歷明月，李建華，夏麗娟，鄭 鈞

(北京尚水信息技術(shù)股份有限公司，北京 100085)

在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代，傳統(tǒng)水利和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合是必然趨勢。自動化監(jiān)測與傳統(tǒng)的人工監(jiān)測方式相比，其數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的時間尺度更加多元化。例如，監(jiān)測數(shù)據(jù)24 h內(nèi)的變化趨勢和規(guī)律分析，以月為周期的數(shù)據(jù)變化趨勢和規(guī)律分析；監(jiān)測數(shù)據(jù)跨年度變化分析等等。我國的水環(huán)境自動化監(jiān)測發(fā)展的較晚[1]，但是，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，我國的大流域基本部署了水環(huán)境自動化監(jiān)測設(shè)備，逐步實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化治理水環(huán)境的目標(biāo)[2-5]。

水環(huán)境自動化監(jiān)測能夠給相關(guān)部門提供海量數(shù)據(jù)，假如指標(biāo)的監(jiān)測頻率為5 min一次，其1年的數(shù)據(jù)量就可達10萬條以上。基于海量數(shù)據(jù)，可清楚掌握各項監(jiān)測指標(biāo)的實時變化情況。利用數(shù)理統(tǒng)計方法或模型算法能夠更加科學(xué)地分析出數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系以及各自的時空變異特征。同時，海量數(shù)據(jù)的出現(xiàn)也給數(shù)據(jù)分析處理工作人員帶來更大的壓力和挑戰(zhàn)。目前，水環(huán)境自動化監(jiān)測的海量數(shù)據(jù)多被擱置，并沒有得到有效處理和充分利用[5]。因此，自動化實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效處理和價值挖掘工作已迫在眉睫。

本研究中，基于海量的水環(huán)境自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用Pearson相關(guān)系數(shù)分析法研究了各指標(biāo)之間的相關(guān)性關(guān)系，基于具有相關(guān)關(guān)系的監(jiān)測指標(biāo)，可建立一元線性回歸預(yù)測模型，修補校正水環(huán)境自動化缺測時段的數(shù)據(jù)，為合理地監(jiān)測水環(huán)境數(shù)據(jù)和獲得完整的時間序列提供科學(xué)保障。本研究中的水環(huán)境自動化監(jiān)測指標(biāo)包括：水質(zhì)常規(guī)5參數(shù)(水溫、pH值、溶解氧、電導(dǎo)率和濁度)、水位、氣溫。監(jiān)測頻率為5 min一次，一個月的數(shù)據(jù)量累計達8 000條以上。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)源為瀾滄江2019-2020年溜筒江站點、功果橋站點和允景洪站點部分連續(xù)自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)。監(jiān)測指標(biāo)包括水質(zhì)常規(guī)5參數(shù)(PH值、電導(dǎo)率、溶解氧、水溫、濁度)、水位和氣溫，監(jiān)測頻率為5 min一次。各項監(jiān)測指標(biāo)的監(jiān)測方法見表1。

表1 水環(huán)境自動化監(jiān)測一覽表

溜筒江站點位于瀾滄江干流上游、瀾滄江入境云南第一個干流控制站——溜筒江水文站處，E98°47′22″，N28°33′6″，海拔2 054 m左右。監(jiān)測指標(biāo)包括pH值、電導(dǎo)率，溶解氧，水溫、濁度、水位、氣溫。數(shù)據(jù)分析時段為2019年2-6月。

功果橋站點位于瀾滄江干流中下游的功果橋水電站下游大約1 km處，E99°20′38.328″，N25°34′58.7892″，海拔1 257 m左右。監(jiān)測指標(biāo)包括pH值、電導(dǎo)率，溶解氧，水溫、濁度、氣溫。數(shù)據(jù)分析時段為2019年1-7月，2020年3-6月。

允景洪站點位于瀾滄江下游允景洪水文站處，E100°78′89.92″，N22°02′73.25″，海拔535 m左右。監(jiān)測指標(biāo)包括pH值、電導(dǎo)率、溶解氧、水溫、濁度、氣溫。數(shù)據(jù)分析時段為2019年2-9月。

