河流水質(zhì)監(jiān)測斷面優(yōu)化布設(shè)方法探析

摘要：本文針對河流水質(zhì)監(jiān)測斷面優(yōu)化布設(shè)方法，結(jié)合實踐案例，在簡要闡述河流水質(zhì)監(jiān)測斷面布設(shè)要點的基礎(chǔ)上，深入分析了優(yōu)化河流水質(zhì)監(jiān)測斷面布設(shè)的方法，得出河流布設(shè)水質(zhì)監(jiān)測斷面是開展河流水質(zhì)監(jiān)測工作基礎(chǔ)的結(jié)論，希望對相關(guān)單位有一定幫助。

關(guān)鍵詞：河流水質(zhì)；監(jiān)測斷面；布設(shè)；優(yōu)化方法

中圖分類號：X832 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2018）03-0171-01

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.03.100

Abstract： In this paper， river water quality monitoring section optimization layout method， combined with the practical cases， based on the description of river water quality monitoring section layout points， in-depth analysis of the optimization method of river water quality monitoring section layout， the layout of water quality monitoring section of the river is to carry out the monitoring of river water quality based the conclusion， hope to have some help for the relevant units.

Key words： River water quality； Monitoring section； Layout； Optimization method

1 案例分析

某河流全長超過1800km，共有41條一級支流匯合而成，在該河流中設(shè)置了15個水質(zhì)監(jiān)測斷面。2017年6月，當(dāng)?shù)厮|(zhì)監(jiān)測單位對該河流的水質(zhì)情況進(jìn)行全面監(jiān)測，監(jiān)測的各項指標(biāo)為：水溫26.4℃、透明度為0.54m、pH無量綱為7.12、溶解氧為6.45m·L-1、高錳酸鹽的指數(shù)為3.82mg·L-1、氨氮為0.216mg·L-1、總磷為0.058mg·L-1、總氮為1.12mg·L-1。該河流超標(biāo)污染物中，溶解氧超標(biāo)0.24倍、高猛酸鹽指數(shù)超標(biāo)1.65倍、五日生化需氧量超標(biāo)5.12倍、總磷超標(biāo)4.65倍，這幾組數(shù)據(jù)中可以看出，該河流被嚴(yán)重污染。

2 河流水質(zhì)監(jiān)測斷面布設(shè)要點

2.1 嚴(yán)格做好采樣斷面布置工作

就該河流水質(zhì)監(jiān)測斷面布設(shè)而言，主要根據(jù)河流中不同功能，對河流分別布設(shè)弧形采樣斷面，并確保采樣斷面和斷面附近水流方向相互垂直。同時也要及時掌控該河流中工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活污染源的主要分布情況，根據(jù)污染源排放量，綜合布設(shè)監(jiān)測斷面點，最大限度上確保該河流水質(zhì)監(jiān)測斷面布設(shè)能符合實際需求。

2.2 選擇合理的布設(shè)采樣點

水質(zhì)監(jiān)測工作具有很強的系統(tǒng)性和復(fù)雜性，為有效保證監(jiān)測的準(zhǔn)確性，就要結(jié)合實際情況選擇出最佳的采樣斷面位置，才能保證提出的水質(zhì)樣品具有代表性。可根據(jù)河流水面的寬度來布設(shè)定位垂線。比如：當(dāng)河流寬度超過50m時，要布設(shè)要一條中泓垂線；當(dāng)河流水面寬度在50～100m之間時，則要在河流近岸布設(shè)左右兩條垂線；當(dāng)河流水面寬度在100m以上時，則要布設(shè)3～5條垂線，才能保證監(jiān)測斷面布設(shè)的合理性和科學(xué)性[1]。

2.3 合理設(shè)置監(jiān)測斷面采樣頻率

就該河流而言，具有泄洪、灌溉等多項功能，為周圍居民的生產(chǎn)和生活提供了重要的水源。因此，每年水質(zhì)監(jiān)測采樣的次數(shù)不能低于12次。如果河流污染比較嚴(yán)重，則可根據(jù)實際情況，適當(dāng)增加采樣次數(shù)，以保證水質(zhì)監(jiān)測的真實性。

