譚振華,秦 成,蒙良慶

(1.力合科技(湖南)股份有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410221;2.重慶市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心， 重慶 401147)

1 引言

飲用水安全作為與人體健康息息相關(guān)的因素，是生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水利供水、衛(wèi)生健康預(yù)防等工作的重中之重[1]。而農(nóng)村飲用水是我國(guó)居民供水系統(tǒng)中的相對(duì)薄弱環(huán)節(jié)[2～5]，是當(dāng)前亟需關(guān)注的熱點(diǎn)，現(xiàn)階段已有大量的學(xué)者開展農(nóng)村飲用水水源地水質(zhì)狀況評(píng)價(jià)[6～8]、飲用水水源的安全及水處理工藝[9,10]、飲用水水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法[11～14]、監(jiān)測(cè)傳感器技術(shù)[15～20]等方面的研究，上述研究成果有效的降低水源地污染所帶來的各種風(fēng)險(xiǎn)。但目前的研究在2方面存在不足：①由于生態(tài)環(huán)境、水利、衛(wèi)生部門的職能職責(zé)的差異，目前的研究大多是將水源地水、水廠水、末梢水割裂開單獨(dú)監(jiān)測(cè)，缺少建立從水源到用戶的全過程農(nóng)村飲用水水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)；②鑒于農(nóng)村飲用水具有分散廣、數(shù)量多的特點(diǎn)，導(dǎo)則目前尚無有力監(jiān)測(cè)技術(shù)支撐精細(xì)化管理和聯(lián)防聯(lián)控。

鑒于此，本文提出以水源水、出廠水和管網(wǎng)末梢水的采樣終端三重監(jiān)測(cè)+全自動(dòng)中心實(shí)驗(yàn)室特征參數(shù)監(jiān)測(cè)模式；實(shí)現(xiàn)源水預(yù)警，出廠水和網(wǎng)管末稍水三重安全保障,全自動(dòng)中心實(shí)驗(yàn)室精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)的管理理念；整合現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)，解析當(dāng)前農(nóng)村飲用水污染物來源，進(jìn)行源解析或模型分析，科學(xué)揭示農(nóng)村飲用水污染的成因、影響程度，為管理部門制定治理決策提供依據(jù)。

2 基于人工智能的農(nóng)村飲用水水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)

2.1 總體概況

建立以全自動(dòng)化中心實(shí)驗(yàn)室為主體，智能采樣終端和可視化監(jiān)管平臺(tái)為兩翼的全方位聯(lián)動(dòng)監(jiān)測(cè)體系。智能采樣終端設(shè)置于水源水、出廠水和管網(wǎng)末梢水處，由在線監(jiān)測(cè)和采樣送檢兩部分組成，其中采樣送檢兼顧在線采樣和手工采樣2種方式，采用APP對(duì)采樣環(huán)節(jié)進(jìn)行統(tǒng)一管理，采用靈活多樣的樣品運(yùn)輸工具送樣至全自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室。交接雙方采用APP進(jìn)行面對(duì)面交接，二維碼傳遞樣品信息，信息在線流轉(zhuǎn)。全自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室儀器操作人員放置樣品，一鍵啟動(dòng)檢測(cè)，水樣數(shù)據(jù)，質(zhì)控?cái)?shù)據(jù)，測(cè)試流程日志實(shí)時(shí)上傳。全過程管理大數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)時(shí)收集在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、采樣、運(yùn)輸、交接、檢測(cè)各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)質(zhì)量全方位智能化監(jiān)管?？傮w方案見圖1。

圖1 總體方案

2.2 技術(shù)流程

2.2.1 水質(zhì)采樣

以智能在線采樣為主，手工采樣為輔，在有必要且有條件安裝的污染源排放口統(tǒng)一安裝在線采樣設(shè)備，在一般的排放口采用手工采樣方式，在實(shí)際過程中，可根據(jù)具體問題靈活調(diào)整在線或手工采樣方式。

