水質監測數據自動校核程序設計與思考

□王 宇□陳 莉□王 威

(1新鄉水文水資源勘測局；2河南省水文水資源局)

0 前言

隨著社會的進步和流域經濟的發展，對水質信息的需求日益增加，水質監測站點種類和數量不斷增加，監測頻率不斷加密，粗略估算，河南省水利部門每年需要處理的水質數據即達百萬級，而專業技術人員的增加極為有限，導致水質監測工作日益繁重，盡快依托先進的計算機技術，實現水質服務信息化，是解決目前不堪重負的水質業務工作窘境的最佳途徑。

水質監測數據的準確可靠是水質評價以及提供可靠的水質信息服務的前提。在水質工作中處于基礎地位。目前數值數據的合理性審核，基本上依靠人力，誤差大，效率低，耗時長，其是最終匯總數據的人員，工作壓力較大，而且數據指標間橫向比較和數據縱向比較不同人員判斷標準差異較大，水質數據的及時性和精確性難以保障。

為了破解目前水質工作者被大量程序化的工作困擾的難題，推進河南水質工作信息化，有效提高水行政主管部門決策的準確性和及時性，河南省水文水資源局組織研究開發了河南省水質信息服務系統。以此為契機，在系統開發過程中加入水質監測數據校核功能，設計一套能夠自動對水質監測數據進行一系列錯誤排除，可有效減輕水質工作者的負擔，減少人為錯誤，提高數據的準確性和及時性。同時也可解決我局40a來積累下來的歷史數據如何快速入進入水質數據庫的問題。

1 數據校驗程序設計

原始數據錄入系統,處于未校核狀態，監測數據需要通過一個校驗過程，通過校驗的數據才能進入系統參入評價。程序設計對不合理數據給予用戶警告和拒絕兩種回應，警告模式提醒用戶檢查相關原始資料，但不強制用戶修改，不合理的數據可以進入數據庫；拒絕模式則要求用戶必須修改數據，否則錯誤數據無法進入數據庫。對于人工錄入數據，程序提供人機交互界面進行數據校核，用戶可以在系統中查到各種類型的錯誤數據，將錯誤數據修改成可用數據，修復的數據可以參入正常的評價和計算過程。對于excel表格直接導入數據，系統將異常數據以批注的形式標注于excel表格內，用戶下載后進行修改確認。程序對異常數據按照原因給出簡單提示。數據自動校驗流程見圖1。

圖1 數據自動校驗流程圖

2 數據校驗規則設定

2.1 數據格式檢驗

數據格式檢驗主要檢驗數據登記錯誤，數據錄入錯誤，主要檢驗監測時間錯誤，數據有效位數，數據溢出，數據是否符合入庫格式、數據小于檢出限問題等。出現相應問題，程序將自動提醒用戶數據錯誤，并拒絕數據進入數據庫。對于歷史遺留數據，經常會出現無法識別的各類符號標記，如“？”、“*”等，校核人員也暫時無法修改，系統將對數據給出警告，但為了完整保存數據，將數據保存于錯誤數據記錄備查，此類數據不參與水質計算。

2.2 化學組分合理性檢驗

2.2.1 溶解氧是否小于相應水溫下的飽和溶解氧。河南省目前大部分水域都受到人類活動影響，除了部分水質較好且在光和作用旺盛時采集的水樣，大部分水樣溶解氧應小于相應水溫的飽和溶解氧，即溶解氧檢測值＜468(/31.60+水溫)。由于該判斷具有一定的不確定性，因此，當程序發現不合理時，應給出警告，提醒校核人員復查采樣單、化驗記錄等原始資料。

2.2.2 總氮是否大于其余含氮化合物。水體中總氮指標是各種氮化物指標之和，即：總氮=有機氮+氨氮+亞硝酸鹽氮+硝酸鹽氮。出現任何部分氮化物指標之和大于總氮指標情況，程序應視為錯誤，提醒校核人員查找原因，阻止此類數據進入數據庫。2.2.3河南省天然水體中，一般水偏堿性，若pH監測值＜6.50，向數據校核人員發出警告。

2.2.4 對于同一水體而言，高錳酸鹽指數、化學需氧量、5 d生化需氧量三個指標之間存在正相關，和溶解氧存在負相關，化學需氧量大于高錳酸鹽指數且化學需氧量大于五日生化需氧量。如果上述關系不成立，則應拒絕數據進入數據庫，初步分析河南省歷史水質數據，化學需氧量＞80 mg/L或者5 d生化需氧量＞30 mg/L或者高錳酸鹽指數＞20 mg/L，溶解氧一般應＜3 mg/L，反之給出警告。

