基于灰色关联的河流水环境污染监测方法

罗奕珊

（梅州市生态环境局丰顺分局 广东 梅州 514300）

引言

河流作为地表水资源重要组成部分，是居民生活用水与工业生产用水主要源头，随着工业化进程的不断加快，河流水环境污染问题越来越严重，同时也越来越受到社会重视。河流水环境污染不仅会对社会可持续发展造成不良影响，而且还会影响人类生命健康，因此对河流水环境污染监控非有必要。最初是采取人工监测的方式，由技术人员到河流现场进行采样，然后化验分析，监测结果不仅具有较强的主观性，而且监测效率非常低。随着人工智能技术、信息技术等现代化技术的不断革新与发展，自动化监测方式逐渐取代人工监测方式。但由于河流水环境污染智能监测研究在国内起步比较晚，监测理论与技术还不够成熟和完善，与西方发达国家相比还存在较大差距，且现行的监测方法在实际应用中无法达到预期的监测效果，监测结果往往与实际存在较大的差距，监测误差比较大，因此传统方法已经无法满足实际需求，基于灰色关联的河流水环境污染监测方法被提出研究。

1 河流水环境污染指标选定

根据参考的相关河流水环境质量标准要求，在对监测样本采集之前，针对不同种类河流选定不同的监测指标，建立河流水环境污染监测指标体系。

1.1 离子浓度指数

氢离子浓度指数即pH 值，代表的是一种溶液酸性或者碱性程度的数值，定义为水中氢离子活性的负对数。pH 是一种常见且最主要的水环境质量指标，其在自然水体中维持在6 ～9 的区间，才符合河流水环境质量标准的要求。

1.2 悬浮体

悬浮体是河流水环境中的残余物质。悬浮物分为可过滤性、不可过滤性以及总残余性3 种，由于受到颗粒的物理性质和过滤作用等多种因素的综合作用，其测量结果很难掌握，因此需将其作为河流水环境污染相对监测指标。

1.3 硫化物

硫化物普遍存在于生活污水、工业废水和地下水中，其中含有的成分为细菌，可在厌氧环境下将硫酸根还原，或由含硫有机物分解而生成。河流水环境中的硫化物主要为溶解态硫化氢、硫离子及溶解态硫化物、非离子态的有机-无机硫化物和可溶解态的金属硫化物。硫化氢容易挥发到大气中，从而产生恶臭于有毒气体，并与人类的细胞发生反应，导致人体内氧气不足，威胁人类生命。除此之外，硫化物还会被氧化为硫酸侵蚀土壤，因而河流水环境污染监测中硫化物也是一个重要的监测指标。

1.4 氰化物

氰化物是一种毒性很强的化学物质，会与高铁细胞色素氧化酶结合，使其不能传输氧气，从而造成组织的缺氧和窒息。氰化物在河流水环境中的赋存形态主要为单一氰和复合氰，其赋存比例与pH 有很大关系。氰化氢是大部分水中的主要成分，具有很强的毒性，其污染来源包括采矿、冶炼、电镀、焦化、选矿、有机化工、造气、肥料等，因此在对河流水环境污染进行监测时一定要对其进行严格的监控。

1.5 总磷

总磷（TP)是指在河流水环境中水体经过消化后，各种形式的磷转化为正磷酸盐后的形态，按照相关河流水环境质量标准，以无机态和有机态存在的磷的总和。虽然，目前河流水环境中的磷普遍很少，但大量的工业废水（化肥、冶炼等废水）肆意排放，造成了河流水环境磷污染。磷虽然是生命活动所必需的物质，但过量的磷还会导致海藻过度增殖，从而引起河流水环境生态系统的破坏，即所谓的“富营养化”，导致湖泊和河流透明度下降、水体变差，因此需选定总磷作为河流水环境污染监测指标。

1.6 总氮

总氮是河流水环境中不同形式有机与无机氮的总和，是评价河流水环境质量的重要指标，经常被用来表达被营养盐污染的河流水环境质量。通过对总氮量的监测，可更好地了解河流水环境污染程度及水质的自我净化情况。含氮物质含量过高，不仅会引起微生物的大量增殖和浮游生物的过度增殖，还会消耗水的溶解氧，从而发生富营养化。

1.7 氨氮

氨氮是在河流水环境中，以游离氨和以离子形式存在的氮。一般情况下，水中的氨氮含量上升是指以氨或以离子形式存在的化合氨，主要是由水中的细菌对生活污水中的氮气进行分解产生的，主要来自于工业废水、农业排污等。在缺氧条件下，细菌可以将亚硝态氮转化为氨氮，但在有氧的条件会起相反的作用。鱼体对氨氮比较敏感，氨氮浓度太高会造成鱼体死亡。但氨氮却是除 COD 外最重要的水质限制因子，因此测定不同形式的氨氮对监测河流水环境污染具有重要意义。

2 测点布设及水环境污染数据采集

根据以上选定的监测指标，对水环境污染数据进行采集。而采样作为河流水环境污染监测的重要步骤，其精度直接关系到监测结果的准确性，因此要对监测点进行合理的布设。由于河流分为上游、中游和下游3 个区域，因而通常情况下都会在河流上、中、下游各布设一条测线，并在每个测线上布设3～5 个测点，测点间隔距离在100～200m 之间，每个河流分支处布设1～2 个测点[1]，测点还要安装污染参数采集器。根据监测需求，分别采集河流水环境氢离子浓度指数、悬浮物、总磷、硫化物、氰化物、总氮、氨氮7 项污染参数，结合实际情况选择型号为IFFA-A44G污染参数采集器，并对传感器进行参数设定，其中包括脉冲信号发射频率、扫描周期、扫描范围等，通过信号扫描获取到相应的参数数据[2]。此外，利用GIS 技术获取测点的空间地理信息，用于后续水环境污染点位置定位，利用无线网络协议将采集到的数据发送到计算机上，用于后续灰色关联分析。

