農(nóng)村飲水工程輸配水管道水質(zhì)安全定量評(píng)價(jià)

王 斌

(巴州天寶水利工程設(shè)計(jì)有限公司，新疆 庫爾勒 841000)

1 概 述

伴隨人們生活水平的逐漸優(yōu)化以及全世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們對(duì)生活用水的質(zhì)量需求愈發(fā)顯著[1]。飲用水為人類生存的核心需求，所以水質(zhì)安全對(duì)人體健康存在直接關(guān)系。農(nóng)村飲水工程輸配水網(wǎng)能夠?yàn)橛脩糨斉渖钣盟?，由于管道中存在物理、化學(xué)和生物作用，導(dǎo)致輸配過程中的水質(zhì)出現(xiàn)一定變動(dòng)[2]。因此，評(píng)價(jià)農(nóng)村飲水工程輸配水管道水質(zhì)安全是優(yōu)化用戶水質(zhì)的核心步驟。在復(fù)雜的農(nóng)村飲水工程輸配水管網(wǎng)系統(tǒng)中，人工檢測全部管道與節(jié)點(diǎn)中水質(zhì)變化并不現(xiàn)實(shí)。所以，本文提出農(nóng)村飲水工程輸配水管道水質(zhì)安全定量評(píng)價(jià)方法，對(duì)優(yōu)化供水水質(zhì)具有重要意義[3]。

2 農(nóng)村飲水工程輸配水管道水質(zhì)安全定量評(píng)價(jià)方法

2.1 基于復(fù)合粒子群的水質(zhì)數(shù)據(jù)分類方法

2.1.1 粒子群算法設(shè)計(jì)

粒子群算法的核心內(nèi)容是模擬鳥類群體行為，和同類進(jìn)化算法存在一定近似性，均通過“群體”和“進(jìn)化”內(nèi)容，按照個(gè)體(微粒)適應(yīng)度實(shí)施處理[4-5]。在粒子群算法中，通過粒子方位描述需要優(yōu)化問題的解。各個(gè)粒子性能好壞和需優(yōu)化問題目標(biāo)函數(shù)的適應(yīng)度存在直接聯(lián)系，各個(gè)粒子飛行方位與速率值通過速度設(shè)置[6]。

假定一個(gè)農(nóng)村飲水工程輸配水管道存在m個(gè)水質(zhì)粒子，在第h次迭代時(shí)水質(zhì)粒子j的方位描述成Yj(h)=(yj1(h),yj2(h),…,yjn(h))，且yjn(h)代表方位參數(shù)；對(duì)應(yīng)的飛行速度描述為Uj(h)=(uj1(h),uj2(h),…,ujn(h)),ujn(h)描述運(yùn)行速度參數(shù)。開始使用粒子群算法時(shí)，先初始化n個(gè)水質(zhì)粒子方位與速度，之后使用迭代形式獲取最佳解。在各次迭代過程中，水質(zhì)粒子通過跟蹤兩種極值刷新自身速度與方位：一種極值為水質(zhì)粒子自身檢索獲取的最佳解，此解是個(gè)體極值，描述成Qj(h)=(qj1(h),qj2(h),…,qjn(h))，qjn(h)描述個(gè)體水質(zhì)數(shù)據(jù)；一種極值為全部粒子群至當(dāng)下所獲取的最佳解，是全局極值，描述成Qf(h)=(qf1(h),qf2(h),…,qfe(h)),qfe(h)描述全局水質(zhì)數(shù)據(jù)。

(1)

(2)

式中:sig屬于sigmoid函數(shù)。

2.1.2 復(fù)合粒子群算法編碼

復(fù)合粒子群算法里，粒子首層結(jié)構(gòu)對(duì)連續(xù)屬性實(shí)施離散化，第二層結(jié)構(gòu)對(duì)混合水質(zhì)數(shù)據(jù)實(shí)施分類。將農(nóng)村飲水工程輸配水管道水質(zhì)數(shù)據(jù)分類問題看做0～1優(yōu)化問題，兩層相融實(shí)現(xiàn)復(fù)合粒子群算法編碼，當(dāng)中隨意一種水質(zhì)粒子編碼和一種可行解相呼應(yīng)[7-8]。水質(zhì)粒子的編碼結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 水質(zhì)粒子編碼結(jié)構(gòu)

首層為連續(xù)屬性數(shù)據(jù)分割點(diǎn)的編碼，將全部非間斷屬性分割點(diǎn)集合設(shè)成二進(jìn)制編碼[9]。該層編碼長度總值是分割點(diǎn)數(shù)目總值，編碼中某一位水質(zhì)粒子是1時(shí)描述選擇此分割點(diǎn)，則后續(xù)層間的水質(zhì)粒子編碼繼續(xù)工作；編碼中某一位水質(zhì)粒子是0時(shí)，表示不使用此分割點(diǎn)，則后續(xù)層間的水質(zhì)粒子編碼不工作[10-11]。圖1中首層編碼1010010描述該時(shí)間段屬性b1、b2選擇的分割點(diǎn)依次是{0.5,4}、{5,3}。

