水质监测数据自动校核程序设计与思考

□王 宇□陈 莉□王 威

(1新乡水文水资源勘测局；2河南省水文水资源局)

0 前言

随着社会的进步和流域经济的发展，对水质信息的需求日益增加，水质监测站点种类和数量不断增加，监测频率不断加密，粗略估算，河南省水利部门每年需要处理的水质数据即达百万级，而专业技术人员的增加极为有限，导致水质监测工作日益繁重，尽快依托先进的计算机技术，实现水质服务信息化，是解决目前不堪重负的水质业务工作窘境的最佳途径。

水质监测数据的准确可靠是水质评价以及提供可靠的水质信息服务的前提。在水质工作中处于基础地位。目前数值数据的合理性审核，基本上依靠人力，误差大，效率低，耗时长，其是最终汇总数据的人员，工作压力较大，而且数据指标间横向比较和数据纵向比较不同人员判断标准差异较大，水质数据的及时性和精确性难以保障。

为了破解目前水质工作者被大量程序化的工作困扰的难题，推进河南水质工作信息化，有效提高水行政主管部门决策的准确性和及时性，河南省水文水资源局组织研究开发了河南省水质信息服务系统。以此为契机，在系统开发过程中加入水质监测数据校核功能，设计一套能够自动对水质监测数据进行一系列错误排除，可有效减轻水质工作者的负担，减少人为错误，提高数据的准确性和及时性。同时也可解决我局40a来积累下来的历史数据如何快速入进入水质数据库的问题。

1 数据校验程序设计

原始数据录入系统,处于未校核状态，监测数据需要通过一个校验过程，通过校验的数据才能进入系统参入评价。程序设计对不合理数据给予用户警告和拒绝两种回应，警告模式提醒用户检查相关原始资料，但不强制用户修改，不合理的数据可以进入数据库；拒绝模式则要求用户必须修改数据，否则错误数据无法进入数据库。对于人工录入数据，程序提供人机交互界面进行数据校核，用户可以在系统中查到各种类型的错误数据，将错误数据修改成可用数据，修复的数据可以参入正常的评价和计算过程。对于excel表格直接导入数据，系统将异常数据以批注的形式标注于excel表格内，用户下载后进行修改确认。程序对异常数据按照原因给出简单提示。数据自动校验流程见图1。

图1 数据自动校验流程图

2 数据校验规则设定

2.1 数据格式检验

数据格式检验主要检验数据登记错误，数据录入错误，主要检验监测时间错误，数据有效位数，数据溢出，数据是否符合入库格式、数据小于检出限问题等。出现相应问题，程序将自动提醒用户数据错误，并拒绝数据进入数据库。对于历史遗留数据，经常会出现无法识别的各类符号标记，如“？”、“*”等，校核人员也暂时无法修改，系统将对数据给出警告，但为了完整保存数据，将数据保存于错误数据记录备查，此类数据不参与水质计算。

2.2 化学组分合理性检验

2.2.1 溶解氧是否小于相应水温下的饱和溶解氧。河南省目前大部分水域都受到人类活动影响，除了部分水质较好且在光和作用旺盛时采集的水样，大部分水样溶解氧应小于相应水温的饱和溶解氧，即溶解氧检测值＜468(/31.60+水温)。由于该判断具有一定的不确定性，因此，当程序发现不合理时，应给出警告，提醒校核人员复查采样单、化验记录等原始资料。

2.2.2 总氮是否大于其余含氮化合物。水体中总氮指标是各种氮化物指标之和，即：总氮=有机氮+氨氮+亚硝酸盐氮+硝酸盐氮。出现任何部分氮化物指标之和大于总氮指标情况，程序应视为错误，提醒校核人员查找原因，阻止此类数据进入数据库。2.2.3河南省天然水体中，一般水偏碱性，若pH监测值＜6.50，向数据校核人员发出警告。

2.2.4 对于同一水体而言，高锰酸盐指数、化学需氧量、5 d生化需氧量三个指标之间存在正相关，和溶解氧存在负相关，化学需氧量大于高锰酸盐指数且化学需氧量大于五日生化需氧量。如果上述关系不成立，则应拒绝数据进入数据库，初步分析河南省历史水质数据，化学需氧量＞80 mg/L或者5 d生化需氧量＞30 mg/L或者高锰酸盐指数＞20 mg/L，溶解氧一般应＜3 mg/L，反之给出警告。

