河流水质监测断面优化布设方法探析
摘要：本文针对河流水质监测断面优化布设方法，结合实践案例，在简要阐述河流水质监测断面布设要点的基础上，深入分析了优化河流水质监测断面布设的方法，得出河流布设水质监测断面是开展河流水质监测工作基础的结论，希望对相关单位有一定帮助。
关键词：河流水质；监测断面；布设；优化方法
中图分类号：X832 文献标识码：A 文章编号：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
某河流全长超过1800km，共有41条一级支流汇合而成，在该河流中设置了15个水质监测断面。2017年6月，当地水质监测单位对该河流的水质情况进行全面监测，监测的各项指标为：水温26.4℃、透明度为0.54m、pH無量纲为7.12、溶解氧为6.45m·L-1、高锰酸盐的指数为3.82mg·L-1、氨氮为0.216mg·L-1、总磷为0.058mg·L-1、总氮为1.12mg·L-1。该河流超标污染物中，溶解氧超标0.24倍、高猛酸盐指数超标1.65倍、五日生化需氧量超标5.12倍、总磷超标4.65倍，这几组数据中可以看出，该河流被严重污染。
2 河流水质监测断面布设要点
2.1 严格做好采样断面布置工作
就该河流水质监测断面布设而言，主要根据河流中不同功能，对河流分别布设弧形采样断面，并确保采样断面和断面附近水流方向相互垂直。同时也要及时掌控该河流中工业、农业、生活污染源的主要分布情况，根据污染源排放量，综合布设监测断面点，最大限度上确保该河流水质监测断面布设能符合实际需求。
2.2 选择合理的布设采样点
水质监测工作具有很强的系统性和复杂性，为有效保证监测的准确性，就要结合实际情况选择出最佳的采样断面位置，才能保证提出的水质样品具有代表性。可根据河流水面的宽度来布设定位垂线。比如：当河流宽度超过50m时，要布设要一条中泓垂线；当河流水面宽度在50～100m之间时，则要在河流近岸布设左右两条垂线；当河流水面宽度在100m以上时，则要布设3～5条垂线，才能保证监测断面布设的合理性和科学性[1]。
2.3 合理设置监测断面采样频率
就该河流而言，具有泄洪、灌溉等多项功能，为周围居民的生产和生活提供了重要的水源。因此，每年水质监测采样的次数不能低于12次。如果河流污染比较严重，则可根据实际情况，适当增加采样次数，以保证水质监测的真实性。
3 河流水质监测断面优化布设方法
为真实、有效、科学的进行河流水质监测断面布设，该河流水质监测断面优化布设中应用了多Agent的优化方法，可从标准化后的水质监测数据中，获得可有效表征水质特征的主成分和非主要成分，具体如下：
3.1 构建水质监测断面Agent模型
大量实例表明，在河流水质监测断面布设时应用基于Agent智能化计算机网络技术，具有清晰直观的优点，是研究复杂水质监测系统最直接有效的方法。Agent的基本结构可分为三大类，包括：慎思型、反应型以及混合型Agent。主要原理是通过Agent系统中的传感器及时感知周围环境，然后通过相应的效应器作用在环境中，实现相互协作通信。在具体优化布设时，为准确提取水质评价中具有代表性的成分，通过主成分分析（PCA）对各个因素进行深入分析，有效保证了水质多Agent仿真模型中的元素。通过Agent可监测出多水质参数数据，然后通过PCA最终确定主成分综合评价得分和非主成分的综合得分，即可作为两个评价因子水质多Agent中的优化数据[2]。
3.2 水质多Agent建模和优化
水质多Agent基本组织结构大体上可分为三层结构，其中原始断面层是整个河流水质监测断面优化布设的基础和核心。在具体优化过程中，以其中一个元素为主成分综合评价得分作为评价因素，就可以计算出Agent间的相似度。当两个Agent同时满足相似度高的条件时，即可进入细分模型。当细分模型中两种Agent同时满足相似度高、相邻两个条件时，则要取消连接关系进行拆分， 然后进入粗分模型。在粗分模型中各个Agent的监测断面布设由面积区域取平均值获得，其中中心点即可作为最终水质监测优化后断面布设点。
3.3 优化布设结果分析
通过PCA技术，并确定主成分、非主成分的综合评价的得分作为二次变量，搭建Agent模型。河流水质主成分分析的总方差为：导电率初始特征值合计值为3.245，方差百分数为36%，累计值为36.12；能见度初始特征值合计值为1.645，方差百分数为26%，累计值为63.42；溶解氧初始特征值合计值为1.458，方差百分数为18%，累计值为80.64；氨氮初始特征值合计值为0.948，方差百分数为11%，累计值为91.52；总氮初始特征值合计值为2.166E-16，方差百分数为2.407E-15%，累计值为100.00；总磷初始特征值合计值为0.006，方差百分数为1%，累计值为99.94；pH值初始特征值合计值为3.326，方差百分数为37%，累计值为35.6[3]。其中pH值、导电率、能见度、溶解氧这四个主成分的方差贡献率之和达到90%以上，也就充分说明了这四个主成分为原始变量提供90%以上的相关信息，而非主成分的方差贡献率不足10%，所提供的相关信息就比较小。