1.2 分析方法

為挖掘各指標(biāo)之間的關(guān)系特征，基于2019-2020年瀾滄江干流上游3站點連續(xù)兩年部分自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析法[6-7]進行分析。相關(guān)系數(shù)可度量兩個變量之間的相關(guān)程度，其值介于-1～1之間，兩個變量之間相關(guān)性越強，則其相關(guān)系數(shù)絕對值越大；反之，則越小。相關(guān)性系數(shù)分析通過SPSSAU在線分析軟件實現(xiàn)，同時，利用Origin和Excel進行數(shù)據(jù)變化趨勢分析和繪圖制作。

2 分析與討論

2.1 水質(zhì)常規(guī)5參數(shù)之間的相關(guān)性分析

通過整理統(tǒng)計分析2019-2020年瀾滄江干流3站點部分連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)水質(zhì)常規(guī)5參數(shù)之間存在一定的相關(guān)性關(guān)系。各指標(biāo)的Pearson相關(guān)系數(shù)見表2、表3和表4。

表2 溜筒江站點Pearson相關(guān)系數(shù)表

表3 功果橋站點Pearson相關(guān)系數(shù)表

表4 允景洪站點Pearson相關(guān)系數(shù)表

由表2-表4可知，3站點的水溫和溶解氧相關(guān)性系數(shù)分別為-0.990、-0.614和-0.699，P值小于0.01，說明兩個指標(biāo)之間存在極顯著負相關(guān)。以溜筒江站點為例，不同分析尺度內(nèi)，水溫和溶解氧均存在顯著的負相關(guān)關(guān)系。圖1顯示，當(dāng)水溫上升0.38℃～0.46℃左右，溶解氧下降0.14～0.15 mg/L左右；圖2顯示，當(dāng)水溫上升2.42℃左右，溶解氧下降0.4 mg/L左右；圖3顯示，當(dāng)水溫上升14.04℃左右，溶解氧下降1.58 mg/L左右。綜合分析，水溫每升高1℃，溶解氧會下降0.10 mg/L左右。

圖1 溜筒江站點年內(nèi)水溫與溶解氧變化趨勢圖

圖2 溜筒江站點月內(nèi)水溫與溶解氧變化趨勢圖

圖3 溜筒江站點24 h內(nèi)水溫與溶解氧變化趨勢圖

功果橋站點的 pH值與電導(dǎo)率呈現(xiàn)顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.726；允景洪站點的 pH值與溶解氧、水溫之間分別為顯著正相關(guān)和顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.860和-0.775，表明溫度和溶解氧之間的負相關(guān)關(guān)系。水溫與溶解氧的一元線性回歸方程見式(1)：

溶解氧=-0.099×水溫+6.808

(1)

2.2 水質(zhì)常規(guī)5參數(shù)上下游變化趨勢分析

3站點的上下游關(guān)系為：溜筒江站點位于瀾滄江干流上游；功果橋站點位于干流中下游，距離溜筒江站點334 km左右；允景洪站點位于干流下游，距離功果橋站點786 km左右，距離溜筒江站點1 121 km左右。

表5為2019年5-6月溜筒江站點、功果橋站點和允景洪站點的pH值、電導(dǎo)率、溶解氧、溫度和濁度值變化范圍。

表5 2019年5-6月3站點水質(zhì)常規(guī)5參數(shù)變化范圍一覽表

表5中顯示，下游 pH值偏高；電導(dǎo)率從上游至下游逐漸遞減；下游水溫值較上游水溫值高約6℃左右；濁度值變化幅度較大，上游溜筒江站點的濁度變化幅度為628 NTU左右，而功果橋站點和允景洪站點濁度值變化范圍分別為49和13 NTU左右。在無人為因素干擾條件下，濁度值變幅應(yīng)在幾十NTU范圍內(nèi)波動。經(jīng)過現(xiàn)場工作人員證實，濁度值出現(xiàn)變化幅度異常的原因是由于溜筒江站點上游有橋梁建筑施工，施工現(xiàn)場江水渾濁不堪，江水含沙量過大導(dǎo)致。