3 河流水質(zhì)監(jiān)測斷面優(yōu)化布設(shè)方法

為真實、有效、科學(xué)的進(jìn)行河流水質(zhì)監(jiān)測斷面布設(shè)，該河流水質(zhì)監(jiān)測斷面優(yōu)化布設(shè)中應(yīng)用了多Agent的優(yōu)化方法，可從標(biāo)準(zhǔn)化后的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)中，獲得可有效表征水質(zhì)特征的主成分和非主要成分，具體如下：

3.1 構(gòu)建水質(zhì)監(jiān)測斷面Agent模型

大量實例表明，在河流水質(zhì)監(jiān)測斷面布設(shè)時應(yīng)用基于Agent智能化計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有清晰直觀的優(yōu)點，是研究復(fù)雜水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)最直接有效的方法。Agent的基本結(jié)構(gòu)可分為三大類，包括：慎思型、反應(yīng)型以及混合型Agent。主要原理是通過Agent系統(tǒng)中的傳感器及時感知周圍環(huán)境，然后通過相應(yīng)的效應(yīng)器作用在環(huán)境中，實現(xiàn)相互協(xié)作通信。在具體優(yōu)化布設(shè)時，為準(zhǔn)確提取水質(zhì)評價中具有代表性的成分，通過主成分分析（PCA）對各個因素進(jìn)行深入分析，有效保證了水質(zhì)多Agent仿真模型中的元素。通過Agent可監(jiān)測出多水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)，然后通過PCA最終確定主成分綜合評價得分和非主成分的綜合得分，即可作為兩個評價因子水質(zhì)多Agent中的優(yōu)化數(shù)據(jù)[2]。

3.2 水質(zhì)多Agent建模和優(yōu)化

水質(zhì)多Agent基本組織結(jié)構(gòu)大體上可分為三層結(jié)構(gòu)，其中原始斷面層是整個河流水質(zhì)監(jiān)測斷面優(yōu)化布設(shè)的基礎(chǔ)和核心。在具體優(yōu)化過程中，以其中一個元素為主成分綜合評價得分作為評價因素，就可以計算出Agent間的相似度。當(dāng)兩個Agent同時滿足相似度高的條件時，即可進(jìn)入細(xì)分模型。當(dāng)細(xì)分模型中兩種Agent同時滿足相似度高、相鄰兩個條件時，則要取消連接關(guān)系進(jìn)行拆分， 然后進(jìn)入粗分模型。在粗分模型中各個Agent的監(jiān)測斷面布設(shè)由面積區(qū)域取平均值獲得，其中中心點即可作為最終水質(zhì)監(jiān)測優(yōu)化后斷面布設(shè)點。

3.3 優(yōu)化布設(shè)結(jié)果分析

通過PCA技術(shù)，并確定主成分、非主成分的綜合評價的得分作為二次變量，搭建Agent模型。河流水質(zhì)主成分分析的總方差為：導(dǎo)電率初始特征值合計值為3.245，方差百分?jǐn)?shù)為36%，累計值為36.12；能見度初始特征值合計值為1.645，方差百分?jǐn)?shù)為26%，累計值為63.42；溶解氧初始特征值合計值為1.458，方差百分?jǐn)?shù)為18%，累計值為80.64；氨氮初始特征值合計值為0.948，方差百分?jǐn)?shù)為11%，累計值為91.52；總氮初始特征值合計值為2.166E-16，方差百分?jǐn)?shù)為2.407E-15%，累計值為100.00；總磷初始特征值合計值為0.006，方差百分?jǐn)?shù)為1%，累計值為99.94；pH值初始特征值合計值為3.326，方差百分?jǐn)?shù)為37%，累計值為35.6[3]。其中pH值、導(dǎo)電率、能見度、溶解氧這四個主成分的方差貢獻(xiàn)率之和達(dá)到90%以上，也就充分說明了這四個主成分為原始變量提供90%以上的相關(guān)信息，而非主成分的方差貢獻(xiàn)率不足10%，所提供的相關(guān)信息就比較小。

