王洪敏 王慧婷 王美香

（黑龍江省三江環(huán)境監(jiān)測(cè)站 黑龍江同江 156400）

水是生命之源，是人類賴以生存的基礎(chǔ)，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的重要資源，是實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和基本條件[1]。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，工業(yè)化、城市化進(jìn)程的加快，人們的生活水平得到了顯著提高，但也直接或間接的加重了水質(zhì)污染，水質(zhì)環(huán)境問題也越來越成為制約經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸之一。

松花江流域位于我國東北地區(qū)北部，東西長920km，南北寬1070km，流域面積達(dá)55.68×104km2，作為東北地區(qū)重要的一條河流，是沿岸1000多萬人口的重要飲用水源地。因此，做好水環(huán)境監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握松花江水環(huán)境狀況，對(duì)于加強(qiáng)松花江水環(huán)境質(zhì)量管理及規(guī)劃提供可靠的科學(xué)依據(jù)和信息至關(guān)重要。目前社會(huì)公眾要求獲取涉及自身安全有關(guān)信息的意識(shí)愈來愈強(qiáng)，各級(jí)政府加強(qiáng)有效的社會(huì)管理，需要水環(huán)境監(jiān)測(cè)工作提供及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，發(fā)布公正、權(quán)威的信息[2]。經(jīng)過不懈的努力，截止2011年底，松花江周邊安排的治污項(xiàng)目222個(gè)全部建成，一些國家級(jí)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站建成并投入使用，為及時(shí)掌握松花江水環(huán)境質(zhì)量變化奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)。

1 評(píng)價(jià)模型的建立

粒子群優(yōu)化算法（Particle swarm optimization,簡(jiǎn)稱PSO）是一種模擬鳥群覓食行為而發(fā)展起來的一種基于群體協(xié)作的隨機(jī)搜索算法。投影尋蹤評(píng)價(jià)（Projection pursuit evaluation，簡(jiǎn)稱PPE）是一種新興的、能夠有效處理高維、復(fù)雜非線性數(shù)據(jù)的技術(shù)方法[3]。

PSO-PPE模型的建模思路是將粒子群優(yōu)化算法與投影尋蹤模型結(jié)合起來，通過采用粒子群優(yōu)化算法來優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù)的方法來求得最佳投影方向，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)——松花江水質(zhì)的評(píng)價(jià)。

1.1 PSO 優(yōu)化算法

在PSO中，每個(gè)優(yōu)化問題的解設(shè)為搜索空間的一個(gè)粒子，并由被優(yōu)化的函數(shù)決定適應(yīng)值，而且每個(gè)粒子有速度決定各自飛行的方向和距離，然后根據(jù)適應(yīng)值來評(píng)價(jià)粒子的最佳位置。PSO初始化隨機(jī)解是通過迭代找到最優(yōu)解，每一次迭代粒子通過跟蹤兩個(gè)極值更新自身，一個(gè)是粒子本身找到最優(yōu)解，即個(gè)體極值（pbese），另一個(gè)是整個(gè)種群目前找到的最優(yōu)解，即全局極值（gbese）。

1.2 PSO-PPE 模型建模

基于粒子群優(yōu)化投影尋蹤評(píng)價(jià)模型的建模一共分為四個(gè)步驟：步驟一:評(píng)價(jià)指標(biāo)的歸一化處理。設(shè)指標(biāo)值樣本集為｛x*(x.j)|i＝1，2…,n;j＝1,2…,p｝。其中x*(x.j)為第i 個(gè)樣本的第j 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)值，n、p分別為樣本的總個(gè)數(shù)和評(píng)價(jià)指標(biāo)的總數(shù)目。步驟二：構(gòu)造投影指標(biāo)函數(shù)Q(a)。PPE模型把P維數(shù)據(jù)｛x(x.j)|j＝1,2，…,p｝綜合為a=｛a(1)，a(2)，a(3)，…,a(p)｝為投影方向的一維投影值z(mì)(i)；第三步：粒子群優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù)。即當(dāng)各評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)樣本集給定時(shí)，投影指標(biāo)函數(shù)Q(a)只是隨投影方向a的變化而變化，于是需要通過求解投影指標(biāo)函數(shù)最大化來估計(jì)最佳投影方向，即最大化目標(biāo)函數(shù)。第四步：計(jì)算評(píng)價(jià)值。把第三步求得最佳投影方向a*代入到第二步指標(biāo)函數(shù)Q(a)，可以得到待評(píng)價(jià)樣本的最佳投影值z(mì)*(i)，即為待評(píng)價(jià)樣本的評(píng)價(jià)值。

2 基于PSO-PPE 模型的松花江水質(zhì)評(píng)價(jià)

