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文献翻译

一种保护城市饮用水水质安全的预警和控制系统：

中国的经验

摘要

中国为了应对其保护城市饮用水的紧迫需求，提出了一种由事件驱动的城市饮用水水质预警和控制系统（DEWS）。DEWS拥有网状服务结构，可以为用户提供水质监测功能，水质预警功能和水质事故决策功能。 DEWS的功能性以控制理论和风险评估为指导原则，以此应用于城市供水系统的反馈控制。 DEWS已经在中国数个大城市中部署，并且发现在水质预警和紧急决策方面表现良好。本文介绍了由中国开发的应用于城市水质保护的DEWS系统。

关键词： 水质预警 风险评估 反馈控制

引言

随着经济的快速增长，中国和许多发展中国家都面临着与日俱增的有关城市饮用水意外污染事件的管理问题。根据中国环境保护部门（MEP）2009年的统计，2019年发生了80起水污染事故，而且中国27％的重要城市的主要集中式饮用水水源不符合官方标准（MEP 2010）。这种水污染问题在中国和其他国家/地区引起了对饮用水安全和公共卫生的担忧，并且促进了旨在保护其饮用水水质安全的机构，管理办法和技术措施的生成。在技​​术领域，全球范围内对于水质保护，水处理，水质监测，先进传感器技术（生物传感器，光谱传感器和化学传感器）的测试以及决策支持系统（DSS）进行了大量研究。这些研究加上中国在区域和地方的机构以及自来水公司的水质监测技术，近年来在改善城市水质、水质监测以及处理水质事故(如溢出水源的有毒物质)方面发挥了重要作用(Zou and Li 2009;He et al.2011; Yin et al. 2011; Zhang et al. 2011a, b)。

然而，在水质监测和控制方面，许多关于饮用水安全的研究大多侧重于局部的、零散的、局部规模的技术的应用，而较少关注系统的，综合的水质监测、控制理论和实践。中国的城市供水环境复杂，严重的水污染事故偶发，其影响会迅速蔓延，造成重大破坏。该情况要求对（1）相关传感器的数据采集与处理技术进行系统分析和集成，以及（2）负责保护城市水质的各类专责小组和现有资源进行分析和统计。这种系统分析和集成旨在建立安全，具有成本效益并且可靠的城市水管理系统。

本文基于预警、风险评估和控制理论的原则，提出了水质预警与控制的框架，并介绍了该框架在我国的近期应用情况，其研究的重点是整合水安全的理论和技术，在此过程中建立一个理论上可靠、实践上成功的实时化、智能化、自动化的水质控制系统。

事件驱动的水质预警和控制系统的框架

背景：风险及相关因素

风险在本文中的定义为“由确定的事件（或事件的组合）引起的对社会的损害程度（在这种情况下，与人们的健康息息相关）以及对该事件发生的可能性的综合度量” (EUREAU 1999; McIntyre etal.2003)。城市供水系统的污染风险分析必须包括五个相互关联的要素(Graymanet al. 2001)：（1）污染源；（2）水体；（3）饮用水的收集，传输，处理，贮存和分配的基础设施；（4）监测管理系统；（5）依赖于饮用水的使用者。图1显示了风险要素及其相互联系。

在城市供水系统中，污染事件往往随机发生。这些事件源于（1）排放点，（2）陆上或运输泄漏，（3）扩散排放（如污染的雨水），（4）自然灾害引起的化学或放射性泄漏（例如， 2011年日本东北地震），（5）非法袭击供水，以及（6）操作事故（例如，意外释放氯化物化学品）。水污染事件的处理是具备可预期性和响应性的。在前一种模式下，分析师旨在确定污染事件的发生。而在后一种（响应）模式下，分析人员要快速检测已经发生的污染事件，必须要通过监控站，污染者的报告以及公共报告或其他方式尽快进行检测，而在检测之后，要立即准确评估对用户的影响以及环境受到影响后的后果，然后采取控制和缓解措施。特别是在发展中国家，尤为迫切的需要信息技术和系统来检测、评价和控制城市供水系统中各种形式的污染风险。

预警理论：以往的研究

减灾预警

2004年，联合国国际减灾战略局(UN-ISDR)将灾害预警定义为“通过确定的机构提供及时有效的信息，使面临危险的个人能够采取行动避免或减少其风险，并且为有效应对灾害做好准备”(UN-ISDR 2004)。 预警包含四个主要要素(UNISDR 2005)：(1)风险知识: 这种知识可以进行风险评估，并提供必要的信息，以确定减轻和预防战略的优先事项以及设计早期的预警系统；(2)监测和预测：具有监测和预测能力的系统需要及时估计社区、经济和环境面临的潜在风险；(3)信息传播: 需要通信系统向可能受影响的地区发出预警信息，并向地方和区域政府机构发出警报；(4)处理：协调、良好治理和适当的行动计划是预先发出预警的必要条件。同样，公众意识和教育也是减灾的重要方面。