2.2.5 一般而言，水体中的硝酸盐氮可以看作氨氮的生物氧化产物，因此溶解氧决定了二者谁处于优势地位，初步分析河南省历史水质数据，当溶解氧＞9.50 mg/L时，一般氨氮小于硝酸盐氮，溶解氧＜2 h，一般氨氮大于硝酸盐氮，反之给出警告。

2.2.6 水中阴、阳离子平衡的校核有下列公式计算：

式中：ρ为各离子浓度，单位为mg/L。上式中，应同时考虑水中pH值的影响，若pH值＞9，在阴离子加和中加入OH-，若pH值＜5，应在阳离子加和中加入H+。阴阳离子校核如果不平衡，应提示用户查找原因，拒绝数据进入数据库。

2.2.7 矿化度应小于电导率，一般情况下，矿化度=（0.55～0.70）γ，矿化度单位为mg/L，式中：γ为25℃时水的电导率，S/m。因为不同水体，水样中各种离子比例不同，而不同离子对电导率的贡献不同，如果水样中含有较多的游离酸或苛性碱，γ系数可能＜0.55；如果水中含有大量盐分，γ系数可能超过0.70；γ系数一般取0.67。若矿化度大于电导率，应提示数据校核人员数据错误，拒绝数据进入数据库。若矿化度虽然小于电导率，但不满足上述关系，向数据校核人员发出警告。矿化度与离子总量的关系：

式中：ΣA 为水中 Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-阴离子含量之和，mg/L；ΣK 为水中 Na+、K+、Ca2+、Mg2+阳离子含量之和，mg/L；ρ(HC)为 HCO3-离子含量，mg/L。；W 为矿化度，mg/L。若上式不成了，则拒绝数据进入数据库。水样的总硬度（指钙与镁的浓度，非碳酸钙表示的浓度）应小于矿化度，其比值大约为0.50～0.80。若总硬度大于矿化度，拒绝数据进入数据库，若中硬度小于矿化度但比值在0.50～0.80之外，则给出警告

2.2.8 一般情况下pH值与游离CO2、HCO3-、CO32-的应符合关系,若出现反常，拒绝数据进入数据库。①pH＜4.4只有强酸性质组成；②4.4＜pH＜8.3，游离 CO2、HCO3-存在；③8.3＜pH＜9.5，HCO32-、CO32-存在；④pH＞9.5，CO32-、OH-存在。

2.3 数据时间空间合理性检验

数据特征值校验主要利用系统可以计算年度检测指标的特征值，将上一年度该监测指标的极大值和极小值作为该监测数据的合理范围，如果超出范围，则给出警告，提醒校核人员查阅原始资料，复核数据。环比值是上次监测数据做对比，对于没有重大改变的水域，比如泄洪、开闸放水，新建排污口等，水质环同比值一般处于相同的水情期，其水质具有相似性。根据河南省水质特点，如果数据环比变化在-50%～100%之外，或者水质评价等级相差2级以上，将给出警告，提醒校核人员查阅原始资料，复核数据。相邻测站环比分析主要是基于以下假设：某测站某指标的监测值与相邻上游测站和下游测站数据之间的大小关系短期内不应发生较大改变。如果发现大小关系发生改变，则给出警告，提醒校核人员查阅原始资料，复核数据。

3 结语

数据校验模块投入使用后，相关业务人员反响良好，大大减少了枯燥的程序化工作，减少了人工数据校核偶有遗漏的现象，有效提高了数据发布的及时性。但是目前的水质数据校核模块仅仅是一个辅助性质的半自动模块，在确定性高的校核规则方面可以减少工作人员的程序化劳动，但是对于通过统计分析来检验数据合理性方面还较粗糙。今后的研究可重点转向这个方面，如通过统计检验方法确定异常值，通过引用水文频率的方法确定小概率数据，通过沿程数据分析来确定水质数据空间的相关性，针对特定小范围水域的水质资料，通过灰色模型研究没有明确理化关系间指标的相互关系用于数据校验等等。