水環(huán)境監(jiān)測與評價系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

楊 曄 ，林彥君 ，陳丹丹 ，李書明

（1．國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京 210061； 2．廈門水務(wù)原水投資運(yùn)營有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

現(xiàn)階段，水環(huán)境污染使水資源更加短缺，而水質(zhì)監(jiān)測和評價對水環(huán)境改善具有積極意義[1]。隨著傳感器和計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，水環(huán)境監(jiān)測與評價系統(tǒng)已由傳統(tǒng)的人工監(jiān)測向自動化監(jiān)測方向發(fā)展，使得水質(zhì)監(jiān)測信息的實(shí)時性更高[2]。不確定性、非線性理論方法的出現(xiàn)和應(yīng)用，為水質(zhì)評價新模式的產(chǎn)生提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持[3]。

然而對于大多數(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)，仍存在以下問題：1）監(jiān)測站點(diǎn)單一，不利于水質(zhì)信息共享；2）未對水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析；3）水質(zhì)評價算法評價結(jié)果不穩(wěn)定；4）只能實(shí)現(xiàn)對污染后水體的監(jiān)測及報警，對水環(huán)境質(zhì)量的預(yù)測及趨勢分析功能還有待進(jìn)一步挖掘。

長泰枋洋水利樞紐工程是廈漳兩市共同依托九龍江流域，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域、跨流域水資源配置的重要工程，是水利部全國 172 個重大節(jié)水供水水利項目之一。工程位于長泰縣枋洋鎮(zhèn)，由上存水庫、尚吉電站、溪口閘壩及溪口—許莊引水隧洞組成。

本研究結(jié)合枋洋水利樞紐，設(shè)計一套水環(huán)境監(jiān)測與評價系統(tǒng)。為了增強(qiáng)水質(zhì)在信息共享、存儲和分析等方面的能力，系統(tǒng)運(yùn)用對比分析方法分析水質(zhì)信息。將新興的機(jī)器學(xué)習(xí)支持向量機(jī)[4-5]運(yùn)用到水質(zhì)評價中，使評價結(jié)果更穩(wěn)定、可靠。利用灰色理論模型[6-7]預(yù)測水質(zhì)，以便能盡早發(fā)現(xiàn)水質(zhì)的異常變化，為防止下游水質(zhì)污染迅速做出預(yù)警預(yù)報，及時追蹤污染源。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

水環(huán)境監(jiān)測與評價系統(tǒng)主要由以下 4 層構(gòu)成：

1）基礎(chǔ)設(shè)施層。由采水、配水、預(yù)處理等單元及水質(zhì)在線分析儀組成，采水、配水和預(yù)處理單元將水樣采集，處理后供水質(zhì)在線分析儀使用。其中水質(zhì)在線分析儀由五參數(shù)水質(zhì)分析儀（水溫、pH、溶解氧、濁度、電導(dǎo)率），以及氨氮、高錳酸鹽、總磷、總氮等在線分析儀組成。

2）數(shù)據(jù)層。水質(zhì)數(shù)據(jù)主要包括水質(zhì)監(jiān)測、監(jiān)測儀器工作狀態(tài)、報警等數(shù)據(jù)，由基礎(chǔ)設(shè)施層的水質(zhì)儀表獲取，經(jīng) RS-232/485 接口由工控機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集和處理，通過數(shù)據(jù)庫訪問接口傳給水環(huán)境監(jiān)測與評價系統(tǒng)。經(jīng)專業(yè)模型計算后，再經(jīng)過數(shù)據(jù)查詢、業(yè)務(wù)報表等調(diào)用，通過專業(yè)展示模塊展示。

3）業(yè)務(wù)邏輯層。包括相關(guān)業(yè)務(wù)模型。

4）應(yīng)用服務(wù)層。包括相關(guān)業(yè)務(wù)服務(wù)，其中視頻監(jiān)控可實(shí)現(xiàn)對監(jiān)視監(jiān)測儀器的工作狀態(tài)、人員進(jìn)出情況、取水口和水面情況監(jiān)控，保障水樣的代表性。

