李文攀，周 密，白 雪，姚志鵬，陳亞男

中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

集中式飲用水水源地水質(zhì)預(yù)警指標(biāo)體系構(gòu)建

李文攀，周 密，白 雪，姚志鵬，陳亞男

中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

飲用水水源地水質(zhì)預(yù)警是建立健全飲用水安全保障體系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，構(gòu)建水源地水質(zhì)預(yù)警指標(biāo)體系是水源地監(jiān)控預(yù)警工作的重要基礎(chǔ)。系統(tǒng)分析了常規(guī)水質(zhì)在線、生物毒性在線、衛(wèi)星遙感、人工巡視等水質(zhì)預(yù)警監(jiān)測技術(shù)手段，并分析比較了各方法的優(yōu)缺點(diǎn)。以此為基礎(chǔ)，遵循水源地預(yù)警指標(biāo)體系構(gòu)建原則與實(shí)際需求，統(tǒng)籌兼顧，提出了建立以常規(guī)理化-生物毒性在線監(jiān)測相結(jié)合，遙感監(jiān)測與人工巡查相統(tǒng)籌的一體化水源地水質(zhì)預(yù)警指標(biāo)體系，為水源地水質(zhì)預(yù)警監(jiān)控工作提供合理的、科學(xué)的技術(shù)支撐。

飲用水水源地；水質(zhì)預(yù)警；指標(biāo)體系

近年來，我國水污染事故頻發(fā)，嚴(yán)重影響到飲用水水源安全，威脅群眾健康。因水源污染導(dǎo)致居民飲水困難或多日斷水等重大社會(huì)問題的報(bào)道也是屢見不鮮，如2005年松花江水污染事件、2007年無錫市太湖水體黑臭事件、2012年廣西龍江河鎘污染事件、2012年山西長治市某煤化工廠苯胺泄漏入河事件等[1-2]，均對區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)和諧穩(wěn)定造成不利影響。

水污染事故發(fā)生的成因越來越復(fù)雜，其特點(diǎn)呈現(xiàn)污染類型多元化、危害程度加劇化、影響范圍擴(kuò)大化。如何在事故發(fā)生的“第一時(shí)間”實(shí)現(xiàn)預(yù)警并采取有效措施至關(guān)重要，選取科學(xué)合理的預(yù)警監(jiān)測指標(biāo)有助于及時(shí)識(shí)別突發(fā)水質(zhì)污染和水質(zhì)異常[3]。因此，構(gòu)建集中式飲用水水源地水質(zhì)預(yù)警指標(biāo)體系，及時(shí)監(jiān)控水源污染并準(zhǔn)確識(shí)別污染物類型，是當(dāng)前水源水質(zhì)管理的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)工作。

1 預(yù)警監(jiān)測

1.1 常規(guī)理化在線監(jiān)測預(yù)警

目前，我國對水源地水質(zhì)的監(jiān)測預(yù)警主要采用常規(guī)理化指標(biāo)在線監(jiān)測方法。監(jiān)測指標(biāo)主要包括常規(guī)5個(gè)參數(shù)(pH、水溫、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度)、高錳酸鹽指數(shù)、總有機(jī)碳、氨氮，部分湖、庫站點(diǎn)增設(shè)總氮、總磷和葉綠素等監(jiān)測項(xiàng)目，少數(shù)站點(diǎn)正在開展重金屬、生物毒性、揮發(fā)性有機(jī)污染物(VOCs)和糞大腸菌群的試點(diǎn)監(jiān)測[4]。

作為衡量水體污染物濃度高低的標(biāo)尺，在線監(jiān)測指標(biāo)的選擇十分重要。pH對酸堿污染發(fā)生和藻類生長的判斷效果明顯。溶解氧是反映水體質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，特別是受到有機(jī)物污染和藻類異常生長的地表水體，典型案例是2007年至今的太湖藍(lán)藻預(yù)警監(jiān)測。電導(dǎo)率常作為水體中無機(jī)物污染的綜合預(yù)警指標(biāo)。氧化還原電位可以有效地針對水體中高濃度的還原性無機(jī)物氰和砷污染進(jìn)行預(yù)警，對高濃度金屬污染也較為有效。濁度和氮磷等指標(biāo)可實(shí)時(shí)監(jiān)測水源地附近農(nóng)業(yè)源、工業(yè)點(diǎn)源和生活源的侵入。高錳酸鹽指數(shù)可以綜合反映水體中還原性有機(jī)物的污染程度，2001年夏季淮河干流就成功預(yù)警了某大型有機(jī)污染團(tuán)的下泄遷移。監(jiān)測指標(biāo)除了用于表征水源地水體基本的環(huán)境質(zhì)量和狀態(tài)外，還是指導(dǎo)水廠調(diào)整相關(guān)運(yùn)行參數(shù)及運(yùn)行方式的關(guān)鍵指標(biāo)。

