预警系统中的水质评价软件开发

◎ 浙江大学控制科学与工程学系 杨 江 冀海峰 张 龙 龙 军 张立伟 刘 涵 张光新 张宏建

0 引言

人口的增加，对水的需求量日益增加，同时排放的废水也随之增加。未经处理的废水会携带有害物质进入水体，引起天然水体的物理和化学上的变化，使水质变坏。严重的水体污染不仅会影响人体健康，而且会制约社会经济的正常发展[1]。

应用现代科技手段，建立覆盖全国范围的水质预警系统，对人们日常生活密切相关的饮用水水源进行实时监测、准确的水质评价、以及对重大水质污染现象和事故的进行预警，辅助职能部门进行水质污染的应急处理，最大限度地降低各种水质污染的带来的风险和危害。

水质评价是根据相关的国家水质标准、运用有效的水质评价方法、给出被评价水体的当前水质状态、发展趋势以及水质污染后的应急处理建议。

1 水质评价体系的建立

建立饮用水水质评价体系的出发点是饮用水加工流程的所有环节。原水进入水处理厂，经过除杂质、消毒等一系列工艺处理后，得到卫生指标合格的出厂水，经过管网输送到千家万户。可见饮用水的品质取决于原水水质、水处理工艺、输送管网特性等要素[2]。要正确评价饮用水水质，需要从全流程的分析、检测和考评，各环节存在一定因果关系，即前一个环节会影响下一个环节。

本文的水质评价对象是水源地的原水和水处理厂的出厂水。对原水的评价依据是国标GB3838-2002《地表水环境质量标准》，出厂水的评价依据是国标GB5749-2006《生活饮用水卫生标准》。

饮用水水质安全评价体系由四层体系结构组成：系统层（综合表征水环境大系统的整体安全程度，主要包括水环境的安全状态属性层、安全压力属性层、安全趋势属性层和安全响应属性层）；对象层（主要包括水源圈层、给水处理圈层、管网输配圈层和典型水污染事件圈层）；指数层（主要包括饮用水水质质量指数、水质干扰指数、水质安全事件的管理和应急指数等）。

2 评价因子和预警事件

参照国标和相关文献，选择与水质相关的参数，组成用于水质评价因子表。每个因子包含名称、标准中的数值、单位、水质分类值、表征毒性大小的系数以及相关信息。为便于数据库编程，对因子进行统一的分类和编号。评价因子是表征水质的基本参数。

当某些渐变性或突发性的水质污染发生时，单个水质指标无法进行全面描述，需要用多个水质参数来共同描述污染事件的特征、演变过程和危害程度等信息。因此本文在参考相关文献的基础上，把常见的水质污染现象进行分类，定义了二十几类预警事件。预警事件包含一个或多个属性，属性可以是一个水质因子，或不能用参数因子描述的特征，以及污染发生时的危害性以及应急处理措施等附加信息。预警事件是预警系统对被监控水体污染状况提出预报的基本单位。

3 评价算法

水质评价算法根据评价因子表、预警事件表、被评价水体的检测数据，应用一定的评价方法，得出对水质的当前状态和发展趋势的判断。水质评价算法的输出结果主要有：总体的水质污染指数、归属类别、主要污染物的浓度、超限的数值、将来可能会出现的污染事件以及出现概率。文本采用的水质评价方法有：

3.1 水质指数法

水质指数是属于物化性的水质指标，水体环境中各个水质参数对于水质总体影响的评估方法，即根据水质参数对水质影响的不同给予不同的权重，并且依其不同的浓度范围确定指数，依此数据来评估水质的优劣。

水质指数法中，以因子编号和因子实测值作为输入，以水质指数值和水质等级作为输出。可以对水源水，出水厂和管网水的因子进行评价。该方法能客观的反映的水质状况，算法实现容易。

3.2 模糊综合评价法

该算法通过获得一个综合评判集，评价水体水质对各级标准水质的隶属度程度，来得到水质级别。

模糊综合评价法以水质污染事件对应的因子为集合作输入，以该事件隶属水质等级作为评价结果输出。

该方法基于水质事件进行评价，能利用全部数据的所提供的信息，总体因素的评价效果显著。

3.3 层次分析法

通过建立层次分析结构模型，构造判断矩阵，利用求特征值的方法，确定各因子的危害性权重，综合权重按最大权重原则确定相应的污染程度。算法的输入是采样得到的因子值，计算结果是水质级别。

