饮用水在线监测及预警研究
梁艳，***
南京南瑞集团公司 南京市胜利西路9号 211106
摘要：饮用水是人类生存的基本需求之一，其安全是影响人民生命健康和社会经济可持续发展的重要因素。在取水、制水、输配水和贮水各个环节对饮用水水质的卫生指标进行实时动态监测及预警，可有效预防因为自然灾害、人为事故、犯罪引起的用水安全事故的发生。本文概述了水质在线监测系统在水源到用水龙头的各个场景的应用，并对饮用水在线监测与预警汇总各种关键技术的应用给予简单的介绍。 关键词：饮用水；在线监测；预警；关键技术
引言
饮用水是人类生存的基本需求，其安全问题直接关系到广大人民群众的生命安全及身体健康。饮用水污染事件是指因物理、化学、生物等因素污染饮用水，导致水质感观性状和一般化学指标、毒理学指标、细菌学指标、放射性指标发生改变，超过国家卫生标准和卫生规范的限值或要求，造成或可能造成公众健康危害的事件，主要包括化学性污染事件、生物性污染事件和混合污染事件三类[1]。近年来，我国饮用水污染事件频繁发生，如2012年1月15日广西龙江河发生镉污染超标事件、2012年2月3日江苏镇江水污染事件，2012年2月29日武汉饮用自来水污染事件等。饮用水安全问题引起社会各界的广泛关注。结合我国经济社会发展的实际情况，饮用水在取水、制水、输配水和贮水的过程中均由可能会受到外界的污染，因此预防饮用水受到污染一方面要从源头抓起，切实保护饮用水源地，加强对排污企业污染物排放的监管，另一方面加强对自来水厂出厂水和到达用户水龙头的水质监测，杜绝在管网和水箱中造成水质恶化的隐患。
饮用水监测主要包括实验室、移动实验室和在线监测三种方式，由于在线监测的成本较高，所以，目前大多卫生监督部门对饮用水的监测大部分采用化学检测
作者单位：南京南瑞集团公司（江苏 南京 211106）
作者简介：梁艳（1982-），女，硕士研究生，从事环境在线监测技术研究及软件开发 通讯作者： E-mail: liangyan@sgepri.sgcc.com.cn
- 1 -
的方式，基本靠平时携带便携设备进行现场快速抽检，以及供水部门送水样进行检测。由于人手原因，监测频次有限，并且由于实验室检测手段限制，往往无法对饮用水污染事件做出及时快速反应。
饮用水水质在线监测系统是一个集水质卫生指标监测传感器、无线数据传导设备和远程监控平台为一体，运用现代自动监测技术、自动控制技术、计算机应用技术并配以相关的专业软件，组成一个从取样、预处理、分析到数据处理及存储的完整系统[2]，从而实现了对饮用水水质的在线自动监测，可24小时连续、准确地监测饮用水中余氯、浑浊度、pH值等卫生指标[3]及其变化状况，并通过网络实时将数据传输到监控管理平台，便于相关单位对饮用水质信息进行实时公布和统计分析。系统为饮用水卫生监督提供科学依据，预警预防用水安全事故的发生，为经济社会可持续发展和构建和谐社会提供有力保障。 1 饮用水水质在线监测 1.1 水源地水质在线监测
据不完全统计，我国发生的饮用水事故，以水源地污染为主，污染泄露、交通事故、突然排污水水源地突发事件的主要类型。2008年环保专项行动的检查结果表明，上半年全国113个环保中重点城市的243个地表水水源地中，达标率为65%，84个不达标, 其中，涉及到16个省、自治区、直辖市的40个城市[4]。2012年，全国113个环境保护重点城市共监测387个集中式饮用水源地，水质达标率为95.3%，18个不达标[5]。目前我国不少城市的饮用水源较为单一，一旦饮用水源受到污染，就会对群众的生产生活造成很大影响，给人民群众生命健康带来巨大威胁。
在我国，饮用水源地都被划定了保护区，一级饮用水源保护区内没有排污口，二级饮用水源保护区内没有生产用水排污口[6]。水源地保护区存在的主要问题包括：排污口多，污水排放量大；城市化进程对水源地胁迫日益突出；农业面源污染日趋严重；饮用水水源地管理措施薄弱等[7]。在《全国饮用水水源地环境保护规划》中对水源地水质实时在线监测的实现做出了明确的规定和要求[8]。因此，针对水源地特征，辨别风险因子及风险源，建立污染预测模型，构建集实时监测、模拟、预警
- 2 -
和风险应急于一体的饮用水水源地水质监测预警系统[9-11]，结合地理信息系统（GIS），为饮用水源地管理提供全面、可视化的决策支撑，为维护水厂的运行，提高和保证供水水质，保障饮用水安全把好第一道关。
按照《生活饮用水水质标准》和《地表水环境质量标准》[12]中关于水源的规定，结合各地区的实际情况，可对常规五参数pH、电导率、浊度、溶解氧、温度及氨氮、总磷、总氮、耗氧量和酚等参数进行在线监测。 1.2 出厂水水质在线监测
