水源地水质实时监控与预警技术研究与应用.doc

水源地水质实时监控与预警技术研究与应用#李树元1，陶建华2，张瑞3，周蕴3*510（1. 天津大学环境科学与工程学院,天津 300072；2. 天津大学机械学院, 天津 300072；3. 天津市龙网科技发展有限公司，天津 300181）摘要：供水水源地为保护人民群众的生命安全和正常的生产生活、维护社会的稳定发挥着重要作用。本文以水质实时监测数据为基础，以水质模型为核心，以突发性水污染事件应急预案为依托，研发水质实时监控与预警系统，实现了水库水质的实时监视及突发性水污染事件预警，为水库日常管理和突发性水污染事件应急处置提供了辅助决策支持。关键词：水环境监测；实时监控；水质预警中图分类号：X83215Research and Application of Real-time Monitoring andEarly Warning Technology of the Source Water QualityLI Shuyuan1, TAO Jianhua2, ZHANG Rui3, ZHOU Yun3(1. School of Environmental Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072;20252. School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072;3. Tianjin Lonwin Network Science & Technology Development Corporation)Abstract: Water supply sources plays an important role in the life safety, production and socialstability, since the drinking water is a basic human survival needs. In this paper, the real-timewater quality monitoring and early warning system has been developed based on the real-timemonitoring of water quality data, water quality model and water pollution emergency plans, it isuseful to the real-time monitoring of the water quality of the reservoir and water pollution incidentwarning auxiliary decision support for daily management of the reservoir or the emergencyresponse to the water pollution incident.Key words: Water environment monitoring; real-time monitoring; water qulity forecast300 引言饮用水是人类生存的基本需求，供水水源地为保护人民群众的生命安全和正常的生产生活、维护社会的稳定发挥着重要作用，供水水源地的水质是否安全是关系到民生健康的关键问题。目前，部分水源地富营养化程度加剧，面源污染严重，安全监测体系和保障措施薄弱3540等问题日益突出，严重影响了水源地的供水安全。建立科学有效的日常监控体系，监测并对源水水质安全进行预警，提高突发性水污染事件应急处理能力，成为当前水质监测领域的重要课题。目前，国内学者及相关单位已在水源地水质监控和预警以及突发性水污染事故应急处理等方面已开展了一些研究工作1-4。本文以当前先进的水质传感器技术、无线传输技术、数据库技术、水质模型等技术为支撑，将信息采集数据成果与水利部门工作流程紧密结合，以水质实时监测数据为基础，以水质模型为核心，以突发性水污染事件应急预案为依托，研发了水质实时监控与预警系统。