污染源在線自動(dòng)監(jiān)控(監(jiān)測)數(shù)據(jù)修約補(bǔ)遺方法研究

孫東旭，段春雪

(1.中國石油 安全環(huán)保技術(shù)研究院，北京 102200；2.廊坊高科化工有限公司，河北 廊坊 065000)

污染源自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)是以在線自動(dòng)分析儀器為核心，由排污企業(yè)或者設(shè)備運(yùn)營商(第三方)負(fù)責(zé)維護(hù)管理，以移動(dòng)通訊為傳輸媒介，運(yùn)用現(xiàn)代傳感、自動(dòng)測量、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等技術(shù)，以環(huán)保局監(jiān)控中心為管理中樞，由環(huán)境監(jiān)測站和環(huán)境監(jiān)察機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)對(duì)設(shè)備運(yùn)營以及數(shù)據(jù)可靠性進(jìn)行日常監(jiān)督的在線自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)。污染源的在線自動(dòng)監(jiān)控能夠順應(yīng)多變而嚴(yán)峻的環(huán)境形勢(shì)，有效解決污染源監(jiān)控中的面大量廣以及時(shí)效性問題。通過對(duì)污染源進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、有效的管理，既體現(xiàn)了現(xiàn)代環(huán)境保護(hù)管理新的發(fā)展方向，同時(shí)也有利于企業(yè)提升自身環(huán)境保護(hù)管理的水平，在提升經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，提高社會(huì)效益[1-2]。

污染源自動(dòng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)監(jiān)測、傳輸過程中，會(huì)出現(xiàn)因儀器設(shè)備運(yùn)行環(huán)境變化、儀器性能不穩(wěn)定、突發(fā)設(shè)備故障、通信傳輸故障等原因，導(dǎo)致自動(dòng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)出現(xiàn)異常、缺失等情況，這些情況的發(fā)生，使得自動(dòng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)不能真實(shí)、準(zhǔn)確反映污染物外排情況，嚴(yán)重影響自動(dòng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量。當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失和無效的情況，修約補(bǔ)遺就成為必然手段[3]。

1 研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對(duì)于污染源自動(dòng)監(jiān)控應(yīng)用方面的研究較多，如奚務(wù)儉等[4]通過對(duì)南京市污染源在線監(jiān)控系統(tǒng)在建設(shè)、運(yùn)行管理中存在問題的分析，明確存在問題對(duì)在線監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)應(yīng)用造成的影響，提出了在線監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)應(yīng)用方面“雙優(yōu)一改”的實(shí)踐做法，在保證在線監(jiān)控設(shè)備的精確性、穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)的可靠性和真實(shí)性等方面取得較好的工作效果。張斌[5]通過分析包頭市廢水污染源自動(dòng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)掌握了企業(yè)排污及超標(biāo)情況，通過自動(dòng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析研究，制定相應(yīng)管理辦法，有效提升了地方環(huán)保部門環(huán)境監(jiān)管能力。陳樹沛[6]對(duì)江門市污染源在線監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)營和管理問題進(jìn)行了分析，結(jié)合江門市實(shí)際情況，從監(jiān)督管理、第三方運(yùn)營和計(jì)量檢定3個(gè)方面提出了改善提升辦法，為最大限度發(fā)揮污染源在線監(jiān)控系統(tǒng)在環(huán)境管理中的作用提供了較好的技術(shù)依據(jù)。米世僑等[7-9]從技術(shù)、產(chǎn)品、建設(shè)等3個(gè)層面對(duì)影響污染源在線監(jiān)測數(shù)據(jù)存在影響的因素進(jìn)行了分析，提出了配套設(shè)置超標(biāo)留樣儀、做好在線設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督、設(shè)立市場準(zhǔn)入機(jī)制、加強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)管理等措施建議。孫瀟帆等[10]依據(jù)浙江省煙氣污染源自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行情況，對(duì)污染源自動(dòng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)應(yīng)用于煙氣排污收費(fèi)工作的可行性開展了研究。研究表明初始數(shù)據(jù)傳輸有效率、修約率能有效提高自動(dòng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)準(zhǔn)確率[11]，繼而通過合理的人工干預(yù)提升修約率，可以有效減少在線數(shù)據(jù)與污染物實(shí)際排放情況的誤差，證明使用污染源自動(dòng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)征收煙氣排污費(fèi)前景看好。

2 不同監(jiān)控(監(jiān)測)數(shù)據(jù)修約補(bǔ)遺的研究

對(duì)選取的四個(gè)監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)用HJ/T 356—2007《水污染源在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)有效性判別技術(shù)規(guī)范(試行)》中第7章“缺失數(shù)據(jù)的處理”規(guī)則，隨機(jī)選取一組實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬修約補(bǔ)遺，并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比討論。由于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)皆沒有對(duì)修約數(shù)據(jù)偏差區(qū)間的規(guī)定，故采用HJ/T 354—2007《水污染源在線監(jiān)測系統(tǒng)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范(試行)》中“表2 水污染源在線監(jiān)測儀器實(shí)際水樣比對(duì)試驗(yàn)驗(yàn)收指標(biāo)”中各參數(shù)的相對(duì)誤差作為評(píng)定修約數(shù)據(jù)偏差的標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 連續(xù)時(shí)段缺失數(shù)據(jù)的修約補(bǔ)遺

