CN117011108A - 一种基于河流巡测的空间水质突变预警系统 - Google Patents

一种基于河流巡测的空间水质突变预警系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及水质污染预警溯源技术领域，公开了一种基于河流巡测的空间水质突变预警系统，包括：水质数据采集模块、水质综合评价模块、污染溯源预警模块、水质突变定位模块和综合管控中心，通过水质综合评价模块综合考虑多个水质指标得到更为准确的水质污染系数，使得综合管控中心的管理人员能够及时掌握存在水污染的问题河段信息，污染溯源预警模块根据沿程水质趋势变化方向和强度，科学判断是否需要进行污染溯源，水质突变定位模块确定河流水质发生恶化突变的精确地点，帮助水环境管理人员最小化污染督察范围，实现工作效率最大化；综合管控中心将各个功能模块进行集中管理便于业务人员对水环境管理进行统一调度，推进精准、科学治污。

Description

一种基于河流巡测的空间水质突变预警系统
技术领域
本发明涉及水质污染预警溯源技术领域，具体涉及一种基于河流巡测的空间水质突变预警系统。
背景技术
国家生态环境部会对各省市重要河流水质达标率、优良率、劣Ⅴ类占比等进行目标管理绩效考核。目前，由于财政资金、监测技术等限制因素，人工监测断面和自动监测水站数量较少，无法反映整个河流沿程连续水质状况。若某个监测断面水质超标，无法确定是上游干流、支流、入河排口来水导致该断面水质超标，还是该断面为水质发生恶化突变的起始点，这样水环境管理人员无法明确应该从哪里开始进行污染督察。
目前，一旦某个考核断面水质超标，一般会对该断面汇水范围内全部区域进行专项环保督察，需要消耗大量人力物力财力和时间。这种简单粗暴式排查方法时效性和经济性较差，而且未必能够达到理想效果，例如如果错过了最佳检查时间，可能会丧失企业污水偷排证据。另一方面，如果想要提高水质优良率，需要关注各考核断面月度水质均值达标但沿程水质显著恶化的河流，针对这样的河流分析水质恶化突变的开始位置，并对水质突变点局部区域进行重点污染源摸排或必要的治理工程措施。
而且，现有水环境管理系统还存在以下客观缺点：多采用单因子水质评价方法，缺乏对河流水质进行多指标综合评价；在进行河流水质评价时，只考虑时间维度的水质变化情况，缺乏对河流水质的空间维度演变规律分析；只关注考核断面水质是否超标，不考虑河流沿程水质趋势变化特征；只进行水质评价，不进行污染溯源，而实际上，在实践中需要耗费大量人力物力资源对水质超标断面汇水范围内所有区域进行环保督察。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于河流巡测的空间水质突变预警系统，解决以下技术问题：
如何提供能够从空间维度河流水质进行演变分析，能够及时发现污染并及时溯源的空间水质突变预警系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种基于河流巡测的空间水质突变预警系统，包括：
水质数据采集模块，用于在目标河流沿预设巡航路线进行巡航，并采集所述巡航路线上各预设监测点的水质数据；
水质综合评价模块，用于根据所述水质数据对每个所述监测点处的水质进行水质评价，得到对应的水质污染系数，在所述水质污染系数过量时发出水质污染信号，并获取对应所述监测点的定位信息；
污染溯源预警模块，用于根据所述水质数据和所述水质污染信号进行巡航沿程水质趋势变化分析，判断是否需要针对所述目标河流启动污染溯源；若需要；生成对应的污染溯源预警信号并启动所述污染溯源，否则不启动所述污染溯源；
水质突变定位模块，用于在接收到所述污染溯源预警信号和对应河流位置信息后，执行所述污染溯源，定位所述目标河流的河流水质发生恶化突变的精确地点；
综合管控中心，与所述水质数据采集模块、所述水质综合评价模块、所述污染溯源预警模块和所述水质突变定位模块连接，用于转发、处理、储存、显示所述水质数据采集模块、所述水质综合评价模块、所述污染溯源预警模块和所述水质突变定位模块的收发数据。
