藍(lán)藻葉綠素在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)
中國(guó)水源地水華暴發(fā)的現(xiàn)象己經(jīng)打破了地域限制，在國(guó)內(nèi)各地區(qū)均有水華暴發(fā)的文獻(xiàn)記載，特別是長(zhǎng)江中下游地區(qū)湖泊全面富營(yíng)養(yǎng)化，己成為水華暴發(fā)頻率最高的地區(qū)。與水華暴發(fā)相關(guān)的主要是藍(lán)藻和葉綠素指標(biāo)，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)均比較成熟且與國(guó)際研究處于同一水平。
水華暴發(fā)的預(yù)測(cè)預(yù)警方面，則多采用數(shù)學(xué)模型模擬湖泊或水庫(kù)的富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)進(jìn)而預(yù)警藍(lán)藻暴發(fā)，如太湖地區(qū)在水動(dòng)力學(xué)、水質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型方面開(kāi)展了多項(xiàng)研究，得到了多項(xiàng)研究成果，但大部分模型未對(duì)湖泊的生態(tài)動(dòng)力學(xué)變化作深入研究，無(wú)法真正做到預(yù)警。
上海清淼光電科技有限公司采用深紫外光譜測(cè)量，直接通過(guò)測(cè)量藍(lán)藻或葉綠素含量，可以直觀監(jiān)測(cè)藍(lán)藻等水華藻類濃度變化趨勢(shì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)預(yù)警。
由于藍(lán)藻暴發(fā)過(guò)程復(fù)雜、機(jī)制不明確、影響因素多樣等限制條件的存在，至今國(guó)內(nèi)外均沒(méi)有完全成功的案例，部分曾被認(rèn)為藍(lán)藻己經(jīng)絕跡的地區(qū)重新出現(xiàn)藍(lán)藻暴發(fā)(武漢東湖)，更多的區(qū)域則是在長(zhǎng)達(dá)幾十年的治理之后仍無(wú)法根治這個(gè)問(wèn)題(日本霞浦湖、中國(guó)太湖等)。藍(lán)藻暴發(fā)可以隨時(shí)間、地域、緯度而變化，暴發(fā)機(jī)理存在共同點(diǎn)，但影響因素、控制措施則存在較大的差異。
存在問(wèn)題與發(fā)展趨勢(shì)
國(guó)內(nèi)外對(duì)于水源地藍(lán)藻暴發(fā)的關(guān)注集中在暴發(fā)機(jī)制、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、控制對(duì)策、預(yù)警預(yù)測(cè)等幾個(gè)方面，但由于藍(lán)藻暴發(fā)發(fā)生歷史成因復(fù)雜，在機(jī)理機(jī)制方面尚未形成統(tǒng)一認(rèn)知，對(duì)于暴發(fā)之后的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估手段、控制對(duì)策的研究也存在地域差異，而預(yù)警預(yù)測(cè)的研究理論仍在探索中。
在全球氣候變暖的大背景下，出現(xiàn)藍(lán)藻的地方越來(lái)越多，不少已經(jīng)得到控制的水體又重新出現(xiàn)藍(lán)藻暴發(fā)，越來(lái)越復(fù)雜化。
有關(guān)藍(lán)藻暴發(fā)預(yù)警預(yù)測(cè)的研究最難以突破，現(xiàn)有的研究集中于模型預(yù)測(cè)，但無(wú)論是基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦€是機(jī)理模型由于其本身發(fā)展仍存在種種未知，往往對(duì)于歷史的回溯較好，但對(duì)于未來(lái)藍(lán)藻暴發(fā)的預(yù)測(cè)往往驗(yàn)證結(jié)果存在較大誤差，同時(shí)建模過(guò)程復(fù)雜、模型過(guò)于龐大不便于調(diào)控等問(wèn)題也限制了這種預(yù)測(cè)模式的推開(kāi)，因而未來(lái)有關(guān)預(yù)警、預(yù)測(cè)的研究更注重時(shí)效性、準(zhǔn)確性以及便于調(diào)控等方面。
通過(guò)對(duì)已經(jīng)暴發(fā)藍(lán)藻的水源地分析尋找影響藍(lán)藻暴發(fā)的內(nèi)在、外在因素，同時(shí)對(duì)未來(lái)新的水源地重心進(jìn)行調(diào)查、模擬研究，評(píng)估新水源地藍(lán)藻暴發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，以期能為新建水源地基于藍(lán)藻暴發(fā)的調(diào)控管理提供理論支持與對(duì)策研究。在以上研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同類型的水源地，提出包含監(jiān)測(cè)、預(yù)控、控藻及應(yīng)急響應(yīng)在內(nèi)的上海水源地基于藍(lán)藻暴發(fā)的控制管理體系。
因此，加強(qiáng)水源地藍(lán)藻水華的控制管理體系研究，對(duì)于保障上海市城市供水安全有著十分突出的戰(zhàn)略意義和作用。
藍(lán)藻暴發(fā)是整個(gè)水體生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化的表現(xiàn)，是水體富營(yíng)養(yǎng)化累積到一定程度出現(xiàn)的不可逆轉(zhuǎn)的表現(xiàn)。
處于較嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)的淺水湖泊而言，浮游細(xì)菌和浮游藻類中所儲(chǔ)存營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的總量遠(yuǎn)大于底泥中所持有的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)總量。此外，大部分此類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被浮游細(xì)菌分解而直接進(jìn)入湖體，僅小部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被輸入到底泥中。浮游細(xì)菌的分解產(chǎn)物一般可直接被湖體藻類所吸收，尤其氮的分解產(chǎn)物主要為氨氮，水生生物對(duì)其利用效率極高。這也可能是大部分此類富營(yíng)養(yǎng)化湖泊氨氮濃度持續(xù)上升、藍(lán)藻暴發(fā)頻率不斷增大的關(guān)鍵原因之一。