隨機(jī)選擇了獨(dú)山子石化2#總排口2016年9月21日11：00～20：00時(shí)段共10 h的數(shù)據(jù)進(jìn)行單個(gè)連續(xù)時(shí)段缺失數(shù)據(jù)的補(bǔ)遺對(duì)比。依據(jù)HJ/T 356—2007《水污染源在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)有效性判別技術(shù)規(guī)范(試行)》中7.1項(xiàng)的數(shù)據(jù)補(bǔ)遺規(guī)則，分別對(duì)化學(xué)需氧量(COD)和ρ(氨氮)兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，見圖1和圖2。

時(shí)間段圖1 獨(dú)山子石化2#口COD連續(xù)缺失數(shù)據(jù)對(duì)比

時(shí)間段圖2 獨(dú)山子石化2#口ρ(氨氮)連續(xù)缺失數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖1可知，COD 8個(gè)數(shù)據(jù)在60～100 mg/L內(nèi)，根據(jù)HJ/T 354—2007《水污染源在線監(jiān)測系統(tǒng)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范(試行)》中“表2 水污染源在線監(jiān)測儀器實(shí)際水樣比對(duì)試驗(yàn)驗(yàn)收指標(biāo)”要求(簡稱“規(guī)范指標(biāo)要求”，下同)偏差值選用±20%；ρ(氨氮)的偏差值為固定的±15%。

由圖1和圖2可以看出兩個(gè)參數(shù)10個(gè)對(duì)比數(shù)據(jù)點(diǎn)中8個(gè)數(shù)據(jù)的偏差值都在上述范圍內(nèi)，即滿足了HJ/T 354—2007《水污染源在線監(jiān)測系統(tǒng)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范(試行)》中5.1.2.1項(xiàng)實(shí)際水樣比對(duì)試驗(yàn)“80%相對(duì)誤差值應(yīng)達(dá)到本標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際水樣比對(duì)試驗(yàn)驗(yàn)收指標(biāo)”的條款。可以說本組數(shù)據(jù)的修約補(bǔ)遺是可接受的。

2.2 間斷時(shí)段缺失數(shù)據(jù)的修約補(bǔ)遺

隨機(jī)選擇了蘭州石化化工污水排放口2016年9月6日10：00至9月7日10：00時(shí)段共25 h的數(shù)據(jù)進(jìn)行間斷缺失的修約補(bǔ)遺。依據(jù)HJ/T 356—2007《水污染源在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)有效性判別技術(shù)規(guī)范(試行)》中7.1項(xiàng)的數(shù)據(jù)補(bǔ)遺規(guī)則，分別對(duì)COD和ρ(氨氮)兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，見圖3和圖4。

時(shí)間段圖3 蘭州石化化工污水COD間斷缺失數(shù)據(jù)對(duì)比

時(shí)間段圖4 蘭州石化化工污水ρ(氨氮)間斷缺失數(shù)據(jù)對(duì)比

由于COD的數(shù)據(jù)皆在30～50 mg/L內(nèi)，根據(jù)規(guī)范指標(biāo)要求偏差值選用±30%；ρ(氨氮)的偏差值為固定的±15%。由圖3可以看出，雖然化學(xué)需氧量補(bǔ)遺的偏差值上下起伏，但都沒有超出規(guī)定的范圍，本組數(shù)據(jù)的修約補(bǔ)遺是可以完全接受的。但從圖4所表現(xiàn)的情況看，ρ(氨氮)12個(gè)對(duì)比點(diǎn)的偏差值都超出了±15%的可接受范圍，因此本組數(shù)據(jù)的修約補(bǔ)遺是不可接受的。綜合圖1～圖4四次修約補(bǔ)遺情況來看，一次完全接受、一次不可接受、兩次基本可接受，所以現(xiàn)有的修約補(bǔ)遺方式在多數(shù)情況下還是能夠合理體現(xiàn)真實(shí)排放情況。但同時(shí)也要注意到，圖1和圖2中COD和ρ(氨氮)偏差較大的兩個(gè)點(diǎn)以及圖4ρ(氨氮)的對(duì)比偏差值都明顯超出了合理偏差區(qū)間范圍，這表明修約數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性依賴于需修補(bǔ)時(shí)間段和之前取值時(shí)間段的相似程度，所以修約所使用時(shí)間段的選擇應(yīng)增加工況方面的考量，選取最近的工況相似時(shí)間段補(bǔ)遺數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)異常時(shí)段修約補(bǔ)遺

