集中式饮用水水源地水质预警指标体系构建

李文攀，周 密，白 雪，姚志鹏，陈亚男

中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

集中式饮用水水源地水质预警指标体系构建

李文攀，周 密，白 雪，姚志鹏，陈亚男

中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

饮用水水源地水质预警是建立健全饮用水安全保障体系的关键环节，构建水源地水质预警指标体系是水源地监控预警工作的重要基础。系统分析了常规水质在线、生物毒性在线、卫星遥感、人工巡视等水质预警监测技术手段，并分析比较了各方法的优缺点。以此为基础，遵循水源地预警指标体系构建原则与实际需求，统筹兼顾，提出了建立以常规理化-生物毒性在线监测相结合，遥感监测与人工巡查相统筹的一体化水源地水质预警指标体系，为水源地水质预警监控工作提供合理的、科学的技术支撑。

饮用水水源地；水质预警；指标体系

近年来，我国水污染事故频发，严重影响到饮用水水源安全，威胁群众健康。因水源污染导致居民饮水困难或多日断水等重大社会问题的报道也是屡见不鲜，如2005年松花江水污染事件、2007年无锡市太湖水体黑臭事件、2012年广西龙江河镉污染事件、2012年山西长治市某煤化工厂苯胺泄漏入河事件等[1-2]，均对区域经济发展、社会和谐稳定造成不利影响。

水污染事故发生的成因越来越复杂，其特点呈现污染类型多元化、危害程度加剧化、影响范围扩大化。如何在事故发生的“第一时间”实现预警并采取有效措施至关重要，选取科学合理的预警监测指标有助于及时识别突发水质污染和水质异常[3]。因此，构建集中式饮用水水源地水质预警指标体系，及时监控水源污染并准确识别污染物类型，是当前水源水质管理的一项重要基础工作。

1 预警监测

1.1 常规理化在线监测预警

目前，我国对水源地水质的监测预警主要采用常规理化指标在线监测方法。监测指标主要包括常规5个参数(pH、水温、溶解氧、电导率、浊度)、高锰酸盐指数、总有机碳、氨氮，部分湖、库站点增设总氮、总磷和叶绿素等监测项目，少数站点正在开展重金属、生物毒性、挥发性有机污染物(VOCs)和粪大肠菌群的试点监测[4]。

作为衡量水体污染物浓度高低的标尺，在线监测指标的选择十分重要。pH对酸碱污染发生和藻类生长的判断效果明显。溶解氧是反映水体质量的重要指标之一，特别是受到有机物污染和藻类异常生长的地表水体，典型案例是2007年至今的太湖蓝藻预警监测。电导率常作为水体中无机物污染的综合预警指标。氧化还原电位可以有效地针对水体中高浓度的还原性无机物氰和砷污染进行预警，对高浓度金属污染也较为有效。浊度和氮磷等指标可实时监测水源地附近农业源、工业点源和生活源的侵入。高锰酸盐指数可以综合反映水体中还原性有机物的污染程度，2001年夏季淮河干流就成功预警了某大型有机污染团的下泄迁移。监测指标除了用于表征水源地水体基本的环境质量和状态外，还是指导水厂调整相关运行参数及运行方式的关键指标。

相对于常规理化指标而言，毒理学指标的在线监测具有较强的目的性和指向性。指标选取要综合考虑流域重金属矿产分布、加工企业排放等风险源以及指标急慢性毒性强度。如，广东省西江和北江流域受皮革鞣制、金属表面处理等加工行业影响，曾发生镉、铬等重金属污染事故，给流域水质及生态环境造成了较大影响。

但是，常规理化指标在线监测还存在着诸多不足。首先，指标限值与人体健康很难建立对应关系。氮、磷等营养盐类指标对人体健康没有实质性威胁，原水溶解氧、浊度和pH变化并不影响供水安全。其次，安全预警指标体系不完善。受指标范围所限，有很多毒害污染物未纳入我国水环境质量标准，而常规在线监测针对毒害指标的预警响应并不显著，特别是多种污染物并存发生的联合毒性污染事故[5]。

