水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)自動校核程序設(shè)計(jì)與思考

□王 宇□陳 莉□王 威

(1新鄉(xiāng)水文水資源勘測局；2河南省水文水資源局)

0 前言

隨著社會的進(jìn)步和流域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對水質(zhì)信息的需求日益增加，水質(zhì)監(jiān)測站點(diǎn)種類和數(shù)量不斷增加，監(jiān)測頻率不斷加密，粗略估算，河南省水利部門每年需要處理的水質(zhì)數(shù)據(jù)即達(dá)百萬級，而專業(yè)技術(shù)人員的增加極為有限，導(dǎo)致水質(zhì)監(jiān)測工作日益繁重，盡快依托先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)服務(wù)信息化，是解決目前不堪重負(fù)的水質(zhì)業(yè)務(wù)工作窘境的最佳途徑。

水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠是水質(zhì)評價(jià)以及提供可靠的水質(zhì)信息服務(wù)的前提。在水質(zhì)工作中處于基礎(chǔ)地位。目前數(shù)值數(shù)據(jù)的合理性審核，基本上依靠人力，誤差大，效率低，耗時(shí)長，其是最終匯總數(shù)據(jù)的人員，工作壓力較大，而且數(shù)據(jù)指標(biāo)間橫向比較和數(shù)據(jù)縱向比較不同人員判斷標(biāo)準(zhǔn)差異較大，水質(zhì)數(shù)據(jù)的及時(shí)性和精確性難以保障。

為了破解目前水質(zhì)工作者被大量程序化的工作困擾的難題，推進(jìn)河南水質(zhì)工作信息化，有效提高水行政主管部門決策的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，河南省水文水資源局組織研究開發(fā)了河南省水質(zhì)信息服務(wù)系統(tǒng)。以此為契機(jī)，在系統(tǒng)開發(fā)過程中加入水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)校核功能，設(shè)計(jì)一套能夠自動對水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列錯(cuò)誤排除，可有效減輕水質(zhì)工作者的負(fù)擔(dān)，減少人為錯(cuò)誤，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。同時(shí)也可解決我局40a來積累下來的歷史數(shù)據(jù)如何快速入進(jìn)入水質(zhì)數(shù)據(jù)庫的問題。

1 數(shù)據(jù)校驗(yàn)程序設(shè)計(jì)

原始數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng),處于未校核狀態(tài)，監(jiān)測數(shù)據(jù)需要通過一個(gè)校驗(yàn)過程，通過校驗(yàn)的數(shù)據(jù)才能進(jìn)入系統(tǒng)參入評價(jià)。程序設(shè)計(jì)對不合理數(shù)據(jù)給予用戶警告和拒絕兩種回應(yīng)，警告模式提醒用戶檢查相關(guān)原始資料，但不強(qiáng)制用戶修改，不合理的數(shù)據(jù)可以進(jìn)入數(shù)據(jù)庫；拒絕模式則要求用戶必須修改數(shù)據(jù)，否則錯(cuò)誤數(shù)據(jù)無法進(jìn)入數(shù)據(jù)庫。對于人工錄入數(shù)據(jù)，程序提供人機(jī)交互界面進(jìn)行數(shù)據(jù)校核，用戶可以在系統(tǒng)中查到各種類型的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，將錯(cuò)誤數(shù)據(jù)修改成可用數(shù)據(jù)，修復(fù)的數(shù)據(jù)可以參入正常的評價(jià)和計(jì)算過程。對于excel表格直接導(dǎo)入數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將異常數(shù)據(jù)以批注的形式標(biāo)注于excel表格內(nèi)，用戶下載后進(jìn)行修改確認(rèn)。程序?qū)Ξ惓?shù)據(jù)按照原因給出簡單提示。數(shù)據(jù)自動校驗(yàn)流程見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)自動校驗(yàn)流程圖

2 數(shù)據(jù)校驗(yàn)規(guī)則設(shè)定

2.1 數(shù)據(jù)格式檢驗(yàn)

