瀾滄江干流水環境變化特征分析及監測報警

歷明月，李建華，夏麗娟，鄭 鈞

(北京尚水信息技術股份有限公司，北京 100085)

在“互聯網+”時代，傳統水利和互聯網技術的結合是必然趨勢。自動化監測與傳統的人工監測方式相比，其數據統計分析的時間尺度更加多元化。例如，監測數據24 h內的變化趨勢和規律分析，以月為周期的數據變化趨勢和規律分析；監測數據跨年度變化分析等等。我國的水環境自動化監測發展的較晚[1]，但是，經過十幾年的發展，我國的大流域基本部署了水環境自動化監測設備，逐步實現網絡化治理水環境的目標[2-5]。

水環境自動化監測能夠給相關部門提供海量數據，假如指標的監測頻率為5 min一次，其1年的數據量就可達10萬條以上。基于海量數據，可清楚掌握各項監測指標的實時變化情況。利用數理統計方法或模型算法能夠更加科學地分析出數據之間的相互關系以及各自的時空變異特征。同時，海量數據的出現也給數據分析處理工作人員帶來更大的壓力和挑戰。目前，水環境自動化監測的海量數據多被擱置，并沒有得到有效處理和充分利用[5]。因此，自動化實時監測數據的有效處理和價值挖掘工作已迫在眉睫。

本研究中，基于海量的水環境自動化監測數據，利用Pearson相關系數分析法研究了各指標之間的相關性關系，基于具有相關關系的監測指標，可建立一元線性回歸預測模型，修補校正水環境自動化缺測時段的數據，為合理地監測水環境數據和獲得完整的時間序列提供科學保障。本研究中的水環境自動化監測指標包括：水質常規5參數(水溫、pH值、溶解氧、電導率和濁度)、水位、氣溫。監測頻率為5 min一次，一個月的數據量累計達8 000條以上。

1 數據與方法

1.1 數據來源

數據源為瀾滄江2019-2020年溜筒江站點、功果橋站點和允景洪站點部分連續自動化監測數據。監測指標包括水質常規5參數(PH值、電導率、溶解氧、水溫、濁度)、水位和氣溫，監測頻率為5 min一次。各項監測指標的監測方法見表1。

表1 水環境自動化監測一覽表

溜筒江站點位于瀾滄江干流上游、瀾滄江入境云南第一個干流控制站——溜筒江水文站處，E98°47′22″，N28°33′6″，海拔2 054 m左右。監測指標包括pH值、電導率，溶解氧，水溫、濁度、水位、氣溫。數據分析時段為2019年2-6月。

功果橋站點位于瀾滄江干流中下游的功果橋水電站下游大約1 km處，E99°20′38.328″，N25°34′58.7892″，海拔1 257 m左右。監測指標包括pH值、電導率，溶解氧，水溫、濁度、氣溫。數據分析時段為2019年1-7月，2020年3-6月。

允景洪站點位于瀾滄江下游允景洪水文站處，E100°78′89.92″，N22°02′73.25″，海拔535 m左右。監測指標包括pH值、電導率、溶解氧、水溫、濁度、氣溫。數據分析時段為2019年2-9月。

1.2 分析方法

為挖掘各指標之間的關系特征，基于2019-2020年瀾滄江干流上游3站點連續兩年部分自動化監測數據，采用Pearson相關系數分析法[6-7]進行分析。相關系數可度量兩個變量之間的相關程度，其值介于-1～1之間，兩個變量之間相關性越強，則其相關系數絕對值越大；反之，則越小。相關性系數分析通過SPSSAU在線分析軟件實現，同時，利用Origin和Excel進行數據變化趨勢分析和繪圖制作。

2 分析與討論

2.1 水質常規5參數之間的相關性分析

通過整理統計分析2019-2020年瀾滄江干流3站點部分連續監測數據，發現水質常規5參數之間存在一定的相關性關系。各指標的Pearson相關系數見表2、表3和表4。

