劉 偉

(重慶市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，重慶 400020)

· 環(huán)境監(jiān)測(cè) ·

美國(guó)飲用水預(yù)警監(jiān)測(cè)宏觀策略評(píng)述

劉 偉

(重慶市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，重慶 400020)

從美國(guó)飲用水預(yù)警監(jiān)測(cè)技術(shù)所關(guān)注的水體、EPA在預(yù)警技術(shù)研究中的作用、預(yù)警系統(tǒng)(EWS)技術(shù)發(fā)展理念、EWS的一般設(shè)計(jì)流程4個(gè)方面概述美國(guó)飲用水預(yù)警監(jiān)測(cè)先進(jìn)技術(shù)在宏觀政策層面的情況。詳細(xì)闡述了美國(guó)EWS5個(gè)重要的發(fā)展理念，以及三步驟EWS設(shè)計(jì)流程。結(jié)合中國(guó)當(dāng)前 “水十條”實(shí)施工作，指出在預(yù)警監(jiān)測(cè)工作中應(yīng)借鑒的成分。

美國(guó);飲用水;預(yù)警監(jiān)測(cè)

2015年4月中央公布了“水污染防治行動(dòng)計(jì)劃” 以切實(shí)加大水污染防治力度，保障水安全。其中提到三個(gè)層次的預(yù)警；一是在宏觀政策上，要建立水資源、水環(huán)境承載能力監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)體系，實(shí)行承載能力監(jiān)測(cè)預(yù)警；二是在科技支撐上，要加強(qiáng)水環(huán)境監(jiān)控預(yù)警、水處理工藝技術(shù)裝備等領(lǐng)域的國(guó)際交流合作；三是在管理上，地方各級(jí)人民政府要制定完善水污染事故處置應(yīng)急預(yù)案，落實(shí)責(zé)任主體，明確預(yù)警預(yù)報(bào)與響應(yīng)程序、應(yīng)急處置及保障措施等內(nèi)容，依法及時(shí)公布預(yù)警信息[1]。這三層次相互聯(lián)系依托，為我國(guó)的預(yù)警體系構(gòu)建了框架，描繪了發(fā)展藍(lán)圖。目前，在我國(guó)最具預(yù)警意義的是地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，環(huán)保部門在包括城市集中飲用水水源地(水廠進(jìn)口上游)等在內(nèi)的地表水?dāng)嗝鎸?shí)施了自動(dòng)監(jiān)測(cè)，主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警監(jiān)視、水質(zhì)調(diào)查、污染源調(diào)查、養(yǎng)殖區(qū)氮磷時(shí)空分布等專題研究。但存在預(yù)警預(yù)報(bào)作用發(fā)揮有限、綜合性監(jiān)測(cè)指標(biāo)亟待深入研究、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)化科學(xué)應(yīng)用、強(qiáng)化市場(chǎng)化服務(wù)等問題[2]。 城市供水系統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)以人工檢測(cè)為主，在線監(jiān)測(cè)還處于起步階段,沒有形成完善成熟的系統(tǒng)，相關(guān)的預(yù)警也處于跟隨研究階段[3～5]。根據(jù)部門分工，飲用水進(jìn)出水質(zhì)由城市供水部門監(jiān)測(cè)，兩部門的水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、方法、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)均有差異，且數(shù)據(jù)不能共享。

筆者就第二層次的相關(guān)問題，研究了美國(guó)飲用水預(yù)警監(jiān)測(cè)宏觀策略，以期對(duì)我國(guó)水質(zhì)預(yù)警工作有所借鑒。

1 美國(guó)飲用水預(yù)警技術(shù)所關(guān)注的水體

“911事件”后，美國(guó)公眾對(duì)恐怖分子通過(guò)電腦干擾，化學(xué)、微生物和放射性污染等手段破壞供水設(shè)施的活動(dòng)充滿警惕，這會(huì)對(duì)公眾健康和信心產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，這使飲用水環(huán)境預(yù)警工作得到重視。為及時(shí)鎖定發(fā)生在水源或成品水的污染事件，提高應(yīng)急響應(yīng)效率，減少消除不利影響，需要在飲用水供水系統(tǒng)中建立預(yù)警系統(tǒng)(EWS)。理想的EWS是監(jiān)測(cè)、分析、解釋和溝通監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的完整系統(tǒng)[6]。