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 水質(zhì)監(jiān)測

水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采取 B/S[8]模式進(jìn)行架構(gòu)，對各監(jiān)測站點(diǎn)水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測并利用 MySQL 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)，通過專用的通信系統(tǒng)，將經(jīng)審核及處理后的數(shù)據(jù)通過 Web 方式發(fā)布到 Intranet 或者 Internet 上，枋洋水利樞紐調(diào)度中心及其他相關(guān)部門可通過瀏覽器查詢實(shí)時或歷史水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

水質(zhì)監(jiān)測頁面通過百度地圖將監(jiān)測站點(diǎn)展現(xiàn)在電子地圖上，展示內(nèi)容包括監(jiān)測站點(diǎn)的分布、水質(zhì)情況等信息。對比水質(zhì)目標(biāo)及類別，判斷當(dāng)前水質(zhì)是否處于達(dá)標(biāo)狀態(tài)。達(dá)標(biāo)水質(zhì)顯示為綠色，標(biāo)記為正常，未達(dá)標(biāo)水質(zhì)顯示為紅色。根據(jù)監(jiān)測站點(diǎn)、水質(zhì)參數(shù)、采集時間等信息，實(shí)現(xiàn)不同監(jiān)測站點(diǎn)水質(zhì)參數(shù)的新增、查詢、修改、刪除功能。對比分析功能有助于用戶通過圖表及報告更直觀地掌握不同時間段的水質(zhì)參數(shù)信息，有助于發(fā)現(xiàn)同一時段不同參數(shù)因子間的相關(guān)性及內(nèi)在聯(lián)系規(guī)律，對水質(zhì)評價及參數(shù)的預(yù)測預(yù)報起到積極作用。

2.2 水質(zhì)評價

水質(zhì)評價是利用一定的評價方法和標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)水環(huán)境各要素指標(biāo)實(shí)測資料對水環(huán)境進(jìn)行定量綜合評價，以便有效掌握水環(huán)境狀況，為水環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)合理的決策依據(jù)和參考。

水質(zhì)參數(shù)的樣本是非線性、多維的有限樣本，統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論是一種專門研究有限樣本情況下機(jī)器學(xué)習(xí)規(guī)律的理論，在統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)上發(fā)展出了一種新的模式識別方法——支持向量機(jī)（SVM）。支持向量機(jī)模型具有良好的推廣和泛化能力，以及在處理分類和小樣本問題的優(yōu)勢。關(guān)于核函數(shù)的選取，徑向基核函數(shù)（RBF）與其他核函數(shù)相比數(shù)值限制條件較少，可以將樣本映射到一個更高維的空間，可以處理非線性的樣本且具有較高的分類效率及較強(qiáng)的適應(yīng)性。

本系統(tǒng)采用支持向量機(jī)的評價模型對水質(zhì)進(jìn)行評價，水環(huán)境因子參照 GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》基本項目標(biāo)準(zhǔn)限值。水質(zhì)評價流程如下：1）選取監(jiān)測站點(diǎn)水質(zhì)樣本數(shù)據(jù)若干組，對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，將處理后的大部分?jǐn)?shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，剩余數(shù)據(jù)作為測試樣本；2）將水質(zhì)指標(biāo)參數(shù) pH 值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮等作為輸入變量，水質(zhì)評價結(jié)果作為輸出變量。選用徑向基核函數(shù)，訓(xùn)練學(xué)習(xí)樣本，確定模型參數(shù)，建立水質(zhì)評價模型；3）將測試樣本代入模型測試，輸出評價結(jié)果。系統(tǒng)采用曲線圖形式對水質(zhì)評價類別進(jìn)行表達(dá)，并在同一張圖中分別展示按照國家和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)評定的水質(zhì)評價結(jié)果，有助于用戶進(jìn)行對比分析。