2.2.5 一般而言，水體中的硝酸鹽氮可以看作氨氮的生物氧化產物，因此溶解氧決定了二者誰處于優勢地位，初步分析河南省歷史水質數據，當溶解氧＞9.50 mg/L時，一般氨氮小于硝酸鹽氮，溶解氧＜2 h，一般氨氮大于硝酸鹽氮，反之給出警告。

2.2.6 水中陰、陽離子平衡的校核有下列公式計算：

式中：ρ為各離子濃度，單位為mg/L。上式中，應同時考慮水中pH值的影響，若pH值＞9，在陰離子加和中加入OH-，若pH值＜5，應在陽離子加和中加入H+。陰陽離子校核如果不平衡，應提示用戶查找原因，拒絕數據進入數據庫。

2.2.7 礦化度應小于電導率，一般情況下，礦化度=（0.55～0.70）γ，礦化度單位為mg/L，式中：γ為25℃時水的電導率，S/m。因為不同水體，水樣中各種離子比例不同，而不同離子對電導率的貢獻不同，如果水樣中含有較多的游離酸或苛性堿，γ系數可能＜0.55；如果水中含有大量鹽分，γ系數可能超過0.70；γ系數一般取0.67。若礦化度大于電導率，應提示數據校核人員數據錯誤，拒絕數據進入數據庫。若礦化度雖然小于電導率，但不滿足上述關系，向數據校核人員發出警告。礦化度與離子總量的關系：

式中：ΣA 為水中 Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-陰離子含量之和，mg/L；ΣK 為水中 Na+、K+、Ca2+、Mg2+陽離子含量之和，mg/L；ρ(HC)為 HCO3-離子含量，mg/L。；W 為礦化度，mg/L。若上式不成了，則拒絕數據進入數據庫。水樣的總硬度（指鈣與鎂的濃度，非碳酸鈣表示的濃度）應小于礦化度，其比值大約為0.50～0.80。若總硬度大于礦化度，拒絕數據進入數據庫，若中硬度小于礦化度但比值在0.50～0.80之外，則給出警告

2.2.8 一般情況下pH值與游離CO2、HCO3-、CO32-的應符合關系,若出現反常，拒絕數據進入數據庫。①pH＜4.4只有強酸性質組成；②4.4＜pH＜8.3，游離 CO2、HCO3-存在；③8.3＜pH＜9.5，HCO32-、CO32-存在；④pH＞9.5，CO32-、OH-存在。

2.3 數據時間空間合理性檢驗

數據特征值校驗主要利用系統可以計算年度檢測指標的特征值，將上一年度該監測指標的極大值和極小值作為該監測數據的合理范圍，如果超出范圍，則給出警告，提醒校核人員查閱原始資料，復核數據。環比值是上次監測數據做對比，對于沒有重大改變的水域，比如泄洪、開閘放水，新建排污口等，水質環同比值一般處于相同的水情期，其水質具有相似性。根據河南省水質特點，如果數據環比變化在-50%～100%之外，或者水質評價等級相差2級以上，將給出警告，提醒校核人員查閱原始資料，復核數據。相鄰測站環比分析主要是基于以下假設：某測站某指標的監測值與相鄰上游測站和下游測站數據之間的大小關系短期內不應發生較大改變。如果發現大小關系發生改變，則給出警告，提醒校核人員查閱原始資料，復核數據。

3 結語

數據校驗模塊投入使用后，相關業務人員反響良好，大大減少了枯燥的程序化工作，減少了人工數據校核偶有遺漏的現象，有效提高了數據發布的及時性。但是目前的水質數據校核模塊僅僅是一個輔助性質的半自動模塊，在確定性高的校核規則方面可以減少工作人員的程序化勞動，但是對于通過統計分析來檢驗數據合理性方面還較粗糙。今后的研究可重點轉向這個方面，如通過統計檢驗方法確定異常值，通過引用水文頻率的方法確定小概率數據，通過沿程數據分析來確定水質數據空間的相關性，針對特定小范圍水域的水質資料，通過灰色模型研究沒有明確理化關系間指標的相互關系用于數據校驗等等。