2 EPA在預(yù)警技術(shù)研究中的作用

2.1 角色

EPA的領(lǐng)導(dǎo)角色源于以下授權(quán)?！犊偨y(tǒng)令63號(hào)》(1998.5)指定EPA為國(guó)家水利基礎(chǔ)設(shè)施安全的領(lǐng)導(dǎo)部門?！秶?guó)土安全國(guó)家戰(zhàn)略》(2002.6)指定EPA為保衛(wèi)國(guó)家供水安全負(fù)責(zé)[1]?！?002公眾健康安全和應(yīng)對(duì)生物恐怖活動(dòng)法案》要求3300人以上的供水服務(wù)社區(qū)要組織脆弱性評(píng)估并準(zhǔn)備應(yīng)急預(yù)案，并責(zé)令EPA審查社區(qū)供水系統(tǒng)面臨生化輻射等故意污染事件時(shí)采取的防治、檢測(cè)和響應(yīng)方法?！蛾P(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的識(shí)別、優(yōu)化和保護(hù)(國(guó)土安全總統(tǒng)令7號(hào))》(2003.11)加強(qiáng)了EPA在保護(hù)供水基礎(chǔ)設(shè)施方面所起的作用?！秶?guó)土安全總統(tǒng)令9號(hào)》(2004.2)要求負(fù)責(zé)農(nóng)業(yè)、食物和水安全的聯(lián)邦部門“開發(fā)一套穩(wěn)健、綜合和全面協(xié)調(diào)的監(jiān)督檢測(cè)系統(tǒng)，提供對(duì)疾病、蟲害和有毒制劑的早期檢測(cè)和識(shí)別”[7]。

2.2 研究活動(dòng)

美國(guó)飲用水預(yù)警研究特別注意聯(lián)合政府相關(guān)部門、軍隊(duì)、研究機(jī)構(gòu)、基金會(huì)、公眾等多方機(jī)構(gòu)在資金、技術(shù)、政策上形成合力，推動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。2001年，EPA建立“水安全部門”和“國(guó)土安全研究中心”[7]。并編寫的“水安全研究和技術(shù)支持行動(dòng)計(jì)劃”，其中，強(qiáng)調(diào)提升生化輻射污染物的分析檢測(cè)能力。同時(shí)“國(guó)土安全研究中心”和國(guó)土安全部，勞工部，水利益相關(guān)者，公共事業(yè)部門開展了包括EWS的廣泛合作

EPA建立供水系統(tǒng)模擬試驗(yàn)場(chǎng)及其研究聯(lián)合體，研究評(píng)估各種傳感器、監(jiān)測(cè)技術(shù)、供水系統(tǒng)模型、消毒去污、數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)在試驗(yàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)用。同私有組織簽訂PPP(公眾-私有-合作) 合同運(yùn)作“環(huán)境技術(shù)確認(rèn)項(xiàng)目”和“技術(shù)測(cè)試及評(píng)價(jià)項(xiàng)目”[7]；前者為成熟技術(shù)提供可靠的性能數(shù)據(jù)評(píng)估，加速技術(shù)應(yīng)用，使供需方、許可方以及公眾都獲利；后者服務(wù)于操作者、設(shè)施管理者、應(yīng)急響應(yīng)者、管理者，為其提供可靠的性能信息，但不提供技術(shù)擔(dān)保。

EPA和美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)[8]、水污染檢測(cè)工作組、水安全工作組、污染信息工具團(tuán)隊(duì)等非盈利組織，在供水基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)、污染物檢測(cè)實(shí)際操作、基層飲用水管理建議、污染物性質(zhì)信息等方面進(jìn)行廣泛研究和實(shí)務(wù)合作。

