基于灰色關(guān)聯(lián)的河流水環(huán)境污染監(jiān)測(cè)方法

羅奕珊

（梅州市生態(tài)環(huán)境局豐順分局 廣東 梅州 514300）

引言

河流作為地表水資源重要組成部分，是居民生活用水與工業(yè)生產(chǎn)用水主要源頭，隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，河流水環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重，同時(shí)也越來越受到社會(huì)重視。河流水環(huán)境污染不僅會(huì)對(duì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展造成不良影響，而且還會(huì)影響人類生命健康，因此對(duì)河流水環(huán)境污染監(jiān)控非有必要。最初是采取人工監(jiān)測(cè)的方式，由技術(shù)人員到河流現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行采樣，然后化驗(yàn)分析，監(jiān)測(cè)結(jié)果不僅具有較強(qiáng)的主觀性，而且監(jiān)測(cè)效率非常低。隨著人工智能技術(shù)、信息技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)的不斷革新與發(fā)展，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方式逐漸取代人工監(jiān)測(cè)方式。但由于河流水環(huán)境污染智能監(jiān)測(cè)研究在國(guó)內(nèi)起步比較晚，監(jiān)測(cè)理論與技術(shù)還不夠成熟和完善，與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在較大差距，且現(xiàn)行的監(jiān)測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中無法達(dá)到預(yù)期的監(jiān)測(cè)效果，監(jiān)測(cè)結(jié)果往往與實(shí)際存在較大的差距，監(jiān)測(cè)誤差比較大，因此傳統(tǒng)方法已經(jīng)無法滿足實(shí)際需求，基于灰色關(guān)聯(lián)的河流水環(huán)境污染監(jiān)測(cè)方法被提出研究。

1 河流水環(huán)境污染指標(biāo)選定

根據(jù)參考的相關(guān)河流水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，在對(duì)監(jiān)測(cè)樣本采集之前，針對(duì)不同種類河流選定不同的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，建立河流水環(huán)境污染監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系。

1.1 離子濃度指數(shù)

氫離子濃度指數(shù)即pH 值，代表的是一種溶液酸性或者堿性程度的數(shù)值，定義為水中氫離子活性的負(fù)對(duì)數(shù)。pH 是一種常見且最主要的水環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)，其在自然水體中維持在6 ～9 的區(qū)間，才符合河流水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.2 懸浮體

懸浮體是河流水環(huán)境中的殘余物質(zhì)。懸浮物分為可過濾性、不可過濾性以及總殘余性3 種，由于受到顆粒的物理性質(zhì)和過濾作用等多種因素的綜合作用，其測(cè)量結(jié)果很難掌握，因此需將其作為河流水環(huán)境污染相對(duì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

1.3 硫化物

硫化物普遍存在于生活污水、工業(yè)廢水和地下水中，其中含有的成分為細(xì)菌，可在厭氧環(huán)境下將硫酸根還原，或由含硫有機(jī)物分解而生成。河流水環(huán)境中的硫化物主要為溶解態(tài)硫化氫、硫離子及溶解態(tài)硫化物、非離子態(tài)的有機(jī)-無機(jī)硫化物和可溶解態(tài)的金屬硫化物。硫化氫容易揮發(fā)到大氣中，從而產(chǎn)生惡臭于有毒氣體，并與人類的細(xì)胞發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致人體內(nèi)氧氣不足，威脅人類生命。除此之外，硫化物還會(huì)被氧化為硫酸侵蝕土壤，因而河流水環(huán)境污染監(jiān)測(cè)中硫化物也是一個(gè)重要的監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

1.4 氰化物

氰化物是一種毒性很強(qiáng)的化學(xué)物質(zhì)，會(huì)與高鐵細(xì)胞色素氧化酶結(jié)合，使其不能傳輸氧氣，從而造成組織的缺氧和窒息。氰化物在河流水環(huán)境中的賦存形態(tài)主要為單一氰和復(fù)合氰，其賦存比例與pH 有很大關(guān)系。氰化氫是大部分水中的主要成分，具有很強(qiáng)的毒性，其污染來源包括采礦、冶煉、電鍍、焦化、選礦、有機(jī)化工、造氣、肥料等，因此在對(duì)河流水環(huán)境污染進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)一定要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控。

