美国饮用水预警监测宏观策略评述

刘 伟

(重庆市生态环境监测中心，重庆 400020)

· 环境监测 ·

美国饮用水预警监测宏观策略评述

刘 伟

(重庆市生态环境监测中心，重庆 400020)

从美国饮用水预警监测技术所关注的水体、EPA在预警技术研究中的作用、预警系统(EWS)技术发展理念、EWS的一般设计流程4个方面概述美国饮用水预警监测先进技术在宏观政策层面的情况。详细阐述了美国EWS5个重要的发展理念，以及三步骤EWS设计流程。结合中国当前 “水十条”实施工作，指出在预警监测工作中应借鉴的成分。

美国;饮用水;预警监测

2015年4月中央公布了“水污染防治行动计划” 以切实加大水污染防治力度，保障水安全。其中提到三个层次的预警；一是在宏观政策上，要建立水资源、水环境承载能力监测评价体系，实行承载能力监测预警；二是在科技支撑上，要加强水环境监控预警、水处理工艺技术装备等领域的国际交流合作；三是在管理上，地方各级人民政府要制定完善水污染事故处置应急预案，落实责任主体，明确预警预报与响应程序、应急处置及保障措施等内容，依法及时公布预警信息[1]。这三层次相互联系依托，为我国的预警体系构建了框架，描绘了发展蓝图。目前，在我国最具预警意义的是地表水自动监测系统，环保部门在包括城市集中饮用水水源地(水厂进口上游)等在内的地表水断面实施了自动监测，主要用于实时监控和预警监视、水质调查、污染源调查、养殖区氮磷时空分布等专题研究。但存在预警预报作用发挥有限、综合性监测指标亟待深入研究、监测数据化科学应用、强化市场化服务等问题[2]。 城市供水系统的水质监测以人工检测为主，在线监测还处于起步阶段,没有形成完善成熟的系统，相关的预警也处于跟随研究阶段[3～5]。根据部门分工，饮用水进出水质由城市供水部门监测，两部门的水质监测项目、方法、评价标准均有差异，且数据不能共享。

笔者就第二层次的相关问题，研究了美国饮用水预警监测宏观策略，以期对我国水质预警工作有所借鉴。

1 美国饮用水预警技术所关注的水体

“911事件”后，美国公众对恐怖分子通过电脑干扰，化学、微生物和放射性污染等手段破坏供水设施的活动充满警惕，这会对公众健康和信心产生深远的影响，这使饮用水环境预警工作得到重视。为及时锁定发生在水源或成品水的污染事件，提高应急响应效率，减少消除不利影响，需要在饮用水供水系统中建立预警系统(EWS)。理想的EWS是监测、分析、解释和沟通监测数据的完整系统[6]。

2 EPA在预警技术研究中的作用

2.1 角色

EPA的领导角色源于以下授权。《总统令63号》(1998.5)指定EPA为国家水利基础设施安全的领导部门。《国土安全国家战略》(2002.6)指定EPA为保卫国家供水安全负责[1]。《2002公众健康安全和应对生物恐怖活动法案》要求3300人以上的供水服务社区要组织脆弱性评估并准备应急预案，并责令EPA审查社区供水系统面临生化辐射等故意污染事件时采取的防治、检测和响应方法。《关键基础设施的识别、优化和保护(国土安全总统令7号)》(2003.11)加强了EPA在保护供水基础设施方面所起的作用。《国土安全总统令9号》(2004.2)要求负责农业、食物和水安全的联邦部门“开发一套稳健、综合和全面协调的监督检测系统，提供对疾病、虫害和有毒制剂的早期检测和识别”[7]。

2.2 研究活动

美国饮用水预警研究特别注意联合政府相关部门、军队、研究机构、基金会、公众等多方机构在资金、技术、政策上形成合力，推动技术的发展。2001年，EPA建立“水安全部门”和“国土安全研究中心”[7]。并编写的“水安全研究和技术支持行动计划”，其中，强调提升生化辐射污染物的分析检测能力。同时“国土安全研究中心”和国土安全部，劳工部，水利益相关者，公共事业部门开展了包括EWS的广泛合作

EPA建立供水系统模拟试验场及其研究联合体，研究评估各种传感器、监测技术、供水系统模型、消毒去污、数据获取系统在试验场的实际运用。同私有组织签订PPP(公众-私有-合作) 合同运作“环境技术确认项目”和“技术测试及评价项目”[7]；前者为成熟技术提供可靠的性能数据评估，加速技术应用，使供需方、许可方以及公众都获利；后者服务于操作者、设施管理者、应急响应者、管理者，为其提供可靠的性能信息，但不提供技术担保。

EPA和美国土木工程师协会[8]、水污染检测工作组、水安全工作组、污染信息工具团队等非盈利组织，在供水基础设施设计、污染物检测实际操作、基层饮用水管理建议、污染物性质信息等方面进行广泛研究和实务合作。