(1)智能管控終端。采用智能管控終端對(duì)水源水、出廠水、網(wǎng)管末稍水實(shí)現(xiàn)24 h在線采樣，內(nèi)置等時(shí)、等流量、即時(shí)采樣模式。能遠(yuǎn)程操作智能管控終端，修改自動(dòng)采樣策略，靈活設(shè)置機(jī)器按監(jiān)管的需求進(jìn)行樣品采集。為滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和水廠需要，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)配備必要的監(jiān)測(cè)設(shè)備、采樣設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，為農(nóng)飲水的監(jiān)測(cè)預(yù)警提供技術(shù)支持。設(shè)備配置見表1。

表1 智能管控終端在線設(shè)備配置

(2)手工采樣。在未設(shè)置在線采樣設(shè)備的點(diǎn)位，采用手工采樣方式，采樣人員持證上崗，采樣過程視頻跟蹤錄像，便于事后復(fù)查，確保采樣行為合規(guī)。在手工采樣的同時(shí)，配置便攜式儀器做好現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)。采樣人員使用采樣APP，規(guī)范管理采樣人員現(xiàn)場(chǎng)GPS簽到，采樣信息、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果便捷填報(bào)，樣品交接信息化流轉(zhuǎn)，減少手工填報(bào)工作。

2.2.2 樣品保存運(yùn)輸

樣品保存運(yùn)輸采用水樣冷藏運(yùn)輸箱、冷鏈運(yùn)輸車或物流運(yùn)輸；本環(huán)節(jié)關(guān)鍵在于冷藏運(yùn)輸箱、冷鏈運(yùn)輸車、采樣瓶具有GPS定位功能和防開啟功能，將定位軌跡和采樣瓶開啟情況上傳至大數(shù)據(jù)中心監(jiān)管端，使樣品運(yùn)輸過程留痕可溯源。

2.2.3 自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)

集中式自動(dòng)化監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)不單純是選配合理的儀器設(shè)備，還要綜合考慮實(shí)驗(yàn)室的總體規(guī)劃，合理布局和平面設(shè)計(jì)，以及供電、供水、通風(fēng)、廢液處理、安全措施等基礎(chǔ)設(shè)施和基本條件。

全自動(dòng)中心實(shí)驗(yàn)室由多個(gè)檢測(cè)通道、多臺(tái)自動(dòng)進(jìn)樣器和1套儀器操作終端軟件組成，實(shí)現(xiàn)進(jìn)樣、預(yù)處理、反應(yīng)分析、計(jì)算結(jié)果全過程自動(dòng)化、批量化檢測(cè)。操作人員一鍵操作，全自動(dòng)批量、高效完成水樣檢測(cè)，自動(dòng)完成數(shù)據(jù)質(zhì)控，檢測(cè)數(shù)據(jù)及運(yùn)行流程直傳大數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)“準(zhǔn)、快”目標(biāo)。儀器布局示意如圖2所示，部分檢測(cè)通道監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及分析方法見表2所示。

圖2 儀器布局示意

表2 分析儀部分檢測(cè)通道情況一覽

2.2.4 信息化管理

信息化軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)采樣、送樣、實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)全過程進(jìn)行管理，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一集中收集處理應(yīng)用。系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)采樣APP、自動(dòng)檢測(cè)儀器軟件和數(shù)據(jù)中心監(jiān)測(cè)監(jiān)管系統(tǒng)組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 采樣、運(yùn)輸、自動(dòng)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的對(duì)比研究

現(xiàn)將AI自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室和傳統(tǒng)手工實(shí)驗(yàn)室從代表性、檢測(cè)效率、準(zhǔn)確性、成本、結(jié)果報(bào)出5個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比，詳見表3。

表3 AI自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室和傳統(tǒng)手工實(shí)驗(yàn)室對(duì)比

傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式存在以下不足：①人工即時(shí)采樣不具有連續(xù)性、代表性，對(duì)超標(biāo)水樣超標(biāo)原因調(diào)查缺少有效手段；②監(jiān)測(cè)任務(wù)重，人力資源耗費(fèi)多，分析效率不能長(zhǎng)期維持，監(jiān)測(cè)質(zhì)量難以全程溯源，水質(zhì)情況不能及時(shí)體現(xiàn)；③監(jiān)測(cè)點(diǎn)位及數(shù)據(jù)不能直觀展示，超標(biāo)分布情況可視化程度待提升。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 研究區(qū)概況