1.5 總磷

總磷（TP)是指在河流水環(huán)境中水體經(jīng)過消化后，各種形式的磷轉(zhuǎn)化為正磷酸鹽后的形態(tài)，按照相關(guān)河流水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，以無機(jī)態(tài)和有機(jī)態(tài)存在的磷的總和。雖然，目前河流水環(huán)境中的磷普遍很少，但大量的工業(yè)廢水（化肥、冶煉等廢水）肆意排放，造成了河流水環(huán)境磷污染。磷雖然是生命活動(dòng)所必需的物質(zhì)，但過量的磷還會(huì)導(dǎo)致海藻過度增殖，從而引起河流水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的破壞，即所謂的“富營(yíng)養(yǎng)化”，導(dǎo)致湖泊和河流透明度下降、水體變差，因此需選定總磷作為河流水環(huán)境污染監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

1.6 總氮

總氮是河流水環(huán)境中不同形式有機(jī)與無機(jī)氮的總和，是評(píng)價(jià)河流水環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)，經(jīng)常被用來表達(dá)被營(yíng)養(yǎng)鹽污染的河流水環(huán)境質(zhì)量。通過對(duì)總氮量的監(jiān)測(cè)，可更好地了解河流水環(huán)境污染程度及水質(zhì)的自我凈化情況。含氮物質(zhì)含量過高，不僅會(huì)引起微生物的大量增殖和浮游生物的過度增殖，還會(huì)消耗水的溶解氧，從而發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化。

1.7 氨氮

氨氮是在河流水環(huán)境中，以游離氨和以離子形式存在的氮。一般情況下，水中的氨氮含量上升是指以氨或以離子形式存在的化合氨，主要是由水中的細(xì)菌對(duì)生活污水中的氮?dú)膺M(jìn)行分解產(chǎn)生的，主要來自于工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)排污等。在缺氧條件下，細(xì)菌可以將亞硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氨氮，但在有氧的條件會(huì)起相反的作用。魚體對(duì)氨氮比較敏感，氨氮濃度太高會(huì)造成魚體死亡。但氨氮卻是除 COD 外最重要的水質(zhì)限制因子，因此測(cè)定不同形式的氨氮對(duì)監(jiān)測(cè)河流水環(huán)境污染具有重要意義。

2 測(cè)點(diǎn)布設(shè)及水環(huán)境污染數(shù)據(jù)采集

根據(jù)以上選定的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，對(duì)水環(huán)境污染數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。而采樣作為河流水環(huán)境污染監(jiān)測(cè)的重要步驟，其精度直接關(guān)系到監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此要對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行合理的布設(shè)。由于河流分為上游、中游和下游3 個(gè)區(qū)域，因而通常情況下都會(huì)在河流上、中、下游各布設(shè)一條測(cè)線，并在每個(gè)測(cè)線上布設(shè)3～5 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間隔距離在100～200m 之間，每個(gè)河流分支處布設(shè)1～2 個(gè)測(cè)點(diǎn)[1]，測(cè)點(diǎn)還要安裝污染參數(shù)采集器。根據(jù)監(jiān)測(cè)需求，分別采集河流水環(huán)境氫離子濃度指數(shù)、懸浮物、總磷、硫化物、氰化物、總氮、氨氮7 項(xiàng)污染參數(shù)，結(jié)合實(shí)際情況選擇型號(hào)為IFFA-A44G污染參數(shù)采集器，并對(duì)傳感器進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，其中包括脈沖信號(hào)發(fā)射頻率、掃描周期、掃描范圍等，通過信號(hào)掃描獲取到相應(yīng)的參數(shù)數(shù)據(jù)[2]。此外，利用GIS 技術(shù)獲取測(cè)點(diǎn)的空間地理信息，用于后續(xù)水環(huán)境污染點(diǎn)位置定位，利用無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)上，用于后續(xù)灰色關(guān)聯(lián)分析。