1.2 生物毒性在线监测预警

生物毒性监测可以综合多种有毒物质的相互作用，利用毒害物质浓度与生物应激效应之间的响应关系对污染物的毒性进行判定，是一种应用于有毒物质污染事件的在线监控预警的有效技术手段。生物在线毒性监测方法主要包括发光细菌、藻类、蚤类、鱼类、微生物传感器等[6]。目前，一些欧美发达国家对生物对线监测领域的研究已较为成熟，且广泛应用于环境监测，我国在这方面虽起步较晚，但也取得了一定的研究成果，并在一些地区开展了示范应用。

发光细菌法是利用在正常生理条件下能够发射可见荧光的细菌，通过光点检测系统测试发光强度变化以实现水质急性毒性监测的方法[7]。由于毒物具有抑制发光的作用，发光细菌的发光强度有所改变，变化的程度与毒性物质的浓度在一定范围内呈相关关系，同时与该物质的毒性大小有关。该方法灵敏度高，操作简便，且应用广泛，常被作为污染毒性预警。

藻类分析法以水藻作为探测生物，检测毒性污染物对水藻光合作用的影响。利用叶绿素荧光技术连续检测被测水样，一旦水体受到毒性物质侵害，藻类光合作用减弱，活性降低，毒性强弱可根据平行对比水样测定的藻类活性差异而得知。藻类在水生态系统中常被用作化学品毒性测试，特别是重金属离子的毒性测试。

蚤类分析法通过蚤类游动速度、高度和轨迹等活动特性的变化，进行水体毒性判断。其中大型蚤是国际公认的毒性实验标准生物。因其方法具有敏感、快速、廉价、方便等优点，已被许多国家广泛应用于环境污染评价上。

鱼类在进化过程中对毒性反应敏感，是比较理想的生物毒性测试对象。当水体中的污染物达到一定浓度时，就会引起一系列中毒反应，如行为异常、生理功能紊乱、组织细胞病变、甚至死亡。总体来说，该方法均以鱼类活动能力的改变来反映水体毒性大小，只是在监测与判定方法上有所不同。

微生物传感器法由固定化微生物、换能器和信号输出装置组成，微生物活体作为分子识别敏感材料固定与电机表面构成的一种生物传感器，可以达到测试有毒物质综合毒性的方法。常见的生物活体包括细菌、真菌、酵母菌和动物细胞等，具有灵敏、检测速度快、成本低廉等优点[8]。

鉴于生物个体的生理局限和敏感程度，使用单一生物进行水质监测时会存在“误报警”情况。因此，应用多通道或多物种在线预警技术能够更为全面、准确地反映水源水质污染事故中不同污染物的危害与叠加影响，是生物预警技术研究的一个重要方向。由此可见，生物毒性在线监测技术应用于水质预警同样存在一定的局限性：不同种类的水生生物对造成水质污染的有毒物质的响应差别巨大[9]；生物毒性预警能指示“异常”事件的发生，但从定量角度确定污染因子能力较弱；生物监测标准体系不健全，技术监督与仪器质检有待加强。

1.3 遥感监测预警

遥感监测是利用遥感技术进行监测的技术方法。其技术应用已从最初的单纯的水域识别发展到对水质参数进行遥感监测，从而达到水质预警的目的。随着遥感技术的不断发展和对水质参数光谱特征及算法研究的不断深入，遥感监测水质逐渐从定性发展到定量，并且通过遥感可监测的水质参数种类逐渐增加，可以实现对水源水体富营养化、悬浮物、石油类和有色可溶性有机物等污染指标的预警监测[10]。此外，遥感监测可生成高清晰图像，直观辨别污染源、排污口、可见漂浮物等，实现对水源特征污染物监视性监测的目的，为水源预警监控提供基础信息。

遥感技术应用于水源水质监测预警具有监测范围广、速度快、成本低和便于长期动态监测的优势，同时还能发现一些常规方法难以揭示的污染源和污染迁移特征。近些年，遥感技术已广泛应用于我国“三湖一库”的蓝藻水华预警监测，为大型水源地水质预警监测提供了大量详实的信息[11]。可以说，无人机低空遥感、卫星通信、地理信息服务等高新技术应用于大型水源地水质预警监测工作方面前景广阔。