3 美国EWS发展理念

美国饮用水预警技术研究者认为，高效可靠，能广泛使用的饮用水EWS应具有如下特点。

3.1 优先使用响应快、能被验证的分类监测技术和方法

预警要求污染物接触传感器到报出结果的时间越短越好[9]。理想EWS能及时检测、解读、报警、通讯，并在公众受损之前采取行动减轻损失[10-11]。为保证监测质量，应采用已被第三方验证的技术；EPA和化学家分析协会承担了多个项目相关设备和方法的性能验证工作，为利益相关方提供工具和程序，为分析科学家研发技术与方法。若预警技术要识别大量特定污染物，会大幅增加系统复杂度和工作量，还易产生误导[12]，因此不加筛选的识别大量污染物的技术路线是不合理的。应分析污染物物理化学特性、来源、对公众健康影响、破坏配水系统的可能性等信息；按照一定程序分类，缩小识别范围，选取合适的技术。在预警层面，用污染物类别检测技术取代单个污染物检测技术是必要的；类别可分为有毒化学物、放射性污染物和微生物病菌三种。

3.2 选择灵敏度合适、假阳(阴)性率低的技术和方法

对特定污染物，确定检测方法和安全阈值是科学性很强的工作。检测方法不同，灵敏度也不同；灵敏度要与污染物管制浓度水平相匹配的，这种相匹配的分析方法至少有一种。仪器(系统)都存在假阳(阴)率，过高的假阳(阴)率会失去实际作用。假阳性会增加成本，假阴性会对公众健康有灾难性影响，两者都会削弱公信度。因此假阳(阴)性率非常低的技术方法才被认为是预警的候选方法。虽然仪器(系统)存在测不准的可能性，但适当的数据分析技术可减少假性率。美国防务高级研究项目局提供了检测设备性能的评估方法，该方法可在灵敏度、准确率、假阳(阴)性率和响应时间之间取得某种平衡。

3.3 倡导自动化程度高的技术与方法

自动系统的测试程序和采样频率易于控制和追踪，和手动采样分析相比有很多优点。尽管自动系统也有人为操作导致的错误，但和手动相比人为因素已大大减少。其报警触发自动采样，为后续复杂的甄别分析测试提供条件。自动化程度高是指除必要的维护、维修、校正需要现场操作外，设备能通过控制中心进行远程操作，实现无人值守自动运行。

3.4 耐用和成本低廉的技术与方法

对于预警，使用成本低廉非常重要;尽管不同使用者对此理解各异，但成本效率合算的EWS才会有生命力。采样、分析技术、分析软件等技能培训也会影响术成本。复杂技术需要高技能高培训，因而低技能、低培训的技术更容易得到连续一致的结果。可持续发展模式的低成本系统的广泛使用会逐步吸纳成熟新技术，推动EWS的性能和成本不断进化[12]。

3.5 具有污染物来源的识别及预测能力

故意污染和事故性污染，都需要调查和评估污染物进入饮用水的位置。需要预警设备在污染物经过检测点时被检测到，并能用流量模型辅助追踪污染物进入位置，精确预测污染物的位置和浓度。这对确定采取措施位置、评估措施有效性、甄别大风险用户、预测暴露量将非常有价值。

具有以上所有特性的EWS还需要研究，目前EWS只能满足核心特点：(1)能快速反应;(2)在保持足够灵敏度的情况下检测一定数量污染物的能力;(3)可实现自动远程监测。缺少这三个核心特点被认为不是有效的EWS。

4 美国EWS的一般设计流程

进行EWS设计时，使用方先评估自身脆弱性，重点评估饮用水供水系统面临故意污染时的脆弱性；在此基础上判断EWS设计技术、成本是否合理可靠。设计不仅是选择传感器；还包括传感器安装位置、获取数据并分析，信息公开、建立决策程序和响应预案；后续的公众健康监测、客户投诉、结果管理。还要考虑信息公开，不仅要让公众被EWS保护，而且其感觉到。由于各供水系统各不相同，其EWS不可能使用同一张蓝图，所以应遵循结构化的设计流程，保证其合理实现。

4.1 确定EWS的需求

(1)确定目标污染物及必要检测浓度后，要选择EWS检测技术。其特异性、灵敏度、精确度、准确度、重现性、假阳(阴)性率等必须匹配数据质量目的。

(2)在引起健康风险的污染物浓度水平，考虑EWS类型、优化EWS性能，在降低误报率的基础上，决定报警水平。

(3)病原体和化学品迁移到水中之后，环境条件、氧化剂和其化学物质、水力特征等都会影响其衰减和输送行为。研究其在供水系统中的行为并建模，把模型应用到设计中，有助于筛选监测设备的最佳位置。综合考虑系统特点、脆弱性评估、使用习惯、风险和成本等因素，来决定监测设备的位置和密度。