3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

考慮到監(jiān)測(cè)范圍可能存在重復(fù)區(qū)域，且采集到的原始數(shù)據(jù)中也會(huì)有一部分重復(fù)，因此需通過對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理提高數(shù)據(jù)精度。首先，需對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行除冗處理，剔除重復(fù)數(shù)據(jù)，讓所有數(shù)據(jù)僅保留一份[3]。其次，考慮可能存在數(shù)據(jù)值缺失的現(xiàn)象，即一部分?jǐn)?shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)，因而為保證數(shù)據(jù)的完整性，應(yīng)對(duì)原始數(shù)據(jù)插值處理，將所有缺失數(shù)據(jù)使用平均值代替[4]。最后，依據(jù)式（1）對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配處理。

式中H—處理后的數(shù)據(jù)，即匹配標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)；—差異數(shù)據(jù)；—河流水環(huán)境污染影響數(shù)據(jù)；—預(yù)處理結(jié)果參數(shù)；—預(yù)處理數(shù)據(jù)總量[5]。

通過數(shù)據(jù)匹配處理，使河流水環(huán)境污染數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化[6]。除此之外，還應(yīng)依據(jù)式（2），利用十進(jìn)制對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

4 基于灰色關(guān)聯(lián)的污染監(jiān)測(cè)

利用灰色關(guān)聯(lián)技術(shù)對(duì)河流水環(huán)境污染綜合分析，確定氫離子濃度指數(shù)、懸浮物、總磷、硫化物、氰化物、總氮、氨氮與水環(huán)境污染之間的線性關(guān)系。先采用均值法，依據(jù)式（3）對(duì)預(yù)處理后的污染參數(shù)進(jìn)行無量綱化處理。

利用監(jiān)測(cè)對(duì)象參數(shù)最大差值與最小差值，確定參數(shù)與參考參數(shù)的對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，其計(jì)算見式（4）。

每種污染參數(shù)對(duì)河流水環(huán)境污染評(píng)價(jià)影響程度不同，其可以用關(guān)聯(lián)度表示，利用關(guān)聯(lián)系數(shù)依據(jù)式（5）計(jì)算出關(guān)聯(lián)度。

根據(jù)計(jì)算到的水環(huán)境污染指數(shù)，確定污染等級(jí)，此次設(shè)計(jì)一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)、五級(jí)五個(gè)等級(jí)，用式（7）表示。

污染指數(shù)值越大，對(duì)應(yīng)的等級(jí)越好，河流水環(huán)境污染越嚴(yán)重，如果污染指數(shù)在0～0.15 區(qū)間，河流水環(huán)境污染等級(jí)為一級(jí)污染，污染程度非常輕，不需要采取任何防治措施；如果污染指數(shù)在0.15～0.25 區(qū)間，河流水環(huán)境污染等級(jí)為二級(jí)污染，污染程度比較輕，僅需要定期對(duì)其監(jiān)測(cè)，并采取一些小的防污染措施即可；如果污染指數(shù)在0.25～0.45 區(qū)間，河流水環(huán)境污染等級(jí)為三級(jí)污染，污染程度中等，需要采取一些防護(hù)和治理措施；如果污染指數(shù)在0.45～0.65 區(qū)間，河流水環(huán)境污染等級(jí)為四級(jí)污染，污染程度比較高，必須要加強(qiáng)對(duì)其的重視，采取一些必要的防護(hù)和治理措施；如果污染指數(shù)在0.65～1 區(qū)間，河流水環(huán)境污染等級(jí)為五級(jí)污染，污染程度非常嚴(yán)重，必須對(duì)該區(qū)域河流水環(huán)境污染進(jìn)行治理，并加大防護(hù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該區(qū)域水環(huán)境污染。根據(jù)以上規(guī)則，得到水環(huán)境污染監(jiān)測(cè)結(jié)果，如果污染等級(jí)超過三級(jí)，則進(jìn)行預(yù)警，生成監(jiān)測(cè)報(bào)告并輸出，以此完成基于灰色關(guān)聯(lián)的河流水環(huán)境污染監(jiān)測(cè)。

5 實(shí)驗(yàn)論證

5.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備與設(shè)計(jì)