隨機(jī)選擇了四川石化綜合污水處理場排放口2016年7月14日4：00～15：00時(shí)段共12 h的數(shù)據(jù)分別模擬COD出現(xiàn)極大監(jiān)測值和ρ(氨氮)出現(xiàn)極小監(jiān)測值的情況進(jìn)行對(duì)比，以分析是否需要進(jìn)行修約補(bǔ)遺，其中極大監(jiān)測值和極小監(jiān)測值都是該監(jiān)測點(diǎn)參數(shù)2016年歷史數(shù)據(jù)中出現(xiàn)過的數(shù)值，見圖5和圖6。

時(shí)間段圖5 四川石化綜合污水COD極大監(jiān)測值與實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比

時(shí)間段圖6 四川石化綜合污水ρ(氨氮)極小監(jiān)測值與實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比

由于COD的數(shù)據(jù)皆小于30 mg/L，根據(jù)規(guī)范指標(biāo)要求偏差值選用±10%；ρ(氨氮)的偏差值為固定的±15%。由圖5可以非常明顯地發(fā)現(xiàn)，COD出現(xiàn)了極大的偏差，最大的偏差值達(dá)到了1161%，最小的偏差也有281%，所有值都嚴(yán)重超出了可接受范圍。同樣圖6中ρ(氨氮)也出現(xiàn)了從90%到98%不等的偏差，均超過了±15%的偏差區(qū)間。所以，參數(shù)監(jiān)測值出現(xiàn)極值情況時(shí)，如果不是因工況造成的真實(shí)值，其數(shù)據(jù)已經(jīng)失去了實(shí)際意義，也必須進(jìn)行修約補(bǔ)遺。補(bǔ)遺方法與數(shù)據(jù)缺失情況相同。

2.4 無效時(shí)段數(shù)據(jù)修約補(bǔ)遺

廣西石化廢水流量數(shù)據(jù)實(shí)測與修約對(duì)比見圖7。

時(shí)間段圖7 廣西石化廢水流量數(shù)據(jù)實(shí)測與修約對(duì)比

隨機(jī)選擇并假定廣西石化廠區(qū)廢水排放口2016年8月31日0：00～23：00時(shí)段共24 h的數(shù)據(jù)無效而進(jìn)行數(shù)據(jù)的修約補(bǔ)遺，無效數(shù)據(jù)在日常監(jiān)測中主要形式是流量數(shù)據(jù)缺失，首先要進(jìn)行流量數(shù)據(jù)的補(bǔ)遺，而COD與ρ(氨氮)兩個(gè)參數(shù)的補(bǔ)遺可在流量補(bǔ)遺后同之前缺失相同補(bǔ)遺。由于流量沒有誤差標(biāo)準(zhǔn)，所以偏差值區(qū)間選為COD和ρ(氨氮)中的最大偏差區(qū)間±30%。

由圖7可以看出，流量在實(shí)測中的數(shù)值波動(dòng)幅度很大，以單一數(shù)值的平均流量進(jìn)行補(bǔ)遺會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的偏差，從最低的1.4%(修約值幾乎可以完美的代替)到最高的220.3%(完全無法接受)，24個(gè)偏差值中16個(gè)超出可接受范圍，達(dá)到了66.7%。而且僅看24 h實(shí)測算數(shù)均值282.25，其與修約值的379.6之間的偏差也達(dá)到了34.5%，依然是不可接受的。所以想對(duì)流量進(jìn)行修約補(bǔ)遺，就一定要參考相應(yīng)時(shí)段的工況才能進(jìn)行。

3 結(jié)束語

研究表明，類似供暖鍋爐等季節(jié)性開工監(jiān)測點(diǎn)，會(huì)出現(xiàn)長期超標(biāo)而未及時(shí)進(jìn)行人工監(jiān)測的時(shí)段，無法按照現(xiàn)有修約規(guī)則對(duì)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行修約補(bǔ)遺。對(duì)工況波動(dòng)較大的監(jiān)測點(diǎn)，缺失超過24 h以上采用現(xiàn)有的補(bǔ)遺方法誤差較大。對(duì)自動(dòng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地從海量數(shù)據(jù)中找出可能存在異常數(shù)據(jù)、缺失數(shù)據(jù)并進(jìn)一步與污染源運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行核實(shí)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修約補(bǔ)遺，替換異常數(shù)據(jù)。這就要求選擇的修約補(bǔ)遺方法不能過于嚴(yán)格，否則會(huì)識(shí)別出大量異常數(shù)據(jù)。同時(shí)也不能過于寬泛，否則會(huì)造成在線數(shù)據(jù)質(zhì)量下降，不能滿足相應(yīng)要求。例如對(duì)長期超標(biāo)而未及時(shí)進(jìn)行人工監(jiān)測的監(jiān)測點(diǎn)和工況波動(dòng)較大的監(jiān)測點(diǎn)，現(xiàn)有的超過24 h修約方法誤差較大，建議采取新的修約方法，如參照24 h內(nèi)數(shù)據(jù)缺失情況進(jìn)行修約，或選擇錄入人工監(jiān)測數(shù)據(jù)，如果與在線監(jiān)測系統(tǒng)平臺(tái)相結(jié)合可有效提高污染源自動(dòng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)管理人員的工作效率和準(zhǔn)確性。

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