3 美國(guó)EWS發(fā)展理念

美國(guó)飲用水預(yù)警技術(shù)研究者認(rèn)為，高效可靠，能廣泛使用的飲用水EWS應(yīng)具有如下特點(diǎn)。

3.1 優(yōu)先使用響應(yīng)快、能被驗(yàn)證的分類監(jiān)測(cè)技術(shù)和方法

預(yù)警要求污染物接觸傳感器到報(bào)出結(jié)果的時(shí)間越短越好[9]。理想EWS能及時(shí)檢測(cè)、解讀、報(bào)警、通訊，并在公眾受損之前采取行動(dòng)減輕損失[10-11]。為保證監(jiān)測(cè)質(zhì)量，應(yīng)采用已被第三方驗(yàn)證的技術(shù)；EPA和化學(xué)家分析協(xié)會(huì)承擔(dān)了多個(gè)項(xiàng)目相關(guān)設(shè)備和方法的性能驗(yàn)證工作，為利益相關(guān)方提供工具和程序，為分析科學(xué)家研發(fā)技術(shù)與方法。若預(yù)警技術(shù)要識(shí)別大量特定污染物，會(huì)大幅增加系統(tǒng)復(fù)雜度和工作量，還易產(chǎn)生誤導(dǎo)[12]，因此不加篩選的識(shí)別大量污染物的技術(shù)路線是不合理的。應(yīng)分析污染物物理化學(xué)特性、來(lái)源、對(duì)公眾健康影響、破壞配水系統(tǒng)的可能性等信息；按照一定程序分類，縮小識(shí)別范圍，選取合適的技術(shù)。在預(yù)警層面，用污染物類別檢測(cè)技術(shù)取代單個(gè)污染物檢測(cè)技術(shù)是必要的；類別可分為有毒化學(xué)物、放射性污染物和微生物病菌三種。

3.2 選擇靈敏度合適、假陽(yáng)(陰)性率低的技術(shù)和方法

對(duì)特定污染物，確定檢測(cè)方法和安全閾值是科學(xué)性很強(qiáng)的工作。檢測(cè)方法不同，靈敏度也不同；靈敏度要與污染物管制濃度水平相匹配的，這種相匹配的分析方法至少有一種。儀器(系統(tǒng))都存在假陽(yáng)(陰)率，過(guò)高的假陽(yáng)(陰)率會(huì)失去實(shí)際作用。假陽(yáng)性會(huì)增加成本，假陰性會(huì)對(duì)公眾健康有災(zāi)難性影響，兩者都會(huì)削弱公信度。因此假陽(yáng)(陰)性率非常低的技術(shù)方法才被認(rèn)為是預(yù)警的候選方法。雖然儀器(系統(tǒng))存在測(cè)不準(zhǔn)的可能性，但適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)分析技術(shù)可減少假性率。美國(guó)防務(wù)高級(jí)研究項(xiàng)目局提供了檢測(cè)設(shè)備性能的評(píng)估方法，該方法可在靈敏度、準(zhǔn)確率、假陽(yáng)(陰)性率和響應(yīng)時(shí)間之間取得某種平衡。

3.3 倡導(dǎo)自動(dòng)化程度高的技術(shù)與方法

自動(dòng)系統(tǒng)的測(cè)試程序和采樣頻率易于控制和追蹤，和手動(dòng)采樣分析相比有很多優(yōu)點(diǎn)。盡管自動(dòng)系統(tǒng)也有人為操作導(dǎo)致的錯(cuò)誤，但和手動(dòng)相比人為因素已大大減少。其報(bào)警觸發(fā)自動(dòng)采樣，為后續(xù)復(fù)雜的甄別分析測(cè)試提供條件。自動(dòng)化程度高是指除必要的維護(hù)、維修、校正需要現(xiàn)場(chǎng)操作外，設(shè)備能通過(guò)控制中心進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守自動(dòng)運(yùn)行。

3.4 耐用和成本低廉的技術(shù)與方法

對(duì)于預(yù)警，使用成本低廉非常重要;盡管不同使用者對(duì)此理解各異，但成本效率合算的EWS才會(huì)有生命力。采樣、分析技術(shù)、分析軟件等技能培訓(xùn)也會(huì)影響術(shù)成本。復(fù)雜技術(shù)需要高技能高培訓(xùn)，因而低技能、低培訓(xùn)的技術(shù)更容易得到連續(xù)一致的結(jié)果?？沙掷m(xù)發(fā)展模式的低成本系統(tǒng)的廣泛使用會(huì)逐步吸納成熟新技術(shù)，推動(dòng)EWS的性能和成本不斷進(jìn)化[12]。