相對于常規(guī)理化指標(biāo)而言，毒理學(xué)指標(biāo)的在線監(jiān)測具有較強(qiáng)的目的性和指向性。指標(biāo)選取要綜合考慮流域重金屬礦產(chǎn)分布、加工企業(yè)排放等風(fēng)險(xiǎn)源以及指標(biāo)急慢性毒性強(qiáng)度。如，廣東省西江和北江流域受皮革鞣制、金屬表面處理等加工行業(yè)影響，曾發(fā)生鎘、鉻等重金屬污染事故，給流域水質(zhì)及生態(tài)環(huán)境造成了較大影響。

但是，常規(guī)理化指標(biāo)在線監(jiān)測還存在著諸多不足。首先，指標(biāo)限值與人體健康很難建立對應(yīng)關(guān)系。氮、磷等營養(yǎng)鹽類指標(biāo)對人體健康沒有實(shí)質(zhì)性威脅，原水溶解氧、濁度和pH變化并不影響供水安全。其次，安全預(yù)警指標(biāo)體系不完善。受指標(biāo)范圍所限，有很多毒害污染物未納入我國水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，而常規(guī)在線監(jiān)測針對毒害指標(biāo)的預(yù)警響應(yīng)并不顯著，特別是多種污染物并存發(fā)生的聯(lián)合毒性污染事故[5]。

1.2 生物毒性在線監(jiān)測預(yù)警

生物毒性監(jiān)測可以綜合多種有毒物質(zhì)的相互作用，利用毒害物質(zhì)濃度與生物應(yīng)激效應(yīng)之間的響應(yīng)關(guān)系對污染物的毒性進(jìn)行判定，是一種應(yīng)用于有毒物質(zhì)污染事件的在線監(jiān)控預(yù)警的有效技術(shù)手段。生物在線毒性監(jiān)測方法主要包括發(fā)光細(xì)菌、藻類、蚤類、魚類、微生物傳感器等[6]。目前，一些歐美發(fā)達(dá)國家對生物對線監(jiān)測領(lǐng)域的研究已較為成熟，且廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測，我國在這方面雖起步較晚，但也取得了一定的研究成果，并在一些地區(qū)開展了示范應(yīng)用。

發(fā)光細(xì)菌法是利用在正常生理?xiàng)l件下能夠發(fā)射可見熒光的細(xì)菌，通過光點(diǎn)檢測系統(tǒng)測試發(fā)光強(qiáng)度變化以實(shí)現(xiàn)水質(zhì)急性毒性監(jiān)測的方法[7]。由于毒物具有抑制發(fā)光的作用，發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光強(qiáng)度有所改變，變化的程度與毒性物質(zhì)的濃度在一定范圍內(nèi)呈相關(guān)關(guān)系，同時(shí)與該物質(zhì)的毒性大小有關(guān)。該方法靈敏度高，操作簡便，且應(yīng)用廣泛，常被作為污染毒性預(yù)警。

藻類分析法以水藻作為探測生物，檢測毒性污染物對水藻光合作用的影響。利用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)連續(xù)檢測被測水樣，一旦水體受到毒性物質(zhì)侵害，藻類光合作用減弱，活性降低，毒性強(qiáng)弱可根據(jù)平行對比水樣測定的藻類活性差異而得知。藻類在水生態(tài)系統(tǒng)中常被用作化學(xué)品毒性測試，特別是重金屬離子的毒性測試。

蚤類分析法通過蚤類游動(dòng)速度、高度和軌跡等活動(dòng)特性的變化，進(jìn)行水體毒性判斷。其中大型蚤是國際公認(rèn)的毒性實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)生物。因其方法具有敏感、快速、廉價(jià)、方便等優(yōu)點(diǎn)，已被許多國家廣泛應(yīng)用于環(huán)境污染評價(jià)上。

魚類在進(jìn)化過程中對毒性反應(yīng)敏感，是比較理想的生物毒性測試對象。當(dāng)水體中的污染物達(dá)到一定濃度時(shí)，就會(huì)引起一系列中毒反應(yīng)，如行為異常、生理功能紊亂、組織細(xì)胞病變、甚至死亡?？傮w來說，該方法均以魚類活動(dòng)能力的改變來反映水體毒性大小，只是在監(jiān)測與判定方法上有所不同。