作为本发明进一步的方案：所述水质数据包括至少m种水质指标浓度；
所述水质评价包括：
其中，WQPIi表示第i个所述监测点的所述水质污染系数，WQPI(q)表示第i个所述监测点处的第q种水质指标浓度所对应的水质污染系数；
若WQPIi≥ThrWQPI，生成所述水质污染信号；ThrWQPI为预设的水质污染阈值。
作为本发明进一步的方案：所述水质趋势变化分析的方法包括：
获取设置了n个所述监测点的所述目标河流的正向沿程水质数据序列X；X＝(x1，xi，...xj，...xn)，n＞j＞i＞1；
根据所述正向沿程水质数据序列X分别计算水质趋势方向系数β和水质趋势强度系数Z；
其中，xi为第i个监测点处的水质的单水质指标浓度的浓度值，Median函数为针对所述正向沿程水质数据序列X的中位数函数；ri表示对应条件下所述正向沿程水质数据序列X中，满足xj＞xi的计数数量。
作为本发明进一步的方案：所述判断是否需要针对所述目标河流启动污染溯源的方法包括：
若β＞0且Z＞ThrZ，则生成污染溯源预警信号；
其中，ThrZ为预设的水质趋势强度阈值。
作为本发明进一步的方案：所述污染溯源的方法包括：
在获得所述正向沿程水质数据序列X的情况下：
获取第k个监测点的水质发生恶化突变的风险系数Sk和对应的风险系数序列S；S＝(S2，...Sk，...Sn)；
根据所述风险系数序列S获取对应的水质平均恶化突变风险系数E；E＝(E(S2)，...E(Sk)，...E(Sn))；E(Sk)为Sk的期望；
根据所述风险系数序列S获取对应的水质平均恶化突变风险波动系数Var(S)；Var(Sk)为Sk的方差；
获取第k个监测点的正向标准恶化突变风险系数UFk和对应的正向标准恶化突变风险系数序列UF；
UF＝(UF2，...UFk，...UFn)
获取逆向沿程水质数据序列X*，根据所述逆向沿程水质数据序列X*获取逆向标准恶化突变风险系数UBk和对应的正向标准恶化突变风险系数序列UB；
UB＝(UBn，...UBk，...UB2)
UBk＝-UFk
根据UF和UB生成对应曲线，判断曲线交点的值是否在预设的双侧标准恶化突变风险系数阈值区间[ThrU1，ThrU2]内，若是，则所述曲线交点对应的位置确定为河流水质发生恶化突变的所述精确地点。
作为本发明进一步的方案：所述水质数据包括氨氮浓度、总磷浓度、COD和高锰酸盐指数。
本发明的有益效果：本发明通过水质综合评价模块综合考虑多个水质指标得到更为准确的水质污染系数，使得综合管控中心的管理人员能够及时掌握存在水污染的问题河段信息，通过污染溯源预警模块根据沿程水质趋势变化方向和强度，科学判断是否需要进行污染溯源，减少不必要的溯源行动，节省环保领域的人力物力财力；通过水质突变定位模块确定河流水质发生恶化突变的精确地点，帮助水环境管理人员最小化污染督察范围，实现工作效率最大化；通过综合管控中心将各个功能模块进行集中管理，避免了多模块功能分散割裂，便于业务人员对水环境管理进行统一调度，解决污染溯源耗时耗力问题，推进精准、科学治污。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明中空间水质突变预警系统的模块连接示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1所示，本发明为一种基于河流巡测的空间水质突变预警系统，包括：
水质数据采集模块，用于在目标河流沿预设巡航路线进行巡航，并采集所述巡航路线上各预设监测点的水质数据；
水质综合评价模块，用于根据所述水质数据对每个所述监测点处的水质进行水质评价，得到对应的水质污染系数，在所述水质污染系数过量时发出水质污染信号，并获取对应所述监测点的定位信息；
污染溯源预警模块，用于根据所述水质数据和所述水质污染信号进行巡航沿程水质趋势变化分析，判断是否需要针对所述目标河流启动污染溯源；若需要；生成对应的污染溯源预警信号并启动所述污染溯源，否则不启动所述污染溯源；