系统具有实用性强、时效性强的特点，在水质污染事件应急监基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20090032110007）；国家科技支撑计划项目(2010BAC68B04)作者简介：李树元（1980-），男，高级工程师，主要研究方向：水信息技术. E-mail: -1-测响应上能做到实时监控、快速响应，对水源地水环境安全保障具有重要意义。1 研究区域概况45505560潘家口、大黑汀水库是海河流域重要的供水水源地，担负着天津市、河北省唐山市及滦河下游地区的供水任务，为环渤海经济圈的发展起到十分重要的作用。近年来，由于水库上游工业和城市生活污水、农业非点源污染的日益加重以及水库网箱养鱼的无序发展，水库的水质状况呈现出逐年下降的趋势，水体已经出现富营养化状况，暴露出了潘家口水库在水质实时监测和应急管理体制机制等方面所面临的问题和存在着差距，严重影响了潘、大水库水源地的供水安全，对人民的生命财产安全造成了巨大威胁5,6。为了提高潘家口水库及上游河道的实时监测和应急处理能力，积极应对突发性水污染事件，贯彻落实有关规划要求，保证水库供水安全，开展了潘家口水库水源地水质实时监控与预警系统建设。通过建设水质实时监控与预警系统，可有效的保障潘家口、大黑汀水库供水安全，为保护人民群众的生命财产安全和正常的生产生活、维护社会的稳定发挥积极作用，为减少突发性水污染事件造成的损害、合理规划水库及周边产业布局提供技术保障，为津唐地区国民经济的快速发展、环境的可持续利用提供强有力的支撑，有效促进水源地环境改善及人水和谐。2 水质实时监控与预警系统功能构建水源地水质实时监控与预警系统由信息采集传输系统和水质实时监测预警系统组成，系统组成如图 1 所示。图 1 系统结构图Fig. 1 System architecture-2-652.1信息采集传输系统信息采集传输系统由水质自动监测站、移动实验室、常规监测站等水质监测系统和数据传输与接收转换控制等部分组成，监测数据通过 GPRS、局域网等传输方式传送到水质实时监测预警系统，从而及时掌握水库及主要入库河流的水质信息。系统信息采集传输如图 2所示。70Fig. 2图 2 信息采集传输示意图Information collection and transmission2.1.1水质自动监测站建设水质自动监测站，并配置在线生物毒性监测仪和氨氮仪表比色池等监测设备，对干流入库和水库水质的自动监测，实现自动采集、自动传输、实时监控、自动报警、设备运转75状态管理、远程监控等功能。2.1.2移动实验室移动实验室具有现场监测和灵活快捷的技术特点，实现水质信息的快速反馈，能够对突发性水污染事件进行应急监测，实现污染事件的追踪调查，在污染应急监测中发挥不可替代的作用；同时还可用于常规监测，实现对现有固定测验断面、排污口以及根据需要设置的临80时测验断面进行现场监测，从而及时掌握水质变化情况，是固定断面监测和水质自动监测站的一种重要的补充手段。本课题配置包括专用车、采样及样品保存设备、监测分析仪器、通讯和记录设备等，在库区周边和主要入库河流沿线进行采样和现场检测工作。2.1.3采样船配置采样船，主要用于水库水环境常规监测采样和突发性水污染应急监测，尤其是用于85加强对水库内网箱养鱼区域水质的动态监测。2.2水质实时监测预警系统水质实时监测预警系统整合空间、工程、水文、实时雨水情、水质等数据，对水质自动监测站、常规水质监测断面、入河排污口监测站点以及入库污染物的实时监视，并通过人工-3-选择分析方法、标准和阈值实现分析报警。90在此基础上，利用水质预警模型模拟水库坝前区域污染物运移变化过程，实现突发性水污染事件预警。并基于突发性水污染事件信息和水质预警模型的模拟结果，从应急预案中优选出应急方案，记录方案实施过程，辅助生成突发性水污染事件报告，实现突发性水污染事件应急管理，为水库日常管理和突发性水污染事件应急处置提供辅助决策支持。2.2.1水质实时监控信息管理平台95100105水质实时监控信息管理平台为水库水质实时监测及突发性水污染事件预警提供信息管理与分析平台，实现实时监测信息监视报警、水质信息管理、监督管理、实验室管理、大屏幕实时信息展示等功能。（1）监视报警提供常规水质监测断面的电子地图展示、实时监测监测信息展示以及水质评价图展示。（2）水质信息管理提供实时监测信息的展示、查询、统计分析等功能。（3）监督管理提供水库现状纳污能力、建议消减量的计算。