水源地藍(lán)藻暴發(fā)預(yù)警體系初探
藍(lán)藻水華的暴發(fā)可能對(duì)當(dāng)?shù)貪O業(yè)、供水、景觀等多方面造成不利影響，不同的利益團(tuán)體對(duì)藍(lán)藻水華的關(guān)注有一定的差異，但對(duì)飲用水安全的影響最為引為關(guān)注。世界衛(wèi)生組織 (WHO)在上世紀(jì)90年代在全球范圍內(nèi)組織開(kāi)展了相關(guān)的調(diào)查和研究，對(duì)藍(lán)藻水華的預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)管理提出了指導(dǎo)意見(jiàn)。
目前國(guó)際上開(kāi)展藍(lán)藻水華的預(yù)警多以世界衛(wèi)生組織提出的相關(guān)資料為依據(jù)。在線常規(guī)和應(yīng)急監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)
為預(yù)防藍(lán)藻水華的環(huán)境監(jiān)測(cè)分為常規(guī)監(jiān)測(cè)和應(yīng)急監(jiān)測(cè)兩方面，其監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目和方法各有側(cè)重。同時(shí)不僅要開(kāi)展水質(zhì)相關(guān)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)，還應(yīng)配套相應(yīng)的水文氣象等要素監(jiān)測(cè)。為藍(lán)藻水華暴發(fā)的預(yù)警和防控提供及時(shí)準(zhǔn)確的依據(jù)。
在線監(jiān)測(cè)方案
監(jiān)測(cè)項(xiàng)目:
pH、溶解氧、化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總氮、總磷、藍(lán)藻、葉綠素a、透明度、懸浮物、電導(dǎo)率等;
藍(lán)藻暴發(fā)預(yù)警信息獲取
預(yù)警信息的分級(jí)評(píng)估、預(yù)案制定和執(zhí)行的基礎(chǔ)，論文借鑒WHO將評(píng)估藍(lán)藻毒素的健康風(fēng)險(xiǎn)的信息來(lái)源和相應(yīng)的管理方案分為六個(gè)類型。
藍(lán)藻暴發(fā)預(yù)警分級(jí)體系
藍(lán)藻暴發(fā)預(yù)警等級(jí)快速識(shí)別，是科學(xué)評(píng)估藍(lán)藻暴發(fā)影響和采取有效減緩對(duì)策措施的關(guān)鍵步驟。然而，藍(lán)藻暴發(fā)的影響因素較多，其中許多因素的分析監(jiān)測(cè)相對(duì)復(fù)雜，難以快速得出準(zhǔn)確結(jié)果
借鑒通用的臺(tái)風(fēng)預(yù)警等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將水庫(kù)藍(lán)藻暴發(fā)的預(yù)警等級(jí)從低到高劃分為白色預(yù)警、綠色預(yù)警、黃色預(yù)警、紅色預(yù)警等4級(jí)。
對(duì)于藍(lán)藻增殖的影響而言，在不同的運(yùn)行狀態(tài)、水文氣象條件下，水體中營(yíng)養(yǎng)鹽的臨界標(biāo)準(zhǔn)值難以有統(tǒng)一確定的標(biāo)準(zhǔn)限值，還需結(jié)合更深入的室內(nèi)模擬和多年的運(yùn)行資料進(jìn)行分析。
通常采用藻類的調(diào)查指標(biāo)作為主要判別因子，浮游植物細(xì)胞計(jì)數(shù)指標(biāo)受觀測(cè)者的操作水平影響較大，采用葉綠素a的質(zhì)量濃度相對(duì)操作更易統(tǒng)一和準(zhǔn)確，同時(shí)也有較直觀的意義。
藍(lán)藻暴發(fā)分級(jí)應(yīng)急對(duì)策
根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的結(jié)果，及時(shí)采取相應(yīng)的對(duì)策措施，以減緩藍(lán)藻水華風(fēng)險(xiǎn)的危害，是風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和管理的目標(biāo)。風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急對(duì)策應(yīng)針對(duì)不同的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、主要風(fēng)險(xiǎn)因素等提出相應(yīng)的策略:
.白色預(yù)警:開(kāi)展連續(xù)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)，根據(jù)編制的詳細(xì)預(yù)案，對(duì)近期藍(lán)藻水華的變化態(tài) 勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并對(duì)可能造成的危害進(jìn)行預(yù)判:
.綠色預(yù)警，當(dāng)藍(lán)藻和營(yíng)養(yǎng)鹽超過(guò)臨界值，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)取水口和進(jìn)入水廠的原水進(jìn)行藻毒素的，啟動(dòng)水庫(kù)排水閘，盡量將表層水排出水庫(kù)，以減少水庫(kù)內(nèi)浮游藻類的聚集:
.黃色預(yù)警，進(jìn)行連續(xù)的水質(zhì)和藻毒素的監(jiān)控，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，在庫(kù)區(qū)進(jìn)行攔藻，施用無(wú)毒的殺藻劑和絮凝劑，以抑制藻類的過(guò)度增殖:
.紅色預(yù)警，關(guān)閉水源，停止向水廠供水，進(jìn)行高頻次的監(jiān)測(cè)，對(duì)以后重新啟用水源進(jìn)行評(píng)估。
