黄茁,曹小欢(长江科学院水资源综合利用研究所,武汉430010)

流域管理中水质监控技术发展探讨

黄茁,曹小欢
(长江科学院水资源综合利用研究所,武汉430010)

水环境质量直接关系到流域可持续发展和水资源的综合利用,水环境质量实时监控则是水环境管理的耳目和依据。总结目前我国水质监控体系的基本状况,综合分析监控体系中存在的问题,指出了监控体系与水环境管理要求不相符的主要制约因素是:在线监测能力不足、监测方法自动化程度不高、缺乏定性监测和具有一定覆盖面的监测手段等。并根据国内外水环境监控的发展趋势和流域水环境管理的要求,针对性地提出了建立多级水质监控体系及点面结合、实测与模拟并重的水环境质量监控思路。

水质;监测;流域管理;对策

随着21世纪的到来和经济全球化进程的加快,以及环境污染的加剧,水安全已经成为国际社会关注的焦点问题之一。维持河流健康,促进人水和谐,逐渐成为人们的共识,并日益成为治江新理念。水资源优化配置、水库合理调度、流域水环境质量和供水安全、重大突发事件的应对等流域管理问题,都需要水环境质量监控体系提供准确、可靠的信息[1]。实时取得水环境安全信息是流域水环境管理和维护河流健康的基础。

影响河流水质安全的污染因素很多,包括有机物和无机物,有天然的(如重金属)和人造的(如农药),形态有气体、液体、悬浮、乳化、溶解、胶体等,种类多而复杂[2]。因此,要建立完善的水环境质量监控体系和预警体系,是一项巨大挑战。

1 现行监测体系

1.1 监测站网

我国已基本建成了水环境监测网络体系,其中水利部现已建成了以251个水环境监测中心为核心,2 861个各类水质监测站点为基础,覆盖全国江河湖库的水质监测网络体系,它包括了部、省、区域和流域的水环境监测中心。环保系统共有国家、省、地、县4级环境监测站2 268个,绝大多数环境监测站也从事着水环境监测及相关环境监测的工作[3]。

1.2 监测项目

这些监测站网均执行《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》中规定的标准分析方法,并按相应的水质指标进行评价。该标准指标共计109项,其中基本项目仅24项,水源地补充和特定项目85项,微量有机污染物仅作为水源地特定项目,没有纳入地表水基本项目[4]。自动监测和应急监测执行国家环保局标准方法,没有标准方法的项目借鉴美国环保局和欧盟认可的仪器分析方法进行测定。

随着经济的发展,污染中的有机污染日益突出,由于多数有机污染物具有生物富集的特性,属于“三致”物质,而且致害浓度低,需要复杂、先进的技术手段才能检测到,对生态环境、人群健康构成巨大威胁。1992年,国家环保局公布水中优先控制的污染物黑名单,共68种,其中有毒有机污染物58种[5]。但目前还有10多种优先控制有机污染物未纳入《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》,如氯代乙烷、硝基苯胺类、多环芳烃类等“三致”毒性高、潜在威胁大的,还没有制定相应的标准检测方法和标准值。

1.3 监测技术

无机物类项目的监测主要采用原子吸收分光光度仪、ICP-MS、ICP-AES分析重金属类项目,其他无机项目大多采用分光光度法、电极法以及离子色谱等。上世纪后期,又发展出流动注射的方法,用于大批量阴离子分析,该方法高效、快速,大大减轻了工作量。

有机物类项目的监测主要采用气相色谱、液相色谱、气质联用和液质联用等技术,由于精度要求高,常需要引进昂贵的、自动化程度高、控制精度高的进口仪器。即便如此,对于复杂样品,还需要经过繁琐、费时、费力的前处理,才能上机检测。

以上方法均是实验室内的检测方法,现场在线监测的项目仅有pH、DO、氮、磷、TOC、COD、电导率等少数几个项目。还有一些便携仪器可以在现场快速分析,比如BOD、部分重金属和有机物,但灵敏度和精度都还有待进一步提高。