第二層為混合水質(zhì)數(shù)據(jù)編碼，水質(zhì)粒子結(jié)構(gòu)存在3部分：依次是連續(xù)數(shù)據(jù)編碼、離散數(shù)據(jù)編碼以及分類種類編碼。

2.1.3 復(fù)合粒子群適應(yīng)度設(shè)置

若水質(zhì)粒子Y相應(yīng)的規(guī)則涵蓋正例的數(shù)目是Dq(Y)，和水質(zhì)粒子Y相應(yīng)規(guī)則里的種類屬性一致的水質(zhì)數(shù)據(jù)樣本數(shù)量是Hq(Y)；水質(zhì)粒子Y相應(yīng)的規(guī)則涵蓋反例的數(shù)目是Dm(Y)，和水質(zhì)粒子Y相應(yīng)規(guī)則里的種類屬性差異的數(shù)據(jù)樣本數(shù)目是Hm(Y)，因此水質(zhì)粒子Y的適應(yīng)度是：

(3)

其中：懲罰因子設(shè)成β。

2.1.4 復(fù)合粒子群算法

基于復(fù)合粒子群的水質(zhì)數(shù)據(jù)分類方法步驟如下：

輸入：水質(zhì)數(shù)據(jù)集

輸出：最佳的水質(zhì)數(shù)據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)[12]

第一步：設(shè)定迭代次數(shù)h，設(shè)定適應(yīng)度函數(shù)懲罰系數(shù)，同時(shí)初始化復(fù)合結(jié)構(gòu)粒子群Y(h)。

第二步：運(yùn)算復(fù)合結(jié)構(gòu)粒子Y(h)里每個(gè)水質(zhì)粒子的適應(yīng)度大小，若粒子群里水質(zhì)粒子的每一位均是0，那么將此個(gè)體設(shè)定一個(gè)很小的適應(yīng)度值。

第三步：將各個(gè)水質(zhì)微粒的適應(yīng)度和它的最佳方位qbest實(shí)施對(duì)比，若較好，便把它設(shè)成目前的最佳方位qbest。

第四步：將各個(gè)水質(zhì)微粒的適應(yīng)度大小按照全局粒子的最佳方位實(shí)施對(duì)比，若較好，便再次設(shè)定索引號(hào)。

第五步：計(jì)算水質(zhì)微粒的速度與方位，之后按照各個(gè)水質(zhì)粒子離散化非間斷屬性并分類，運(yùn)算水質(zhì)粒子的適應(yīng)度大小。

第六步：若抵達(dá)最高迭代次數(shù)便進(jìn)入第八步，反之回到第三步。

第七步：分辨停止條件，如果不符合便回到第二步。

第八步：按照最佳水質(zhì)粒子實(shí)現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)分類，分類后的水質(zhì)數(shù)據(jù)能夠描述水質(zhì)數(shù)據(jù)整體和個(gè)別屬性，降低后續(xù)水質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí)工作量[13]。

2.2 基于指標(biāo)權(quán)重的管道水質(zhì)安全定量評(píng)價(jià)

基于指標(biāo)權(quán)重的管道水質(zhì)安全定量評(píng)價(jià)方法是將2.1小節(jié)獲取的每種分類后水質(zhì)數(shù)據(jù)設(shè)成分析單元，設(shè)置每個(gè)分類組中水質(zhì)數(shù)據(jù)的每個(gè)指標(biāo)的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)，然后使用超標(biāo)法計(jì)算每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，每個(gè)單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)的加權(quán)和即為綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)，其能夠全方位體現(xiàn)農(nóng)村飲水工程輸配水管道水質(zhì)，評(píng)價(jià)水質(zhì)種類。

2.2.1 單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)的設(shè)置

按照相關(guān)水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，化學(xué)需氧量CODMn、生物需氧量BOD5以及氨氮的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)使用式(4)運(yùn)算；溶解氧EO屬于遞減類指標(biāo)，它的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)使用式(5)運(yùn)算：

(4)

(5)

其中：第j項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的水質(zhì)種類設(shè)成Hj；第j項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)第Hj種水區(qū)間的下限值、第j項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)第Hj類水區(qū)的上限值依次設(shè)成Rjh下、Rjh下；第j項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)測濃度設(shè)成Dj。

若CODMn、BOD5以及氨氮指標(biāo)代表六級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，它的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)是：

(6)

其中，第j項(xiàng)指標(biāo)的五級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)成Rj5。