2.3 水質(zhì)預(yù)測

水質(zhì)預(yù)測是利用水質(zhì)歷史信息推斷未來一段時間內(nèi)水體相關(guān)參數(shù)的變化，并將預(yù)測結(jié)果展現(xiàn)在系統(tǒng)中，為水質(zhì)分析和預(yù)警提供數(shù)據(jù)支持。

由于水體中污染物種類、數(shù)量及其擴(kuò)散和彌散的復(fù)雜性，以及水體對其稀釋和自凈作用等的影響，存在大量的不確定因素，即灰色信息。對灰色信息進(jìn)行預(yù)測則主要采用灰色系統(tǒng)理論，灰色系統(tǒng)理論使用累加生成概念作為灰色量“白化”的工具，用以構(gòu)造趨勢模型?；疑到y(tǒng)建模思想是直接將時間序列轉(zhuǎn)化為微分方程，從而建立抽象系統(tǒng)發(fā)展變化的動態(tài)模型。其中，關(guān)于數(shù)列預(yù)測的一個變量、一階微分的灰色模型 GM（1，1）就是取得顯著成效的灰色動態(tài)模型，是一種研究非確定灰問題的新建模方法，在水環(huán)境預(yù)測中得到廣泛應(yīng)用。

本系統(tǒng)采用灰色模型 GM（1，1）對水質(zhì)進(jìn)行預(yù)測管理，基本思路是以灰色生成函數(shù)概念為基礎(chǔ)，以微分?jǐn)M合為核心，把原來無明顯規(guī)律的非負(fù)時間序列，經(jīng)過按時間累加后生成新的時間序列呈現(xiàn)的規(guī)律，用一階線性微分方程的解逼近，從而建立抽象系統(tǒng)的發(fā)展變化的動態(tài)模型，以弱化原始序列的隨機(jī)影響。用最小二乘法進(jìn)行參數(shù)估計，再進(jìn)行還原處理，得到原始序列的預(yù)測值，最后對求解的預(yù)測模型采用殘差檢驗進(jìn)行精度檢驗。

基于 GM（1，1）的水質(zhì)預(yù)測模型建模過程如下：

1）假設(shè)連續(xù)時間段內(nèi)獲得水質(zhì)參數(shù)的原始非負(fù)序列X（0），經(jīng)過累加生成得到有規(guī)律的時間序列X（1），再經(jīng)過均值生成得到模型的背景值序列Z（1）。序列表達(dá)式分別為

式中：x（0）（k）≥ 0，k= 1，2，…，n。

2）將生成的背景值序列結(jié)合灰色差分方程構(gòu)造模型的基本形式，表達(dá)式為

式中：a為模型的發(fā)展系數(shù)；b為灰色作用量。

3）結(jié)合最小二乘法思想求解模型參數(shù)向量，計算公式為

4）將所求參數(shù)a，b代入白化微分方程求解并經(jīng)累減還原計算后得到原始水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)序列的預(yù)測值。白化微分方程及其解的表達(dá)式及未來k個時間段的水質(zhì)參數(shù)預(yù)測值的計算公式分別為

5）對水質(zhì)預(yù)測模型進(jìn)行殘差校驗，計算相對誤差ε（i）、平均相對誤差ε，得出模型預(yù)測精度p，評價預(yù)測效果。相關(guān)計算公式為

若p大于 90%，則符合預(yù)測精度標(biāo)準(zhǔn)。

3 系統(tǒng)在枋洋中的應(yīng)用介紹

3.1 水質(zhì)監(jiān)測

長泰枋洋水利樞紐工程總共布設(shè) 2 個點(diǎn)，溪口閘壩閘前、上存大壩壩前設(shè)計布設(shè)戶外預(yù)集成式枋洋水質(zhì)自動監(jiān)測站。