表2 溜筒江站點Pearson相關系數表

表3 功果橋站點Pearson相關系數表

表4 允景洪站點Pearson相關系數表

由表2-表4可知，3站點的水溫和溶解氧相關性系數分別為-0.990、-0.614和-0.699，P值小于0.01，說明兩個指標之間存在極顯著負相關。以溜筒江站點為例，不同分析尺度內，水溫和溶解氧均存在顯著的負相關關系。圖1顯示，當水溫上升0.38℃～0.46℃左右，溶解氧下降0.14～0.15 mg/L左右；圖2顯示，當水溫上升2.42℃左右，溶解氧下降0.4 mg/L左右；圖3顯示，當水溫上升14.04℃左右，溶解氧下降1.58 mg/L左右。綜合分析，水溫每升高1℃，溶解氧會下降0.10 mg/L左右。

圖1 溜筒江站點年內水溫與溶解氧變化趨勢圖

圖2 溜筒江站點月內水溫與溶解氧變化趨勢圖

圖3 溜筒江站點24 h內水溫與溶解氧變化趨勢圖

功果橋站點的 pH值與電導率呈現顯著負相關，相關系數為-0.726；允景洪站點的 pH值與溶解氧、水溫之間分別為顯著正相關和顯著負相關，相關系數分別為0.860和-0.775，表明溫度和溶解氧之間的負相關關系。水溫與溶解氧的一元線性回歸方程見式(1)：

溶解氧=-0.099×水溫+6.808

(1)

2.2 水質常規5參數上下游變化趨勢分析

3站點的上下游關系為：溜筒江站點位于瀾滄江干流上游；功果橋站點位于干流中下游，距離溜筒江站點334 km左右；允景洪站點位于干流下游，距離功果橋站點786 km左右，距離溜筒江站點1 121 km左右。

表5為2019年5-6月溜筒江站點、功果橋站點和允景洪站點的pH值、電導率、溶解氧、溫度和濁度值變化范圍。

表5 2019年5-6月3站點水質常規5參數變化范圍一覽表

表5中顯示，下游 pH值偏高；電導率從上游至下游逐漸遞減；下游水溫值較上游水溫值高約6℃左右；濁度值變化幅度較大，上游溜筒江站點的濁度變化幅度為628 NTU左右，而功果橋站點和允景洪站點濁度值變化范圍分別為49和13 NTU左右。在無人為因素干擾條件下，濁度值變幅應在幾十NTU范圍內波動。經過現場工作人員證實，濁度值出現變化幅度異常的原因是由于溜筒江站點上游有橋梁建筑施工，施工現場江水渾濁不堪，江水含沙量過大導致。

2.3 水質參數與水文氣象參數之間響應關系分析

見圖4。

水溫與氣溫兩個監測指標之間存在強烈的響應關系，當氣溫升高時，水溫也在升高，氣溫下降時，水溫也隨之下降；24 h內，大氣的溫差值要大于水的溫差值，考慮是由于水的比熱容比空氣大，在升高(降低)相同的溫度時，水的吸熱值大于空氣的吸熱值。所以，水相較于空氣，升溫慢，放熱也慢。以2019年2月1-13日的水溫與氣溫數據為例，圖4顯示為此時間段內溜筒江站點、功果橋站點和允景洪站點的水溫與氣溫兩個監測指標變化趨勢圖。

圖4中顯示，溜筒江站點氣溫起漲時間為每日的8-9點，水溫起漲時間每日的10-11點，后者相對于前者要滯后1～2 h；同時，氣溫峰值出現時間為每日的15-17點，水溫峰值出現時間為每日的16-18點，同樣滯后1～2 h。功果橋站點氣溫起漲時間和峰現時間與水溫的起漲時間和峰現時間幾乎一致，大約在23點至次日的11點時間段內，氣溫值低于水溫。允景洪站點的氣溫起漲時間幾乎與水溫的起漲點時間一致，氣溫峰現時間為大約為每日的15-17點，水溫峰現時間大約為每日的13-14點，大約在23點至次日的11點水溫值高于氣溫值。

圖4 3站點2019年2月1-13日氣溫與水溫變化趨勢圖

由此可見，溜筒江站點的海拔較高，為2 054 m左右，故此站點在冬季(2月份)的氣溫和水溫相對較低，水溫變化范圍在4℃～7℃，氣溫變化范圍為4℃～25℃；功果橋站點海拔在1 257 m左右，水溫和氣溫的變化范圍相差無幾，變化幅度在4℃～25℃左右；而在海拔較低的允景洪站點，氣溫和水溫相對較高，前者波動范圍在10℃～25℃左右，后者變化范圍為19℃～20℃左右。