3.5 具有污染物來(lái)源的識(shí)別及預(yù)測(cè)能力

故意污染和事故性污染，都需要調(diào)查和評(píng)估污染物進(jìn)入飲用水的位置。需要預(yù)警設(shè)備在污染物經(jīng)過(guò)檢測(cè)點(diǎn)時(shí)被檢測(cè)到，并能用流量模型輔助追蹤污染物進(jìn)入位置，精確預(yù)測(cè)污染物的位置和濃度。這對(duì)確定采取措施位置、評(píng)估措施有效性、甄別大風(fēng)險(xiǎn)用戶、預(yù)測(cè)暴露量將非常有價(jià)值。

具有以上所有特性的EWS還需要研究，目前EWS只能滿足核心特點(diǎn)：(1)能快速反應(yīng);(2)在保持足夠靈敏度的情況下檢測(cè)一定數(shù)量污染物的能力;(3)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。缺少這三個(gè)核心特點(diǎn)被認(rèn)為不是有效的EWS。

4 美國(guó)EWS的一般設(shè)計(jì)流程

進(jìn)行EWS設(shè)計(jì)時(shí)，使用方先評(píng)估自身脆弱性，重點(diǎn)評(píng)估飲用水供水系統(tǒng)面臨故意污染時(shí)的脆弱性；在此基礎(chǔ)上判斷EWS設(shè)計(jì)技術(shù)、成本是否合理可靠。設(shè)計(jì)不僅是選擇傳感器；還包括傳感器安裝位置、獲取數(shù)據(jù)并分析，信息公開、建立決策程序和響應(yīng)預(yù)案；后續(xù)的公眾健康監(jiān)測(cè)、客戶投訴、結(jié)果管理。還要考慮信息公開，不僅要讓公眾被EWS保護(hù)，而且其感覺到。由于各供水系統(tǒng)各不相同，其EWS不可能使用同一張藍(lán)圖，所以應(yīng)遵循結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)流程，保證其合理實(shí)現(xiàn)。

4.1 確定EWS的需求

(1)確定目標(biāo)污染物及必要檢測(cè)濃度后，要選擇EWS檢測(cè)技術(shù)。其特異性、靈敏度、精確度、準(zhǔn)確度、重現(xiàn)性、假陽(yáng)(陰)性率等必須匹配數(shù)據(jù)質(zhì)量目的。

(2)在引起健康風(fēng)險(xiǎn)的污染物濃度水平，考慮EWS類型、優(yōu)化EWS性能，在降低誤報(bào)率的基礎(chǔ)上，決定報(bào)警水平。

(3)病原體和化學(xué)品遷移到水中之后，環(huán)境條件、氧化劑和其化學(xué)物質(zhì)、水力特征等都會(huì)影響其衰減和輸送行為。研究其在供水系統(tǒng)中的行為并建模，把模型應(yīng)用到設(shè)計(jì)中，有助于篩選監(jiān)測(cè)設(shè)備的最佳位置。綜合考慮系統(tǒng)特點(diǎn)、脆弱性評(píng)估、使用習(xí)慣、風(fēng)險(xiǎn)和成本等因素，來(lái)決定監(jiān)測(cè)設(shè)備的位置和密度。

(4)確定安全管理大量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)核實(shí)質(zhì)量控制(保證)來(lái)保證數(shù)據(jù)的有效性。能區(qū)分真實(shí)偏離和噪聲，能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析；具有一定水平智能，能解釋和再生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并能把信息迅速遞給相關(guān)決策者。

4.2 必要的計(jì)劃協(xié)調(diào)

EWS設(shè)計(jì)計(jì)劃應(yīng)綜合各方意見，明確定義EWS目的。需組織團(tuán)隊(duì)，包括供水公司，當(dāng)?shù)鼗蛘咧萁】挡块T，應(yīng)急響應(yīng)單位，法律執(zhí)行機(jī)構(gòu)和當(dāng)?shù)卣晤I(lǐng)導(dǎo)者。團(tuán)隊(duì)可通過(guò)水力學(xué)模型等其他工具描述配水系統(tǒng)的流量、水壓、可監(jiān)測(cè)位置、用水模式、管線范圍、管線位置、泵位置等特征。計(jì)劃還包括解讀、使用和報(bào)告檢測(cè)結(jié)果，以及EWS運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)和要素。