2 现行监测体系存在的问题

现行水质监测的主要水质参数有无机物(包括重金属、营养物质等)、有机物和微生物等[6],传统方法是利用化学分析和仪器分析及生物方法来测定其浓度,并不能全面反映水质问题。水质监测与水环境状况不相适应主要表现在以下几个方面:

(1)选取的监测参数不能全面反映水质变化趋势。水环境监测技术条件有限,可监测项目少,环境中的污染物有10万种之多,目前的监测手段所能检测的污染物只有5%,而常规监测手段所能监控污染物不到1%。再受到监测时间、人力、物力、财力等条件限制,真正实施的常规监测项目更少。

(2)不同的指标有不同的监测方法,除部分同类监测项目(如重金属类、多环芳烃类、有机氯类等)可采用同一种分析方法外,多数监测项目都是特有的分析方法,很多项目(几乎所有的有机污染物)费时、费力、成本高,即使是常规项目也不可能每天都检测,往往凭经验有选择地监测部分项目,难以起到实时监控、预警作用,这也是目前条件下,不得已而为之。

(3)微量有机污染物没有纳入地表水环境质量标准基本项目,只是水源地和有特殊要求的工程项目才监测微量有机物。而微量有机物的潜在威胁在于其生物体内的高度富集,有的富集可达1 000倍,而且可通过食物链由低等向高等动物传递,即使在微量有机污染物含量很低的水体,其水生生物体内的有机污染物含量可能已达到致病浓度,被人摄入后,会严重危害人体健康[7]。因此,即使地表水体有机污染小,有机污染监测仍十分必要。

(4)沿江、河、湖泊有不同的污染源,有害物的种类和浓度有很大的差别,不是常规监测项目都能反映出来的,尤其是有机污染物,由于技术条件限制,往往不能及时监测到突发性污染事件。比如2005年11月13日,中石油吉林石化公司双苯厂发生爆炸事故,约100 t苯类物质(苯、硝苯苯、苯胺等)流入松花江,造成重大水环境污染事件;2000年9月29日丹江发生10.3 t剧毒氰化钠入江特大污染事故;2005年浙江省发生7起水污染事件,有5起是分散式供水部分污染,2起是自来水水源污染,其中有一起是农药污染。这样的重大突发污染事故如果不能及时发现、及时处理,都会给人群健康造成严重危害。但要靠现有的监测技术条件去监控这样的污染事故,也是勉为其难。

(5)目前水环境质量评价均采用单因子评价方法,即只要有1项水质参数超标,则认为水质超标。而污染物的协同作用尚未引起足够的重视。因为,即使所测的水质参数均达标,但其协同效应所造成的危害可能已超过某一指标超标的危害程度。

3 制约因素分析

现行的监测体系之所以存在上述问题,主要存在以下几种制约因素:

(1)在线监测能力不足,只有少数几项水质参数的在线监测精度较高,绝大多数参数尚无在线监测手段或精度较差,难以满足流域管理的需求。

(2)监测方法多且复杂,自动化程度不高。目前采用的监测方法大多是选择性很强的定量分析方法,不同的物质或不同类的物质采用的方法不同。比如总氮、总磷分别有其特定的分析方法,ICP-MS (ICP-AES)只能分析金属类(或含金属)污染物和少数无机物,有机污染物主要靠色谱方法检测。没有哪种方法能同时检测到所有的或绝大部分污染物。而且,这些方法都有较复杂的前处理要求。因此要在全流域监测所有的污染物,需要的人力、物力巨大,难以实现。

(3)目前的监测手段只能测点,以点代面,即以某点测得的水质结果代表该区域的水质状况。即使是这样,由于流域面积大,监测范围广,也不可能全流域设点监测,只能根据经验和调查,选取重点地区监测,这种方式无法取得全面、完整的水质信息。

