PSO-PEE 模型在水質評價中的應用研究——以松花江流域為例

王洪敏 王慧婷 王美香

（黑龍江省三江環(huán)境監(jiān)測站 黑龍江同江 156400）

水是生命之源，是人類賴以生存的基礎，是經濟發(fā)展和社會進步的重要資源，是實現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展的物質基礎和基本條件[1]。隨著經濟社會的快速發(fā)展，工業(yè)化、城市化進程的加快，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污染，水質環(huán)境問題也越來越成為制約經濟可持續(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，及時掌握松花江水環(huán)境狀況，對于加強松花江水環(huán)境質量管理及規(guī)劃提供可靠的科學依據和信息至關重要。目前社會公眾要求獲取涉及自身安全有關信息的意識愈來愈強，各級政府加強有效的社會管理，需要水環(huán)境監(jiān)測工作提供及時、準確、可靠的基礎數(shù)據，發(fā)布公正、權威的信息[2]。經過不懈的努力，截止2011年底，松花江周邊安排的治污項目222個全部建成，一些國家級水質自動監(jiān)測站建成并投入使用，為及時掌握松花江水環(huán)境質量變化奠定了扎實基礎。

1 評價模型的建立

粒子群優(yōu)化算法（Particle swarm optimization,簡稱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)作的隨機搜索算法。投影尋蹤評價（Projection pursuit evaluation，簡稱PPE）是一種新興的、能夠有效處理高維、復雜非線性數(shù)據的技術方法[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，從而實現(xiàn)對評價目標——松花江水質的評價。

1.1 PSO 優(yōu)化算法

在PSO中，每個優(yōu)化問題的解設為搜索空間的一個粒子，并由被優(yōu)化的函數(shù)決定適應值，而且每個粒子有速度決定各自飛行的方向和距離，然后根據適應值來評價粒子的最佳位置。PSO初始化隨機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極值更新自身，一個是粒子本身找到最優(yōu)解，即個體極值（pbese），另一個是整個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)化投影尋蹤評價模型的建模一共分為四個步驟：步驟一:評價指標的歸一化處理。設指標值樣本集為｛x*(x.j)|i＝1，2…,n;j＝1,2…,p｝。其中x*(x.j)為第i 個樣本的第j 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。步驟二：構造投影指標函數(shù)Q(a)。PPE模型把P維數(shù)據｛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(i)；第三步：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)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函數(shù)最大化來估計最佳投影方向，即最大化目標函數(shù)。第四步：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)Q(a)，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。

2 基于PSO-PPE 模型的松花江水質評價

2.1 評價選擇

水污染常規(guī)分析指標是反映待評水質污染狀況的重要指標，對于水質監(jiān)測、評價、利用以及污染治理提供重要依據。因此，選取評價因子會直接影響到監(jiān)測后的評價結果，必須要選擇具有代表性的參數(shù)指標。依據《地表水環(huán)境治理標準》（GB3838-2002），結合松花江水域實際監(jiān)測實際，本次監(jiān)測評價共選擇了pH值、CODMn、DO、NH3-N作為評價指標，DO為越大越優(yōu)型指標，pH為越中越優(yōu)型指標，其他指標為越小越優(yōu)型指標。其中，DO是評價水體自凈能力的重要指標，含量越高表示水體的自凈能力越強，反之則表示該水體中的污染物不易被氧化分解，此時，厭氧性菌類就會大量繁殖，導致水質變臭。pH值反映的是水中的氫離子活度的負對數(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)據的收集

為了增加分析的準確性，筆者把數(shù)據的統(tǒng)計時期精準到周，以黑龍江同江點位監(jiān)測點2014年5月~11月，環(huán)保部數(shù)據中心（http://datacenter.mep.gov.cn）公布的數(shù)據為依據。

表1 松花江同江站點斷面水質監(jiān)測結果

表2 松花江水質評價標準

2.3 PSO-PPE 模型應用

為消除樣本和標準指標數(shù)據之間量綱的影響，分別對水質樣本（表1）和水質評價標準（表2）進行處理，然后根據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，相關參數(shù)設置如下：水質指標共4個，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測試與優(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，慣性權重w=0.642，得出相應的目標函數(shù)為0.462，樣本的一維投影值為[1.642 1.733 2.36 1.56]；評價標準的一維投影值為[2.41 2.01 1.56 0]。

2.4 評價結果分析

表3 松花江同江站2014 年5-11 月水質等級表

將樣本的一維投影值與標準的一維投影值進行比較，即可得松花江同江站2014年5~11月的水質等級，見表3。

從表3可以看出，松花江同江站2014年的水質等級一直較為穩(wěn)定，基本都維持在Ⅲ類水質，即，其水質可以適用于集中式生活飲用水地表水源地二級保護區(qū)、魚蝦類越冬場、洄游通道、水產養(yǎng)殖區(qū)等漁業(yè)水域及游泳區(qū)?？梢姡陙?，隨著人們環(huán)保意識的增強，政府相關職能部門加大了對松花江水域的保護力度，水體保護的效果已經顯現(xiàn)出來。值得注意的是，部分監(jiān)測指標如高錳酸鉀指數(shù)等時有超標，這就要求我們始終要嚴格按照國務院發(fā)布的《關于實行最嚴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)限制納污紅線標準，加大對上游沿線企業(yè)和居民的生產生活污水的排放監(jiān)控，確保松花江水質始終向好。

[1]孫明,趙敏,林素婷.對水資源可持續(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)測網絡體系的構建與完善[J].環(huán)境研究與監(jiān)測,2007,20（1）：59-60.

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