水质突变定位模块，用于在接收到所述污染溯源预警信号和对应河流位置信息后，执行所述污染溯源，定位所述目标河流的河流水质发生恶化突变的精确地点；
综合管控中心，与所述水质数据采集模块、所述水质综合评价模块、所述污染溯源预警模块和所述水质突变定位模块连接，用于转发、处理、储存、显示所述水质数据采集模块、所述水质综合评价模块、所述污染溯源预警模块和所述水质突变定位模块的收发数据。
通过上述技术方案，本发明空间水质突变预警系统，构造水质污染系数，可通过采样船形式的水质数据采集模块，对目标合河流进行巡航，在巡航过程中对水质进行多指标综合评价，构造空间维度的水质趋势方向系数和水质趋势强度系数，对河流进行沿程水质趋势变化分析；构造正向和逆向标准恶化突变风险系数曲线，综合定位河流水质发生恶化突变的精确地点。
一般的水质评价多采用单因子水质评价方法，缺乏对水质总体情况的把握，在本发明中，所述水质数据包括至少m种水质指标浓度，例如氨氮浓度、总磷浓度、COD和高锰酸盐指数等。水质综合评价模块可将水质污染信号与定位信息一并上传至综合管控中心，使得综合管控中心的管理人员能够及时掌握存在水污染的问题河段信息。
所述水质评价包括：
其中，WQPIi表示第i个所述监测点的所述水质污染系数，WQPI(q)表示第i个所述监测点处的第q种水质指标浓度所对应的水质污染系数；
若WQPIi≥ThrWQPI，生成所述水质污染信号；ThrWQPI为预设的水质污染阈值。
所述WQPI(q)的获取方法包括：
其中，C(q)为第q种水质指标的浓度值，Cs(q)为第q种水质指标对应的地表水目标水质类别标准限值。
在本发明本实施例中，针对短暂性、偶然性、随机波动性、向好性水质变化的河流，可以不安排溯源行动；针对沿程水质显著恶化的河流，则需要立即开启污染溯源行动。具体的，所述水质趋势变化分析的方法包括：
获取设置了n个所述监测点的所述目标河流的正向沿程水质数据序列X；X＝(x1，xi，...xj，...xn)，n＞j＞i＞1；
根据所述正向沿程水质数据序列X分别计算水质趋势方向系数β和水质趋势强度系数Z；
其中，xi为第i个监测点处的水质的单水质指标浓度的浓度值，Median函数为针对所述正向沿程水质数据序列X的中位数函数；ri表示对应条件下所述正向沿程水质数据序列X中，满足xj＞xi的计数数量。
以氨氮浓度为例，若在所述正向沿程水质数据序列X中，若满足xj-xi＞0的数量偏多，β＞0，反之则β＜0；β＞0时，说明随着巡航位置变化，水体中氨氮浓度在逐渐增加，水质存在在恶化迹象。
在本发明的本实施例中，具体的，所述判断是否需要针对所述目标河流启动污染溯源的方法包括：
若β＞0且Z＞ThrZ，则生成污染溯源预警信号；
其中，ThrZ为预设的水质趋势强度阈值。
作为本发明进一步的方案：所述污染溯源的方法包括：
在获得所述正向沿程水质数据序列X的情况下：
获取第k个监测点的水质发生恶化突变的风险系数Sk和对应的风险系数序列S；S＝(S2，...Sk，...Sn)；
根据所述风险系数序列S获取对应的水质平均恶化突变风险系数E；E＝(E(S2)，...E(Sk)，...E(Sn))；E(Sk)为Sk的期望；
根据所述风险系数序列S获取对应的水质平均恶化突变风险波动系数Var(S)；Var(Sk)为Sk的方差；
获取第k个监测点的正向标准恶化突变风险系数UFk和对应的正向标准恶化突变风险系数序列UF；
UF＝(UF2，...UFk，...UFn)
获取逆向沿程水质数据序列X*，根据所述逆向沿程水质数据序列X*获取逆向标准恶化突变风险系数UBk和对应的正向标准恶化突变风险系数序列UB；
UB＝(UBn，...UBk，...UB2)
UBk＝-UFk
根据UF和UB生成对应曲线，判断曲线交点的值是否在预设的双侧标准恶化突变风险系数阈值区间[ThrU1，ThrU2]内，若是，则所述曲线交点对应的位置确定为河流水质发生恶化突变的所述精确地点。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (7)

1.一种基于河流巡测的空间水质突变预警系统，其特征在于，包括：