3.4 优化结果验证
研究表明，在此河流中，最初9个水质Agent中主成分的综合评价得分可作为断面优化粗分的主要依据。为严重河流水质监测断面优化布设的结果，可先把整个水域分解为3个Agent，低于最小断面个数，则非主成分的综合评价得分可以作为细分的主要依据。因此，河流水质多Agent的优化过程，也就是水质监测断面优化布设的过程。
就河流而言，水质监测断面经过粗分、细分两个环节处理以后，断面优化从原始的9个改变为5个，既有效保证了监测效率，同时也有效降低了施工成本。为说明本方法的有效性，使用分层聚类方法对原始监测数据进行聚类，基于多Agent的断面优化方法结果相同，说明本方法具有较强的准确性[4]。
4 结束语
综上所述，本文结合工程实例，深入分析了河流水质监测断面优化布设方法，得出以下几点结论：在进行河流水质监测断面优化布设过程中，要根据河流实际情况，严格做好采样断面布置工作、选择合理的布设采样点、合理设置监测断面采样频率，才能为后期布设方法优化提供数据依据。Agent优化方法具有技术先进、分析准确、可操行强的特点，将该项技术应用在河流水质监测断面优化布设中，既能保证监测断面优化的质量和效率，同时还能有效提高监测准确性。通过多Agent建模，然后通过PCA分析技術所得到的主成分评价得分和非主成分评价得分，就可以获得水质监测的评价因子，然后通过相互判断相似性，就可以最大限度上实现河流水质监测断面布设的最优化。应用实例表明，此种优化方法具有准确度高、层次性强、结果直观等特性，可为我国河流水质监测断面优化布设提供新的方法。
参考文献
[1]仇伟光. 辽河流域水环境监测网络优化技术研究[J]. 中国环境监测，2015，31（01）：122-127.
[2]黄钟霆，周湘婷，张艳，罗岳平，王强，罗艾东. 湖南省河流断面水质自动监测工作探索[J]. 环境科学与管理，2015，40（04）：122-126.
[3]彭森，许继平，连晓峰，王小艺，于家骥. 基于多Agent的水质监测断面优化布设研究[J]. 计算机测量与控制，2015，23（11）：3589.
[4]戚卫伟. 江河水质监测断面优化布设方法[J]. 水利科技与经济，2015，21（10）：19-21.
收稿日期：2017-12-25
作者简介：王蕊（1982-），女，硕士，工程师，研究方向为环境监测。
关键词：河流水质；监测断面；布设；优化方法
中图分类号：X832 文献标识码：A 文章编号：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
某河流全长超过1800km，共有41条一级支流汇合而成，在该河流中设置了15个水质监测断面。2017年6月，当地水质监测单位对该河流的水质情况进行全面监测，监测的各项指标为：水温26.4℃、透明度为0.54m、pH無量纲为7.12、溶解氧为6.45m·L-1、高锰酸盐的指数为3.82mg·L-1、氨氮为0.216mg·L-1、总磷为0.058mg·L-1、总氮为1.12mg·L-1。该河流超标污染物中，溶解氧超标0.24倍、高猛酸盐指数超标1.65倍、五日生化需氧量超标5.12倍、总磷超标4.65倍，这几组数据中可以看出，该河流被严重污染。
2 河流水质监测断面布设要点
2.1 严格做好采样断面布置工作
就该河流水质监测断面布设而言，主要根据河流中不同功能，对河流分别布设弧形采样断面，并确保采样断面和断面附近水流方向相互垂直。同时也要及时掌控该河流中工业、农业、生活污染源的主要分布情况，根据污染源排放量，综合布设监测断面点，最大限度上确保该河流水质监测断面布设能符合实际需求。
2.2 选择合理的布设采样点
水质监测工作具有很强的系统性和复杂性，为有效保证监测的准确性，就要结合实际情况选择出最佳的采样断面位置，才能保证提出的水质样品具有代表性。可根据河流水面的宽度来布设定位垂线。比如：当河流宽度超过50m时，要布设要一条中泓垂线；当河流水面宽度在50～100m之间时，则要在河流近岸布设左右两条垂线；当河流水面宽度在100m以上时，则要布设3～5条垂线，才能保证监测断面布设的合理性和科学性[1]。
2.3 合理设置监测断面采样频率
就该河流而言，具有泄洪、灌溉等多项功能，为周围居民的生产和生活提供了重要的水源。因此，每年水质监测采样的次数不能低于12次。如果河流污染比较严重，则可根据实际情况，适当增加采样次数，以保证水质监测的真实性。
3 河流水质监测断面优化布设方法
为真实、有效、科学的进行河流水质监测断面布设，该河流水质监测断面优化布设中应用了多Agent的优化方法，可从标准化后的水质监测数据中，获得可有效表征水质特征的主成分和非主要成分，具体如下：