经过城市市政水厂、城市自建水厂各种工艺段处理后，出厂水水质指标的在线监测是安全供水的重要保证[13]，通过对水质指标的实时监测，使得市水务局指挥中心、市自来水供水调度中心等监管单位在第一时间获取和掌握水质情况，确保安全供水。
世界上饮用水水质管理模式正向“多层次”、“全过程”的目标迈进，逐渐由原来的“产品控制”向“过程控制”。随着在线监测技术的发展和完善，人们不满足于单一出厂水的水质监测，全流程水质在线监测开始流行。全流程水质在线监测是指从原水、工艺过程水（混凝沉淀工艺监测、污泥处理工艺监测、过滤工艺监测、深度处理工艺监测、消毒工艺监测）、出厂水监测、管网监测[14-15]，进行全流程水质监测，为水处理工艺过程的控制提供依据，提高生产过程水质控制能力[16]，有效的指导生产。
根据《生活饮用水卫生标准》的相关规定：出厂水水质检测必须测定浊度、余氯（二氧化氯）、细菌、大肠菌群、色度、肉眼可见物、耗氧量（CODMn）七项指标。在线监测指标包括浊度、pH、氨氮、余氯/总氯、一氯胺、二氧化氯、CODMn/TOC等。其中，浊度、余氯（二氧化氯）是两个重要的监控指标。 1.3 管网末梢水水质在线监测
通常，经过水厂处理过的出厂水水质都能达到国家所要求的水质标准，但是，出厂水需要经过庞大的管网系统才能输送到用户，饮用水水质在连续、不间断的输送过程中，容易受到外界因素的影响，造成二次污染。影响因素主要包括管龄老化、
- 3 -
管道材料（如灰铸铁管的质量和性能较差，腐蚀较为严重）的质量和性能、水在管网中的停留时间、季节变化、二次供水设施的影响等[17]。据调查，因管网污染、自备供水污染、及二次供水污染在水污染环节中的比例占到70%以上[18]。因此加强对管网末梢水及二次供水水质的监测是保障安全供水的必要手段。
《全国城市饮用水卫生安全保障规划（2011~2020年）》明确提出建立供水末梢水质卫生在线监督监测系统，实时监控供水水质动态变化，提高卫生安全监管效能。直辖市与省会城市按照15万人口布设一个水质自动在线监测点；其他地级市按照20万人口布设一个水质自动在线监测点。全国拟设置饮用水卫生在线监测点不少于2028个，覆盖人口约3.76亿，监测点中必须有居民小区，其次是酒店、宾馆、办公楼等公共场所，包括用了二次供水的高层建筑和低水压区单位居民用水。
自来水出厂后如果时间过长，水中余氯量不足，可能会造成微生物超标；国家标准对水中的余氯设有下限，但没有上限，主要是为了防止流经管网的过程被细菌污染，而浊度过高，表示管网可能有渗漏，所以浊度和余氯作为管网在线监测的最基本指标。此外还需监测反映水的化学稳定性的关键参数pH值、电导率以及反映生物稳定性的有机物综合指标（如CODMn、TOC）[19-20]。
2 在线监测与预警相关技术
饮用水在线监测与预警系统主要由数据采集、通讯传输网络、数据存储、应用服务等几部分组成，如下图所示。
- 4 -
水源地水质监测与预警水厂水质监测与预警管网末梢水水质监测与预警测站管理与维护信息发布应用服务应用数据接口数据接口数据中心空间数据库水源地信息水厂信息管网信息行政法规水质数据库污染事件信息实验室数据审核结果模型库数据存储空间数据库数据专网/无线网络水源地水质监测出水厂水质监测管网末梢水水质监测实验室水质检测数据采集
数据采集承担在线数据的采集、处理和发送，涉及现地控制及数据采集技术，包括自动控制技术、工业测控总线技术等；通讯传输网络负责数据的传输，由公共无线网络和内部的局域网组成；数据存储主要承担数据的接收、转换和存储入库，由数据中心和支撑硬件系统组成，各种关系型数据库的应用是关键；应用服务主要为各类应用系统提供相应的数据资源和基础服务，其中地理信息系统和模型等新技术的应用使得水质监测与预警更加及时和直观。 2.1 现地控制及数据采集技术
水质监测数据是卫生部门决策和管理的基础与依据，亦是支撑其他系统运行的信息基础。由现地监测站（检测单元、控制单元和网络通信单元）和数据采集模块组成数据采集系统主要承担在线数据的采集、处理和发送[21-22]。饮用水在线监测项目多样，检测单元由不同的生产厂家的各检测仪器组成，现场总线技术的引入有效解决了设备间的通信问题[23]。各仪器通过总线与PLC连接，再将数据传输至数据采集平台，采集平台主要完成监测设备的上位机监控技术的处理工作，将采集到的实时数据利用网络传输至监测中心。数据采集模式包括实现数据定时采集、突发性污染事故数据上传、监测中心查询命令数据采集等。
- 5 -