A縣位于三峽庫(kù)區(qū)腹心，是三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)沿江經(jīng)濟(jì)走廊承東啟西、南引北聯(lián)的重要樞紐。一方面，農(nóng)村飲用水水廠眾多，有60余個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)水廠，6000余個(gè)村級(jí)水廠，水質(zhì)監(jiān)測(cè)站儀器設(shè)備配備、人員編制難以滿足當(dāng)前的監(jiān)測(cè)需求，村級(jí)水廠成為監(jiān)測(cè)盲區(qū)，存在飲水安全風(fēng)險(xiǎn); 同時(shí)由于水廠自行監(jiān)測(cè)能力不足，基本未配置在線監(jiān)測(cè)，僅便攜式對(duì)余氯/濁度/色度/pH值進(jìn)行監(jiān)測(cè)。另一方面，現(xiàn)階段監(jiān)測(cè)頻次低，1000 t以上水廠一季度一次，其余半年一次;水廠自行監(jiān)測(cè)能力不足，監(jiān)測(cè)覆蓋不全，僅出廠水進(jìn)行一周3次的監(jiān)測(cè)；末梢水監(jiān)測(cè)頻次低于一周1次，甚至未進(jìn)行監(jiān)測(cè)；水源水基本未進(jìn)行監(jiān)測(cè), 因此，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)超標(biāo)情況，存在飲水安全風(fēng)險(xiǎn),突發(fā)事故應(yīng)急能力薄弱, 供水應(yīng)急能力建設(shè)滯后。

3.2 研究區(qū)農(nóng)飲水智慧監(jiān)測(cè)方案

A縣農(nóng)飲水監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀主要以人工監(jiān)測(cè)為主，特別在采樣和監(jiān)測(cè)方面占用了大量的人力資源和設(shè)備資源、人工檢測(cè)時(shí)間和精力有限檢測(cè)頻次低、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目受限，人工采樣受時(shí)間、空間、成本限制、人工檢測(cè)成本較高，同時(shí)無法快速、批量性的出具監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)A縣農(nóng)飲水的監(jiān)管監(jiān)測(cè)力度不足。針對(duì)這一現(xiàn)狀，在2022年4月份，根據(jù)A縣農(nóng)飲水環(huán)境現(xiàn)狀和水廠分布實(shí)際情況，按照科學(xué)設(shè)計(jì)、合理布局原則，分別在9個(gè)水廠的水源水、出廠水、網(wǎng)末梢水布設(shè)共安裝了20個(gè)智能管控終端，建設(shè)了1座AI自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室，1個(gè)可視化監(jiān)管平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采樣、自動(dòng)監(jiān)測(cè)、全過程溯源留痕的監(jiān)測(cè)體系。

3.3 智能檢測(cè)終端

水源水配置水溫、pH值、濁度在線監(jiān)測(cè)，地下水水源增加配置電導(dǎo)率在線監(jiān)測(cè)；出廠水、末梢水配置水溫、 pH值、濁度、余氯在線監(jiān)測(cè)。采樣使用等時(shí)等比例自動(dòng)采集水樣，采樣的同時(shí)進(jìn)行在線參數(shù)的監(jiān)測(cè)，目前每4 h進(jìn)行1次監(jiān)測(cè)。

3.4 AI自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室

AI自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室具備28個(gè)指標(biāo)的全自動(dòng)檢測(cè)能力，其中常規(guī)指標(biāo)25個(gè)：砷、鎘、鉻(六價(jià))、鉛、汞、氰化物、氟化物、硝酸鹽(以N計(jì))、色度(鉑鈷色度單位)、鋁、鐵、錳、銅、鋅、氯化物、硫酸鹽、總硬度、高錳酸鹽指數(shù)、揮發(fā)酚類、陰離子合成洗滌劑、硫化物、氨氮、總磷、總氮、化學(xué)需氧量；微生物指標(biāo)3個(gè)：總大腸菌群、大腸埃希氏菌，并且預(yù)留了擴(kuò)展空間。常規(guī)指標(biāo)日檢測(cè)量均能達(dá)50個(gè)樣，微生物指標(biāo)日檢測(cè)量均能達(dá)20個(gè)樣。