3.1 构建水质监测断面Agent模型
大量实例表明，在河流水质监测断面布设时应用基于Agent智能化计算机网络技术，具有清晰直观的优点，是研究复杂水质监测系统最直接有效的方法。Agent的基本结构可分为三大类，包括：慎思型、反应型以及混合型Agent。主要原理是通过Agent系统中的传感器及时感知周围环境，然后通过相应的效应器作用在环境中，实现相互协作通信。在具体优化布设时，为准确提取水质评价中具有代表性的成分，通过主成分分析（PCA）对各个因素进行深入分析，有效保证了水质多Agent仿真模型中的元素。通过Agent可监测出多水质参数数据，然后通过PCA最终确定主成分综合评价得分和非主成分的综合得分，即可作为两个评价因子水质多Agent中的优化数据[2]。
3.2 水质多Agent建模和优化
水质多Agent基本组织结构大体上可分为三层结构，其中原始断面层是整个河流水质监测断面优化布设的基础和核心。在具体优化过程中，以其中一个元素为主成分综合评价得分作为评价因素，就可以计算出Agent间的相似度。当两个Agent同时满足相似度高的条件时，即可进入细分模型。当细分模型中两种Agent同时满足相似度高、相邻两个条件时，则要取消连接关系进行拆分， 然后进入粗分模型。在粗分模型中各个Agent的监测断面布设由面积区域取平均值获得，其中中心点即可作为最终水质监测优化后断面布设点。
3.3 优化布设结果分析
通过PCA技术，并确定主成分、非主成分的综合评价的得分作为二次变量，搭建Agent模型。河流水质主成分分析的总方差为：导电率初始特征值合计值为3.245，方差百分数为36%，累计值为36.12；能见度初始特征值合计值为1.645，方差百分数为26%，累计值为63.42；溶解氧初始特征值合计值为1.458，方差百分数为18%，累计值为80.64；氨氮初始特征值合计值为0.948，方差百分数为11%，累计值为91.52；总氮初始特征值合计值为2.166E-16，方差百分数为2.407E-15%，累计值为100.00；总磷初始特征值合计值为0.006，方差百分数为1%，累计值为99.94；pH值初始特征值合计值为3.326，方差百分数为37%，累计值为35.6[3]。其中pH值、导电率、能见度、溶解氧这四个主成分的方差贡献率之和达到90%以上，也就充分说明了这四个主成分为原始变量提供90%以上的相关信息，而非主成分的方差贡献率不足10%，所提供的相关信息就比较小。
3.4 优化结果验证
研究表明，在此河流中，最初9个水质Agent中主成分的综合评价得分可作为断面优化粗分的主要依据。为严重河流水质监测断面优化布设的结果，可先把整个水域分解为3个Agent，低于最小断面个数，则非主成分的综合评价得分可以作为细分的主要依据。因此，河流水质多Agent的优化过程，也就是水质监测断面优化布设的过程。
就河流而言，水质监测断面经过粗分、细分两个环节处理以后，断面优化从原始的9个改变为5个，既有效保证了监测效率，同时也有效降低了施工成本。为说明本方法的有效性，使用分层聚类方法对原始监测数据进行聚类，基于多Agent的断面优化方法结果相同，说明本方法具有较强的准确性[4]。
4 结束语
综上所述，本文结合工程实例，深入分析了河流水质监测断面优化布设方法，得出以下几点结论：在进行河流水质监测断面优化布设过程中，要根据河流实际情况，严格做好采样断面布置工作、选择合理的布设采样点、合理设置监测断面采样频率，才能为后期布设方法优化提供数据依据。Agent优化方法具有技术先进、分析准确、可操行强的特点，将该项技术应用在河流水质监测断面优化布设中，既能保证监测断面优化的质量和效率，同时还能有效提高监测准确性。通过多Agent建模，然后通过PCA分析技術所得到的主成分评价得分和非主成分评价得分，就可以获得水质监测的评价因子，然后通过相互判断相似性，就可以最大限度上实现河流水质监测断面布设的最优化。应用实例表明，此种优化方法具有准确度高、层次性强、结果直观等特性，可为我国河流水质监测断面优化布设提供新的方法。
参考文献
[1]仇伟光. 辽河流域水环境监测网络优化技术研究[J]. 中国环境监测，2015，31（01）：122-127.
[2]黄钟霆，周湘婷，张艳，罗岳平，王强，罗艾东. 湖南省河流断面水质自动监测工作探索[J]. 环境科学与管理，2015，40（04）：122-126.
[3]彭森，许继平，连晓峰，王小艺，于家骥. 基于多Agent的水质监测断面优化布设研究[J]. 计算机测量与控制，2015，23（11）：3589.
[4]戚卫伟. 江河水质监测断面优化布设方法[J]. 水利科技与经济，2015，21（10）：19-21.
收稿日期：2017-12-25
作者简介：王蕊（1982-），女，硕士，工程师，研究方向为环境监测。