上海清淼光電科技開(kāi)發(fā)的水質(zhì)遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)----藍(lán)藻葉綠素監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行及時(shí)、有效地遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和水華預(yù)測(cè)預(yù)警，從而為提前治理水華提供決策支持。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
水質(zhì)監(jiān)測(cè)與水華預(yù)警系統(tǒng)按照物理功能分類主要由三個(gè)部分組成，即：水質(zhì)信息采集終端、GPRS網(wǎng)絡(luò)及監(jiān)控中心系統(tǒng)。
水質(zhì)信息采集終端負(fù)責(zé)采集水質(zhì)信息數(shù)據(jù)并將采集到的水質(zhì)信息數(shù)據(jù)送上GPRS網(wǎng)絡(luò)，GPRS網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)將水質(zhì)信息數(shù)據(jù)通過(guò)Internet上傳至監(jiān)測(cè)中心，監(jiān)測(cè)中心由監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和監(jiān)測(cè)中心終端操作計(jì)算機(jī)構(gòu)成，在相應(yīng)的軟件系統(tǒng)支持下完成對(duì)上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、處理及顯示的功能。
功能介紹
水質(zhì)信息采集
水質(zhì)信息采集設(shè)備置有水質(zhì)傳感器和變送器。采集的量有PH值、濁度、溶解氧、總磷、總氮、藍(lán)藻、葉綠素濃度等。傳感器輸出的模擬電平信號(hào)接入無(wú)線采集終端的數(shù)據(jù)采集單元，采用單片機(jī)進(jìn)行模擬量采集。由單片機(jī)完成時(shí)間和水質(zhì)信息數(shù)據(jù)打包，打包后的數(shù)據(jù)可由單片機(jī)外設(shè)接口將采集到的水質(zhì)信息數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信方式發(fā)送給后端的GPRS模塊。 GPRS遠(yuǎn)程傳輸
考慮到水質(zhì)檢測(cè)傳感器的布點(diǎn)靈活、傳輸數(shù)據(jù)量不大、測(cè)量數(shù)據(jù)可根據(jù)用戶設(shè)置的時(shí)間間隔進(jìn)行傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，選擇GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于水質(zhì)信息的實(shí)時(shí)傳輸。GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸具有設(shè)備成本低、數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、使用靈活方便等特點(diǎn)，非常適合遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸上的應(yīng)用。
對(duì)于水質(zhì)信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，GPRS能夠利用電信運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行靈活的布點(diǎn)，而其流量計(jì)費(fèi)的方式和較高的數(shù)據(jù)傳輸速度都符合水質(zhì)信息的傳輸特點(diǎn)。并且利用GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還可將不同水域的水質(zhì)信息匯集到監(jiān)測(cè)中心進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)監(jiān)測(cè)中心同時(shí)對(duì)多個(gè)水域進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)與水華預(yù)測(cè)。
水華上位監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)
在水質(zhì)監(jiān)測(cè)與水華預(yù)警系統(tǒng)中，水質(zhì)信息數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)由監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器接收后，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，終端操作計(jì)算機(jī)通過(guò)實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)庫(kù)中的水質(zhì)信息數(shù)據(jù)，進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)和水華預(yù)測(cè)預(yù)警處理。
該系統(tǒng)能快速、準(zhǔn)確的完成水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集和無(wú)線傳輸，使檢測(cè)人員能夠?qū)崟r(shí)查看水質(zhì)信息，還能夠查詢歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行后期的處理。提供美觀友好的監(jiān)控畫面，方便有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)檢查和監(jiān)視；對(duì)水體進(jìn)行富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)，預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)異常即自動(dòng)報(bào)警。