◎ 浙江大學控制科學與工程學系 楊 江 冀海峰 張 龍 龍 軍 張立偉 劉 涵 張光新 張宏建

0 引言

人口的增加，對水的需求量日益增加，同時排放的廢水也隨之增加。未經(jīng)處理的廢水會攜帶有害物質(zhì)進入水體，引起天然水體的物理和化學上的變化，使水質(zhì)變壞。嚴重的水體污染不僅會影響人體健康，而且會制約社會經(jīng)濟的正常發(fā)展[1]。

應用現(xiàn)代科技手段，建立覆蓋全國范圍的水質(zhì)預警系統(tǒng)，對人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P的飲用水水源進行實時監(jiān)測、準確的水質(zhì)評價、以及對重大水質(zhì)污染現(xiàn)象和事故的進行預警，輔助職能部門進行水質(zhì)污染的應急處理，最大限度地降低各種水質(zhì)污染的帶來的風險和危害。

水質(zhì)評價是根據(jù)相關的國家水質(zhì)標準、運用有效的水質(zhì)評價方法、給出被評價水體的當前水質(zhì)狀態(tài)、發(fā)展趨勢以及水質(zhì)污染后的應急處理建議。

1 水質(zhì)評價體系的建立

建立飲用水水質(zhì)評價體系的出發(fā)點是飲用水加工流程的所有環(huán)節(jié)。原水進入水處理廠，經(jīng)過除雜質(zhì)、消毒等一系列工藝處理后，得到衛(wèi)生指標合格的出廠水，經(jīng)過管網(wǎng)輸送到千家萬戶?？梢婏嬘盟钠焚|(zhì)取決于原水水質(zhì)、水處理工藝、輸送管網(wǎng)特性等要素[2]。要正確評價飲用水水質(zhì)，需要從全流程的分析、檢測和考評，各環(huán)節(jié)存在一定因果關系，即前一個環(huán)節(jié)會影響下一個環(huán)節(jié)。

本文的水質(zhì)評價對象是水源地的原水和水處理廠的出廠水。對原水的評價依據(jù)是國標GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》，出廠水的評價依據(jù)是國標GB5749-2006《生活飲用水衛(wèi)生標準》。

飲用水水質(zhì)安全評價體系由四層體系結構組成：系統(tǒng)層（綜合表征水環(huán)境大系統(tǒng)的整體安全程度，主要包括水環(huán)境的安全狀態(tài)屬性層、安全壓力屬性層、安全趨勢屬性層和安全響應屬性層）；對象層（主要包括水源圈層、給水處理圈層、管網(wǎng)輸配圈層和典型水污染事件圈層）；指數(shù)層（主要包括飲用水水質(zhì)質(zhì)量指數(shù)、水質(zhì)干擾指數(shù)、水質(zhì)安全事件的管理和應急指數(shù)等）。

2 評價因子和預警事件

參照國標和相關文獻，選擇與水質(zhì)相關的參數(shù)，組成用于水質(zhì)評價因子表。每個因子包含名稱、標準中的數(shù)值、單位、水質(zhì)分類值、表征毒性大小的系數(shù)以及相關信息。為便于數(shù)據(jù)庫編程，對因子進行統(tǒng)一的分類和編號。評價因子是表征水質(zhì)的基本參數(shù)。

當某些漸變性或突發(fā)性的水質(zhì)污染發(fā)生時，單個水質(zhì)指標無法進行全面描述，需要用多個水質(zhì)參數(shù)來共同描述污染事件的特征、演變過程和危害程度等信息。因此本文在參考相關文獻的基礎上，把常見的水質(zhì)污染現(xiàn)象進行分類，定義了二十幾類預警事件。預警事件包含一個或多個屬性，屬性可以是一個水質(zhì)因子，或不能用參數(shù)因子描述的特征，以及污染發(fā)生時的危害性以及應急處理措施等附加信息。預警事件是預警系統(tǒng)對被監(jiān)控水體污染狀況提出預報的基本單位。