水质数据采集模块，用于在目标河流沿预设巡航路线进行巡航，并采集所述巡航路线上各预设监测点的水质数据；
水质综合评价模块，用于根据所述水质数据对每个所述监测点处的水质进行水质评价，得到对应的水质污染系数，在所述水质污染系数过量时发出水质污染信号，并获取对应所述监测点的定位信息；
污染溯源预警模块，用于根据所述水质数据和所述水质污染信号进行巡航沿程水质趋势变化分析，判断是否需要针对所述目标河流启动污染溯源；若需要；生成对应的污染溯源预警信号并启动所述污染溯源，否则不启动所述污染溯源；
水质突变定位模块，用于在接收到所述污染溯源预警信号和对应河流位置信息后，执行所述污染溯源，定位所述目标河流的河流水质发生恶化突变的精确地点；
综合管控中心，与所述水质数据采集模块、所述水质综合评价模块、所述污染溯源预警模块和所述水质突变定位模块连接，用于转发、处理、储存、显示所述水质数据采集模块、所述水质综合评价模块、所述污染溯源预警模块和所述水质突变定位模块的收发数据。
2.根据权利要求1所述的基于河流巡测的空间水质突变预警系统，其特征在于，所述水质数据包括至少m种水质指标浓度；
所述水质评价包括：
其中，WQPIi表示第i个所述监测点的所述水质污染系数，WQPI(q)表示第i个所述监测点处的第q种水质指标浓度所对应的水质污染系数；
若WQPIi≥ThrWQPI，生成所述水质污染信号；ThrWQPI为预设的水质污染阈值。
3.根据权利要求2所述的基于河流巡测的空间水质突变预警系统，其特征在于，所述WQPI(q)的获取方法包括：
其中，C(q)为第q种水质指标的浓度值，Cs(q)为第q种水质指标对应的地表水目标水质类别标准限值。
4.根据权利要求1所述的基于河流巡测的空间水质突变预警系统，其特征在于，所述水质趋势变化分析的方法包括：
获取设置了n个所述监测点的所述目标河流的正向沿程水质数据序列X；X＝(x1,xi,...xj,...xn)，n>j>i>1；
根据所述正向沿程水质数据序列X分别计算水质趋势方向系数β和水质趋势强度系数Z；
其中，xi为第i个监测点处的水质的单水质指标浓度的浓度值，Median函数为针对所述正向沿程水质数据序列X的中位数函数；ri表示对应条件下所述正向沿程水质数据序列X中，满足xj>xi的计数数量。
5.根据权利要求4所述的基于河流巡测的空间水质突变预警系统，其特征在于，所述判断是否需要针对所述目标河流启动污染溯源的方法包括：
若β＞0且Z>ThrZ，则生成污染溯源预警信号；
其中，ThrZ为预设的水质趋势强度阈值。
6.根据权利要求4获取第所述的基于河流巡测的空间水质突变预警系统，其特征在于，所述污染溯源的方法包括：
在获得所述正向沿程水质数据序列X的情况下：
获取第k个监测点的水质发生恶化突变的风险系数Sk和对应的风险系数序列S；S＝(S2，...Sk，...Sn)；
根据所述风险系数序列S获取对应的水质平均恶化突变风险系数E；E＝(E(S2)，...E(Sk)，...E(Sn))；E(Sk)为Sk的期望；
根据所述风险系数序列S获取对应的水质平均恶化突变风险波动系数Var(S)；Var(Sk)为Sk的方差；
获取第k个监测点的正向标准恶化突变风险系数UFk和对应的正向标准恶化突变风险系数序列UF；
UF＝(UF2，...UFk，...UFn)
获取逆向沿程水质数据序列X*，根据所述逆向沿程水质数据序列X*获取逆向标准恶化突变风险系数UBk和对应的正向标准恶化突变风险系数序列UB；
UB＝(UBn，...UBk，...UB2)
UBk＝-UFk
根据UF和UB生成对应曲线，判断曲线交点的值是否在预设的双侧标准恶化突变风险系数阈值区间[ThrU1,ThrU2]内，若是，则所述曲线交点对应的位置确定为河流水质发生恶化突变的所述精确地点。
7.根据权利要求2所述的基于河流巡测的空间水质突变预警系统，其特征在于，所述水质数据包括氨氮浓度、总磷浓度、COD和高锰酸盐指数。
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