2.2.2 水質(zhì)指標(biāo)權(quán)重設(shè)置

使用超標(biāo)賦權(quán)法設(shè)置每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，不但凸顯超標(biāo)因子的干擾，還能夠設(shè)置合理的權(quán)重[14]。每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重按照超標(biāo)倍數(shù)設(shè)置，CODMn、BOD5以及氨氮的超標(biāo)倍數(shù)是：

(7)

其中，五級(jí)水質(zhì)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)設(shè)成Rj5。

如果EO為一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定它的超標(biāo)倍數(shù)是0。如果EO未曾達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，EO的超標(biāo)倍數(shù)是：

(8)

其中，EO的五級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)成R5(EO)；EO的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)成R1(EO)。R1(EO)運(yùn)算方法是：

(9)

其中，水體溫度設(shè)成W。

使用上式把每個(gè)超標(biāo)倍數(shù)實(shí)施歸一化操作，能夠獲取CODMn、BOD5以及氨氮的權(quán)重：

(10)

2.2.3 綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指標(biāo)的設(shè)置

綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)代表每個(gè)單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)的加權(quán)和[15]。則有：

(11)

按照獲取的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)，能分辨綜合水質(zhì)級(jí)別。分辨關(guān)系見表1。

表1 分辨關(guān)系表

3 實(shí)例分析

使用本文方法對(duì)遼寧省沈陽市某農(nóng)村飲水工程輸配水管道水質(zhì)安全實(shí)施定量評(píng)價(jià)，結(jié)果見表2。

表2 評(píng)價(jià)結(jié)果

將本文方法評(píng)價(jià)結(jié)果和實(shí)際值實(shí)施比較，判斷本文方法評(píng)價(jià)結(jié)果可信度。若本文方法評(píng)價(jià)結(jié)果和實(shí)際值相符，便描述成“√”，否則為“×”。結(jié)果見表3。

由表3可知，本文方法評(píng)價(jià)結(jié)果和實(shí)際情況幾乎一致，存在可信度，可有效實(shí)現(xiàn)農(nóng)村飲水工程輸配水管道水質(zhì)安全定量評(píng)價(jià)。

表3 本文方法評(píng)價(jià)結(jié)果可信度

采用基于模糊數(shù)學(xué)的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法、基于層次分析的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法對(duì)該農(nóng)村飲水工程輸配水管道水質(zhì)安全實(shí)施定量評(píng)價(jià)，測試3種方法評(píng)價(jià)結(jié)果的均方誤差與評(píng)價(jià)時(shí)延，結(jié)果見表4。

由表4對(duì)比結(jié)果可知，本文方法和基于模糊數(shù)學(xué)的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法、基于層次分析的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法相比，評(píng)價(jià)結(jié)果的均方誤差最大值是0.056 6，低于另外兩種方法；評(píng)價(jià)時(shí)延最小，比另外兩種方法的評(píng)價(jià)效率快。

表4 3種方法的評(píng)價(jià)性能測試

測試3種方法對(duì)該農(nóng)村飲水工程輸配水管道水質(zhì)安全實(shí)施定量評(píng)價(jià)時(shí)，對(duì)化學(xué)需氧量CODMn、生物需氧量BOD5、氨氮以及EO的水質(zhì)數(shù)據(jù)查準(zhǔn)率與查全率，結(jié)果見圖2和圖3。

圖2 3種方法查準(zhǔn)率對(duì)比結(jié)果

圖3 3種方法查全率對(duì)比結(jié)果

根據(jù)圖2、圖3顯示，本文方法對(duì)該農(nóng)村飲水工程輸配水管道水質(zhì)安全實(shí)施定量評(píng)價(jià)時(shí)，對(duì)化學(xué)需氧量CODMn、生物需氧量BOD5、氨氮以及EO的水質(zhì)數(shù)據(jù)查準(zhǔn)率與查全率分別達(dá)0.99和0.98；基于模糊數(shù)學(xué)的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法、基于層次分析的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法的查準(zhǔn)率與查全率小于本文方法。

4 結(jié) 論

1)本文提出一種農(nóng)村飲水工程輸配水管道水質(zhì)安全定量評(píng)價(jià)方法，該方法分為水質(zhì)數(shù)據(jù)分類、水質(zhì)安全定量評(píng)價(jià)兩步驟。

2)本文方法和基于模糊數(shù)學(xué)的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法、基于層次分析的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法相比，評(píng)價(jià)結(jié)果的均方誤差最大值是0.056 6，低于另外兩種方法；評(píng)價(jià)時(shí)延最小，比另外兩種方法的評(píng)價(jià)效率快。

3)本文方法對(duì)該農(nóng)村飲水工程輸配水管道水質(zhì)安全實(shí)施定量評(píng)價(jià)時(shí)，對(duì)化學(xué)需氧量CODMn、生物需氧量BOD5、氨氮以及EO的水質(zhì)數(shù)據(jù)查準(zhǔn)率與查全率分別達(dá)0.99和0.98，高于對(duì)比方法。