3 多參數聯動性分析報警

水環境實時監測數據能夠實時反映監測現場的變化情況，當監測現場的某一監測條件發生改變時，各個監測指標會受到不同程度的影響。見圖5和圖6。

圖5 多參數聯動變化趨勢圖

圖6 2019年4月13日溜筒江站點現場圖

圖5顯示， pH值、電導率值、濁度值和水位值在2019年4月13-20日內發生了明顯的變化。pH值由8.06下降至7.96，電導率值由800 uS/cm下降至650 uS/cm，濁度值由200 NTU上升至900 NTU，同時段內水位由2 055 m上升至2 058 m，各指標變化時間同步，聯動性強，尤其濁度值和水位值上升幅度較大。通常情況下，濁度值和水位值在自然無降雨、無人為因素干擾的情況下，數值變化范圍較小，濁度值變幅會穩定在100 NTU左右，水位值變幅會穩定在1 m左右。通過站點現場工作人員反映，此時段內，該站點上游河道內正在進行橋梁建筑施工，在施工過程中往水中潑灑化學試劑，機械運作導致水中含沙量劇增，導致各參數監測值發生變化。圖6為2019年4月13日溜筒江站點監測現場圖，圖6中顯示江水較渾濁，自動化實時監測數據能夠及時地反映監測現場的監測條件。

4 結 論

水質常規5參數是進行水環境評價的基礎數據，不同監測條件下，5參數之間存在一定的相關關系，在具有相關性關系的基礎上，可建立某些參數之間的一元線性回歸分析法預測模型，對數據缺測時段進行數據補充。某些相關關系具有一定的地域性。例如功果橋站點的pH值和電導率呈現高度負相關，pH值與溶解氧不相關，與溫度相關性不高；而在允景洪站點，pH值和電導率不存在相關關系，但是，pH值與溶解氧和水溫的相關系數分別可達0.860和-0.775，具有極顯著的相關關系。某些相關關系是不具有地域性的，基本可以反映一定的物理規律。例如水溫和溶解氧之間呈現高度負相關，其中功果橋和允景洪站點相關性系數絕對值可達0.6以上。綜合3站點的溶解氧和水溫的變化幅度值可發現，瀾滄江干流上，溫度每升高1℃，溶解氧會下降0.10 mg/L左右。

從上游至下游，pH值、電導率、溶解氧、水溫和濁度呈現出一定的規律，下游 pH值偏高；電導率從上游至下游逐漸遞減；下游水溫值較上游水溫值高約6℃左右；濁度值變化幅度較大，上游溜筒江站點的濁度變化幅度為628 NTU左右，而功果橋站點和允景洪站點濁度值變化范圍分別為49和13 NTU左右，在無人為因素干擾條件下，濁度值變幅應在幾十NTU范圍內波動。經過現場工作人員證實，溜筒江站點上游有橋梁建筑施工，施工現場江水渾濁不堪，江水含沙量過大，導致濁度值升高。

水質參數與水文氣象參數之間存在一定響應關系，由于水的比熱容比較大，水相較于空氣的吸熱速度和放熱速度都比較低。水溫在不同下墊面條件下呈現出一定的地域特性，在冬季，海拔2 054 m的溜筒江站點，水溫與氣溫之間溫差較大，水溫變化范圍在4℃～7℃左右，而氣溫變化范圍在4℃～25℃左右，水溫的起漲時間和峰現時間相對于氣溫滯后1～2 h；海拔1 257 m的功果橋站點，水溫與氣溫的變化范圍幾乎一致，均在4℃～25℃范圍內，同時兩個指標的峰現時間和起漲點時間幾乎一致；處在干流中下游海拔較低的允景洪站點，其氣溫變化范圍在10℃～25℃左右，而水溫變化波動范圍在19℃～20℃，僅有1℃。通過這些響應關系，同一地點、同一時間段內，可利用氣溫數據來校正水溫實時監測數據，為水質參數的高質量監測提供科學依據。

高頻監測的水環境自動化監測數據與傳統監測數據相比，前者能夠體現水質參數微觀上的變化，例如可觀察到水質參數1 h內、24 h內變化趨勢，多參數聯動性變化。其中，多參數聯動性分析實時報警是傳統監測方式無法比擬的，可通過聯動性變化現象，實時監測現場條件的改變，從而實現實時監管治理水環境的工作目標。