可以说，利用遥感技术监测预警水源水质污染已取得一定进展，但仍需在以下方面进一步开展研究：深化研究污染物指标(如可溶性有机物、COD、总氮等)的光谱特征，完善水环境遥感监测的指标体系，形成系统完备的监测技术方法体系；建立完善遥感水质监测预警分类模型与事故响应标准流程，提高遥感预警监测实效；提高水质参数遥感反演的评价精度，最大程度避免环境及大气因素造成的模糊影响[12]。

1.4 人工巡视监测

与常规监测手段相比，人工巡视更为关注水源水体在嗅、味、色等感官类指标以及表层生物聚集态等生物指标，经济性高、方式灵活、可操作性强，其表征结果准确、直观、贴近群众感受。近年来，水源水污染事故频发，因感官类指标超标引起的污染事件已占据较大比重。常规监测均以现有环境质量标准体系为框架，而我国现行地表水环境质量标准中很多感官类指标并未纳入，亦无相关评价规范予以支持。此外，在水域面积较大、水体流速不充分以及自动监测站点布设不够密集等条件下，自动在线监测往往很难及时“捕捉”到污染事件，预警事故发生难度很大。因此，利用现有标准体系来实现此类指标的监测预警就显得捉急见肘，人工巡视手段是预警指标体系必要的有力补充。

人工巡视应把握“抓点顾面”原则，紧紧抓住对水源水体造成潜在威胁的重点污染源。实施人工巡视，往往要与公路、水运航道等交通道路相结合，这些地点已成为工业化学品运输遗洒、燃料泄漏、危废倾倒等行为的高发地段。通过人工巡视，强化对关键交通路口、干线、峡湾地带的日常巡查，充分发挥在控制点源污染的机动性，可以实现对人为污染事件的有效预警。

受限于经济条件、人员队伍等因素，人工巡视往往不被重视，认为其方式老套、费时费力。事实证明，很多水源污染事件都是由人首先发现并发出预警信号，进而采取有效控制措施，保障饮水安全，特别在越来越多的感官类指标事故中作用显著。此外，应充分发挥群众力量，积极引导广大社会公众参与其中，让每个人都成为水源安全监管的一双眼。

2 方法比较

水质预警监测工作是一个系统性强、复杂因素多的庞大工程，这就需要多种预警监测技术予以支撑，只依靠某种单一方式很难满足安全预警的目的。不同的监测手段有不同的实施方式与条件，监测指标的侧重点也有较大差异，各有其特点(见表1)。针对越来越多的复合型水源污染，预警指标的选择应系统分析水源风险，分析对比方式差异，取长补短，相辅相成。

目前，实现水质预警的技术方法主要有常规水质在线、生物毒性在线、遥感监测、人工巡视等。其中，常规水质在线的应用最为普遍，已在全国各流域建设了近2 000个自动站点；其余技术手段应用情况不尽相同，所取得的效果也略有差异。

3 预警指标体系构建

水源地水质预警以集中式饮用水水源地为预警对象，连同集水区在内作为研究控制区域，所对应的预警指标为一个多目标、多层次的指标体系[13]。饮用水水源地安全问题涉及因素众多:既有自然属性的指标,又社会属性的指标;既有动态的指标,又有静态的指标;既有定性的指标,又有定量的指标[14]。可以说，饮用水水源地水质预警指标体系是由一系列相互联系的能敏感地反映水源水环境质量系统与外部环境秩序状况的统计指标、因素有机结合所构成的整体，必须反映出这些特点及其相互之间的内在联系。

表1 预警监测技术方法比较

预警指标体系构建应当满足及时预警和准确识别污染物的要求，既要抓住反映水源客观状况的环境质量预警，也要评估污染源和潜在污染物的环境风险预警。综合考虑水源潜在风险源、流域特征污染物、技术经济条件等因素，最大程度保障水源水质安全。通过理论分析、实践验证和形势研判，提出建立以常规理化-生物毒性在线监测相结合，遥感监测与人工巡视相统筹的一体化水源地水质预警指标体系(见表2)，可为水源环境管理提供基础技术支撑。