(4)定性手段缺乏。流域管理首先需要水质是好还是坏的准确信息或判断,即水质的定性问题;其次,才是水质好或坏的程度问题,以及主要污染物是什么等有关信息。然后,根据轻重缓急,制定相应的对策措施。而目前几乎都是针对具体污染物的定量分析,再根据污染物的含量判断主要污染物,由于多数定量分析要求的技术条件高,时间周期长,难以满足流域管理的快速、实时的要求。

4 监测技术发展趋势

上述水质监控问题和制约因素,对流域水环境、水资源协调、统一的管理影响较大。从流域管理的需求来说,还需要更加完善的水质监控体系,提供更加全面、准确、可靠、及时的水环境质量信息,才有可能对有限水资源实现最优化配置,取得最大的综合效益。

一是提高监测技术的效率和灵敏度,简化操作步骤,提高可靠度。在不断改进现有技术方法,提高监测仪器设备的灵敏度、分辨率、稳定性的同时,还不断开发能同时分析多种参数的新方法。比如毛细管电泳的方法[8]、流动注射法[9]等,取得了突破性进展,具有高分辨率、快速、工作量小、可同时分析项目多等特点,非常适于大样品量、多项目的常规监测。

二是开发污染定性分析技术,引入综合毒性分析的方法。从上世纪70年代早期,莱茵河和多瑙河采用生物监测作为化学监测的补充,快速检测水中急性综合毒性。近年来,我国主要应用发光细菌法测定水体毒性,但由于影响因素多、各种影响因素与毒性的相关性不是很明确,使数据缺乏可比性,以至于影响了该技术的推广应用。而微藻在快速监测水环境综合毒性方面的一些突出特性,越来越受到关注。由于微藻对大多数污染物具有急性生物毒性反应,而且灵敏度高,能检测到ppb级的阿特拉津农药,因此,当遇到受污染水体,可以通过测定微藻发出的荧光强度的变化,分析微藻的存活率,从而判断水体污染程度,相比于发光细菌,微藻对毒性物质的反应更接近于人的反应,有利于取得更可靠的信息。另外,小型水生动物(如水蚤等)也可作污染判断的指示生物,但它的自动检测和操作性不如发光细菌和微藻。这些综合毒性分析方法对大多数毒性污染物都具有毒性反应的广谱性,可以弥补当前监测体系的不足,使监测系统能真正做到对污染事件的适时、快速反应[10～14]。

三是开发生物传感器。生物传感器以其高选择性、高灵敏度、快速、操作简单、成本低、可在线现场监测等特点,在水质监测中体现出较高的发展潜力。目前出现的传感器有酶传感器、微生物细胞传感器[15]、电化学传感器、噬菌体生物传感器、抗体传感器、脂质体生物传感器、全细胞生物传感器[16]、昆虫细胞阻抗传感器[17]等,已有一些文献报道了生物传感器用于杀虫剂、有毒金属[18,19]、大肠菌群[20]、多环芳烃[21]、食品致病菌、除草剂[22]等水质参数的检测。

四是发展空间技术,建立覆盖全流域的监测平台。遥感作为一种新的勘察及监测手段,通过遥感器探测记录水的光谱特征,解析水质变化[23,24]。随着遥感技术的应用,所探测到的遥感信息,为揭示被控水体的污染程度等方面拥有覆盖面广、快速、实时性的优势。

5 完善水质监控体系的设想

5.1 建立多级监控体系

传统的监控方法是确定各成分浓度,再确定各成分的毒性,预测综合毒性。而缺乏一种方便、快速、高效、低成本的水环境安全综合分析技术,无法适时判断水环境是否受到威胁、是否被污染,以至于不得不周期性地反复监测所有可监测的参数。即使如此,也不能保证没有漏测项目,也就不可能完全保证水环境安全。