2.1 評(píng)價(jià)選擇

水污染常規(guī)分析指標(biāo)是反映待評(píng)水質(zhì)污染狀況的重要指標(biāo)，對(duì)于水質(zhì)監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)、利用以及污染治理提供重要依據(jù)。因此，選取評(píng)價(jià)因子會(huì)直接影響到監(jiān)測(cè)后的評(píng)價(jià)結(jié)果，必須要選擇具有代表性的參數(shù)指標(biāo)。依據(jù)《地表水環(huán)境治理標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002），結(jié)合松花江水域?qū)嶋H監(jiān)測(cè)實(shí)際，本次監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)共選擇了pH值、CODMn、DO、NH3-N作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，DO為越大越優(yōu)型指標(biāo)，pH為越中越優(yōu)型指標(biāo)，其他指標(biāo)為越小越優(yōu)型指標(biāo)。其中，DO是評(píng)價(jià)水體自凈能力的重要指標(biāo)，含量越高表示水體的自凈能力越強(qiáng)，反之則表示該水體中的污染物不易被氧化分解，此時(shí)，厭氧性菌類就會(huì)大量繁殖，導(dǎo)致水質(zhì)變臭。pH值反映的是水中的氫離子活度的負(fù)對(duì)數(shù)，pH值為7表示水為中性，大于7的水呈堿性，小于7則表示水呈酸性。

2.2 數(shù)據(jù)的收集

為了增加分析的準(zhǔn)確性，筆者把數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)時(shí)期精準(zhǔn)到周，以黑龍江同江點(diǎn)位監(jiān)測(cè)點(diǎn)2014年5月~11月，環(huán)保部數(shù)據(jù)中心（http://datacenter.mep.gov.cn）公布的數(shù)據(jù)為依據(jù)。

表1 松花江同江站點(diǎn)斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果

表2 松花江水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.3 PSO-PPE 模型應(yīng)用

為消除樣本和標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)數(shù)據(jù)之間量綱的影響，分別對(duì)水質(zhì)樣本（表1）和水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（表2）進(jìn)行處理，然后根據(jù)PSO-PPE模型建模的四個(gè)步驟，采用粒子群算法優(yōu)化投影尋蹤建模中的最佳投影方向，相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：水質(zhì)指標(biāo)共4個(gè)，故，粒子群算法的優(yōu)化維數(shù)D=4.初始群體的數(shù)目、迭代次數(shù)、加速因子等需要通過反復(fù)測(cè)試與優(yōu)選，確定：群體的規(guī)模N=300，迭代次數(shù)k=100，加速常速c1=c2=1.241，慣性權(quán)重w=0.642，得出相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)為0.462，樣本的一維投影值為[1.642 1.733 2.36 1.56]；評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的一維投影值為[2.41 2.01 1.56 0]。

2.4 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

表3 松花江同江站2014 年5-11 月水質(zhì)等級(jí)表

將樣本的一維投影值與標(biāo)準(zhǔn)的一維投影值進(jìn)行比較，即可得松花江同江站2014年5~11月的水質(zhì)等級(jí)，見表3。

從表3可以看出，松花江同江站2014年的水質(zhì)等級(jí)一直較為穩(wěn)定，基本都維持在Ⅲ類水質(zhì)，即，其水質(zhì)可以適用于集中式生活飲用水地表水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)、魚蝦類越冬場(chǎng)、洄游通道、水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)等漁業(yè)水域及游泳區(qū)?？梢姡陙?，隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，政府相關(guān)職能部門加大了對(duì)松花江水域的保護(hù)力度，水體保護(hù)的效果已經(jīng)顯現(xiàn)出來。值得注意的是，部分監(jiān)測(cè)指標(biāo)如高錳酸鉀指數(shù)等時(shí)有超標(biāo)，這就要求我們始終要嚴(yán)格按照國務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》中水資源的“三條紅線”，即水資源開發(fā)利用控制紅線、用水效率控制紅線和水功能區(qū)限制納污紅線標(biāo)準(zhǔn)，加大對(duì)上游沿線企業(yè)和居民的生產(chǎn)生活污水的排放監(jiān)控，確保松花江水質(zhì)始終向好。

[1]孫明,趙敏,林素婷.對(duì)水資源可持續(xù)利用的思考[J].科技信息,2010（15）：383-384.

[2]王斌,李坤,張迪.淺議松花江流域水環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系的構(gòu)建與完善[J].環(huán)境研究與監(jiān)測(cè),2007,20（1）：59-60.

[3]付強(qiáng).投影尋蹤模型及其在水文水資源系統(tǒng)分析中的應(yīng)用[J].黑龍江水專學(xué)報(bào),2008,35（4）：80-85.