锦州市城市供水水质异常检测方法研究

(辽宁省锦州水文局，辽宁 锦州 121000)

随着我国城市化进程不断加速，城市规模在逐渐扩大，城市人口的数量在不断在增长[1]。但是与之相匹配的供水设施却受到多方面的限制，造成了城市生活用水质量下降的情况。例如工农业废水随意排放、水土流失现象频发、城市污水系统设计不合理等，这些都会城市的供水源造成了极大的影响，严重的对居住在城市的居民们造成了生活上的困扰。对此，如何使用现代化的科学手段和方法进行城市供水的水质检测就成为了相关部门需要注重的环节。虽然目前锦州市的政府部门已经注意到了这些问题，但是这些问题只靠政府部门进行经济投资显然是远远不够的，还需要用科学的检测方式来进行水质的实时监控，这样才能够做好水质异常的处理工作[2]。

1 城市供水水质异常状况分析

对于城市供水而言，出现水质出现异常的主要判断标准就是供水的水质参数与标准值产生了差异。以目前联合国对于水质的状态标准规定，正常的供水必须要满足以下几个方面的条件，分别是符合某种典型或者常规模型，水质预警系统主要是通过传感器采集的监测数据，如pH值、氧化还原电位、电导率、总有机碳、余氯等参数，以常规的数量、程度、状态、形式或者方式发生，其强调符合某种标准模式或者达到某种水准，基于某种趋势保持良好状态，而异常是指偏离了这种标准模式，和期望模型产生偏差，在水质监测系统，水质参数会受到噪音、外界环境等因素的影响，随着水质环境的变化，水质正常标准也发生变化。总的来说，水质发生异常的情况有以下三个方面的原因(见表1)。

1.1 检测出现异

异常事件的发生，在水质检测的过程中，如果水质的期望值与实际进行检测的参数存在偏差较大的情况，那么就可以认定为水质出现了异常。这里的偏差值取决于时间的长短以及水质受到污染的程度。一般来说，水质检测出现了异常情况主要是城市供水的水源受到了污染，这种污染除了工农业废水等生产造成的污染之外，还有水土流失、蓝藻爆发等其他因素造成的污染。所以说，检测水质中出现的异常情况，是水质检测最为重要的环节之一[3]。

1.2 基线变化

所谓的基线指的是，供水质量在一段时间内的水质参数平均值，这种取值的时间一般是在12个小时左右，但是没有固定的标准。而基线变化指的就是，在一定的时间内，供水水质的参数出现了低于或者高于平均值的变化情况。对于城市的供水而言，出现水质的参数在基线变化的情况只有大规模的洪涝现象引发的水质出现变化。或者是打开泵或者阀门等都可能造成基线变化，使得水流通过监控站表现为不同特性。

1.3 离群点异常

与基线变化不同，离群点虽然是基于基线的基础上的数据，但是它指的是在某个时间点上，水质的参数与城市供水的检测出现异常的情况。一般来说，在标准的时间间隔点里，出现了多个离群点，并且基线变化也出现了异常，那么就可以判定水质出现了异常现象。但是由于造成离群点异常的情况较多，在整个基线上也较为频繁，因此，离群点并不能成为单独判断水质出现异常的因素。

表1 三种判定水质异常的方式

综上所述，检测异常现象和基线变化都会造成在一定的时间段内出现离群点的情况。离群点是指在某个时间点预期水质和实际测量水质之间产生明显差异。异常事件和基线变化的区别表现为基线变化造成的水质异常时间比较长，两者的离群点时间段长短不同。基线变化造成的水质异常主要发生在初期，和异常事件基本相同，因此在分析城市供水水质异常时，应采取有效的检测方法，优化水质异常检测算法，考虑到不同工艺的操作要求和信息，正确区分异常事件和基线变化。

2 城市供水水质异常检测设计目标

以锦州市供水的情况而言，其主要的检测方法采用的是国家标准的异常决策法。即通过对上文中所述的检测异常情况，然后对基线和离群点进行分析，最终对水质是否出现异常进行评定。根据《中国城市饮用水卫生标准》以及国际标准CB-56812规定，城市供水的pH值≤6或者pH值≥8的情况，就可以判定供水的水质出现了异常。在出现异常的情况时，首先要做的就是寻找污染源，以此来判断出水质异常的原因，找到解决处理的对策和方法。在水质异常的检测时，最为重要的一个环节就是设计检测的目标，只有设定了检测目标，才能够进行后续的检测环节。在进行目标设计的时候，需要遵循以下几个方面的原则：(1)实时性，由于水质是在不断变化的，因此在供水水质检测的时候，必须要注重实时性。(2)经济性，由于水质检测的程序较为繁琐，流程较多，并且一直需要进行。因此，进行供水水质检测的时候要尽可能的降低经济成本的投入。(3)准确性，如果水质出现了问题，那么政府部门就需要出台相应的政策和手段，来保证供水的质量，所以，水质检测的准确性是必须要保证的。(4)抗干扰性，供水水质异常检测方法必须能够适应动态的环境变化，满足水质参数变化要求，具有较强的抗干扰性。