數(shù)據(jù)格式檢驗(yàn)主要檢驗(yàn)數(shù)據(jù)登記錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)錄入錯(cuò)誤，主要檢驗(yàn)監(jiān)測時(shí)間錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)有效位數(shù)，數(shù)據(jù)溢出，數(shù)據(jù)是否符合入庫格式、數(shù)據(jù)小于檢出限問題等。出現(xiàn)相應(yīng)問題，程序?qū)⒆詣犹嵝延脩魯?shù)據(jù)錯(cuò)誤，并拒絕數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫。對于歷史遺留數(shù)據(jù)，經(jīng)常會出現(xiàn)無法識別的各類符號標(biāo)記，如“？”、“*”等，校核人員也暫時(shí)無法修改，系統(tǒng)將對數(shù)據(jù)給出警告，但為了完整保存數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)保存于錯(cuò)誤數(shù)據(jù)記錄備查，此類數(shù)據(jù)不參與水質(zhì)計(jì)算。

2.2 化學(xué)組分合理性檢驗(yàn)

2.2.1 溶解氧是否小于相應(yīng)水溫下的飽和溶解氧。河南省目前大部分水域都受到人類活動影響，除了部分水質(zhì)較好且在光和作用旺盛時(shí)采集的水樣，大部分水樣溶解氧應(yīng)小于相應(yīng)水溫的飽和溶解氧，即溶解氧檢測值＜468(/31.60+水溫)。由于該判斷具有一定的不確定性，因此，當(dāng)程序發(fā)現(xiàn)不合理時(shí)，應(yīng)給出警告，提醒校核人員復(fù)查采樣單、化驗(yàn)記錄等原始資料。

2.2.2 總氮是否大于其余含氮化合物。水體中總氮指標(biāo)是各種氮化物指標(biāo)之和，即：總氮=有機(jī)氮+氨氮+亞硝酸鹽氮+硝酸鹽氮。出現(xiàn)任何部分氮化物指標(biāo)之和大于總氮指標(biāo)情況，程序應(yīng)視為錯(cuò)誤，提醒校核人員查找原因，阻止此類數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫。2.2.3河南省天然水體中，一般水偏堿性，若pH監(jiān)測值＜6.50，向數(shù)據(jù)校核人員發(fā)出警告。

2.2.4 對于同一水體而言，高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、5 d生化需氧量三個(gè)指標(biāo)之間存在正相關(guān)，和溶解氧存在負(fù)相關(guān)，化學(xué)需氧量大于高錳酸鹽指數(shù)且化學(xué)需氧量大于五日生化需氧量。如果上述關(guān)系不成立，則應(yīng)拒絕數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫，初步分析河南省歷史水質(zhì)數(shù)據(jù)，化學(xué)需氧量＞80 mg/L或者5 d生化需氧量＞30 mg/L或者高錳酸鹽指數(shù)＞20 mg/L，溶解氧一般應(yīng)＜3 mg/L，反之給出警告。

2.2.5 一般而言，水體中的硝酸鹽氮可以看作氨氮的生物氧化產(chǎn)物，因此溶解氧決定了二者誰處于優(yōu)勢地位，初步分析河南省歷史水質(zhì)數(shù)據(jù)，當(dāng)溶解氧＞9.50 mg/L時(shí)，一般氨氮小于硝酸鹽氮，溶解氧＜2 h，一般氨氮大于硝酸鹽氮，反之給出警告。

2.2.6 水中陰、陽離子平衡的校核有下列公式計(jì)算：

式中：ρ為各離子濃度，單位為mg/L。上式中，應(yīng)同時(shí)考慮水中pH值的影響，若pH值＞9，在陰離子加和中加入OH-，若pH值＜5，應(yīng)在陽離子加和中加入H+。陰陽離子校核如果不平衡，應(yīng)提示用戶查找原因，拒絕數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫。

