浅析城市供水水质异常分析及其检测方法

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　　【摘  要】随着经济的快速发展，江河湖泊水质污染事件和饮用水安全问题频繁发生。目前很多在线水质监测系统根据阈值报警的现状，无法满足对水质污染事件进行智能检测的需要。研究基于在线水质参数进行水质异常检测的方法，可对水质污染事故及时预警，有效减少污染造成的损失，保障水环境安全，具有重要理论意义和应用价值。
　　【关键词】城市供水;水质;检测方法;探讨
　　一、城市供水水质异常分析
　　 水质异常主要是水质参数偏离正常标准，根据联合国对水质状态的正常和异常的描述，正常是指符合某种典型或者常规模型，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。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，检测供水水质异常，而污染物入侵、传感器故障、数据采集不准确等都造成城市供水水质参数发生变化。结合城市供水供水异常的原因，水质异常主要分为以下三种情况：
　　 其一，异常事件，在最小时间段中，水质期望值和实测参数值存在较大差异，而偏差阈值和时间段长短对于水质异常情况的判定有着重要影响，通常情况下，异常事件主要是由于城市供水水质受到污染物影响，因此快速、准确地检测城市供水异常事件是水质检测的核心内容。
　　 其二，离群点，在某个时间点水质参数明显和其它数据不同，在标准时间序列中，以前一个时间点的水质测量值作为城市供水水质监测的估计值，若实际测量值和估计值存在明显差异，以当前测量值作为城市供水水质监测的离群点，在水质时间序列中离群点非常常见，其在某个时间点突然减小或者增大，一段时间后又恢复到期望值。通常情况下，水质参数离群点的出现主要是因为外界噪声变化，因此离群点不应该作为水质异常预警的原因。
　　 其三，基线变化，在几小时或者更长时间段内水质参数平均值发生永久性或者突然变化，一般情况下，基线变化主要是由于工艺操作，如关闭或者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。
　　二、城市供水水质常规参数检测
　　 城市供水水质的污染物种类比较多，按照不同属性，可以分为放射性污染、卵、寄生虫和致病菌等生物污染、化学污染等，化学污染物又可以分为重金属、非金属剧毒物、营养盐、难降解有机物、耗氧有机物等。当前，城市供水水质在线监测设备不能准确测量、鉴别和探测每种污染物的浓度和种类，因此在城市供水水质预警系统中通过常规测量参数确定水质存在的污染物，根据常规参数和污染物之间的关系，为城市供水水质异常检测提供重要参考依据。我国饮用水领域的常规参数检测主要包括浊度、总有机碳、温度、pH值、氧化还原電位、溶解氧、电导率、余氯等，利用供水管网实验平台，注射不同浓度的涕灭威、尼古丁、氟乙酸钠、氰化钠、砷酸钠等污染物，通过实验验证总有机碳和余氯是城市供水污染物比较敏感的参数，结合硫代硫酸钠、铁氰化钾、二甲基亚砜、草甘膦、涕灭威等污染物和水质常规参数的关联性，常规水质参数变化和污染物浓度成正比。
　　三、城市供水水质异常检测方法
　　 1.在线水质参数法
　　 主要包括以下三种基本的计算方法：第一种，统计理论算法。基于统计理论的水质参数异常检测首先要建立城市居民饮用水水质统计模型，以此来作为表示正常行为特征，然后，把实际检测数据与模型中的数据进行比较来确定水质参数是否异常。具体的计算方法为，计算接近16000个测试样本数据的平均值和方差，再与预先确定的均值参数进行比较，如果大于3倍方差，则认为饮用水存在水质异常。第二种，基于机器学习的算法。根据已知的数据求出有效鉴别正常数据对象和异常数据对象的分类器，然后通过分类器将未知的数据进行分类，可分为多类别异常检测和单类别异常检测。在城市居民饮用水水质检测中，许多分类算法，比如神经网络、贝叶斯网络、相关向量机等也被应用到水质检测中;第三种，基于聚类的算法。指将相似的数据对象归为一个类别，并根据数据对象所属的类别来衡量城市居民生活饮用水异常度，比如：K-means聚类的水异常检测，具体的计算方法为，根据当前时刻数据与四个聚类中心的最大欧氏距离判断城市居民生活饮用水水质异常情况。
　　 2.滴定法
　　 通过滴定法对水质检验的方法应用非常广发，主要是利用化学反应生成沉淀、有颜色的新物质或是生成的新物质可以与另一种指示性物质发生化学反应呈现出颜色变化的原理，而在样品中滴入某种特定物质，直到样品产生沉淀或颜色变化才停止滴入，最后通过目测滴入物质的量的变化而计算出样品中某种或某些特定物质的含量的一种水质监测的方法。目前，实验室常常采用的滴定方法是人工滴定法，这种方法因操作简单、实用性强、检测代价小而被广泛应用。应用滴定法可主要检测出水中的Ca2+ 、Mg2+ 、Fe2+ 、Cu2+等离子物质和其它一些胶体物质。
　　 3.原子光谱法
　　 原子光谱法是目前衡量元素分析的重要方法，它包括原子吸收光谱法、原子发射光谱法和原子荧光光谱法。它的优点是检出限低，灵敏度高。
　　 原子吸收光谱法的特点是检测灵敏度高、分析速度快、测定高浓度元素时干扰小、信号稳定等。原子吸收光谱法的不足之处是测定某元素需用该元素的光源，多元素同时测定尚有困难，对于复杂试样的测定干扰比较严重，有一些元素的测定灵敏度还不足。火焰原子吸收光谱法测定铅的灵敏度较低，直接用于测定试样中微量铅，提高灵敏度是关键。为了提高火焰原子吸收光谱法的灵敏度，常采用分离富集技术对样品进行预处理。有研究者通过加入增敏剂吐温-80来简化前处理，消除Fe、Ca、Al等元素的干扰，降低检出限。通过微波消解，可以简化前处理工作，降低检出限。火焰原子吸收分光光度法操作较简单，测试速度快，但检出限较高，只能适用于铅含量较高的样品的分析。
　　 4.离子选择电极法
　　 氟是一种极其活跃的非金属元素，在自然界的分布非常广泛，且多以氟化物（包括金属氟化物和氟化氢等）形式存在。氟化物是一种对动植物和人类健康有着严重危害的物质，广泛地存在于钢铁厂、磷肥厂、电解铝厂、玻璃陶瓷厂及氟塑料生产厂附近的水和空气中，对环境和水源造成严重的污染。
　　 目前对于饮用水中氟化物含量检测最有效和最常用的方法是离子选择电极法。其原理是：将氟化镧单晶封在塑料管的一端，管内装特定浓度的NaF和NaCl溶液，并以Ag-AgCl电极为参比电极，构成氟离子选择电极。实际操作中，用氟离子选择电极测定水样中氟化物的含量时，指示电极用氟离子选择电极来充当，而参比电极则需用饱和甘汞电极。研究发现，电极电动势与样品中的氟离子活度的对数成正相关关系，从而可以利用能斯特方程式来计算并测定水样中的氟化物含量。
　　结语
　　近年来，我国现代化城市快速发展，很多城市的水资源污染日益严重，一方面严重威胁市民的身体健康，另一方面引发各种社会问题。城市供水水质异常是一个非常严峻的问题，应积极采取科学合理的检测方法，及时、准确地检测供水水质情况，采取合适的规避措施，保障城市用水安全。同时，在未来发展过程中，应加大对城市供水水质异常检测方法的研究和完善，积极运用最新的理论成果，不断提高城市供水水质异常检测准确性。
　　参考文献
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