吳 霖

(安徽省環(huán)境科學(xué)研究院，安徽 合肥 230071 )

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水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)PSO-PEE模型研究
——以沱河為例

吳 霖

(安徽省環(huán)境科學(xué)研究院，安徽 合肥 230071 )

摘要：根據(jù)全國(guó)主要流域重點(diǎn)斷面水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)周報(bào)公布的沱江流域水環(huán)境現(xiàn)狀，分析了該流域水環(huán)境現(xiàn)狀，并確定了4個(gè)水體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用PSO-PPE模型對(duì)沱江流域水質(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，為沱河流域水環(huán)境的宏觀規(guī)劃管理提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)評(píng)價(jià)；PSO-PEE模型；沱河

1引言

由于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，水環(huán)境也正成為受人類干擾和破壞最為嚴(yán)重的領(lǐng)域之一，水環(huán)境的污染和破壞已經(jīng)成為當(dāng)今世界的主要環(huán)境問(wèn)題之一。水質(zhì)評(píng)價(jià)是科學(xué)管理水域的重要舉措，能夠?yàn)樗Y源綜合利用以及水污染防治提供科學(xué)的現(xiàn)實(shí)依據(jù)。水質(zhì)評(píng)價(jià)的方法主要有模糊綜合評(píng)價(jià)法、灰色聚類評(píng)價(jià)法、主成分分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等等。但這些評(píng)價(jià)方法往往忽視了系統(tǒng)指標(biāo)直接的相互影響，在權(quán)重確定時(shí)受到人的主觀因素的影響，水質(zhì)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度難以有效保障。

沱河，古稱洨水，發(fā)源于河南省商丘劉堤，流經(jīng)夏邑縣和永城市，穿過(guò)安徽省宿州市、濉溪縣，至泗縣樊集入沱湖歸淮河。沱河在安徽境內(nèi)全長(zhǎng)112 km，水深1.5～2.0 m。近年來(lái)，由于小黃河補(bǔ)給水主要依靠河流沿途鄉(xiāng)鎮(zhèn)未經(jīng)處理的部分生活污水，加上埇橋區(qū)境內(nèi)尚未整治的小黃河河段水流不暢，原來(lái)受污染的底泥淤積及流域周邊畜禽養(yǎng)殖廢水排放等因素，導(dǎo)致了沱河污染日趨嚴(yán)重。沱河是淮河左岸的一條重要支流，是沿岸群眾重要的飲用水源地。因此，做好水環(huán)境監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握沱河流域的水環(huán)境狀況，對(duì)于做好沱河流域水環(huán)境管理提供最可靠的現(xiàn)實(shí)依據(jù)。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(lái)愈強(qiáng)，這就需要水環(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[1]。

2PSO-PEE模型評(píng)述

PSO是Particle swarm optimization(粒子群算法)的簡(jiǎn)稱，該算法又叫鳥(niǎo)群算法，是根據(jù)鳥(niǎo)群的覓食行為特征所得出的一種新的迭代群智能優(yōu)化技術(shù)。該算法具有參數(shù)調(diào)整便捷、編碼方式易被人們所了解以及收斂速度快等諸多優(yōu)勢(shì)。粒子群算法目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于水資源的優(yōu)化管理等領(lǐng)域。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以及復(fù)雜非線性數(shù)據(jù)的技術(shù)方法[2]。投影尋蹤法能夠把高維數(shù)據(jù)按照最佳的投影方向投影到一維子空間，這樣就實(shí)現(xiàn)了一維空間分析高維數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

PSO-PPE模型正是基于這種粒子群優(yōu)化與投影尋蹤相結(jié)合，構(gòu)建具體的水質(zhì)評(píng)價(jià)模型，該模型評(píng)價(jià)水環(huán)境質(zhì)量共分為4個(gè)步驟，分別是：首先要對(duì)擬評(píng)價(jià)的水環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)作歸一化處理。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分別表示該水質(zhì)樣本中的總個(gè)數(shù)和評(píng)價(jià)指標(biāo)的總數(shù)目。其次是構(gòu)造投影指標(biāo)函數(shù)。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)；再次是進(jìn)行粒子群優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù)，得出最大化的目標(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)只是隨投影方向a的變化而變化，于是需要通過(guò)求解投影指標(biāo)函數(shù)最大化來(lái)估計(jì)最佳投影方向，即最大化目標(biāo)函數(shù)。最后是計(jì)算指標(biāo)的評(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)，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。

