn)行風(fēng)險分析和評價，對超閾值因子及其數(shù)值進(jìn)行分析，獲得風(fēng)險監(jiān)測因子，即確定對風(fēng)險產(chǎn)生影響的各種參數(shù)，通過分析各參數(shù)對風(fēng)險的影響程度的不同，確定各參數(shù)的風(fēng)險權(quán)重，給參數(shù)附加風(fēng)險權(quán)重后，計算出含風(fēng)險權(quán)重在內(nèi)的風(fēng)險等級數(shù)據(jù)，通過對比風(fēng)險等級數(shù)據(jù)，確定風(fēng)險等級，發(fā)出等級信號(見圖4所示流程)。

圖3 模型分析模塊流程圖

圖4 風(fēng)險分析模塊流程圖

再次，對事件進(jìn)行應(yīng)急處置，首先確定事件的種類，同時根據(jù)風(fēng)險的對象和等級提出相應(yīng)的應(yīng)急措施(見圖5所示流程)。

圖5 應(yīng)急處置預(yù)案模塊流程圖

最后，預(yù)警解除后對預(yù)案以及處理過程進(jìn)行評價，將評價內(nèi)容加入數(shù)據(jù)庫，豐富數(shù)據(jù)庫信息，為以后應(yīng)急方案提供參考。

2 建立城市水環(huán)境自動監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)存在的問題

目前存在的地表水水質(zhì)監(jiān)測和污染源監(jiān)控是兩套相互獨(dú)立的監(jiān)測體系，分別覆蓋了地表水體以及污染源排放，但是兩套監(jiān)測系統(tǒng)各自為政，因此需要建立城市水環(huán)境監(jiān)測預(yù)警網(wǎng)，在城市范疇內(nèi)將上述兩套監(jiān)測體系有效結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)城市水環(huán)境的全方面自動監(jiān)測。這樣既可以實(shí)時掌控城市水環(huán)境各類監(jiān)測對象的自身運(yùn)行情況，也可以動態(tài)了解城市活動對水體造成的突發(fā)污染影響。

城市水環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測對象應(yīng)包括城市相關(guān)水體、城市排水設(shè)施、污水處理設(shè)施、其他城市水設(shè)施。城市相關(guān)水體主要指城市河流、湖泊；城市排水設(shè)施主要指雨水管網(wǎng)、污水管網(wǎng)、合流制管網(wǎng)；污水處理設(shè)施主要指污水處理廠；其他城市水設(shè)施主要指再生水廠。

雖然目前上述四類監(jiān)測對象中，城市相關(guān)水體、污水處理設(shè)施已分別由水利部、環(huán)保部開展了自動監(jiān)測工作。但是要建立城市水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)，還應(yīng)該解決當(dāng)前存在的3個主要問題。

首先，監(jiān)測管理部門協(xié)作不強(qiáng)，數(shù)據(jù)共享體制不健全。目前我國開展水質(zhì)監(jiān)測的部門主要有環(huán)保部、水利部、城鄉(xiāng)建設(shè)部。環(huán)保部門主要承擔(dān)污水處理廠等污染源在線監(jiān)控，水利部門則主要承擔(dān)河道水質(zhì)監(jiān)測，城鄉(xiāng)建設(shè)部門則主要負(fù)責(zé)城市水資源利用和城市污水灌溉。所以，在城市水環(huán)境監(jiān)測的四類對象中，已有兩類監(jiān)測工作展開。但是由于各個監(jiān)測部門相互獨(dú)立，監(jiān)測數(shù)據(jù)互不共享，不僅浪費(fèi)大量的監(jiān)測設(shè)備資源，而且對監(jiān)測數(shù)據(jù)不能充分有效利用。各部門之間如果能夠緊密協(xié)作，進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，不僅能有效地監(jiān)督企業(yè)排污，遏制偷排現(xiàn)象，而且通過監(jiān)測水量水質(zhì)等數(shù)據(jù)，能夠科學(xué)地制定污染物總量控制目標(biāo)，預(yù)警城市活動對城市水體造成的突發(fā)污染事故。為此，應(yīng)最大限度地協(xié)調(diào)各個數(shù)據(jù)監(jiān)測管理部門，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，既可以提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的利用率，也可以優(yōu)化現(xiàn)有的監(jiān)測資源，盡快建立起全面的城市水環(huán)境監(jiān)測體系。

