澜沧江干流水环境变化特征分析及监测报警

历明月，李建华，夏丽娟，郑 钧

(北京尚水信息技术股份有限公司，北京 100085)

在“互联网+”时代，传统水利和互联网技术的结合是必然趋势。自动化监测与传统的人工监测方式相比，其数据统计分析的时间尺度更加多元化。例如，监测数据24 h内的变化趋势和规律分析，以月为周期的数据变化趋势和规律分析；监测数据跨年度变化分析等等。我国的水环境自动化监测发展的较晚[1]，但是，经过十几年的发展，我国的大流域基本部署了水环境自动化监测设备，逐步实现网络化治理水环境的目标[2-5]。

水环境自动化监测能够给相关部门提供海量数据，假如指标的监测频率为5 min一次，其1年的数据量就可达10万条以上。基于海量数据，可清楚掌握各项监测指标的实时变化情况。利用数理统计方法或模型算法能够更加科学地分析出数据之间的相互关系以及各自的时空变异特征。同时，海量数据的出现也给数据分析处理工作人员带来更大的压力和挑战。目前，水环境自动化监测的海量数据多被搁置，并没有得到有效处理和充分利用[5]。因此，自动化实时监测数据的有效处理和价值挖掘工作已迫在眉睫。

本研究中，基于海量的水环境自动化监测数据，利用Pearson相关系数分析法研究了各指标之间的相关性关系，基于具有相关关系的监测指标，可建立一元线性回归预测模型，修补校正水环境自动化缺测时段的数据，为合理地监测水环境数据和获得完整的时间序列提供科学保障。本研究中的水环境自动化监测指标包括：水质常规5参数(水温、pH值、溶解氧、电导率和浊度)、水位、气温。监测频率为5 min一次，一个月的数据量累计达8 000条以上。

1 数据与方法

1.1 数据来源

数据源为澜沧江2019-2020年溜筒江站点、功果桥站点和允景洪站点部分连续自动化监测数据。监测指标包括水质常规5参数(PH值、电导率、溶解氧、水温、浊度)、水位和气温，监测频率为5 min一次。各项监测指标的监测方法见表1。

表1 水环境自动化监测一览表

溜筒江站点位于澜沧江干流上游、澜沧江入境云南第一个干流控制站——溜筒江水文站处，E98°47′22″，N28°33′6″，海拔2 054 m左右。监测指标包括pH值、电导率，溶解氧，水温、浊度、水位、气温。数据分析时段为2019年2-6月。

功果桥站点位于澜沧江干流中下游的功果桥水电站下游大约1 km处，E99°20′38.328″，N25°34′58.7892″，海拔1 257 m左右。监测指标包括pH值、电导率，溶解氧，水温、浊度、气温。数据分析时段为2019年1-7月，2020年3-6月。

允景洪站点位于澜沧江下游允景洪水文站处，E100°78′89.92″，N22°02′73.25″，海拔535 m左右。监测指标包括pH值、电导率、溶解氧、水温、浊度、气温。数据分析时段为2019年2-9月。

1.2 分析方法

为挖掘各指标之间的关系特征，基于2019-2020年澜沧江干流上游3站点连续两年部分自动化监测数据，采用Pearson相关系数分析法[6-7]进行分析。相关系数可度量两个变量之间的相关程度，其值介于-1～1之间，两个变量之间相关性越强，则其相关系数绝对值越大；反之，则越小。相关性系数分析通过SPSSAU在线分析软件实现，同时，利用Origin和Excel进行数据变化趋势分析和绘图制作。

2 分析与讨论

2.1 水质常规5参数之间的相关性分析

通过整理统计分析2019-2020年澜沧江干流3站点部分连续监测数据，发现水质常规5参数之间存在一定的相关性关系。各指标的Pearson相关系数见表2、表3和表4。