點(diǎn)擊頁面左側(cè)監(jiān)測站點(diǎn)圖標(biāo)，彈出信息框，顯示相應(yīng)水質(zhì)類別及參數(shù)實(shí)時值。對于未達(dá)標(biāo)水質(zhì)，顯示為紅色，如圖2 所示。頁面右側(cè)展示最近 1 d 變化曲線，通過點(diǎn)擊折線圖下方的參數(shù)名進(jìn)行篩選所要查看的參數(shù)曲線，如圖3 所示。

圖2 上存水庫水質(zhì)類別 GIS 圖展示

圖3 上存水庫水質(zhì)參數(shù) 1 d 變化曲線

通過下拉菜單選擇監(jiān)測站點(diǎn)名稱、水質(zhì)參數(shù)名稱，點(diǎn)擊“按周比較”“按月比較”按鈕分別對過去4 周及過去 12 月的水質(zhì)參數(shù)的最大值、最小值、平均值進(jìn)行比較分析，以柱狀圖形式展示。

3.2 水質(zhì)評價

采用基于 SVM 的水質(zhì)評價模型分析 2021 年 2 月 1—5 日枋洋水利樞紐監(jiān)測站點(diǎn)上存水庫、溪口閘壩水質(zhì)評價類別。以溪口閘壩為例，通過國家和企業(yè)評價標(biāo)準(zhǔn)所得綜合水質(zhì)評價類別如圖4 所示，各監(jiān)測因子水質(zhì)類別如圖5 所示。

圖4 溪口閘壩綜合水質(zhì)評價類別

圖5 溪口閘壩單因子水質(zhì)評價類別

3.3 水質(zhì)預(yù)測

采用基于灰色理論的水質(zhì)預(yù)測模型對長泰枋洋水利樞紐各水質(zhì)參數(shù)的含量進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測值以折線圖的方式進(jìn)行展示，選擇監(jiān)測站點(diǎn)及水質(zhì)參數(shù)，點(diǎn)擊按鈕可以動態(tài)查看。

以 pH 對預(yù)測模型進(jìn)行殘差檢驗，結(jié)果如表1 所示，平均相對誤差小于 1%，獲得較高的預(yù)測精度。

表1 水質(zhì)預(yù)測模型殘差檢驗表

4 結(jié)語

水環(huán)境監(jiān)測與評價系統(tǒng)為水質(zhì)信息存儲、處理、預(yù)警、分析及服務(wù)提供了綜合展示平臺，對于不同監(jiān)測站點(diǎn)，在水質(zhì)分析、評價及預(yù)測方面均取得較好效果。采用支持向量機(jī)算法進(jìn)行水質(zhì)評價，有效避免了局部極值問題，對于多維有限樣本，應(yīng)用此算法建模更為簡單有效。針對水質(zhì)參數(shù)多樣性、水質(zhì)預(yù)測困難的特點(diǎn)，采用基于灰色系統(tǒng)理論所建模型對水質(zhì)進(jìn)行預(yù)測，可靠性高，不需要大量樣本數(shù)據(jù)，相比機(jī)理預(yù)測模型結(jié)構(gòu)較為簡單，適應(yīng)性強(qiáng)。

當(dāng)原始數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大波動，則會對預(yù)測精度產(chǎn)生影響。因此，對水環(huán)境質(zhì)量的預(yù)測及趨勢分析功能還有待進(jìn)一步挖掘。隨著水質(zhì)監(jiān)測分析工作的不斷深入，水質(zhì)評價及預(yù)測模型的發(fā)展會更加符合水環(huán)境的特征，建議今后將支持向量機(jī)算法與其他算法融合，建立新型水質(zhì)評價模型，并以灰色系統(tǒng)理論思想為基礎(chǔ)，多學(xué)科交叉、滲透，建立新型灰色預(yù)測模型，計算結(jié)果會更加精準(zhǔn)可靠，為實(shí)現(xiàn)水環(huán)境預(yù)測預(yù)警提供技術(shù)支持。