飲用水源水質(zhì)安全預(yù)警監(jiān)控體系框架構(gòu)建

飲用水源水質(zhì)安全預(yù)警監(jiān)控體系框架構(gòu)建

20世紀(jì)90年代以來(lái)，中國(guó)飲用水安全存在突出問(wèn)題。水量逐漸減少，水質(zhì)一般惡化。資源型和水質(zhì)類型并存。2005年全國(guó)城市集中式飲用水水源地基礎(chǔ)環(huán)境調(diào)查顯示,水源地生態(tài)環(huán)境惡化,農(nóng)村生活垃圾、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)田徑流等非點(diǎn)源污染嚴(yán)重,有機(jī)污染物檢出率較高,水環(huán)境事件頻發(fā),造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí),水源水質(zhì)監(jiān)測(cè)能力整體薄弱,監(jiān)測(cè)只覆蓋大中城市的集中式飲用水源,少數(shù)較發(fā)達(dá)地區(qū)開(kāi)展了水源水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè);對(duì)突發(fā)性水污染事故理論研究不夠透徹,缺乏應(yīng)對(duì)突發(fā)性事件的技術(shù)支持,應(yīng)急監(jiān)測(cè)能力薄弱,應(yīng)急設(shè)備和專業(yè)人員不足,應(yīng)急監(jiān)測(cè)技術(shù)不規(guī)范,導(dǎo)致事故處置缺乏實(shí)效性。由此可見(jiàn),建立健全飲用水源水質(zhì)安全預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)已刻不容緩。1為飲用水水源水質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)預(yù)算1.1水源水質(zhì)安全預(yù)警模型預(yù)警是對(duì)危機(jī)或危險(xiǎn)狀態(tài)的一種預(yù)前信息警報(bào)或警告。飲用水源水質(zhì)安全預(yù)警,是對(duì)飲用水源水質(zhì)的現(xiàn)狀和未來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè),確定水質(zhì)狀況及其變化趨勢(shì)(變化速度及達(dá)到某一變化限度的時(shí)間等),預(yù)報(bào)異常情況的時(shí)空范圍和可能危害程度,尤其針對(duì)由人類活動(dòng)所導(dǎo)致的水質(zhì)惡化,適時(shí)地給出變化或惡化的各種警戒信息及相應(yīng)的綜合性對(duì)策,即對(duì)已出現(xiàn)的問(wèn)題提出解決措施,對(duì)即將出現(xiàn)的問(wèn)題給出防范措施及相應(yīng)級(jí)別的警戒信息。水源水質(zhì)安全預(yù)警系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)與水源水質(zhì)有關(guān)的警情、警源的現(xiàn)狀分析與評(píng)價(jià),利用定性定量相結(jié)合的預(yù)警模型或方法確定其變化的趨勢(shì)和速度,以形成對(duì)突發(fā)性或長(zhǎng)期性警情的預(yù)報(bào),從而達(dá)到以排除警患為目的的系統(tǒng)。在實(shí)際研究中,水源水質(zhì)預(yù)警一般分為漸變式預(yù)警和突發(fā)性預(yù)警兩種類型。漸變式預(yù)警注重對(duì)環(huán)境影響因子變化趨勢(shì)的分析、預(yù)測(cè),并考慮未來(lái)多種不確定因素影響;突發(fā)性預(yù)警要求系統(tǒng)能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)及時(shí)提供預(yù)警信息,有快速反應(yīng)的能力。1.2建立分析預(yù)警機(jī)制水源水質(zhì)安全預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)多目標(biāo)系統(tǒng),不僅包含對(duì)某一時(shí)刻的預(yù)警,而且包括對(duì)某段時(shí)間變化趨勢(shì)的預(yù)警。通過(guò)對(duì)水源地風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別、評(píng)估、評(píng)價(jià),建立預(yù)警指標(biāo)體系,從而監(jiān)測(cè)水質(zhì)偏離預(yù)警閾值的程度,發(fā)出預(yù)警信號(hào),并采取預(yù)防、預(yù)控措施的綜合系統(tǒng)。水源水質(zhì)安全預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)由基礎(chǔ)信息層、預(yù)警分析層和決策應(yīng)用層構(gòu)成,如圖1所示。1.2.1動(dòng)物數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和分析數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)信息層主要由基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)、模型庫(kù)、評(píng)價(jià)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)構(gòu)成,主要要素包括水源地基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)、用于預(yù)警預(yù)測(cè)的水環(huán)境模型及評(píng)價(jià)方法、歷史資料和專家意見(jiàn)等。水源地的基礎(chǔ)信息通過(guò)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)獲取,并根據(jù)各流域水源地的水質(zhì)狀況,重點(diǎn)對(duì)水源水質(zhì)主要污染指標(biāo)或?qū)Ξ?dāng)?shù)厝巳航】涤杏绊懙奶卣魑廴疚锖透粻I(yíng)養(yǎng)化指標(biāo),進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理,以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠性的實(shí)時(shí)在線分析處理等。