微生物傳感器法由固定化微生物、換能器和信號輸出裝置組成，微生物活體作為分子識(shí)別敏感材料固定與電機(jī)表面構(gòu)成的一種生物傳感器，可以達(dá)到測試有毒物質(zhì)綜合毒性的方法。常見的生物活體包括細(xì)菌、真菌、酵母菌和動(dòng)物細(xì)胞等，具有靈敏、檢測速度快、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)[8]。

鑒于生物個(gè)體的生理局限和敏感程度，使用單一生物進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測時(shí)會(huì)存在“誤報(bào)警”情況。因此，應(yīng)用多通道或多物種在線預(yù)警技術(shù)能夠更為全面、準(zhǔn)確地反映水源水質(zhì)污染事故中不同污染物的危害與疊加影響，是生物預(yù)警技術(shù)研究的一個(gè)重要方向。由此可見，生物毒性在線監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于水質(zhì)預(yù)警同樣存在一定的局限性：不同種類的水生生物對造成水質(zhì)污染的有毒物質(zhì)的響應(yīng)差別巨大[9]；生物毒性預(yù)警能指示“異常”事件的發(fā)生，但從定量角度確定污染因子能力較弱；生物監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)體系不健全，技術(shù)監(jiān)督與儀器質(zhì)檢有待加強(qiáng)。

1.3 遙感監(jiān)測預(yù)警

遙感監(jiān)測是利用遙感技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測的技術(shù)方法。其技術(shù)應(yīng)用已從最初的單純的水域識(shí)別發(fā)展到對水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行遙感監(jiān)測，從而達(dá)到水質(zhì)預(yù)警的目的。隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展和對水質(zhì)參數(shù)光譜特征及算法研究的不斷深入，遙感監(jiān)測水質(zhì)逐漸從定性發(fā)展到定量，并且通過遙感可監(jiān)測的水質(zhì)參數(shù)種類逐漸增加，可以實(shí)現(xiàn)對水源水體富營養(yǎng)化、懸浮物、石油類和有色可溶性有機(jī)物等污染指標(biāo)的預(yù)警監(jiān)測[10]。此外，遙感監(jiān)測可生成高清晰圖像，直觀辨別污染源、排污口、可見漂浮物等，實(shí)現(xiàn)對水源特征污染物監(jiān)視性監(jiān)測的目的，為水源預(yù)警監(jiān)控提供基礎(chǔ)信息。

遙感技術(shù)應(yīng)用于水源水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警具有監(jiān)測范圍廣、速度快、成本低和便于長期動(dòng)態(tài)監(jiān)測的優(yōu)勢，同時(shí)還能發(fā)現(xiàn)一些常規(guī)方法難以揭示的污染源和污染遷移特征。近些年，遙感技術(shù)已廣泛應(yīng)用于我國“三湖一庫”的藍(lán)藻水華預(yù)警監(jiān)測，為大型水源地水質(zhì)預(yù)警監(jiān)測提供了大量詳實(shí)的信息[11]?？梢哉f，無人機(jī)低空遙感、衛(wèi)星通信、地理信息服務(wù)等高新技術(shù)應(yīng)用于大型水源地水質(zhì)預(yù)警監(jiān)測工作方面前景廣闊。

可以說，利用遙感技術(shù)監(jiān)測預(yù)警水源水質(zhì)污染已取得一定進(jìn)展，但仍需在以下方面進(jìn)一步開展研究：深化研究污染物指標(biāo)(如可溶性有機(jī)物、COD、總氮等)的光譜特征，完善水環(huán)境遙感監(jiān)測的指標(biāo)體系，形成系統(tǒng)完備的監(jiān)測技術(shù)方法體系；建立完善遙感水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警分類模型與事故響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)流程，提高遙感預(yù)警監(jiān)測實(shí)效；提高水質(zhì)參數(shù)遙感反演的評價(jià)精度，最大程度避免環(huán)境及大氣因素造成的模糊影響[12]。