2.2.7 礦化度應(yīng)小于電導(dǎo)率，一般情況下，礦化度=（0.55～0.70）γ，礦化度單位為mg/L，式中：γ為25℃時(shí)水的電導(dǎo)率，S/m。因?yàn)椴煌w，水樣中各種離子比例不同，而不同離子對電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)不同，如果水樣中含有較多的游離酸或苛性堿，γ系數(shù)可能＜0.55；如果水中含有大量鹽分，γ系數(shù)可能超過0.70；γ系數(shù)一般取0.67。若礦化度大于電導(dǎo)率，應(yīng)提示數(shù)據(jù)校核人員數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，拒絕數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫。若礦化度雖然小于電導(dǎo)率，但不滿足上述關(guān)系，向數(shù)據(jù)校核人員發(fā)出警告。礦化度與離子總量的關(guān)系：

式中：ΣA 為水中 Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-陰離子含量之和，mg/L；ΣK 為水中 Na+、K+、Ca2+、Mg2+陽離子含量之和，mg/L；ρ(HC)為 HCO3-離子含量，mg/L。；W 為礦化度，mg/L。若上式不成了，則拒絕數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫。水樣的總硬度（指鈣與鎂的濃度，非碳酸鈣表示的濃度）應(yīng)小于礦化度，其比值大約為0.50～0.80。若總硬度大于礦化度，拒絕數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫，若中硬度小于礦化度但比值在0.50～0.80之外，則給出警告

2.2.8 一般情況下pH值與游離CO2、HCO3-、CO32-的應(yīng)符合關(guān)系,若出現(xiàn)反常，拒絕數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫。①pH＜4.4只有強(qiáng)酸性質(zhì)組成；②4.4＜pH＜8.3，游離 CO2、HCO3-存在；③8.3＜pH＜9.5，HCO32-、CO32-存在；④pH＞9.5，CO32-、OH-存在。

2.3 數(shù)據(jù)時(shí)間空間合理性檢驗(yàn)

數(shù)據(jù)特征值校驗(yàn)主要利用系統(tǒng)可以計(jì)算年度檢測指標(biāo)的特征值，將上一年度該監(jiān)測指標(biāo)的極大值和極小值作為該監(jiān)測數(shù)據(jù)的合理范圍，如果超出范圍，則給出警告，提醒校核人員查閱原始資料，復(fù)核數(shù)據(jù)。環(huán)比值是上次監(jiān)測數(shù)據(jù)做對比，對于沒有重大改變的水域，比如泄洪、開閘放水，新建排污口等，水質(zhì)環(huán)同比值一般處于相同的水情期，其水質(zhì)具有相似性。根據(jù)河南省水質(zhì)特點(diǎn)，如果數(shù)據(jù)環(huán)比變化在-50%～100%之外，或者水質(zhì)評價(jià)等級相差2級以上，將給出警告，提醒校核人員查閱原始資料，復(fù)核數(shù)據(jù)。相鄰測站環(huán)比分析主要是基于以下假設(shè)：某測站某指標(biāo)的監(jiān)測值與相鄰上游測站和下游測站數(shù)據(jù)之間的大小關(guān)系短期內(nèi)不應(yīng)發(fā)生較大改變。如果發(fā)現(xiàn)大小關(guān)系發(fā)生改變，則給出警告，提醒校核人員查閱原始資料，復(fù)核數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

數(shù)據(jù)校驗(yàn)?zāi)K投入使用后，相關(guān)業(yè)務(wù)人員反響良好，大大減少了枯燥的程序化工作，減少了人工數(shù)據(jù)校核偶有遺漏的現(xiàn)象，有效提高了數(shù)據(jù)發(fā)布的及時(shí)性。但是目前的水質(zhì)數(shù)據(jù)校核模塊僅僅是一個(gè)輔助性質(zhì)的半自動模塊，在確定性高的校核規(guī)則方面可以減少工作人員的程序化勞動，但是對于通過統(tǒng)計(jì)分析來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)合理性方面還較粗糙。今后的研究可重點(diǎn)轉(zhuǎn)向這個(gè)方面，如通過統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法確定異常值，通過引用水文頻率的方法確定小概率數(shù)據(jù)，通過沿程數(shù)據(jù)分析來確定水質(zhì)數(shù)據(jù)空間的相關(guān)性，針對特定小范圍水域的水質(zhì)資料，通過灰色模型研究沒有明確理化關(guān)系間指標(biāo)的相互關(guān)系用于數(shù)據(jù)校驗(yàn)等等。