3 数据预处理

考虑到监测范围可能存在重复区域，且采集到的原始数据中也会有一部分重复，因此需通过对数据预处理提高数据精度。首先，需对原始数据进行除冗处理，剔除重复数据，让所有数据仅保留一份[3]。其次，考虑可能存在数据值缺失的现象，即一部分数据为无效数据，因而为保证数据的完整性，应对原始数据插值处理，将所有缺失数据使用平均值代替[4]。最后，依据式（1）对原始数据进行匹配处理。

式中H—处理后的数据，即匹配标准数据；—差异数据；—河流水环境污染影响数据；—预处理结果参数；—预处理数据总量[5]。

通过数据匹配处理，使河流水环境污染数据标准化和规范化[6]。除此之外，还应依据式（2），利用十进制对原始数据进行转换。

4 基于灰色关联的污染监测

利用灰色关联技术对河流水环境污染综合分析，确定氢离子浓度指数、悬浮物、总磷、硫化物、氰化物、总氮、氨氮与水环境污染之间的线性关系。先采用均值法，依据式（3）对预处理后的污染参数进行无量纲化处理。

利用监测对象参数最大差值与最小差值，确定参数与参考参数的对应的关联系数，其计算见式（4）。

每种污染参数对河流水环境污染评价影响程度不同，其可以用关联度表示，利用关联系数依据式（5）计算出关联度。

根据计算到的水环境污染指数，确定污染等级，此次设计一级、二级、三级、四级、五级五个等级，用式（7）表示。

污染指数值越大，对应的等级越好，河流水环境污染越严重，如果污染指数在0～0.15 区间，河流水环境污染等级为一级污染，污染程度非常轻，不需要采取任何防治措施；如果污染指数在0.15～0.25 区间，河流水环境污染等级为二级污染，污染程度比较轻，仅需要定期对其监测，并采取一些小的防污染措施即可；如果污染指数在0.25～0.45 区间，河流水环境污染等级为三级污染，污染程度中等，需要采取一些防护和治理措施；如果污染指数在0.45～0.65 区间，河流水环境污染等级为四级污染，污染程度比较高，必须要加强对其的重视，采取一些必要的防护和治理措施；如果污染指数在0.65～1 区间，河流水环境污染等级为五级污染，污染程度非常严重，必须对该区域河流水环境污染进行治理，并加大防护，实时监测该区域水环境污染。根据以上规则，得到水环境污染监测结果，如果污染等级超过三级，则进行预警，生成监测报告并输出，以此完成基于灰色关联的河流水环境污染监测。

5 实验论证

5.1 实验准备与设计

为了检验本次提出的基于灰色关联的河流水环境污染监测方法的可行性与可靠性，选择广东省的某河流为实验对象。该河流流域面积约3564.12km²，河流宽度为8.46～14.26m，河流长度为2548.69m，河流上游化工企业比较多，符合实验需求。利用此次设计方法对该河流水环境污染监测，并选择基于数据挖掘（传统方法1）和基于人工智能（传统方法2）的传统方法作为对比。实验准备了3 台参数采集传感器，布设7 个测点，即上游布设3 个测点、中游和下游各布设2 个测点，相邻测点间距250m，测点分别在该河流的上游、中游以及下游各一个，共采集到温度、PH 值以及电导率数据1.52GB。按照上述流程对数据进行预处理，以及灰色关联分析，得到河流水环境污染等级，具体结果如表1所示，设计方法基本可以完成河流水环境污染监测任务。

表1 河流水环境污染监测结果

5.2 实验结果讨论

对具体监测效果进行检验，实验以监测误差作为3种方法准确度评价指标，以时间作为变量，每隔12h 统计1 次3 种方法监测误差，实验时间为84h，使用电子表格对3 种方法监测误差进行记录，具体数据如表2 所示。在本次实验中设计方法监测误差相对比较小，虽然3 种方法监测误差都随着时间的增加而不断增长，但是设计方法增长幅度比较小，当监测时间为84h 时，监测误差仅为0.15%，可以将监测误差控制在1%以内，说明设计方法监测结果基本与实际情况一致。而2 种传统方法监测误差相对比较高，随着时间的变化大幅度增长，当监测时间为84h 时，传统方法1 与传统方法2 监测误差分别为9.36%、10.25%，远远高于设计方法。因此，本次实验证明，在精度方面设计方法表现出明显的优势，相比较传统方法更适用于河流水环境污染监测。

表2 3 种方法监测误差对比（%）

结语

本次针对当前河流水环境无法监测理论存在的不足与缺陷，参考相关文献资料，将灰色关联技术应用到污染监测中，提出新思路，并通过实验论证了该思路的可行性与可靠性，有效提高了河流水环境污染监测准确性，实现了对传统方法的优化与创新及对理论的完善与充实。但设计方法尚未在实际中得到大量操作与实践，在某些方面可能存在不足之处，应在方法优化设计方面进行持续探究，促进河流水环境污染监测技术发展。