其次，在線監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性不高。自動監(jiān)測體系的質(zhì)量保證與質(zhì)量控制尚不完善，很多自動監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)工作不到位，實(shí)際監(jiān)測中自動監(jiān)測系統(tǒng)故障頻發(fā)，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用中自動監(jiān)測站數(shù)據(jù)的可信度不高。為提高自動監(jiān)測站數(shù)據(jù)的可靠性，一方面要從檢測設(shè)備入手，選用可靠性、準(zhǔn)確性高的儀器，加強(qiáng)儀器的定期維護(hù)校準(zhǔn)，加大自動監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)力度；另一方面，自動監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)配合水質(zhì)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室和移動監(jiān)測設(shè)備同時進(jìn)行。移動監(jiān)測具有相對靈活的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對城市重點(diǎn)污染河段、水污染事故動態(tài)監(jiān)測，根據(jù)污染事故的監(jiān)測需要，在野外現(xiàn)場完成水質(zhì)采樣、處理和分析。實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測是一種最常規(guī)的水質(zhì)分析方法，可以對眾多的水質(zhì)指標(biāo)做出精確的分析和評價。因此移動監(jiān)測和實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測方式，既可以作為自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的校正及補(bǔ)充，也可以在系統(tǒng)故障或數(shù)據(jù)有異時，補(bǔ)充以常規(guī)監(jiān)測。

第三，初期雨水徑流排放水質(zhì)難以實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)測。由城市內(nèi)部的街道匯集而成的雨水路面徑流，具有排放時間隨機(jī)、流量相對集中、污染物種類多、水質(zhì)條件復(fù)雜多變的特點(diǎn)，國外學(xué)者對城市雨水徑流的水質(zhì)[5-6]做了大量的監(jiān)測分析工作，結(jié)果表明路面雨水徑流污染嚴(yán)重，尤其是初期雨水徑流，如果直接排放至水體，將會給地表水造成嚴(yán)重的污染。但是國內(nèi)對于初期雨水徑流的水質(zhì)監(jiān)測研究幾乎是空白的，用于雨水水質(zhì)監(jiān)測的自動監(jiān)測設(shè)備也不多，這也成為城市水環(huán)境系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警的又一難題。

3 小結(jié)

我國城市水環(huán)境雖然近年來已有所改善，但是問題依然存在。全國各大水系的水體、污水處理設(shè)施已經(jīng)分別由水利部、環(huán)保部開展了自動監(jiān)測工作。但是由于部門協(xié)調(diào)問題，數(shù)據(jù)無法共享，造成資源的浪費(fèi)，也很難達(dá)成兩套系統(tǒng)的聯(lián)動。自動監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)問題導(dǎo)致在線監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性并不高，同時城市雨水徑流造成的水質(zhì)污染還沒有引起足夠的重視。

因此，為了實(shí)時掌控城市水環(huán)境各類監(jiān)測對象的自身運(yùn)行情況以及準(zhǔn)確動態(tài)地了解城市活動對城市水體造成的突發(fā)污染影響，提出兩點(diǎn)建議：一方面，協(xié)調(diào)監(jiān)測管理部門，加強(qiáng)分工協(xié)作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，既可以提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的利用率，也可以優(yōu)化現(xiàn)有監(jiān)測站網(wǎng)，建立全面的城市水環(huán)境監(jiān)測體系。另一方面，加大自動監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)力度，并且配備水質(zhì)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室和移動監(jiān)測設(shè)備，既可以作為自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的校正，也可以在系統(tǒng)故障或數(shù)據(jù)有異時，補(bǔ)充以常規(guī)監(jiān)測。

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