层次分析法是一种定性和定量分析相结合的评价方法，具有较强的逻辑性、实用性，它的缺点是需要对每一层次各环境因子相对重要性给出的判断，这些判断的客观性决定了计算成果的计算精度。

3.4 综合评价方法

该方法用各种污染物的相对污染指数进行数学上的归纳和统计，得出一个较简单的代表水体污染程度的数值。综合评价法能了解多个水质参数与相应标准之间的综合对应关系，但有时会掩盖高浓度的影响。

综合评价方法包括简单综合污染指数法、综合污染指数法、水质质量系数法、有机物污染综合评价值、布朗水质指数法等。

在水质评价时同时采用了多种评价方法，这是因为不同的水质评价方法有其自身的固有属性，它们的适用范围不同、反映水质的侧重点也有不同。对于水质评价，目前还没有系统的理论知识，无法判断对于一组水质参数需要应用何种方法合理。采用多种方法进行评价，并对它们的结果进行有效融合，最终得到接近真实值的结果。

4 评价软件开发

水质评价上位机软件采用微软公司推出的Visual Studio 2005集成开发环境所包含的C#编程语言编写，同时使用了SQL Server 2005数据库技术方便数据存取和管理。上位机软件主要包括四个部分：评价算法管理、计划任务管理、手动评价分析和历史评价查询。

4.1 评价算法管理

主要是在界面中直观的显示出软件所用到的算法信息，如算法名称、算法类型和算法用到的评价因子等。同时含有增加和删除算法信息的按钮，方便及时更新算法信息。

4.2 计划任务管理

主要用于管理计划执行的任务，主界面显示评价站点信息（包括站点名称以及采用的评价算法）、评价方法、运行状态、定时评价频次以及评价结果。

界面上的添加/删除按钮可以添加/删除计划，同时可以设定每一条计划的评价频次和启动/停止该计划，计划的评价结果实时更新，并将评价结果和相关信息写入到数据表中保存。

4.3 手动评价分析

主要是手工选择站点信息以及评价方法，对选择的站点进行评价，直接在界面显示评价信息和预警信息。站点信息、评价信息和预警信息等都自动写入到数据表中保存。

4.4 历史评价查询

根据之前的计划任务和手动评价，以日志形式在界面中直观显示各任务的评价信息和预警信息。

5 评价算法的验证

为提高水质评价算法的正确性，在算法软件的开发和使用工程中，增加了采用算法的数据样本对评价算法的准确性进行验证的环节，为评价算法的改进提供依据。

每个评价算法都有特定的输入参数和输出结果，样本数据包含来自现实事物或已经被验证是正确的输入参数和输出结果，不同的评价算法，它们的样本数据各不相同。

评价算法的验证方法是输入该算法的样本数据的输入部分，比较评价算法的输出结果是否与样本中的输出一致，相同则表示正确。通过多个样本数据测试，可以得出评价算法的准确率。

在开发过程中，采用模拟的样本数据，对算法进行初步验证。模拟的样本数据是软件开发人员根据国家标准中参数值人为选定的。采用模拟样本，可以快速地对算法进行测试，方便评价算法的设计人员和算法的编程人员及时发现和改进算法中的缺陷。

在试运行阶段，采用来自实际过程的样本数据，进行评价算法的验证。从被评价水体的水质记录数据库获取该算法所需的历史数据，通常只有输入参数而没有输出结果，请水利专家根据输入参数给出输出结果的估计值，构成样本数据。

运行过程中采用实际样本数据进行评价算的法验证。具体做法是自动记录输入参数、算法的输出结果和对应的时间；人工收集样本数据的实际输出数据，在操作界面输入对应时间下和输出结果，形成实际的样本数据。在评价程序运行一段时间后，可以执行实际样本数据的验证功能，得到评价算法的准确率。

编写评价算法的管理模块，实现上述评价算法的验证功能，并记录验证结果，供算法设计人员调用和分析。

6 结论

根据相关水质标准和水利知识，以SQL2005数据库和VS2005软件包，开发了能融合多种水质评价算法，具有实时水质评价和水质预警能力的水质评价软件，它不仅可以单独运行，还可以作为一个功能模块集成到预警系统中。

本软件的最大特征是采用软件算法验证的反馈机制，编写评价算法的管理模块，构建和组织水质样本数据，对水质评价算法的准确性进行有效的验证和考评，作为评价算法改进和提高的依据。