模型庫(kù)包括水動(dòng)力模型(一維與多維、恒定流與非恒定流等)、水質(zhì)模型(穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)、簡(jiǎn)單水質(zhì)與復(fù)雜生態(tài)模型等)、水質(zhì)評(píng)價(jià)模型(單因子、多因子、模糊評(píng)價(jià)等);知識(shí)庫(kù)主要包括歷史上相關(guān)資料數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、匯編,專家的意見(jiàn)和建議等?；A(chǔ)信息層通過(guò)集成預(yù)警系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)和光學(xué)技術(shù),聯(lián)合交叉運(yùn)用“5S”技術(shù)(遙感(RS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、專家系統(tǒng)(ES)、三維分析可視化(VS)),實(shí)現(xiàn)水源地的動(dòng)態(tài)信息的采集、加工、查詢、維護(hù)及可視功能。具體子數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括:(1)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù);(2)水質(zhì)手工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù);(3)污染源數(shù)據(jù)庫(kù);(4)水源地屬性資料庫(kù);(5)模型輸入輸出數(shù)據(jù)庫(kù);(6)預(yù)報(bào)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù);(7)河道、湖庫(kù)地形資料庫(kù);(8)污染事故資料庫(kù);(9)圖形庫(kù)和圖像庫(kù)等。1.2.2數(shù)學(xué)模型在預(yù)警系統(tǒng)中的應(yīng)用預(yù)警分析層是整個(gè)預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)的核心,系統(tǒng)只有建立在定量的基礎(chǔ)上,才具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)可操作性。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)將數(shù)學(xué)模型應(yīng)用到預(yù)警系統(tǒng)中,可以將定性說(shuō)明的問(wèn)題定量化,使預(yù)警系統(tǒng)更加完善。依托基礎(chǔ)信息平臺(tái),調(diào)用在“5S”技術(shù)支持下建立的各種空間及屬性數(shù)據(jù)庫(kù)、水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)模型庫(kù),通過(guò)水質(zhì)模型與GIS動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián),準(zhǔn)確追蹤污染源、模擬流場(chǎng)和濃度場(chǎng)時(shí)空變化,進(jìn)行水質(zhì)預(yù)警過(guò)程模擬,形成可視化預(yù)測(cè)結(jié)果。1.2.3水環(huán)境效益分析功能決策支持層是構(gòu)筑在基礎(chǔ)信息層和預(yù)警分析層之上的智能化系統(tǒng),主要功能是對(duì)水源地水環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行綜合分析和輔助決策;以水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)、水體污染預(yù)報(bào)、警報(bào)、企業(yè)排污超標(biāo)警報(bào)、水資源調(diào)配建議方案、排警建議等形式輸出,為水源安全供水和管理提供必要的決策支持服務(wù)。2指標(biāo)體系設(shè)置指標(biāo)體系的建立,遵循水源水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)控制的原則,在水環(huán)境-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)復(fù)合系統(tǒng)的視角下,基于水源保護(hù)的系統(tǒng)要求,建立水源水質(zhì)安全預(yù)警監(jiān)控指標(biāo)體系,如表1所示。指標(biāo)體系按照目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、因素層、指標(biāo)層設(shè)置,其中準(zhǔn)則層、因素層是指標(biāo)體系概念框架的核心,體現(xiàn)了水源水質(zhì)預(yù)警監(jiān)控中警情診斷和警兆識(shí)別兩個(gè)重要組成部分。將指標(biāo)分為宏觀、中觀和微觀指標(biāo)體系3個(gè)層面,給出不同的評(píng)價(jià)等級(jí)以及相應(yīng)的預(yù)警閾值,在此基礎(chǔ)上再建立不同的預(yù)警級(jí)別。既從區(qū)位條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、污染負(fù)荷、生態(tài)破壞力等驅(qū)動(dòng)力、壓力角度,又從生態(tài)健康、服務(wù)功能、環(huán)境監(jiān)管和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等狀態(tài)和響應(yīng)角度考慮模型涉及的環(huán)境因子在區(qū)域或流域尺度上的中、長(zhǎng)期變化,以實(shí)現(xiàn)預(yù)警模型在不同方向和層面上的宏觀整合。指標(biāo)層的篩選遵循科學(xué)性、代表性、針對(duì)性、可度量性、易獲取性的原則。實(shí)際中可根據(jù)具體的情況優(yōu)化調(diào)整。2.1典型污染指標(biāo)分析警兆指標(biāo)是辨識(shí)警情發(fā)生前所表現(xiàn)出來(lái)的征兆,又稱先導(dǎo)指標(biāo)或先行指標(biāo)。