3.5 運(yùn)行效果

3.5.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)A縣的實(shí)際情況，不同水源類型采用不同的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。詳見表4評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)及指標(biāo)。

表4 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及指標(biāo)

3.5.2 檢測(cè)成果分析

A縣農(nóng)飲水AI自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室自2022年4～5月份，對(duì)9個(gè)水廠和7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)飲水鋁、鉻(六價(jià))、汞、硝酸鹽、硫酸鹽、氨氮、色度、砷、鐵、化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、錳、總硬度、氯化物、氟化物、氰化物16個(gè)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，共接收500余個(gè)水樣。

(1)水廠檢測(cè)分析成果。AI實(shí)驗(yàn)室4～5月份接收9個(gè)水廠水源水、出廠水、末梢水共計(jì)400多個(gè)水樣，檢測(cè)5000余條數(shù)據(jù)。9個(gè)水廠出廠水，均出現(xiàn)超標(biāo)情況，超標(biāo)因子主要為：鋁、色度、錳。

水源水到出廠水鋁濃度由達(dá)標(biāo)變?yōu)槌瑯?biāo)，原因是水處理過程中，鋁鹽絮凝劑導(dǎo)致。建議：①鋁鹽絮凝效果和水源水pH值有密切關(guān)系，但pH值會(huì)有一定波動(dòng)，目前智能管控終端已實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)pH值，水廠可根據(jù)pH值變化情況，改變鋁鹽絮凝劑的添加劑量，以改善絮凝效果，從而降低鋁濃度。②根據(jù)水源水智能管控終實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的渾濁度，計(jì)算出最合理的鋁鹽加入量，避免過多加入，導(dǎo)致鋁濃度升高。

2個(gè)水廠錳超標(biāo)的原因一方面是水源水本身錳的含量就比較高，另一方是水廠的凈化錳的能力有待提升，雖經(jīng)過水廠處理后，錳含量有一定降低，但出廠水仍超標(biāo)，目前僅2個(gè)月數(shù)據(jù)，無法判定和季節(jié)性是否有關(guān)。建議一方面從水源水出發(fā)，找到影響水源水錳的因素，另一方面改良水廠工藝提升水廠對(duì)錳的凈化能力。

(2)鄉(xiāng)鎮(zhèn)分析成果。AI實(shí)驗(yàn)室4～5月份接收A縣共7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，分別對(duì)1000人以下121個(gè)飲水點(diǎn)檢測(cè)，檢測(cè)近2000條數(shù)據(jù)。達(dá)標(biāo)79個(gè)，達(dá)標(biāo)率65.3%；主要超標(biāo)色度、鐵、鋁。達(dá)標(biāo)率低的原因?yàn)檫@7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的集中供水點(diǎn)來水為井水、泉水、湖水等，未經(jīng)過處理且容易受到污染，建議應(yīng)加強(qiáng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)飲用水規(guī)范管理，排查并控制污染源，并加強(qiáng)集中式水廠供水。

4 結(jié)論

提出的基于人工智能的農(nóng)村飲用水水質(zhì)智慧監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種新型的“采、運(yùn)、測(cè)、管”模式，是一種多時(shí)空、高序列、全鏈條的水質(zhì)監(jiān)測(cè)模式。很好地解決了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)中的痛點(diǎn)問題：大批量樣品，任務(wù)重，人力資源成本高；對(duì)檢測(cè)人員的化學(xué)專業(yè)技能要求高，人才難覓；檢測(cè)人員流動(dòng)性大，新人培養(yǎng)成本高，且難以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量；部分監(jiān)測(cè)項(xiàng)目人工分析流程復(fù)雜；部分監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分析所需試劑劇毒，對(duì)檢測(cè)人員身體有害等具體問題。

基于人工智能的農(nóng)村飲用水水質(zhì)智慧監(jiān)測(cè)技術(shù)在三峽庫(kù)區(qū)A縣的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)其農(nóng)飲水工程進(jìn)行全覆蓋檢測(cè)，摸清其農(nóng)飲水水質(zhì)情況，并深度分析，為提升A縣農(nóng)飲水質(zhì)量提供參考及方案，從而提升全縣農(nóng)村飲用水質(zhì)量。