PSO-PPE模型就是結(jié)合了粒子群算法與投影尋蹤模型，然后運(yùn)用粒子群算法優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù)的方法計(jì)算出最佳的投影方向，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)沱河流域水質(zhì)現(xiàn)狀的評(píng)價(jià)。

3沱河水質(zhì)評(píng)價(jià)

3.1數(shù)據(jù)來(lái)源

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，以沱河淮北小王橋位監(jiān)測(cè)點(diǎn)2015年1～12月，環(huán)保部數(shù)據(jù)中心公布的《全國(guó)主要流域重點(diǎn)斷面水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)周報(bào)》數(shù)據(jù)為依據(jù)，選擇反映水體污染程度常用的具有代表性的4個(gè)參數(shù)：pH值、溶解氧(DO)、高猛酸鹽指數(shù)分析儀(CODMn)、氨氮(NH3-N)等數(shù)值變化。其中溶解氧數(shù)值越大表示越優(yōu)；pH值數(shù)值越中表示越優(yōu)，其他兩項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值則是越小表示越優(yōu)(表1)。

表1　1～12月沱河淮北小王橋斷面水質(zhì)

3.2評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)，各種標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)的限值見(jiàn)表2。

表2　地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值　 mg/L

3.3PSO-PPE模型應(yīng)用

為有效解決樣本和標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)數(shù)據(jù)之間量綱的影響，在評(píng)價(jià)該河流水質(zhì)時(shí)首先對(duì)沱河水質(zhì)樣本和水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行處理，即選擇日常的評(píng)價(jià)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)對(duì)象，然后根據(jù)PSO-PPE模型建模的4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)，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(guò)反復(fù)測(cè)試與優(yōu)選，確定：群體的規(guī)模N=200，迭代次數(shù)k=100，加速常速c1=c2=1.124，慣性權(quán)重w=0.72，得出相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)為0.473，樣本的一維投影值為[1.653 1.713 1.36 1.561]；評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的一維投影值為[2.35 1.61 1.95 0]

3.4評(píng)價(jià)結(jié)果分析

將樣本的一維投影值與標(biāo)準(zhǔn)的一維投影值進(jìn)行比

表3　沱河淮北小王橋站2015年1～12月水質(zhì)等級(jí)

較，即可得沱河淮北小王橋斷面2015年1～12月的水質(zhì)等級(jí)，見(jiàn)表3。從表3可以看出，沱河流域2015年的水質(zhì)等級(jí)起伏較大，其中Ⅲ為3、4、5、8月份，Ⅳ類水質(zhì)分別為1、2、9、10、11、12月份，6月和7月為Ⅴ類水質(zhì)。從監(jiān)測(cè)到超標(biāo)物質(zhì)來(lái)看，該流域水質(zhì)的主要污染物指標(biāo)為高猛酸鹽指數(shù)和溶解氧超標(biāo)，水體中的有機(jī)物及還原性物質(zhì)污染較為嚴(yán)重，水質(zhì)狀況不容樂(lè)觀。從污染源來(lái)看，導(dǎo)致沱河水質(zhì)污染的因素主要有：水資源短缺，隨著沱河流域沿岸城鎮(zhèn)化發(fā)展和人口的不斷增長(zhǎng)，人水矛盾加劇了水污染；水治理技術(shù)滯后，城市污水管網(wǎng)設(shè)施陳舊，周邊大量農(nóng)藥化肥的使用等等因素，加劇了水體中污染[3]。

針對(duì)沱河污染現(xiàn)狀，一是要轉(zhuǎn)變水污染防治策略，堅(jiān)持統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，綜合治理，嚴(yán)格河流區(qū)域污染物總量控制，并把排污治理納入到相關(guān)部門的年度考核體系，加大考核監(jiān)督問(wèn)責(zé)力度，加強(qiáng)環(huán)保知識(shí)的宣傳，鼓勵(lì)周邊群眾自覺(jué)加入到保護(hù)沱河治理工作中來(lái)。

參考文獻(xiàn)：

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收稿日期：2016-05-17

作者簡(jiǎn)介：吳霖(1973—)，碩士，高級(jí)工程師，主要從事環(huán)境科研、環(huán)境工程方面的研究工作。

中圖分類號(hào)：X703

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9944(2016)12-0124-02