（4）水质监测流程管理提供水质监测的流程化管理，以及人员、设备、业务资料的管理功能。（5）大屏幕实时信息展示在大屏幕上滚动展示水情、水质信息，包括重要常规水质监测断面水质现状及趋势、实时水情和水质自动监测站监测信息和水质现状评价信息展示。2.2.2水质预警模型110115120通过建立河道、水库水质随污染物输入的响应关系，判断发生突发性水污染事件时，污染物的扩散速率、污染物到达控制断面的时间，以及污染物对下游的影响范围，分析结果为应对突发性水污染事件提供辅助决策支持。采用一、二、三维联合模拟的水质预测预警模型，实现河道及水库内水污染事件影响状况的及时、准确模拟，具体包括：（1）简单一维模型：应用区域为滦河干流滦河武烈河交汇处至清河口区域，即整体上采用网格划分相对较大的一维水质模型，以较快的速度计算各断面流量、水位以及污染物浓度变化情况，统计出高浓度污染物的输移扩散规律；（2）精细二维模型：应用范围为乌龙矶断面至潘家口水库坝前区域，模型网格剖分较细，用于精细模拟水面相对开阔水域的污染物输移扩散时空变化情况；（3）三维模型：应用范围为清河口至潘家口水库坝前局部区域，用于精细模拟水面开阔、水深较大水域的流场、浓度场三维时空变化情况。采用 EFDC 模型作为水质预警系统的模拟模型。图 3 为水库三维水质模型网格概化图。-4-图 3 水库三维水质模型网格概化图125Fig. 33D water quality model grid of reservoir在水质变化机理分析的基础上，预测未来水质的变化趋势。提供水质预测方案信息管理，调用水质预测模型进行模拟计算，实现模拟结果的静态和动态展示。提供突发性水污染事件应急预案的管理、应急方案优选、方案实施过程记录等功能，并生成突发性水污染事件报告。3 水质实时监控与预警关键技术1303.1一、二、三维联合模拟与集成为了及时、准确的模拟河道及水库内突发性水污染事件的影响状况，水质预警模型采用一、二、三维联合模拟的方案。一维模型的应用区域为滦河干流滦河武烈河交汇处至潘家口水库坝前区域，即整体上采用一维水质模型，以较快的速度计算各断面流量、水位以及污染物浓度变化情况，统计出高浓度污染物的输移扩散规律；二维模型的应用范围为乌龙矶断面135至潘家口水库坝前区域，可以精细模拟水面相对开阔水域的污染物输移扩散时空变化情况；三维模型的应用范围为清河口至潘家口水库坝前局部区域，可精细模拟水面开阔、水深较大水域的流场、浓度场三维时空变化情况。三个模型可以单独运行，也可以互为边界条件耦合运行。1403.2基于 GIS 展示水质污染模拟结果水质污染模拟模型的 GIS 表达中二维水污染扩散模型计算网格的自动生成是其中的难点，另外，模型的边界处理也是二维水质模型 GIS 展示实现中的难点，EFDC 采用“干湿”网格法对水体动边界进行识别和处理，对方程组进行数值求解前，程序每隔一个时间步长就会对边界网格的干湿进行辨别，以此确定是否属于计算区域。在方案管理中，可查看模拟完成的事故或者方案的模拟结果，主要包括事故基本信息、145断面名称、与发生地距离、超标信息、峰值信息、达标时间、达标用时、各断面浓度变化曲线等信息。图 4 为动态展示污染物扩散结果图。-5-Fig.4PKC:0.5PKT:2006.11.2TRQ:2006.12.3DST:8kmCUC:0.2PKC:0.4PKT:2006.11.12TRQ:2006.12.13DST: 15kmCUC:0.1图 4 动态展示污染物扩散结果Dynamic presentation of pollutant diffusion results1503.3基于大屏幕展示的应急决策支持在应急处理过程中，大屏幕上滚动展示水情、水质信息，包括重要常规水质监测断面水质现状及趋势、实时水情和水质自动监测站监测信息和水质现状评价信息展示。根据实时水质监测结果，在电子地图上展示潘家口、大黑汀水库及主要河道的水质评价图，在电子地图上标注常规水质监测断面和自动水质监测站的位置、最新监测数据和现状水质类别；展示自155动水质监测站的最新监测信息，以折现图的形式展示监测断面的高锰酸盐指数、氨氮、总磷、总氮等监测指标的变化趋势。图 5 大屏幕信息展示界面Fig. 5Interface of the large screen information display-6-160