3 評價算法

水質(zhì)評價算法根據(jù)評價因子表、預警事件表、被評價水體的檢測數(shù)據(jù)，應用一定的評價方法，得出對水質(zhì)的當前狀態(tài)和發(fā)展趨勢的判斷。水質(zhì)評價算法的輸出結果主要有：總體的水質(zhì)污染指數(shù)、歸屬類別、主要污染物的濃度、超限的數(shù)值、將來可能會出現(xiàn)的污染事件以及出現(xiàn)概率。文本采用的水質(zhì)評價方法有：

3.1 水質(zhì)指數(shù)法

水質(zhì)指數(shù)是屬于物化性的水質(zhì)指標，水體環(huán)境中各個水質(zhì)參數(shù)對于水質(zhì)總體影響的評估方法，即根據(jù)水質(zhì)參數(shù)對水質(zhì)影響的不同給予不同的權重，并且依其不同的濃度范圍確定指數(shù)，依此數(shù)據(jù)來評估水質(zhì)的優(yōu)劣。

水質(zhì)指數(shù)法中，以因子編號和因子實測值作為輸入，以水質(zhì)指數(shù)值和水質(zhì)等級作為輸出?？梢詫λ此鏊畯S和管網(wǎng)水的因子進行評價。該方法能客觀的反映的水質(zhì)狀況，算法實現(xiàn)容易。

3.2 模糊綜合評價法

該算法通過獲得一個綜合評判集，評價水體水質(zhì)對各級標準水質(zhì)的隸屬度程度，來得到水質(zhì)級別。

模糊綜合評價法以水質(zhì)污染事件對應的因子為集合作輸入，以該事件隸屬水質(zhì)等級作為評價結果輸出。

該方法基于水質(zhì)事件進行評價，能利用全部數(shù)據(jù)的所提供的信息，總體因素的評價效果顯著。

3.3 層次分析法

通過建立層次分析結構模型，構造判斷矩陣，利用求特征值的方法，確定各因子的危害性權重，綜合權重按最大權重原則確定相應的污染程度。算法的輸入是采樣得到的因子值，計算結果是水質(zhì)級別。

層次分析法是一種定性和定量分析相結合的評價方法，具有較強的邏輯性、實用性，它的缺點是需要對每一層次各環(huán)境因子相對重要性給出的判斷，這些判斷的客觀性決定了計算成果的計算精度。

3.4 綜合評價方法

該方法用各種污染物的相對污染指數(shù)進行數(shù)學上的歸納和統(tǒng)計，得出一個較簡單的代表水體污染程度的數(shù)值。綜合評價法能了解多個水質(zhì)參數(shù)與相應標準之間的綜合對應關系，但有時會掩蓋高濃度的影響。

綜合評價方法包括簡單綜合污染指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法、水質(zhì)質(zhì)量系數(shù)法、有機物污染綜合評價值、布朗水質(zhì)指數(shù)法等。

在水質(zhì)評價時同時采用了多種評價方法，這是因為不同的水質(zhì)評價方法有其自身的固有屬性，它們的適用范圍不同、反映水質(zhì)的側(cè)重點也有不同。對于水質(zhì)評價，目前還沒有系統(tǒng)的理論知識，無法判斷對于一組水質(zhì)參數(shù)需要應用何種方法合理。采用多種方法進行評價，并對它們的結果進行有效融合，最終得到接近真實值的結果。

4 評價軟件開發(fā)

水質(zhì)評價上位機軟件采用微軟公司推出的Visual Studio 2005集成開發(fā)環(huán)境所包含的C#編程語言編寫，同時使用了SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫技術方便數(shù)據(jù)存取和管理。上位機軟件主要包括四個部分：評價算法管理、計劃任務管理、手動評價分析和歷史評價查詢。