為了檢驗(yàn)本次提出的基于灰色關(guān)聯(lián)的河流水環(huán)境污染監(jiān)測(cè)方法的可行性與可靠性，選擇廣東省的某河流為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。該河流流域面積約3564.12km2，河流寬度為8.46～14.26m，河流長(zhǎng)度為2548.69m，河流上游化工企業(yè)比較多，符合實(shí)驗(yàn)需求。利用此次設(shè)計(jì)方法對(duì)該河流水環(huán)境污染監(jiān)測(cè)，并選擇基于數(shù)據(jù)挖掘（傳統(tǒng)方法1）和基于人工智能（傳統(tǒng)方法2）的傳統(tǒng)方法作為對(duì)比。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備了3 臺(tái)參數(shù)采集傳感器，布設(shè)7 個(gè)測(cè)點(diǎn)，即上游布設(shè)3 個(gè)測(cè)點(diǎn)、中游和下游各布設(shè)2 個(gè)測(cè)點(diǎn)，相鄰測(cè)點(diǎn)間距250m，測(cè)點(diǎn)分別在該河流的上游、中游以及下游各一個(gè)，共采集到溫度、PH 值以及電導(dǎo)率數(shù)據(jù)1.52GB。按照上述流程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以及灰色關(guān)聯(lián)分析，得到河流水環(huán)境污染等級(jí)，具體結(jié)果如表1所示，設(shè)計(jì)方法基本可以完成河流水環(huán)境污染監(jiān)測(cè)任務(wù)。

表1 河流水環(huán)境污染監(jiān)測(cè)結(jié)果

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

對(duì)具體監(jiān)測(cè)效果進(jìn)行檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)以監(jiān)測(cè)誤差作為3種方法準(zhǔn)確度評(píng)價(jià)指標(biāo)，以時(shí)間作為變量，每隔12h 統(tǒng)計(jì)1 次3 種方法監(jiān)測(cè)誤差，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為84h，使用電子表格對(duì)3 種方法監(jiān)測(cè)誤差進(jìn)行記錄，具體數(shù)據(jù)如表2 所示。在本次實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)方法監(jiān)測(cè)誤差相對(duì)比較小，雖然3 種方法監(jiān)測(cè)誤差都隨著時(shí)間的增加而不斷增長(zhǎng)，但是設(shè)計(jì)方法增長(zhǎng)幅度比較小，當(dāng)監(jiān)測(cè)時(shí)間為84h 時(shí)，監(jiān)測(cè)誤差僅為0.15%，可以將監(jiān)測(cè)誤差控制在1%以內(nèi)，說明設(shè)計(jì)方法監(jiān)測(cè)結(jié)果基本與實(shí)際情況一致。而2 種傳統(tǒng)方法監(jiān)測(cè)誤差相對(duì)比較高，隨著時(shí)間的變化大幅度增長(zhǎng)，當(dāng)監(jiān)測(cè)時(shí)間為84h 時(shí)，傳統(tǒng)方法1 與傳統(tǒng)方法2 監(jiān)測(cè)誤差分別為9.36%、10.25%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)方法。因此，本次實(shí)驗(yàn)證明，在精度方面設(shè)計(jì)方法表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，相比較傳統(tǒng)方法更適用于河流水環(huán)境污染監(jiān)測(cè)。

表2 3 種方法監(jiān)測(cè)誤差對(duì)比（%）

結(jié)語

本次針對(duì)當(dāng)前河流水環(huán)境無法監(jiān)測(cè)理論存在的不足與缺陷，參考相關(guān)文獻(xiàn)資料，將灰色關(guān)聯(lián)技術(shù)應(yīng)用到污染監(jiān)測(cè)中，提出新思路，并通過實(shí)驗(yàn)論證了該思路的可行性與可靠性，有效提高了河流水環(huán)境污染監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)方法的優(yōu)化與創(chuàng)新及對(duì)理論的完善與充實(shí)。但設(shè)計(jì)方法尚未在實(shí)際中得到大量操作與實(shí)踐，在某些方面可能存在不足之處，應(yīng)在方法優(yōu)化設(shè)計(jì)方面進(jìn)行持續(xù)探究，促進(jìn)河流水環(huán)境污染監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展。