2.3 水質(zhì)參數(shù)與水文氣象參數(shù)之間響應(yīng)關(guān)系分析

見圖4。

水溫與氣溫兩個監(jiān)測指標(biāo)之間存在強烈的響應(yīng)關(guān)系，當(dāng)氣溫升高時，水溫也在升高，氣溫下降時，水溫也隨之下降；24 h內(nèi)，大氣的溫差值要大于水的溫差值，考慮是由于水的比熱容比空氣大，在升高(降低)相同的溫度時，水的吸熱值大于空氣的吸熱值。所以，水相較于空氣，升溫慢，放熱也慢。以2019年2月1-13日的水溫與氣溫數(shù)據(jù)為例，圖4顯示為此時間段內(nèi)溜筒江站點、功果橋站點和允景洪站點的水溫與氣溫兩個監(jiān)測指標(biāo)變化趨勢圖。

圖4中顯示，溜筒江站點氣溫起漲時間為每日的8-9點，水溫起漲時間每日的10-11點，后者相對于前者要滯后1～2 h；同時，氣溫峰值出現(xiàn)時間為每日的15-17點，水溫峰值出現(xiàn)時間為每日的16-18點，同樣滯后1～2 h。功果橋站點氣溫起漲時間和峰現(xiàn)時間與水溫的起漲時間和峰現(xiàn)時間幾乎一致，大約在23點至次日的11點時間段內(nèi)，氣溫值低于水溫。允景洪站點的氣溫起漲時間幾乎與水溫的起漲點時間一致，氣溫峰現(xiàn)時間為大約為每日的15-17點，水溫峰現(xiàn)時間大約為每日的13-14點，大約在23點至次日的11點水溫值高于氣溫值。

圖4 3站點2019年2月1-13日氣溫與水溫變化趨勢圖

由此可見，溜筒江站點的海拔較高，為2 054 m左右，故此站點在冬季(2月份)的氣溫和水溫相對較低，水溫變化范圍在4℃～7℃，氣溫變化范圍為4℃～25℃；功果橋站點海拔在1 257 m左右，水溫和氣溫的變化范圍相差無幾，變化幅度在4℃～25℃左右；而在海拔較低的允景洪站點，氣溫和水溫相對較高，前者波動范圍在10℃～25℃左右，后者變化范圍為19℃～20℃左右。

3 多參數(shù)聯(lián)動性分析報警

水環(huán)境實時監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r反映監(jiān)測現(xiàn)場的變化情況，當(dāng)監(jiān)測現(xiàn)場的某一監(jiān)測條件發(fā)生改變時，各個監(jiān)測指標(biāo)會受到不同程度的影響。見圖5和圖6。

圖5 多參數(shù)聯(lián)動變化趨勢圖

圖6 2019年4月13日溜筒江站點現(xiàn)場圖

圖5顯示， pH值、電導(dǎo)率值、濁度值和水位值在2019年4月13-20日內(nèi)發(fā)生了明顯的變化。pH值由8.06下降至7.96，電導(dǎo)率值由800 uS/cm下降至650 uS/cm，濁度值由200 NTU上升至900 NTU，同時段內(nèi)水位由2 055 m上升至2 058 m，各指標(biāo)變化時間同步，聯(lián)動性強，尤其濁度值和水位值上升幅度較大。通常情況下，濁度值和水位值在自然無降雨、無人為因素干擾的情況下，數(shù)值變化范圍較小，濁度值變幅會穩(wěn)定在100 NTU左右，水位值變幅會穩(wěn)定在1 m左右。通過站點現(xiàn)場工作人員反映，此時段內(nèi)，該站點上游河道內(nèi)正在進行橋梁建筑施工，在施工過程中往水中潑灑化學(xué)試劑，機械運作導(dǎo)致水中含沙量劇增，導(dǎo)致各參數(shù)監(jiān)測值發(fā)生變化。圖6為2019年4月13日溜筒江站點監(jiān)測現(xiàn)場圖，圖6中顯示江水較渾濁，自動化實時監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠及時地反映監(jiān)測現(xiàn)場的監(jiān)測條件。