1.4 人工巡視監(jiān)測

與常規(guī)監(jiān)測手段相比，人工巡視更為關(guān)注水源水體在嗅、味、色等感官類指標(biāo)以及表層生物聚集態(tài)等生物指標(biāo)，經(jīng)濟(jì)性高、方式靈活、可操作性強(qiáng)，其表征結(jié)果準(zhǔn)確、直觀、貼近群眾感受。近年來，水源水污染事故頻發(fā)，因感官類指標(biāo)超標(biāo)引起的污染事件已占據(jù)較大比重。常規(guī)監(jiān)測均以現(xiàn)有環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系為框架，而我國現(xiàn)行地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中很多感官類指標(biāo)并未納入，亦無相關(guān)評價(jià)規(guī)范予以支持。此外，在水域面積較大、水體流速不充分以及自動(dòng)監(jiān)測站點(diǎn)布設(shè)不夠密集等條件下，自動(dòng)在線監(jiān)測往往很難及時(shí)“捕捉”到污染事件，預(yù)警事故發(fā)生難度很大。因此，利用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)體系來實(shí)現(xiàn)此類指標(biāo)的監(jiān)測預(yù)警就顯得捉急見肘，人工巡視手段是預(yù)警指標(biāo)體系必要的有力補(bǔ)充。

人工巡視應(yīng)把握“抓點(diǎn)顧面”原則，緊緊抓住對水源水體造成潛在威脅的重點(diǎn)污染源。實(shí)施人工巡視，往往要與公路、水運(yùn)航道等交通道路相結(jié)合，這些地點(diǎn)已成為工業(yè)化學(xué)品運(yùn)輸遺灑、燃料泄漏、危廢傾倒等行為的高發(fā)地段。通過人工巡視，強(qiáng)化對關(guān)鍵交通路口、干線、峽灣地帶的日常巡查，充分發(fā)揮在控制點(diǎn)源污染的機(jī)動(dòng)性，可以實(shí)現(xiàn)對人為污染事件的有效預(yù)警。

受限于經(jīng)濟(jì)條件、人員隊(duì)伍等因素，人工巡視往往不被重視，認(rèn)為其方式老套、費(fèi)時(shí)費(fèi)力。事實(shí)證明，很多水源污染事件都是由人首先發(fā)現(xiàn)并發(fā)出預(yù)警信號，進(jìn)而采取有效控制措施，保障飲水安全，特別在越來越多的感官類指標(biāo)事故中作用顯著。此外，應(yīng)充分發(fā)揮群眾力量，積極引導(dǎo)廣大社會(huì)公眾參與其中，讓每個(gè)人都成為水源安全監(jiān)管的一雙眼。

2 方法比較

水質(zhì)預(yù)警監(jiān)測工作是一個(gè)系統(tǒng)性強(qiáng)、復(fù)雜因素多的龐大工程，這就需要多種預(yù)警監(jiān)測技術(shù)予以支撐，只依靠某種單一方式很難滿足安全預(yù)警的目的。不同的監(jiān)測手段有不同的實(shí)施方式與條件，監(jiān)測指標(biāo)的側(cè)重點(diǎn)也有較大差異，各有其特點(diǎn)(見表1)。針對越來越多的復(fù)合型水源污染，預(yù)警指標(biāo)的選擇應(yīng)系統(tǒng)分析水源風(fēng)險(xiǎn)，分析對比方式差異，取長補(bǔ)短，相輔相成。

目前，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)預(yù)警的技術(shù)方法主要有常規(guī)水質(zhì)在線、生物毒性在線、遙感監(jiān)測、人工巡視等。其中，常規(guī)水質(zhì)在線的應(yīng)用最為普遍，已在全國各流域建設(shè)了近2 000個(gè)自動(dòng)站點(diǎn)；其余技術(shù)手段應(yīng)用情況不盡相同，所取得的效果也略有差異。

3 預(yù)警指標(biāo)體系構(gòu)建

水源地水質(zhì)預(yù)警以集中式飲用水水源地為預(yù)警對象，連同集水區(qū)在內(nèi)作為研究控制區(qū)域，所對應(yīng)的預(yù)警指標(biāo)為一個(gè)多目標(biāo)、多層次的指標(biāo)體系[13]。飲用水水源地安全問題涉及因素眾多:既有自然屬性的指標(biāo),又社會(huì)屬性的指標(biāo);既有動(dòng)態(tài)的指標(biāo),又有靜態(tài)的指標(biāo);既有定性的指標(biāo),又有定量的指標(biāo)[14]?？梢哉f，飲用水水源地水質(zhì)預(yù)警指標(biāo)體系是由一系列相互聯(lián)系的能敏感地反映水源水環(huán)境質(zhì)量系統(tǒng)與外部環(huán)境秩序狀況的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)、因素有機(jī)結(jié)合所構(gòu)成的整體，必須反映出這些特點(diǎn)及其相互之間的內(nèi)在聯(lián)系。

