1、1水质环境监测评价 PSOPEE 模型研究摘要：根据全国主要流域重点断面水质自动监测周报公布的沱江流域水环境现状，分析了该流域水环境现状，并确定了 4 个水体评价标准，运用 PSO-PPE 模型对沱江流域水质进行了评价，为沱河流域水环境的宏观规划管理提供依据。 关键词：水质评价；PSO-PEE 模型；沱河 中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：16749944（2016）12012402 1 引言 由于经济社会的快速发展，水环境也正成为受人类干扰和破坏最为严重的领域之一，水环境的污染和破坏已经成为当今世界的主要环境问题之一。水质评价是科学管理水域的重要举措，能够为水资源综合利用以及水
2、污染防治提供科学的现实依据。水质评价的方法主要有模糊综合评价法、灰色聚类评价法、主成分分析法、人工神经网络模型等等。但这些评价方法往往忽视了系统指标直接的相互影响，在权重确定时受到人的主观因素的影响，水质评价的准确度难以有效保障。 沱河，古称?，发源于河南省商丘刘堤，流经夏邑县和永城市，穿过安徽省宿州市、濉溪县，至泗县樊集入沱湖归淮河。沱河在安徽境内全长 112 km，水深 1.52.0 m。近年来，由于小黄河补给水主要依靠河流沿途乡镇未经处理的部分生活污水，加上?桥区境内尚未整治的小2黄河河段水流不畅，原来受污染的底泥淤积及流域周边畜禽养殖废水排放等因素，导致了沱河污染日趋严重。沱河是淮河左
3、岸的一条重要支流，是沿岸群众重要的饮用水源地。因此，做好水环境监测，及时掌握沱河流域的水环境状况，对于做好沱河流域水环境管理提供最可靠的现实依据。目前社会公众要求获取涉及自身安全有关信息的意识愈来愈强，这就需要水环境监测工作提供及时、准确、可靠的基础数据，发布公正、权威的信息1。 2PSO-PEE 模型评述 PSO 是 Particle swarm optimization（粒子群算法）的简称，该算法又叫鸟群算法，是根据鸟群的觅食行为特征所得出的一种新的迭代群智能优化技术。该算法具有参数调整便捷、编码方式易被人们所了解以及收敛速度快等诸多优势。粒子群算法目前已经被广泛应用于水资源的优化管理等领
4、域。投影寻踪评价（Projection pursuit evaluation，简称 PPE）是一种新兴的能够有效处理高维以及复杂非线性数据的技术方法2。投影寻踪法能够把高维数据按照最佳的投影方向投影到一维子空间，这样就实现了一维空间分析高维数据的结构特点。 PSO-PPE 模型正是基于这种粒子群优化与投影寻踪相结合，构建具体的水质评价模型，该模型评价水环境质量共分为 4 个步骤，分别是：首先要对拟评价的水环境质量指标作归一化处理。设指标值样本集为x*（x.j）?i=1，2，n；j=1，2，p。其中 x*（x.j）为第 i 个样本的第 j 个评价指标值，n、p 分别表示该水质样本中的总个数和评价
5、指标的总数目。其次是构造投影指标函数。PPE 模型把 P 维数据x（x.j）?3?j=1，2，p综合为 a=a（1） ，a（2） ，a（3） ，a（p）为投影方向的一维投影值 z；再次是进行粒子群优化投影指标函数，得出最大化的目标函数。即当各评价指标分级标准样本集给定时，投影指标函数只是随投影方向 a 的变化而变化，于是需要通过求解投影指标函数最大化来估计最佳投影方向，即最大化目标函数。最后是计算指标的评价值。把第三步求得最佳投影方向 a*代入到第二步指标函数，可以得到待评价样本的最佳投影值 z*（i） ，即为待评价样本的评价值。 PSO-PPE 模型就是结合了粒子群算法与投影寻踪模型，然后运
6、用粒子群算法优化投影指标函数的方法计算出最佳的投影方向，从而实现对沱河流域水质现状的评价。 3 沱河水质评价 3.1 数据来源 为了增加分析的准确性，笔者把数据的统计时期精准到周，以沱河淮北小王桥位监测点 2015 年 112 月，环保部数据中心公布的全国主要流域重点断面水质自动监测周报数据为依据，选择反映水体污染程度常用的具有代表性的 4 个参数：pH 值、溶解氧（DO） 、高猛酸盐指数分析仪（CODMn） 、氨氮（NH3-N）等数值变化。其中溶解氧数值越大表示越优；pH 值数值越中表示越优，其他两项指标数值则是越小表示越优（表1） 。 3.3PSO-PPE 模型应用 为有效解决样本和标准指
7、标数据之间量纲的影响，在评价该河流水质时首先对沱河水质样本和水质评价标准进行处理，即选择日常的评价4指标作为评价对象，然后根据 PSO-PPE 模型建模的 4 个步骤，采用粒子群算法优化投影寻踪建模中的最佳投影方向，相关参数设置如下：水质指标共 4 个，粒子群算法的优化维数 D=4.初始群体的数目、迭代次数、加速因子等需要通过反复测试与优选，确定：群体的规模 N=200，迭代次数 k=100，加速常速 c1=c2=1.124，惯性权重 w=0.72，得出相应的目标函数为 0.473，样本的一维投影值为1.653 1.713 1.36 1.561；评价标准的一维投影值为2.35 1.61 1.9
8、5 0 3.4 评价结果分析 将样本的一维投影值与标准的一维投影值进行比较，即可得沱河淮北小王桥断面 2015 年 112 月的水质等级，见表 3。从表 3 可以看出，沱河流域 2015 年的水质等级起伏较大，其中为 3、4、5、8 月份，类水质分别为 1、2、9、10、11、12 月份，6 月和 7 月为类水质。从监测到超标物质来看，该流域水质的主要污染物指标为高猛酸盐指数和溶解氧超标，水体中的有机物及还原性物质污染较为严重，水质状况不容乐观。从污染源来看，导致沱河水质污染的因素主要有：水资源短缺，随着沱河流域沿岸城镇化发展和人口的不断增长，人水矛盾加剧了水污染；水治理技术滞后，城市污水管网
9、设施陈旧，周边大量农药化肥的使用等等因素，加剧了水体中污染3。 针对沱河污染现状，一是要转变水污染防治策略，坚持统筹协调，综合治理，严格河流区域污染物总量控制，并把排污治理纳入到相关部门的年度考核体系，加大考核监督问责力度，加强环保知识的宣传，鼓励周边群众自觉加入到保护沱河治理工作中来。 5参考文献： 1 王斌，李坤，张迪.浅议松花江流域水环境监测网络体系的构建与完善J.环境研究与监测，2007，20（1）：5960. 2付强.投影寻踪模型及其在水文水资源系统分析中的应用J.黑龙江水专学报，2008，35（4）：8085. 3黄淑玲，张勇.宿州市沱河段水质污染防治对策分析J.宿州学院学报，2009，24（6）：100102. 4王波，李伟，尹无畅.沱江流域成都段水环境污染特征及治理J.绿色科技，2016（4）. 5陈清莉，肖艳平。江律饮用水环境质量评价及防治对策研究J.绿色科技，2015（7）. 6郭勇，童艳君.污水化学需氧量（COD）在线监测技术研究J.绿色科技，2012（8）. 7赵宇，王洋.大庆市水环境质量状况及保护对策J.绿色科技，2012（4）. 8宋建忠.水质自动站在水环境安全预警方面的作用J.绿色科技，2016（8）.