4 結(jié) 論

水質(zhì)常規(guī)5參數(shù)是進行水環(huán)境評價的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，不同監(jiān)測條件下，5參數(shù)之間存在一定的相關(guān)關(guān)系，在具有相關(guān)性關(guān)系的基礎(chǔ)上，可建立某些參數(shù)之間的一元線性回歸分析法預(yù)測模型，對數(shù)據(jù)缺測時段進行數(shù)據(jù)補充。某些相關(guān)關(guān)系具有一定的地域性。例如功果橋站點的pH值和電導(dǎo)率呈現(xiàn)高度負相關(guān)，pH值與溶解氧不相關(guān)，與溫度相關(guān)性不高；而在允景洪站點，pH值和電導(dǎo)率不存在相關(guān)關(guān)系，但是，pH值與溶解氧和水溫的相關(guān)系數(shù)分別可達0.860和-0.775，具有極顯著的相關(guān)關(guān)系。某些相關(guān)關(guān)系是不具有地域性的，基本可以反映一定的物理規(guī)律。例如水溫和溶解氧之間呈現(xiàn)高度負相關(guān)，其中功果橋和允景洪站點相關(guān)性系數(shù)絕對值可達0.6以上。綜合3站點的溶解氧和水溫的變化幅度值可發(fā)現(xiàn)，瀾滄江干流上，溫度每升高1℃，溶解氧會下降0.10 mg/L左右。

從上游至下游，pH值、電導(dǎo)率、溶解氧、水溫和濁度呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，下游 pH值偏高；電導(dǎo)率從上游至下游逐漸遞減；下游水溫值較上游水溫值高約6℃左右；濁度值變化幅度較大，上游溜筒江站點的濁度變化幅度為628 NTU左右，而功果橋站點和允景洪站點濁度值變化范圍分別為49和13 NTU左右，在無人為因素干擾條件下，濁度值變幅應(yīng)在幾十NTU范圍內(nèi)波動。經(jīng)過現(xiàn)場工作人員證實，溜筒江站點上游有橋梁建筑施工，施工現(xiàn)場江水渾濁不堪，江水含沙量過大，導(dǎo)致濁度值升高。

水質(zhì)參數(shù)與水文氣象參數(shù)之間存在一定響應(yīng)關(guān)系，由于水的比熱容比較大，水相較于空氣的吸熱速度和放熱速度都比較低。水溫在不同下墊面條件下呈現(xiàn)出一定的地域特性，在冬季，海拔2 054 m的溜筒江站點，水溫與氣溫之間溫差較大，水溫變化范圍在4℃～7℃左右，而氣溫變化范圍在4℃～25℃左右，水溫的起漲時間和峰現(xiàn)時間相對于氣溫滯后1～2 h；海拔1 257 m的功果橋站點，水溫與氣溫的變化范圍幾乎一致，均在4℃～25℃范圍內(nèi)，同時兩個指標(biāo)的峰現(xiàn)時間和起漲點時間幾乎一致；處在干流中下游海拔較低的允景洪站點，其氣溫變化范圍在10℃～25℃左右，而水溫變化波動范圍在19℃～20℃，僅有1℃。通過這些響應(yīng)關(guān)系，同一地點、同一時間段內(nèi)，可利用氣溫數(shù)據(jù)來校正水溫實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，為水質(zhì)參數(shù)的高質(zhì)量監(jiān)測提供科學(xué)依據(jù)。

高頻監(jiān)測的水環(huán)境自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)相比，前者能夠體現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)微觀上的變化，例如可觀察到水質(zhì)參數(shù)1 h內(nèi)、24 h內(nèi)變化趨勢，多參數(shù)聯(lián)動性變化。其中，多參數(shù)聯(lián)動性分析實時報警是傳統(tǒng)監(jiān)測方式無法比擬的，可通過聯(lián)動性變化現(xiàn)象，實時監(jiān)測現(xiàn)場條件的改變，從而實現(xiàn)實時監(jiān)管治理水環(huán)境的工作目標(biāo)。