無(wú)論是長(zhǎng)期預(yù)警還是緊急污染事件預(yù)警,及時(shí)有效的識(shí)別警兆是保證預(yù)警成功的首要前提,因此應(yīng)特別關(guān)注一些典型或特征污染指標(biāo)在區(qū)域水環(huán)境中的變化情況。由生態(tài)安全、環(huán)境監(jiān)管和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)構(gòu)成。2.1.1飲用水水源地的社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件飲用水水源地“環(huán)境稟賦”是通過(guò)對(duì)飲用水水源地的自然、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)基本條件的評(píng)估,從而判斷水源地環(huán)境條件是否異常的基礎(chǔ)指標(biāo)。其中自然條件主要包括飲用水水源地區(qū)位、水資源條件等,社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件主要包括飲用水水源地周邊人口密度、土地利用和工業(yè)增加值等?！碍h(huán)境稟賦”主要分成“區(qū)位條件”、“水資源條件”、“水質(zhì)自然條件”、“區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)”4項(xiàng)分指標(biāo)。區(qū)位條件分指標(biāo)是評(píng)估水源地選址的合理性;水資源條件分指標(biāo)是對(duì)水資源開(kāi)發(fā)利用狀況的評(píng)估;水質(zhì)自然條件分指標(biāo)是對(duì)上游來(lái)水水質(zhì)狀況的評(píng)估;區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件分指標(biāo)是對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)生活、工業(yè)發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等的評(píng)估,如保護(hù)區(qū)內(nèi)人口密度、單位面積工業(yè)COD排放量、單位面積化肥施用量、單位面積農(nóng)藥施用量等。2.1.2加強(qiáng)保護(hù)區(qū)管理及監(jiān)測(cè)能力環(huán)境監(jiān)管是對(duì)飲用水水源保護(hù)區(qū)的環(huán)境監(jiān)督管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、應(yīng)急響應(yīng)等方面的綜合評(píng)估,根據(jù)強(qiáng)弱檢查監(jiān)管漏洞和評(píng)估管理風(fēng)險(xiǎn),作為辨識(shí)警情的警兆之一。水源保護(hù)區(qū)管理包括保護(hù)區(qū)劃分、污染事故發(fā)生情況、是否存在排污口、標(biāo)識(shí)與防護(hù)設(shè)施建立等;監(jiān)測(cè)能力包括監(jiān)測(cè)能力建設(shè)、監(jiān)測(cè)布點(diǎn)和頻次;應(yīng)急響應(yīng)能力包括應(yīng)急預(yù)案、響應(yīng)能力等。2.1.3社會(huì)經(jīng)濟(jì)和水環(huán)境預(yù)測(cè)指標(biāo)確立環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)是從社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、水資源保障、污染源和水質(zhì)等方面識(shí)別潛在風(fēng)險(xiǎn)因素,作為警情的先導(dǎo)指標(biāo)。社會(huì)經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)包括人口增長(zhǎng)率、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率;水資源保障風(fēng)險(xiǎn)包括水資源開(kāi)發(fā)利用率變化趨勢(shì)(地表水)、近些年地下水埋深變化趨勢(shì);污染源風(fēng)險(xiǎn)包括一級(jí)保護(hù)區(qū)有否違法建設(shè)項(xiàng)目、二級(jí)保護(hù)區(qū)有否污染企業(yè)、保護(hù)區(qū)危險(xiǎn)品運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn);水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)包括水源地水質(zhì)變化趨勢(shì)等。2.2警情識(shí)別方法把水源所在流域和水源地環(huán)境狀況出現(xiàn)的異常情況稱為“警情”,該指標(biāo)由水源地環(huán)境稟賦指標(biāo)、水體污染指標(biāo)構(gòu)成。通過(guò)專家分析法、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查法、統(tǒng)計(jì)分析法和故障樹分析法識(shí)別警情。如水資源被污染、水土流失、人類對(duì)資源的使用超過(guò)了承載容量等,都可以認(rèn)為水源水質(zhì)安全系統(tǒng)遇到了警情。2.2.1水質(zhì)狀況表征飲用水水源地“污染狀況”是通過(guò)對(duì)飲用水水源地水質(zhì)狀況和污染源狀況的評(píng)估來(lái)判斷警情。其中,水質(zhì)狀況包括水源自身水質(zhì)狀況和周邊水體水質(zhì)狀況,用水質(zhì)超標(biāo)率、水質(zhì)類別比例等表征;污染源狀況主要包括水源地廢水達(dá)標(biāo)排放情況和污染源結(jié)構(gòu),用廢水達(dá)標(biāo)排放率、污染源結(jié)構(gòu)(非點(diǎn)源污染、城鎮(zhèn)生活污染、工業(yè)污染)表征。2.2.2態(tài)安全狀況從生態(tài)健康和服務(wù)功能評(píng)估水源水體生態(tài)安全狀況。生態(tài)健康用富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)、生物綜合毒性、生物多樣性指數(shù)等表征,服務(wù)功能用水源水質(zhì)達(dá)標(biāo)率表征。3加強(qiáng)預(yù)報(bào)模型識(shí)別能力飲用水源水質(zhì)安全預(yù)警監(jiān)控