河流水質監測斷面優化布設方法探析

摘要：本文針對河流水質監測斷面優化布設方法，結合實踐案例，在簡要闡述河流水質監測斷面布設要點的基礎上，深入分析了優化河流水質監測斷面布設的方法，得出河流布設水質監測斷面是開展河流水質監測工作基礎的結論，希望對相關單位有一定幫助。

關鍵詞：河流水質；監測斷面；布設；優化方法

中圖分類號：X832 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2018）03-0171-01

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.03.100

Abstract： In this paper， river water quality monitoring section optimization layout method， combined with the practical cases， based on the description of river water quality monitoring section layout points， in-depth analysis of the optimization method of river water quality monitoring section layout， the layout of water quality monitoring section of the river is to carry out the monitoring of river water quality based the conclusion， hope to have some help for the relevant units.

Key words： River water quality； Monitoring section； Layout； Optimization method

1 案例分析

某河流全長超過1800km，共有41條一級支流匯合而成，在該河流中設置了15個水質監測斷面。2017年6月，當地水質監測單位對該河流的水質情況進行全面監測，監測的各項指標為：水溫26.4℃、透明度為0.54m、pH無量綱為7.12、溶解氧為6.45m·L-1、高錳酸鹽的指數為3.82mg·L-1、氨氮為0.216mg·L-1、總磷為0.058mg·L-1、總氮為1.12mg·L-1。該河流超標污染物中，溶解氧超標0.24倍、高猛酸鹽指數超標1.65倍、五日生化需氧量超標5.12倍、總磷超標4.65倍，這幾組數據中可以看出，該河流被嚴重污染。

2 河流水質監測斷面布設要點

2.1 嚴格做好采樣斷面布置工作

就該河流水質監測斷面布設而言，主要根據河流中不同功能，對河流分別布設弧形采樣斷面，并確保采樣斷面和斷面附近水流方向相互垂直。同時也要及時掌控該河流中工業、農業、生活污染源的主要分布情況，根據污染源排放量，綜合布設監測斷面點，最大限度上確保該河流水質監測斷面布設能符合實際需求。

2.2 選擇合理的布設采樣點

水質監測工作具有很強的系統性和復雜性，為有效保證監測的準確性，就要結合實際情況選擇出最佳的采樣斷面位置，才能保證提出的水質樣品具有代表性。可根據河流水面的寬度來布設定位垂線。比如：當河流寬度超過50m時，要布設要一條中泓垂線；當河流水面寬度在50～100m之間時，則要在河流近岸布設左右兩條垂線；當河流水面寬度在100m以上時，則要布設3～5條垂線，才能保證監測斷面布設的合理性和科學性[1]。

2.3 合理設置監測斷面采樣頻率

就該河流而言，具有泄洪、灌溉等多項功能，為周圍居民的生產和生活提供了重要的水源。因此，每年水質監測采樣的次數不能低于12次。如果河流污染比較嚴重，則可根據實際情況，適當增加采樣次數，以保證水質監測的真實性。

3 河流水質監測斷面優化布設方法

為真實、有效、科學的進行河流水質監測斷面布設，該河流水質監測斷面優化布設中應用了多Agent的優化方法，可從標準化后的水質監測數據中，獲得可有效表征水質特征的主成分和非主要成分，具體如下：

3.1 構建水質監測斷面Agent模型

大量實例表明，在河流水質監測斷面布設時應用基于Agent智能化計算機網絡技術，具有清晰直觀的優點，是研究復雜水質監測系統最直接有效的方法。Agent的基本結構可分為三大類，包括：慎思型、反應型以及混合型Agent。主要原理是通過Agent系統中的傳感器及時感知周圍環境，然后通過相應的效應器作用在環境中，實現相互協作通信。在具體優化布設時，為準確提取水質評價中具有代表性的成分，通過主成分分析（PCA）對各個因素進行深入分析，有效保證了水質多Agent仿真模型中的元素。通過Agent可監測出多水質參數數據，然后通過PCA最終確定主成分綜合評價得分和非主成分的綜合得分，即可作為兩個評價因子水質多Agent中的優化數據[2]。