3.4 優(yōu)化結(jié)果驗證

研究表明，在此河流中，最初9個水質(zhì)Agent中主成分的綜合評價得分可作為斷面優(yōu)化粗分的主要依據(jù)。為嚴(yán)重河流水質(zhì)監(jiān)測斷面優(yōu)化布設(shè)的結(jié)果，可先把整個水域分解為3個Agent，低于最小斷面?zhèn)€數(shù)，則非主成分的綜合評價得分可以作為細(xì)分的主要依據(jù)。因此，河流水質(zhì)多Agent的優(yōu)化過程，也就是水質(zhì)監(jiān)測斷面優(yōu)化布設(shè)的過程。

就河流而言，水質(zhì)監(jiān)測斷面經(jīng)過粗分、細(xì)分兩個環(huán)節(jié)處理以后，斷面優(yōu)化從原始的9個改變?yōu)?個，既有效保證了監(jiān)測效率，同時也有效降低了施工成本。為說明本方法的有效性，使用分層聚類方法對原始監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類，基于多Agent的斷面優(yōu)化方法結(jié)果相同，說明本方法具有較強的準(zhǔn)確性[4]。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文結(jié)合工程實例，深入分析了河流水質(zhì)監(jiān)測斷面優(yōu)化布設(shè)方法，得出以下幾點結(jié)論：在進(jìn)行河流水質(zhì)監(jiān)測斷面優(yōu)化布設(shè)過程中，要根據(jù)河流實際情況，嚴(yán)格做好采樣斷面布置工作、選擇合理的布設(shè)采樣點、合理設(shè)置監(jiān)測斷面采樣頻率，才能為后期布設(shè)方法優(yōu)化提供數(shù)據(jù)依據(jù)。Agent優(yōu)化方法具有技術(shù)先進(jìn)、分析準(zhǔn)確、可操行強的特點，將該項技術(shù)應(yīng)用在河流水質(zhì)監(jiān)測斷面優(yōu)化布設(shè)中，既能保證監(jiān)測斷面優(yōu)化的質(zhì)量和效率，同時還能有效提高監(jiān)測準(zhǔn)確性。通過多Agent建模，然后通過PCA分析技術(shù)所得到的主成分評價得分和非主成分評價得分，就可以獲得水質(zhì)監(jiān)測的評價因子，然后通過相互判斷相似性，就可以最大限度上實現(xiàn)河流水質(zhì)監(jiān)測斷面布設(shè)的最優(yōu)化。應(yīng)用實例表明，此種優(yōu)化方法具有準(zhǔn)確度高、層次性強、結(jié)果直觀等特性，可為我國河流水質(zhì)監(jiān)測斷面優(yōu)化布設(shè)提供新的方法。

參考文獻(xiàn)

[1]仇偉光. 遼河流域水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)研究[J]. 中國環(huán)境監(jiān)測，2015，31（01）：122-127.

[2]黃鐘霆，周湘婷，張艷，羅岳平，王強，羅艾東. 湖南省河流斷面水質(zhì)自動監(jiān)測工作探索[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理，2015，40（04）：122-126.

[3]彭森，許繼平，連曉峰，王小藝，于家驥. 基于多Agent的水質(zhì)監(jiān)測斷面優(yōu)化布設(shè)研究[J]. 計算機測量與控制，2015，23（11）：3589.

[4]戚衛(wèi)偉. 江河水質(zhì)監(jiān)測斷面優(yōu)化布設(shè)方法[J]. 水利科技與經(jīng)濟(jì)，2015，21（10）：19-21.

收稿日期：2017-12-25

作者簡介：王蕊（1982-），女，碩士，工程師，研究方向為環(huán)境監(jiān)測。