污染源

放电场，陆上和运输泄露，扩散排放，化学储存场所，非法袭击供水，操作事故，自然灾害等

水体

（河流，小溪，湖泊水库，其他）

水供应

基础设施（取水，储存，WTP，配电系统等

饮用水使用者

监测与管理系统

（上游/取水/分配系统监测站、预警系统、SCADA系统、应急通报机构、协调中心、管理信息系统等）

缓解措施

图1 易受污染事件影响的通用城市供水系统（WTP水处理厂）示意图

在北美、欧洲、非洲和亚洲，以人为中心的早期预警系统在环境保护、确保粮食安全、气候变化意识以及干旱和洪水预防方面带头取得了一些成功的应用(Grasso 2006;UN 2006; Quansah et al. 2010)。然而，联合国国际减灾战略局提出的预警原则迄今尚未得到广泛应用。

水源地水污染预警

为了应对重大泄漏事件，世界范围内建立了许多泄漏管理信息系统和源水预警系统。这些系统大多数基于水质模型或溢流模型，并已成功应用于莱茵河，俄亥俄河，迪河(Graymanetal. 2001)，中国的松花江(Zou and Li 2009)和长江(He et al. 2011)。

水源预警系统的定义是“一种检测、表征和提供水源污染事件通知的机制，这样的预警系统将允许迅速动员以减轻污染的影响”(Grayman and Males 2002)。一个有效的水源预警系统包括以下五个组成部分：（1）检测污染源水中是否存在污染物的装置;（2）确定污染物的存在、确定污染事件的性质，以及预测污染物在进水口的污染程度(浓度)和污染源头何时会受到影响的机制;（3）通常是由一个中央机构组成的机构框架，该机构协调与污染事件管理相关的工作；（4）用于传播与污染有关的信息的通信链接；（5）为减轻污染对用水者造成的影响而建立的各种应对源水污染的机制。

当前的大多数水源地水预警系统都用于应对重大的污染泄漏，却没有考虑其他污染事件。尽管存在一些针对藻类大量繁殖(Lee et al. 2005;Lzydorczyk et al. 2009)，海水倒灌(Cheng and Ouazar 2003;DeFranco et al. 2009)和生物毒性(Rodriguez et al.2002;Green et al.2003;Zhang et al. 2011b)的水源预警系统，却很少有系统可以处理各种各样的源水污染情况。

供水系统预警

美国环境保护局于2005年提出了一个综合预警系统（EWS）框架，旨在避免或减轻供水系统中的潜在威胁。“EWS是一个用于监视，分析，解释和传达数据的集成系统，然后可用于制定决策，保护公众健康，最大程度地减少不必要的关注和给公众带来的不便”（美国环保局，2005年）。USEPA提出的EWS必须具备以下满足要求的特征：（1）提供快速响应的机制；（2）可以检测到的足够广泛的潜在污染物；（3）拥有很高的自动化程度，包括自动样本存档；（4）允许以负担得起的费用进行购置，维护和升级；（5）较低的技能要求和训练时间；（6）识别污染物的来源并准确预测检测点的下游位置和污染物浓度；（7）具有足够的灵敏度来检测污染物；（8）假阳性/假阴性的情况最少；（9）)表现出在水环境中运作的强健性和坚固性；（10）允许远程操作和调整；（11）连续运行；（12）允许第三方测试，评估和验证。基于USEPA框架，设计了许多现场部署的在线饮用水水质监测传感器和预警系统，并开发了许多事件检测算法。但是，迄今为止，大多数应用程序都没有展示出USEPA提出的EWS上面列出的12个理想功能，并且在大多数情况下它们其实都是其简化的版本。

尽管近年来预警系统和水质监测技术激增，但通过对这些系统的仔细分析显示，其中许多系统仍存在一些局限性。具体来说，有这么几点：（1）专注于单个组件（例如自来水，水处理厂或水分配系统），而不是整个组件的整个系统；（2）是开环警报系统，而不是闭环控制系统，这会阻止其随时间控制字段变量的能力；（3）强调监视，很少分析数据并追求数据挖掘（导致在大型数据集中发现新模式的过程）；（4）报告过去和现在的状况，很少预测对预警有用的未来事件；（5）当传感器读数超过标准阈值（或基线）时，无论其趋势如何，均发出警告；（6）在不同位置展示固定的警报阈值（或基线），而不管区域差异如何；（7）倾向于孤立地分析水质参数，而不是联合分析。