3.2 水質多Agent建模和優化

水質多Agent基本組織結構大體上可分為三層結構，其中原始斷面層是整個河流水質監測斷面優化布設的基礎和核心。在具體優化過程中，以其中一個元素為主成分綜合評價得分作為評價因素，就可以計算出Agent間的相似度。當兩個Agent同時滿足相似度高的條件時，即可進入細分模型。當細分模型中兩種Agent同時滿足相似度高、相鄰兩個條件時，則要取消連接關系進行拆分， 然后進入粗分模型。在粗分模型中各個Agent的監測斷面布設由面積區域取平均值獲得，其中中心點即可作為最終水質監測優化后斷面布設點。

3.3 優化布設結果分析

通過PCA技術，并確定主成分、非主成分的綜合評價的得分作為二次變量，搭建Agent模型。河流水質主成分分析的總方差為：導電率初始特征值合計值為3.245，方差百分數為36%，累計值為36.12；能見度初始特征值合計值為1.645，方差百分數為26%，累計值為63.42；溶解氧初始特征值合計值為1.458，方差百分數為18%，累計值為80.64；氨氮初始特征值合計值為0.948，方差百分數為11%，累計值為91.52；總氮初始特征值合計值為2.166E-16，方差百分數為2.407E-15%，累計值為100.00；總磷初始特征值合計值為0.006，方差百分數為1%，累計值為99.94；pH值初始特征值合計值為3.326，方差百分數為37%，累計值為35.6[3]。其中pH值、導電率、能見度、溶解氧這四個主成分的方差貢獻率之和達到90%以上，也就充分說明了這四個主成分為原始變量提供90%以上的相關信息，而非主成分的方差貢獻率不足10%，所提供的相關信息就比較小。

3.4 優化結果驗證

研究表明，在此河流中，最初9個水質Agent中主成分的綜合評價得分可作為斷面優化粗分的主要依據。為嚴重河流水質監測斷面優化布設的結果，可先把整個水域分解為3個Agent，低于最小斷面個數，則非主成分的綜合評價得分可以作為細分的主要依據。因此，河流水質多Agent的優化過程，也就是水質監測斷面優化布設的過程。

就河流而言，水質監測斷面經過粗分、細分兩個環節處理以后，斷面優化從原始的9個改變為5個，既有效保證了監測效率，同時也有效降低了施工成本。為說明本方法的有效性，使用分層聚類方法對原始監測數據進行聚類，基于多Agent的斷面優化方法結果相同，說明本方法具有較強的準確性[4]。

4 結束語

綜上所述，本文結合工程實例，深入分析了河流水質監測斷面優化布設方法，得出以下幾點結論：在進行河流水質監測斷面優化布設過程中，要根據河流實際情況，嚴格做好采樣斷面布置工作、選擇合理的布設采樣點、合理設置監測斷面采樣頻率，才能為后期布設方法優化提供數據依據。Agent優化方法具有技術先進、分析準確、可操行強的特點，將該項技術應用在河流水質監測斷面優化布設中，既能保證監測斷面優化的質量和效率，同時還能有效提高監測準確性。通過多Agent建模，然后通過PCA分析技術所得到的主成分評價得分和非主成分評價得分，就可以獲得水質監測的評價因子，然后通過相互判斷相似性，就可以最大限度上實現河流水質監測斷面布設的最優化。應用實例表明，此種優化方法具有準確度高、層次性強、結果直觀等特性，可為我國河流水質監測斷面優化布設提供新的方法。

參考文獻

[1]仇偉光. 遼河流域水環境監測網絡優化技術研究[J]. 中國環境監測，2015，31（01）：122-127.

[2]黃鐘霆，周湘婷，張艷，羅岳平，王強，羅艾東. 湖南省河流斷面水質自動監測工作探索[J]. 環境科學與管理，2015，40（04）：122-126.

[3]彭森，許繼平，連曉峰，王小藝，于家驥. 基于多Agent的水質監測斷面優化布設研究[J]. 計算機測量與控制，2015，23（11）：3589.

[4]戚衛偉. 江河水質監測斷面優化布設方法[J]. 水利科技與經濟，2015，21（10）：19-21.

收稿日期：2017-12-25

作者簡介：王蕊（1982-），女，碩士，工程師，研究方向為環境監測。