4.3 實(shí)施EWS的技術(shù)路徑

EWS的長(zhǎng)期目標(biāo)是連續(xù)監(jiān)測(cè)，研發(fā)設(shè)計(jì)這種系統(tǒng)有很多方法。目前一些專家支持在飲用水配水系統(tǒng)中采取兩級(jí)預(yù)警。第一級(jí)用傳感器提供類別報(bào)警(觸發(fā)報(bào)警)，告訴大家有污染物。若第一級(jí)預(yù)警有效并正確鎖定了地點(diǎn)，在幾秒鐘之內(nèi)就能進(jìn)行初始檢測(cè)同時(shí)觸發(fā)第二級(jí)預(yù)警，使用更專業(yè)更靈敏度的技術(shù)來(lái)識(shí)別污染物[12]。第二級(jí)預(yù)警可以是實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)，也可以是便攜式儀器搬到現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)。這種分級(jí)適合于技術(shù)很有限的情況。這種技術(shù)路線由低成本在線實(shí)時(shí)技術(shù)和確認(rèn)眾多特殊污染物的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)組成。

5 借鑒意義

美國(guó)EWS關(guān)注水體為飲用水及其供水系統(tǒng)，跟其面對(duì)恐怖襲擊問題有關(guān)。我國(guó)面臨水環(huán)境質(zhì)量差、生態(tài)受損、隱患多等問題[1]，因此EWS從整體框架上，更傾向于區(qū)域性的承載力預(yù)警體系及污染事故后預(yù)警處置，即前者側(cè)重于宏觀性預(yù)警，后者側(cè)重于精準(zhǔn)預(yù)警。無(wú)論何種預(yù)警，都需要監(jiān)測(cè)技術(shù)的自動(dòng)化、現(xiàn)代化。同時(shí)，我國(guó)預(yù)警技術(shù)研究沒有引領(lǐng)部門，研究機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)使用方、數(shù)據(jù)管理方條塊分割比較嚴(yán)重，沒有形成研究合力。未來(lái)，應(yīng)確立引領(lǐng)部門，通過(guò)多種方式引導(dǎo)社會(huì)力量，加快先進(jìn)技術(shù)研究借鑒，先進(jìn)產(chǎn)品的生產(chǎn)使用。

雖然美國(guó)EWS發(fā)展理念豐富且具備操作性，但其國(guó)內(nèi)完全符合其理念的EWS也不存在。而我國(guó)的水域廣闊，類型多樣且所屬地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展差異明顯，在EWS具體技術(shù)選擇上除了3個(gè)核心特點(diǎn)外，應(yīng)注重選擇低成本技術(shù)和水質(zhì)預(yù)警模型(尤其是簡(jiǎn)單參數(shù))的算法研究與應(yīng)用。我國(guó)EWS的設(shè)計(jì)與建設(shè)起步晚，離“水十條”的要求還有差距。將來(lái)，應(yīng)綜合EWS的設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)維、使用、研究各方的力量和需求，借鑒美國(guó)設(shè)計(jì)流程，形成符合國(guó)情的EWS設(shè)計(jì)建設(shè)方案。

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Early Warning System for Monitoring Drinking Water in American: Macro strategy Review

LIU Wei

(ChongqingEnvironmentMonitorCenter，Chongqing400020，China)

This paper reviewed the advanced technologies of early warning systems (EWS) in drinking water monitoring at the macro-policy level of American from four aspects, concern for the water supply, role of EPA in water security and early warning systems, development idea of EWS, and general design flow of EWS. Elaborated5 important development ideas, and three-step design flow. Combining the implementation of “Action plan for water pollution prevention and control”, pointed out the works that should be used for reference in EWS.

American; drinking water; early warning systems

2017-01-19

劉 偉(1978-)，男，重慶巫山人，2010年畢業(yè)于重慶大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)，碩士，高級(jí)工程師，主要從事環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)工作。

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1001-3644(2017)03-0050-04