表2 集中式饮用水水源地水质预警指标体系

该指标体系构建遵循科学性、全面性和可操作性等原则，是一种理想状态下满足水源水质安全预警要求的指标框架体系。通过强化水质自动在线监测，突出预警时效性与准确性，达到生物指标响应定性、理化指标识物定量的客观要求，实现对水质的实时连续监测和远程监控[15]。遥感与巡视2种方式特点鲜明、针对性强，特别是在水面范围大、地形复杂、存在交通穿越行为的饮用水水源地的监测中作用突出，是自动监测预警手段的必要补充。

4 结论

作为水源地水质监管工作的重要基础，常规理化-生物毒性在线-遥感-巡视综合预警指标体系的建立尤为迫切、重要。通过生物毒性与常规理化多指标协同在线监测能够实现及时预警与识别量化，加上遥感与巡视在大型水体与存在交通穿越行为方面的特殊优势，预警指标体系构建较为完善，可为水源地预警监控提供科学合理的技术支撑。但应该看到，水质在线预警监控还仅限于常规化学污染和急性毒性物质污染，而针对绝大部分内分泌干扰物、病原微生物、“三致”物质等慢性毒性物质甄别能力十分有限,应尽快完善生物毒性在线监测的标准体系和质量控制体系，以保证监测数据的精确可比。此外，应积极引导公众参与，建立全民协作参与水源预警的良好机制。

[1] 袁永钦,匡科,沈军. 广州市西江引水工程水质预警系统研究与实践[J]. 中国给水排水, 2011, 27(6): 1-5.

[2] 于凤存,方国华,肖秋英. 集中式饮用水水源地安全预警系统框架的研建[J]. 灾害学, 2008, 23(4): 21-24.

[3] 刘宴辉,王绍祥,黄怡，等. 黄浦江水源原水水质安全在线监测指标筛选[J]. 净水技术, 2012, 31(4)： 31-33.

[4] 李军,王经顺,陈程. 生物综合毒性在线自动监测仪的现状与问题研究[J]. 环境科学与管理, 2013, 38(9): 125-128.

[5] 张冉,黎如昊,刘芸,等. 在线生物毒性监测技术预警水质有毒物质污染与因果关系分析的案例研究[J]. 生态毒理学报, 2014, 9(6)： 1 232-1 238.

[6] 阴琨,吕天峰,梁宵,等. 生物综合毒性分析仪的毒性测试方法及适用范围研究[J]. 中国环境监测, 2010, 26(4)： 48-51.

[7] 沈燕飞,张咏,厉以强. 水质生物毒性检测方法的研究进展[J]. 环境科技, 2009, 22(增刊1)： 68-72.

[8] 高小辉,杨峰峰,何圣兵,等. 水质的生物毒性检测方法[J]. 净水技术, 2012, 31(4)： 49-39(10): 1-3.

[10] 田野,郭子祺,乔彦超. 基于遥感的官厅水库水质监测研究[J]. 生态学报, 2015, 35(7)： 2 217-2 226.

[11] 徐恒省,洪维民，王亚超,等. 太湖蓝藻水华预警监测技术体系的探讨[J]. 中国环境监测, 2008, 24(2): 62-65.

[12] 周艺,周伟奇,王世新,等. 遥感技术在内陆水体水质监测中的应用[J]. 水科学进展, 2004, 15(3)： 312-316.

[13] 董志颖,王娟,李兵. 水质预警理论初探[J]. 水土保持研究, 2002, 9(3): 224-226.

[14] 于凤存,方国华. 饮用水水源地综合预警指标体系构建的研究[J]. 中国农村水利水电, 2011(8)：93-95,99.

[15] 易雯,吕小明,付青,等. 饮用水源水质安全预警监控体系构建框架研究[J]. 中国环境监测, 2011, 27(5):73-76.

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

环境保护部环境质量监督管理项目(2039001004)

李文攀(1983-)，男，北京人，硕士，工程师。

周 密

X830.7

A

1002-6002(2016)01- 0128- 05