从未来技术发展趋势和流域管理趋势看,可在现有监测体系的基础上,建立多级监控体系。将综合毒性监测技术应用于水环境预警系统,可弥补水质监测的不足,结合水环境常规监测,建立水环境监测体系的水质安全预警系统,作为水污染一级响应。所谓水质安全预警系统,就是首先通过在线自动监测,适时监控水体中是否存在危害人群健康的有毒有害物质,对随时可能发生的污染,及时发出警报,对水质安全作出准确判断,对污染可能影响范围和程度作出预判。

当预警系统发现水体受到污染,立刻报警并进入污染物质鉴别阶段,即目前的常规监测,对污染物进行定性、定量分析,确定污染物及其浓度。最后是危害程度鉴定阶段,通过DNA及其它生物分析鉴定,精确确定污染的危害程度。通过建立上述4级监测体系(如图1所示),完善现有监测体系,切实做到更为全面、有效的水质监控。

为建立该体系,目前最重要的是尽快研究微藻对各种污染物的生物毒性反应指数,绘制毒性反应曲线,建立毒性反应指数数据库,为分析不同污染物种类和含量,以及不同污染物的协同效应对人群健康的威胁程度,提供科学依据和理论基础,为完善水环境质量监控系统,快速、准确地掌握水安全信息提供技术支撑。

图1 水环境质量4级监测体系Fig.1 Four-level monitoring system for water quality

5.2 现代信息技术与水质监控相结合

将现代信息技术引入水质监控预警体系。以信息技术为基础,综合运用地理信息系统、遥感、水质模型等现代高新科技手段,采集自然、社会、经济、水质状况、生态环境、水资源分布信息,建立全流域水质基础信息平台,以及具有水环境模拟功能的管理系统。增强了信息技术的优势和效能,为流域管理提供更有力的支撑。

5.3 加强流域水环境管理

采用生物急性毒性分析技术,在流域内重要水源地、主要排污口、大型企业(如化工厂、农药厂、造纸厂、炼油厂、染料厂等)和水功能区布设水质安全监控点,适时监控水质状况,及时向流域管理系统发送水质安全信息。结合流域河网的水量、水位、泥沙、水的生物状态等综合参数,通过卫星等先进通讯手段,集中到流域管理系统中,实现流域水量、水质和生态状态的实时动态监测。应用各种水文模型、防洪模型、水质模型、流域管理模型进行规划、分析、预测、决策和管理。为流域管理积累更为完善和全面的资料,为维护流域健康的科学研究提供依据,也为流域水资源综合规划、水利工程开发的叠加累积影响分析、水功能区规划和保护等提供可靠的信息,为进一步加强和完善流域水环境管理提供技术保证。

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(编辑:周晓雁)

Discussion on Improvement of Water Monitoring Techniques for River Basin Management

HUANG Zhuo,CAO Xiao-huan
(Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China)

Water environment quality has a direct influence on the basin sustainable development and integrated utilization of water resources.On-line monitoring on water quality is the basis and remote-sensing of water management.This paper represents the status of monitoring system in China and discusses on the main problems in the system.It is also deduced that the restricted factors unconformable with the demand of water management are the short capacity of on-line monitoring,low automatization of monitoring techniques,and lacks of qualitative analysis and wide-coverage monitoring means.On the basis of the development tendency of novel monitoring techniques and requirements of basin management at home and abroad,the suggestions to build multilevel water monitoring system,introduce space techniques for increasingly monitoring coverage and develop both of actual monitoring and computer simulation,are presented for the future improvement of the system.

water quality;water monitoring;river basin management;countermeasure

X832

A

1001-5485(2009)02-0001-04

2008-06-18

水利部公益性行业科研专项(200701010);水利部“948”项目(200801);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(YWF0715/ZY07)

黄茁(1970-),男,武汉市人,高级工程师,博士,主要从事水环境研究,(电话)027-82926393(电子信箱)huangzhuo03@hotmail.com。