表2 溜筒江站点Pearson相关系数表

表3 功果桥站点Pearson相关系数表

表4 允景洪站点Pearson相关系数表

由表2-表4可知，3站点的水温和溶解氧相关性系数分别为-0.990、-0.614和-0.699，P值小于0.01，说明两个指标之间存在极显著负相关。以溜筒江站点为例，不同分析尺度内，水温和溶解氧均存在显著的负相关关系。图1显示，当水温上升0.38℃～0.46℃左右，溶解氧下降0.14～0.15 mg/L左右；图2显示，当水温上升2.42℃左右，溶解氧下降0.4 mg/L左右；图3显示，当水温上升14.04℃左右，溶解氧下降1.58 mg/L左右。综合分析，水温每升高1℃，溶解氧会下降0.10 mg/L左右。

图1 溜筒江站点年内水温与溶解氧变化趋势图

图2 溜筒江站点月内水温与溶解氧变化趋势图

图3 溜筒江站点24 h内水温与溶解氧变化趋势图

功果桥站点的 pH值与电导率呈现显著负相关，相关系数为-0.726；允景洪站点的 pH值与溶解氧、水温之间分别为显著正相关和显著负相关，相关系数分别为0.860和-0.775，表明温度和溶解氧之间的负相关关系。水温与溶解氧的一元线性回归方程见式(1)：

溶解氧=-0.099×水温+6.808

(1)

2.2 水质常规5参数上下游变化趋势分析

3站点的上下游关系为：溜筒江站点位于澜沧江干流上游；功果桥站点位于干流中下游，距离溜筒江站点334 km左右；允景洪站点位于干流下游，距离功果桥站点786 km左右，距离溜筒江站点1 121 km左右。

表5为2019年5-6月溜筒江站点、功果桥站点和允景洪站点的pH值、电导率、溶解氧、温度和浊度值变化范围。

表5 2019年5-6月3站点水质常规5参数变化范围一览表

表5中显示，下游 pH值偏高；电导率从上游至下游逐渐递减；下游水温值较上游水温值高约6℃左右；浊度值变化幅度较大，上游溜筒江站点的浊度变化幅度为628 NTU左右，而功果桥站点和允景洪站点浊度值变化范围分别为49和13 NTU左右。在无人为因素干扰条件下，浊度值变幅应在几十NTU范围内波动。经过现场工作人员证实，浊度值出现变化幅度异常的原因是由于溜筒江站点上游有桥梁建筑施工，施工现场江水浑浊不堪，江水含沙量过大导致。

2.3 水质参数与水文气象参数之间响应关系分析

见图4。

水温与气温两个监测指标之间存在强烈的响应关系，当气温升高时，水温也在升高，气温下降时，水温也随之下降；24 h内，大气的温差值要大于水的温差值，考虑是由于水的比热容比空气大，在升高(降低)相同的温度时，水的吸热值大于空气的吸热值。所以，水相较于空气，升温慢，放热也慢。以2019年2月1-13日的水温与气温数据为例，图4显示为此时间段内溜筒江站点、功果桥站点和允景洪站点的水温与气温两个监测指标变化趋势图。

图4中显示，溜筒江站点气温起涨时间为每日的8-9点，水温起涨时间每日的10-11点，后者相对于前者要滞后1～2 h；同时，气温峰值出现时间为每日的15-17点，水温峰值出现时间为每日的16-18点，同样滞后1～2 h。功果桥站点气温起涨时间和峰现时间与水温的起涨时间和峰现时间几乎一致，大约在23点至次日的11点时间段内，气温值低于水温。允景洪站点的气温起涨时间几乎与水温的起涨点时间一致，气温峰现时间为大约为每日的15-17点，水温峰现时间大约为每日的13-14点，大约在23点至次日的11点水温值高于气温值。

图4 3站点2019年2月1-13日气温与水温变化趋势图

由此可见，溜筒江站点的海拔较高，为2 054 m左右，故此站点在冬季(2月份)的气温和水温相对较低，水温变化范围在4℃～7℃，气温变化范围为4℃～25℃；功果桥站点海拔在1 257 m左右，水温和气温的变化范围相差无几，变化幅度在4℃～25℃左右；而在海拔较低的允景洪站点，气温和水温相对较高，前者波动范围在10℃～25℃左右，后者变化范围为19℃～20℃左右。