事件驱动的水质预警和控制系统的目的框架

考虑到预警系统中常见的局限性，本研究提出了一种具有事件驱动结构的水质预警和控制系统，该系统结合了预警理论，风险评估理论(Ganoulis 1994)，和控制理论的原理，如图所示。

7风险事件控制器

8执行器

1水质体系

6事件风险评估

2水质监控

3水质

4事件探测器

9信息传播

5事件处理系统

图2 所开发的事件驱动型水质预警和控制系统的要素，如果发生污染事件，水质监视器将检测到它，并触发一系列操作，如文本中所述

图2所示的水质预警及控制系统共有九个主要元素。这九个元素被组织成四个子系统，它们分别是: 事件预警、事件处理、事件警报和事件风险控制系统，如图2所示。图2所示的9个元素的功能如下：（1）水质系统: 由两部分组成: 水体(河流、溪流、湖泊、水库等)和供水基础设施(取水站、水处理厂、输出站和配水系统)。水质系统的输出是具有适合人类使用的相关物理、化学和生物特性的饮用水，或者是需要处理的原水。水质系统的输入是为避免事故或降低其风险而采取的反应或行动，例如水处理、污染物缓解措施、逆流控制、关闭下游水厂或其他操作。（2）水质监测仪：使用在线监测设备或离线分析仪器（如气相色谱仪）测量目标水质参数。该元素可以是单参数水质传感器或一个水质站点，也可以是多参数水质传感器和联网站点。（3）水质预测器: 为有关水质过程建立水质模型，一般需要输入水文及物质(水流量或污染物的负荷量)，以决定不同类型水系的水质。水质预测模型包括数学表达式和专家科学判断。它们包括基于流程(机械)的模型和基于数据(统计)的模型。(（4）事件检测器：根据预定义的规则检测和表征水体或供水基础设施中的水质污染事件。使用测量厂商预测的水质数据自动实施一种或多种事件的检测算法。（5）事件处理系统：如果事件检测器宣布水质事件，它将进入事件处理系统并排队等待处理。事件处理系统是整个早期预警和控制系统的核心。它管理大量的水质功能，包括污染确认，风险控制，风险信息传播。（6）事件风险评估：根据过去，现在和预测的水质，并根据当地情况，识别和评估潜在或公认的水质污染事件（自然，人为，意外和自然事件）的定量或定性价值。（7）事件风险控制器：部署以人为本的控制策略或自动控制算法，例如爆炸控制，PID（比例-积分-微分）控制或模糊控制，以生成快速合理的命令（决策）来控制风险。（8）执行器：根据事件风险控制器的控制命令，对水质系统采取有效措施，避免水质污染并降低其风险。（9）信息传播：部署通信系统（SMS /电话/电子邮件/信号线）以提供水质和风险信息，直接警告当地和区域应急响应机构和饮用水使用者。

如能有效落实上述九项元素，便可建立一套有效的水质自动预警系统，及时发放警报信息，以及完整、闭环、有效地控制水质风险。这项工作中所发展的闭环控制，是指对系统施加的压力，例如水系中的水污染事件，由系统进行规管，以保持系统的正常运作和服务。同时，管理或控制行动导致系统的调整或变化，使其能够更好地应对未来的压力。适应、变化和学习是闭环控制的特征，它们是一个系统的固有特征，这个系统能够自我反馈以达到自我完善的目的。

DEWS：城市饮用水水质预警与控制系统

针对我国城市饮用水水质保护的迫切需要，研制了一套通用的城市饮用水水质预警与控制系统。DEWS基于事件驱动框架中提出的事件水质预警与控制系统的事件驱动框架，具有网状服务体系结构。DEWS的设计目的是自动收集原水或水源水数据，处理水数据，分配系统的水数据，水文数据，和气候数据使用的监测网络。此外，该系统还可以自动分析水质数据，模拟和预测水质，为每日预警进行风险评估，并利用决策支持系统进行风险控制和应急响应，以避免或减轻水污染事故。为网络服务量身定制的露水结构如图3所示。网络服务体系结构分为四个层次，其特点将在下面进行描述。

1. 资源层。该层包括用于保护和控制饮用水质量的基础设施。它的组件包括监视传感器和站，数据存档，支持的硬件和软件，通信网络以及计算服务器。有几个数据库用于存储水质数据和水质保护所需的外围数据：质量数据库，水文和气候数据库，模型和算法数据库，知识数据库，结果数据库和配置数据库。
2. 服务层。该层提供对外部资源（例如数

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