4.1 評價算法管理

主要是在界面中直觀的顯示出軟件所用到的算法信息，如算法名稱、算法類型和算法用到的評價因子等。同時含有增加和刪除算法信息的按鈕，方便及時更新算法信息。

4.2 計劃任務管理

主要用于管理計劃執(zhí)行的任務，主界面顯示評價站點信息（包括站點名稱以及采用的評價算法）、評價方法、運行狀態(tài)、定時評價頻次以及評價結果。

界面上的添加/刪除按鈕可以添加/刪除計劃，同時可以設定每一條計劃的評價頻次和啟動/停止該計劃，計劃的評價結果實時更新，并將評價結果和相關信息寫入到數(shù)據(jù)表中保存。

4.3 手動評價分析

主要是手工選擇站點信息以及評價方法，對選擇的站點進行評價，直接在界面顯示評價信息和預警信息。站點信息、評價信息和預警信息等都自動寫入到數(shù)據(jù)表中保存。

4.4 歷史評價查詢

根據(jù)之前的計劃任務和手動評價，以日志形式在界面中直觀顯示各任務的評價信息和預警信息。

5 評價算法的驗證

為提高水質(zhì)評價算法的正確性，在算法軟件的開發(fā)和使用工程中，增加了采用算法的數(shù)據(jù)樣本對評價算法的準確性進行驗證的環(huán)節(jié)，為評價算法的改進提供依據(jù)。

每個評價算法都有特定的輸入?yún)?shù)和輸出結果，樣本數(shù)據(jù)包含來自現(xiàn)實事物或已經(jīng)被驗證是正確的輸入?yún)?shù)和輸出結果，不同的評價算法，它們的樣本數(shù)據(jù)各不相同。

評價算法的驗證方法是輸入該算法的樣本數(shù)據(jù)的輸入部分，比較評價算法的輸出結果是否與樣本中的輸出一致，相同則表示正確。通過多個樣本數(shù)據(jù)測試，可以得出評價算法的準確率。

在開發(fā)過程中，采用模擬的樣本數(shù)據(jù)，對算法進行初步驗證。模擬的樣本數(shù)據(jù)是軟件開發(fā)人員根據(jù)國家標準中參數(shù)值人為選定的。采用模擬樣本，可以快速地對算法進行測試，方便評價算法的設計人員和算法的編程人員及時發(fā)現(xiàn)和改進算法中的缺陷。

在試運行階段，采用來自實際過程的樣本數(shù)據(jù)，進行評價算法的驗證。從被評價水體的水質(zhì)記錄數(shù)據(jù)庫獲取該算法所需的歷史數(shù)據(jù)，通常只有輸入?yún)?shù)而沒有輸出結果，請水利專家根據(jù)輸入?yún)?shù)給出輸出結果的估計值，構成樣本數(shù)據(jù)。

運行過程中采用實際樣本數(shù)據(jù)進行評價算的法驗證。具體做法是自動記錄輸入?yún)?shù)、算法的輸出結果和對應的時間；人工收集樣本數(shù)據(jù)的實際輸出數(shù)據(jù)，在操作界面輸入對應時間下和輸出結果，形成實際的樣本數(shù)據(jù)。在評價程序運行一段時間后，可以執(zhí)行實際樣本數(shù)據(jù)的驗證功能，得到評價算法的準確率。

編寫評價算法的管理模塊，實現(xiàn)上述評價算法的驗證功能，并記錄驗證結果，供算法設計人員調(diào)用和分析。

6 結論

根據(jù)相關水質(zhì)標準和水利知識，以SQL2005數(shù)據(jù)庫和VS2005軟件包，開發(fā)了能融合多種水質(zhì)評價算法，具有實時水質(zhì)評價和水質(zhì)預警能力的水質(zhì)評價軟件，它不僅可以單獨運行，還可以作為一個功能模塊集成到預警系統(tǒng)中。

本軟件的最大特征是采用軟件算法驗證的反饋機制，編寫評價算法的管理模塊，構建和組織水質(zhì)樣本數(shù)據(jù)，對水質(zhì)評價算法的準確性進行有效的驗證和考評，作為評價算法改進和提高的依據(jù)。