3 多参数联动性分析报警

水环境实时监测数据能够实时反映监测现场的变化情况，当监测现场的某一监测条件发生改变时，各个监测指标会受到不同程度的影响。见图5和图6。

图5 多参数联动变化趋势图

图6 2019年4月13日溜筒江站点现场图

图5显示， pH值、电导率值、浊度值和水位值在2019年4月13-20日内发生了明显的变化。pH值由8.06下降至7.96，电导率值由800 uS/cm下降至650 uS/cm，浊度值由200 NTU上升至900 NTU，同时段内水位由2 055 m上升至2 058 m，各指标变化时间同步，联动性强，尤其浊度值和水位值上升幅度较大。通常情况下，浊度值和水位值在自然无降雨、无人为因素干扰的情况下，数值变化范围较小，浊度值变幅会稳定在100 NTU左右，水位值变幅会稳定在1 m左右。通过站点现场工作人员反映，此时段内，该站点上游河道内正在进行桥梁建筑施工，在施工过程中往水中泼洒化学试剂，机械运作导致水中含沙量剧增，导致各参数监测值发生变化。图6为2019年4月13日溜筒江站点监测现场图，图6中显示江水较浑浊，自动化实时监测数据能够及时地反映监测现场的监测条件。

4 结 论

水质常规5参数是进行水环境评价的基础数据，不同监测条件下，5参数之间存在一定的相关关系，在具有相关性关系的基础上，可建立某些参数之间的一元线性回归分析法预测模型，对数据缺测时段进行数据补充。某些相关关系具有一定的地域性。例如功果桥站点的pH值和电导率呈现高度负相关，pH值与溶解氧不相关，与温度相关性不高；而在允景洪站点，pH值和电导率不存在相关关系，但是，pH值与溶解氧和水温的相关系数分别可达0.860和-0.775，具有极显著的相关关系。某些相关关系是不具有地域性的，基本可以反映一定的物理规律。例如水温和溶解氧之间呈现高度负相关，其中功果桥和允景洪站点相关性系数绝对值可达0.6以上。综合3站点的溶解氧和水温的变化幅度值可发现，澜沧江干流上，温度每升高1℃，溶解氧会下降0.10 mg/L左右。

从上游至下游，pH值、电导率、溶解氧、水温和浊度呈现出一定的规律，下游 pH值偏高；电导率从上游至下游逐渐递减；下游水温值较上游水温值高约6℃左右；浊度值变化幅度较大，上游溜筒江站点的浊度变化幅度为628 NTU左右，而功果桥站点和允景洪站点浊度值变化范围分别为49和13 NTU左右，在无人为因素干扰条件下，浊度值变幅应在几十NTU范围内波动。经过现场工作人员证实，溜筒江站点上游有桥梁建筑施工，施工现场江水浑浊不堪，江水含沙量过大，导致浊度值升高。

水质参数与水文气象参数之间存在一定响应关系，由于水的比热容比较大，水相较于空气的吸热速度和放热速度都比较低。水温在不同下垫面条件下呈现出一定的地域特性，在冬季，海拔2 054 m的溜筒江站点，水温与气温之间温差较大，水温变化范围在4℃～7℃左右，而气温变化范围在4℃～25℃左右，水温的起涨时间和峰现时间相对于气温滞后1～2 h；海拔1 257 m的功果桥站点，水温与气温的变化范围几乎一致，均在4℃～25℃范围内，同时两个指标的峰现时间和起涨点时间几乎一致；处在干流中下游海拔较低的允景洪站点，其气温变化范围在10℃～25℃左右，而水温变化波动范围在19℃～20℃，仅有1℃。通过这些响应关系，同一地点、同一时间段内，可利用气温数据来校正水温实时监测数据，为水质参数的高质量监测提供科学依据。

高频监测的水环境自动化监测数据与传统监测数据相比，前者能够体现水质参数微观上的变化，例如可观察到水质参数1 h内、24 h内变化趋势，多参数联动性变化。其中，多参数联动性分析实时报警是传统监测方式无法比拟的，可通过联动性变化现象，实时监测现场条件的改变，从而实现实时监管治理水环境的工作目标。