水質(zhì)調(diào)查評價中PSO—PEE模型應(yīng)用研究

范思思+許同桃+包海寧

摘要：根據(jù)對燒香河水質(zhì)狀況進行調(diào)查與分析，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查收集到的2016年7-12月的水質(zhì)數(shù)據(jù)，確定7個水體評價標準，運用PSO-PPE模型對燒香河水質(zhì)進行評價，為做好燒香河流域水環(huán)境保護提供現(xiàn)實參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)調(diào)查評價；PSO-PEE模型；燒香河

中圖分類號：TU991.21 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2017）03-0173-01

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.03.093

Abstract： According to the investigation and analysis of the water quality of the Shaoxiang river， 7 water quality evaluation criteria were determined according to the water quality data collected from July to December in 2016， and the water quality

Key words： water quality survey evaluation； PSO-PEE model； Shaoxiang river

1 概述

板橋工業(yè)園連云港市打造“一體兩翼”南翼的起點，業(yè)是沿海產(chǎn)業(yè)帶的重要組成部分。作為連云港市沿海臨港產(chǎn)業(yè)帶發(fā)展的主陣地，開發(fā)建設(shè)9年來，現(xiàn)有有60多個項目落地。工業(yè)園區(qū)的快速發(fā)展給下游水體水質(zhì)產(chǎn)生了巨大影響。目前整個園區(qū)執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標準（GB3838-2002）》IV類水質(zhì)標準，主要功能為工業(yè)用水及區(qū)內(nèi)雨水、生活污水的接納。工業(yè)污水經(jīng)企業(yè)預(yù)處理后，集中進入污水處理場進行二次處理后排放至燒香河，污水廠出水執(zhí)行《污水綜合排放標準（GB8978-1996）》一級標準。由于持續(xù)有項目入駐、竣工投產(chǎn)，園區(qū)內(nèi)原有的板橋污水處理廠處理量受限，目前正在進行二次擴建。通過對排污口下游燒香河水質(zhì)狀況進行調(diào)查與分析，對污染現(xiàn)狀、特征等進行深入的調(diào)研，提出有效防治措施。

2 PSO-PPE模型概述

粒子群優(yōu)化算法（簡稱PSO）最早是由Kennedy和Eberhart共同開發(fā)。其原理是基于鳥群覓食行為的研究后發(fā)現(xiàn)，鳥群飛行過程中改變方向、分散以及聚集等行為雖然不具可預(yù)測性，但整體保持一致性，個體之間保持適宜距離。投影尋蹤評價（簡稱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[1]，它是將高維數(shù)據(jù)樣本通過組合投影到低緯度空間中，對投影的構(gòu)形，采用投影指標函數(shù)（即目標函數(shù)）衡量投影暴露某種分類結(jié)構(gòu)的可能性大小，寸照出使投影指標函數(shù)達最優(yōu)（即能夠反映高維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或特征）的投影值，最后根據(jù)投影值對樣本進行評價。

PSO-PPE評價水資源水質(zhì)狀況，其思路是將PSO與PPE結(jié)合起來，通過采用粒子群優(yōu)化算法來優(yōu)化投影指標函數(shù)的方法來求得最佳投影方向，其優(yōu)勢是可以為水質(zhì)評價涉及到的多目標、多因素提供新思路和新的研究方法。

PSO-PPE建模分四步：（1）：評價指標的歸一化處理。設(shè)指標值樣本集為{*︱=1，2…，n；=1，2…，p}。其中*為第個樣本的第個評價指標值，n、p分別為樣本的總個數(shù)和評價指標的總數(shù)目。（2）：構(gòu)造投影指標函數(shù)。PPE模型把P維數(shù)據(jù){︱=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（i）；（3）：粒子群優(yōu)化投影指標函數(shù)。即當各評價指標分級標準樣本集給定時，投影指標函數(shù)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函數(shù)最大化來估計最佳投影方向，即最大化目標函數(shù)。（4）：計算評價值。把第三步求得最佳投影方向a*代入到第二步指標函數(shù)，可以得到待評價樣本的最佳投影值z*（i），即為待評價樣本的評價值。

3 燒香河水質(zhì)調(diào)查評價

3.1 評價指標選擇

結(jié)合實際監(jiān)測結(jié)果，根據(jù)《地表水環(huán)境治理標準》（GB3838-2002）要求，共選擇了pH值、溶解氧、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、總磷和氨氮等作為評價指標，溶解氧數(shù)值指標越大越優(yōu)，pH數(shù)值指標為越中越優(yōu)，化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、總磷和氨氮等數(shù)值指標為越小越優(yōu)?；瘜W(xué)需氧量、五日生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)數(shù)值越大，說明水體受到有機物越多，污染越重

3.2 檢測數(shù)據(jù)收集

根據(jù)水質(zhì)調(diào)查的需要，采取以月為單位對燒香河2016年7月-12月期間的水質(zhì)取樣并進行檢測，檢測后所得到的結(jié)果（見表1）。

3.3 PSO-PPE模型應(yīng)用

為消除樣本和標準指標數(shù)據(jù)之間量綱的影響，分別對水質(zhì)樣本（表1）和水質(zhì)評價標準（表2）進行處理，根據(jù)PSO-PPE模型建模的四個步驟，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)指標共7個，故，粒子群算法的優(yōu)化維數(shù)D=7.初始群體數(shù)目、迭代次數(shù)、加速因子等需反復(fù)測試與優(yōu)選，確定：群體的規(guī)模N=400，迭代次數(shù)k=100，加速常速c1=c2=1.23，慣性權(quán)重w=0.58，得出目標函數(shù)為0.423，樣本一維投影值為[1.589 1.634 2.24 1.78]；評價標準的一維投影值為[2.21 1.89 1.44 0]

3.4 評價結(jié)果分析

將樣本的一維投影值與標準的一維投影值進行比較，即可得燒香河2016年7-12月的水質(zhì)等級，見表3。

從表3可以看出，燒香河2016年下半年以來的水質(zhì)等級一直較為穩(wěn)定，基本都維持在Ⅳ類-劣Ⅴ類水質(zhì)，即，其水質(zhì)只能適用于一般工業(yè)用水區(qū)及人體非直接接觸的娛樂用水，以及農(nóng)業(yè)用水區(qū)和一般景觀要求水域。從所檢測到的水質(zhì)超標項目來看，該河流的主要污染項目為氮磷、總磷、化學(xué)需氧量、生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)等，且多集中在7月、11月。下一步應(yīng)根據(jù)工業(yè)園區(qū)中各企業(yè)生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品不同，所排廢水污染特征各異，做好企業(yè)排污口污染源監(jiān)測，分析其排污量、間歇時間、污染物種類及含量等因素，有針對性地為每個企業(yè)設(shè)計污水收集管網(wǎng)，避免管網(wǎng)建設(shè)不配套等問題，切實從源頭預(yù)防和減少燒香河污染。

參考文獻

[1]付強.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，2008，35（4）：80-85.

收稿日期：2017-05-22

作者簡介：范思思（1985-），女，研究生，講師，研究方向為環(huán)境監(jiān)測、企業(yè)排污自動監(jiān)測。