城市供水安全关系到社会生产与居民生活的方方面面。水质预警技术是保障供水安全的重要手段,它是一门由化学、流体力学、环境科学以及计算机技术等多方面相互交叉的学科。随着传感器技术、通信技术与计算机技术的进步,水质预警技术取得了快速的发展,在原水突发事故预警、管网水水质预警以及污染影响分析等方面都受到了国内外研究人员的高度关注。水质异常检测问题是水质预警中的核心问题之一,其主要任务是利用数据挖掘、模式分析等方法探究、发现水质监测数据中潜在的偏离稳定状态或模式的波动信息。如何利用复杂多变的水质数据进行及时、有效的水质异常检测是实现水质有效预警的关键所在。目前,国内外基于水质数据内在特征进行异常检测与利用常规水质参数进行污染物辨识的研究方兴未艾。本文结合国家水体污染控制与治理科技重大专项课题等项目,主要针对水质数据中存在的周期性与一般性变化特征、水质时间序列模式分析和提取、异常判断与检测性能评价与污染物辨识及异常特征分析等若干水质异常检测相关的理论和方法展开研究。全文主要工作包括:(1)针对城市供水原水与管网水水质普遍存在的周期性波动现象,研究了因季节性、用水模式等因素导致的水质波动变化规律,并以管网水中的消毒剂余氯为具体指标,建立了一种基于周期模式提取的水质异常在线检测方法。该方法主要应用奇异值分解理论识别并提取水质正常波动的周期模式,然后利用待测数据与正常周期模式之间的偏差判断水质的异常状态,并利用检出率与误警率进行了异常检测性能评价。(2)针对一般非周期性水质参数变化无明显规律的特点,在研究水质时间序列数据表达和相似度分析、模式提取等方法的基础上,建立了一种基于局部密度分析的非周期水质异常检测方法。该方法主要利用水质时序数据中数据模式的空间关系进行局部密度分析,应用最近邻及二次最近邻准则判断测试数据模式与正常数据模式的空间关系,来判断被测数据是否存在异常。论文借助在线水质监测系统采集得到的水质参数数据序列进行了实例研究,并与基于周期模式提取的异常检测方法进行了检测性能对比分析,在平均检出率、误警率与计算时间的复杂度等方面,两种方法各有适用性。(3)在异常检测的基础上,研究分析了典型常规水质参数在不同污染物入侵时的变化模式。论文结合管网实验系统的污染物加药实验,研究分析了氧化物、强还原性物质、弱还原性物质等污染物入侵时多种常规水质参数的的不同变化模式,重点分析了余氯值在不同类型的污染物作用下的典型变化规律,为利用常规水质参数进行污染物辨识提供了实验依据。(4)研究了利用水质参数变化模式对污染物特性和类别进行初步判断的问题。论文结合在线分析的需求,提出了基于时序特征提取的水质异常特征在线分析方法;面向污染事件事后分析的需求,提出了基于小波多分辨分析的水质异常特征离线分析方法。分别用于水质时间序列异常特征在线分类和离线聚类与判断,前者旨在实现水质异常的实时在线分析,后者用于历史异常特征库的整理分析。最后应用实测数据和事件叠加数据进行了方法验证。此外,论文作者在开展城市供水水质异常检测与异常特征分析研究的同时,参与了国家重大科技专项课题中城市饮用水水质安全保障和预警系统的设计和建设,并把水质异常检测等功能进行了系统实施和示范应用。