表1 預(yù)警監(jiān)測技術(shù)方法比較

預(yù)警指標(biāo)體系構(gòu)建應(yīng)當(dāng)滿足及時(shí)預(yù)警和準(zhǔn)確識(shí)別污染物的要求，既要抓住反映水源客觀狀況的環(huán)境質(zhì)量預(yù)警，也要評估污染源和潛在污染物的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。綜合考慮水源潛在風(fēng)險(xiǎn)源、流域特征污染物、技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件等因素，最大程度保障水源水質(zhì)安全。通過理論分析、實(shí)踐驗(yàn)證和形勢研判，提出建立以常規(guī)理化-生物毒性在線監(jiān)測相結(jié)合，遙感監(jiān)測與人工巡視相統(tǒng)籌的一體化水源地水質(zhì)預(yù)警指標(biāo)體系(見表2)，可為水源環(huán)境管理提供基礎(chǔ)技術(shù)支撐。

表2 集中式飲用水水源地水質(zhì)預(yù)警指標(biāo)體系

該指標(biāo)體系構(gòu)建遵循科學(xué)性、全面性和可操作性等原則，是一種理想狀態(tài)下滿足水源水質(zhì)安全預(yù)警要求的指標(biāo)框架體系。通過強(qiáng)化水質(zhì)自動(dòng)在線監(jiān)測，突出預(yù)警時(shí)效性與準(zhǔn)確性，達(dá)到生物指標(biāo)響應(yīng)定性、理化指標(biāo)識(shí)物定量的客觀要求，實(shí)現(xiàn)對水質(zhì)的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測和遠(yuǎn)程監(jiān)控[15]。遙感與巡視2種方式特點(diǎn)鮮明、針對性強(qiáng)，特別是在水面范圍大、地形復(fù)雜、存在交通穿越行為的飲用水水源地的監(jiān)測中作用突出，是自動(dòng)監(jiān)測預(yù)警手段的必要補(bǔ)充。

4 結(jié)論

作為水源地水質(zhì)監(jiān)管工作的重要基礎(chǔ)，常規(guī)理化-生物毒性在線-遙感-巡視綜合預(yù)警指標(biāo)體系的建立尤為迫切、重要。通過生物毒性與常規(guī)理化多指標(biāo)協(xié)同在線監(jiān)測能夠?qū)崿F(xiàn)及時(shí)預(yù)警與識(shí)別量化，加上遙感與巡視在大型水體與存在交通穿越行為方面的特殊優(yōu)勢，預(yù)警指標(biāo)體系構(gòu)建較為完善，可為水源地預(yù)警監(jiān)控提供科學(xué)合理的技術(shù)支撐。但應(yīng)該看到，水質(zhì)在線預(yù)警監(jiān)控還僅限于常規(guī)化學(xué)污染和急性毒性物質(zhì)污染，而針對絕大部分內(nèi)分泌干擾物、病原微生物、“三致”物質(zhì)等慢性毒性物質(zhì)甄別能力十分有限,應(yīng)盡快完善生物毒性在線監(jiān)測的標(biāo)準(zhǔn)體系和質(zhì)量控制體系，以保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的精確可比。此外，應(yīng)積極引導(dǎo)公眾參與，建立全民協(xié)作參與水源預(yù)警的良好機(jī)制。

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Research on Water Quality Early-warning Index System of Drinking Water Source Area

LI Wenpan, ZHOU Mi, BAI Xue, YAO Zhipeng, CHEN Yanan

The State Key Laboratory of Environmental Monitoring Quality Control，China Environmental Monitoring Centre，Beijing 100012,China

Water quality early-warning is a key link in the process of establishing security system of drinking water source area, and building water quality early warning index system is an important basis of water monitoring and early warning. Four methods for water quality early-warning Are introduced by systematically comparing advantages and disadvantages of each methods. The index system is established by following the principle and actual demand of early-warning index, which include physicochemical index on-line, and biological toxicity index on-line with the combination mode of satellite remote sensing and manual inspection. The research serves as a technological support for scientifically early-warning and monitoring work.

drinking water source area；water quality early-warning；index system

2014-10-08;

2015-08-26

環(huán)境保護(hù)部環(huán)境質(zhì)量監(jiān)督管理項(xiàng)目(2039001004)

李文攀(1983-)，男，北京人，碩士，工程師。

周 密

X830.7

A

1002-6002(2016)01- 0128- 05