3 城市供水水质异常的检测方法

3.1 在线水质参数检测

对于城市供水的方法而言，在线水质参数的检测方法是最为常见的。这种方法需要通过对该城市水质检测的历史情况进行统计，并且根据统计的结果建立起数据模型库。在检测的时候，通过实际检测结果与数据库中的结果进行对比，以此来对水质的参数进行具体的分析。在线水质参数的检测的方法需要结合计算机、统计算法以及聚类算法等多种形式来进行。首先通过计算机对数据进行大量分析，包含单类别异常检测和多类别异常检测；之后通过统计算法和聚类算法的形式，把多种数据分析的结果划分在一起，同时与实际检测情况相互对比。需要注意的是，在进行数据模型的对比时，需要对多个样本的数据进行分析，计算样本数的方差、平均值以及回归值，之后再综合比较分析。

3.2 RBF自由化神经网络预测

RBF自由化神经的网络预测包括了输出层面、输入层面以及隐藏层面，输出层面的信息通过数学函数模型映射到隐藏层面中，而检测数据的变化根据输出层面进行变动。RBF的网络预测模型主要有动态预测和非线性两种，因此在准确性上有着较强的保证。通过专业的查询方法，结合实数的编码手段，进行选择和交叉两种方式的操作来对适应度进行验证。例如在锦州市的供水水质检测的过程中，通过这种RBF的网络模型进行预测，结合设置最大进化代数、交叉概率因子、缩放因子、种群规模这四种参数的设计，可以有效的得到水质异常的准确结果。在分析水质参数是否达到异常的程度时，要判断代数方程计算是否正确，借由变异操作转换为变异向量，最后形成一种集群式的操作。在实际的RBF预测模型检测水质的过程中，首先需要确定的就是供水的温度、溶解性能、含油性程度、导电性能、pH值等各项参数，之后选择众多参数中对于当地水源最为重要影响的参数。由于锦州地区属于沿海地区，工业化程度也较高，因此对当地的水源检测参数需要以pH值为主要参数，之后对所有的参数的平均值进行计算，最后得出相应的检测结果。

3.3 目标函数模糊聚类算法

一般而言，进行目标函数模糊算法主要是为了将大量的数据通过模糊函数的形式，在计算机中以最为简单明了的方式反映出来，因此，这种检测方法也被称为X均值算法。将数据聚类成一个完成的集合，根据城市供水正常的水质历史数据，探究重复发生水质异常模式，若检测出来的城市供水水质异常数据和数据库中的异常数据相互匹配，可判断为供水水质异常事件。在使用这种模糊算法的时候，需要根据所记录的时间序列集合来共同设定，构建水质异常集合判定的流程为统计聚类量、提取聚类模式、统计水质异常事件序列模式和检测供水水质异常。标函数模糊聚类法在提取供水水质异常模式时，需要经过以下步骤：供水水质数据检测、结合阵列更显划分检测矩阵、更新聚类中心矩阵、得到供水水质检测聚类中心和划分矩阵。

4 结语

综上所述，解决城市供水异常所带来的经济效益不仅仅体现在锦州市，它作为民生工程中最为重要的一个部分，已经成为了我国各个省份经济发展中的重要环节。但是，受到我国部分城市地区的经济条件和基础设施等方面的限制，我国的城市供水的发展比较缓慢。因此，城市要根据自身的优势条件，例如优秀的地理区位条件等，同时合理的运用现代化的水质检测方法来保证供水的质量，及时解决供水出现异常的情况，为我国城市的发展提供良好的内部环境。

[1]许卫娟.离子色谱法测定地表水中氟化物的方法探讨[J].环境科学导刊.2014.33(4):86～87.

[2]王志民，于福兰，刘志芬，等.阜新市地表水资源质量评价[J].东北水利水电.2003(09)：38-39.

[3]张久龙, 季营, 罗莹莹,等. 钼酸铵分光光度法测定水中总磷不确定度[J]. 硅谷.2012(21):183-184.