(4)确定安全管理大量数据的系统。系统通过核实质量控制(保证)来保证数据的有效性。能区分真实偏离和噪声，能对数据进行趋势分析；具有一定水平智能，能解释和再生产数据，并能把信息迅速递给相关决策者。

4.2 必要的计划协调

EWS设计计划应综合各方意见，明确定义EWS目的。需组织团队，包括供水公司，当地或者州健康部门，应急响应单位，法律执行机构和当地政治领导者。团队可通过水力学模型等其他工具描述配水系统的流量、水压、可监测位置、用水模式、管线范围、管线位置、泵位置等特征。计划还包括解读、使用和报告检测结果，以及EWS运行标准和要素。

4.3 实施EWS的技术路径

EWS的长期目标是连续监测，研发设计这种系统有很多方法。目前一些专家支持在饮用水配水系统中采取两级预警。第一级用传感器提供类别报警(触发报警)，告诉大家有污染物。若第一级预警有效并正确锁定了地点，在几秒钟之内就能进行初始检测同时触发第二级预警，使用更专业更灵敏度的技术来识别污染物[12]。第二级预警可以是实验室的技术，也可以是便携式仪器搬到现场的技术。这种分级适合于技术很有限的情况。这种技术路线由低成本在线实时技术和确认众多特殊污染物的实验室技术组成。

5 借鉴意义

美国EWS关注水体为饮用水及其供水系统，跟其面对恐怖袭击问题有关。我国面临水环境质量差、生态受损、隐患多等问题[1]，因此EWS从整体框架上，更倾向于区域性的承载力预警体系及污染事故后预警处置，即前者侧重于宏观性预警，后者侧重于精准预警。无论何种预警，都需要监测技术的自动化、现代化。同时，我国预警技术研究没有引领部门，研究机构、生产使用方、数据管理方条块分割比较严重，没有形成研究合力。未来，应确立引领部门，通过多种方式引导社会力量，加快先进技术研究借鉴，先进产品的生产使用。

虽然美国EWS发展理念丰富且具备操作性，但其国内完全符合其理念的EWS也不存在。而我国的水域广阔，类型多样且所属地区经济发展差异明显，在EWS具体技术选择上除了3个核心特点外，应注重选择低成本技术和水质预警模型(尤其是简单参数)的算法研究与应用。我国EWS的设计与建设起步晚，离“水十条”的要求还有差距。将来，应综合EWS的设计、建设、运维、使用、研究各方的力量和需求，借鉴美国设计流程，形成符合国情的EWS设计建设方案。

[1] 国务院.水污染防治行动计划[Z].北京:人民出版社,2015.

[2] 刘 伟,黄 伟,余家燕.中国水质自动监测评述[J].环境科学与管理，2015,40(5):131-133

[3] 赵洪宾.给水管网系统理论与分析[M].北京:中国建筑工业出版社,2002:376-377.

[4] 孙 瑛.管网水质的在线监测[J].净水技术,2004,23(6): 34-36.

[5] 伍悦滨,吴 莹,张海龙.论城市供水管网水质管理[J].城乡建设,1999，(3)：15-16.

[6] ILSI .Early Warning Monitoring to Detect Hazardous Events in Water supplies[EB/OL]. 1999 http://rsi.ilsi.org/file/EWM.pdf

[7] US EPA． Technologies and techniques for early warning systems to monitor and evaluate drinking water quality: a state-of-the-art review ( EPA600R-05156) [R]． Washington DC: Office ofWater，US EPA， 2005．

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[10] Grayman W, Deininger R, Males, Gullick R. Source water early warning systems[M]. New York:McGraw-Hill and Companies, NY. 2004

[11] Hasan J, States S, Deininger R. Safeguarding the security of public water supplies using early warning systems: A Brief Review[J].Contemporary Water Research and Education. 2004,129:27-33.

[12] WHO. Public Health Response to Biological and Chemical Weapons: World Health Organization Guidance [EB/OL]. 2004. http://www.who.int/csr/delibepidemics/biochemguide/en/index.

Early Warning System for Monitoring Drinking Water in American: Macro strategy Review

LIU Wei

(ChongqingEnvironmentMonitorCenter，Chongqing400020，China)

This paper reviewed the advanced technologies of early warning systems (EWS) in drinking water monitoring at the macro-policy level of American from four aspects, concern for the water supply, role of EPA in water security and early warning systems, development idea of EWS, and general design flow of EWS. Elaborated5 important development ideas, and three-step design flow. Combining the implementation of “Action plan for water pollution prevention and control”, pointed out the works that should be used for reference in EWS.

American; drinking water; early warning systems

2017-01-19

刘 伟(1978-)，男，重庆巫山人，2010年毕业于重庆大学环境工程专业，硕士，高级工程师，主要从事环境自动监测工作。

X84

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1001-3644(2017)03-0050-04