南水北調(diào)東線源頭水質(zhì)評價(jià)研究

1、南水北調(diào)東線源頭水質(zhì)評價(jià)研究1引言南水北調(diào)東線工程是利用江蘇省已有的長江水北調(diào)工程，從長江下游的江蘇省江都市抽引長江水，利用京杭大運(yùn)河及與其平行的河道逐級提水北送，并連接起調(diào)蓄作用的洪澤湖、 駱馬湖、南四湖、東平湖南水北調(diào)東線源頭水質(zhì)的好壞直接影響到水資源使用價(jià)值和沿線 地區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，決定著南水北調(diào)工程的實(shí)際效益，同時(shí)也將對輸水沿線水環(huán)境產(chǎn)生重要影響水質(zhì)評價(jià)是以定量的方式直觀表征水環(huán)境的質(zhì)量狀況，是根據(jù)國家相關(guān)的水質(zhì)標(biāo) 準(zhǔn)，運(yùn)用有效的水質(zhì)評價(jià)方法，給出被評價(jià)水體的當(dāng)前水質(zhì)狀態(tài)，以及發(fā)展趨勢通過水質(zhì)評價(jià)可以了解水環(huán)境質(zhì)量的過去、現(xiàn)在和將來發(fā)展趨勢及其變化規(guī)律，從而為水環(huán)境質(zhì)量的科學(xué)管理和

2、規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù) 近年來，水質(zhì)評價(jià)一直是人們探討的熱點(diǎn)問題，國內(nèi)外學(xué)者對水質(zhì)評價(jià)方法進(jìn)行了許多有益的研究，相繼提出了模糊綜合評價(jià)法、灰色關(guān)聯(lián)法、主成分法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、支持向量 機(jī)法、遺傳算法等多種水質(zhì)評價(jià)方法，這些方法都各有特點(diǎn)，尹海龍等對上述典型的 7種河流綜合水質(zhì)評價(jià)方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較研究事實(shí)上，水質(zhì)評價(jià)的實(shí)質(zhì)是如何確定各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重問題，而水質(zhì)狀態(tài)與各評價(jià)指標(biāo)間是一種非常復(fù)雜的非線性關(guān)系南水北調(diào)東線源頭的水質(zhì)優(yōu)劣情況及對它的評價(jià)對于整個(gè)工程項(xiàng)目的順利進(jìn)行有著非常重要的意義同時(shí)，由于分形理論在處理復(fù)雜的非線性現(xiàn)象和規(guī)律上具有突出優(yōu)勢因此，本文試圖構(gòu)建基于分形維數(shù)權(quán)重的水質(zhì)評價(jià)模型，并

3、以長江江都市芒稻河斷面2001 2008年的年平均水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)為例對模型進(jìn)行驗(yàn)證，以期從新的角度探索東線源頭的水質(zhì)評價(jià)方法2指標(biāo)分形維數(shù)權(quán)重的確定分形的概念最早是由美籍?dāng)?shù)學(xué)家曼德布羅特提出的，分形維數(shù)作為分形的定量表征和基本參數(shù)，是分形理論的重要原則而分形理論是描述自然界中許多不規(guī)則事物的規(guī)律性科學(xué)， 它使得人們能夠以新的概念來處理非線性領(lǐng)域中的問題，揭示復(fù)雜現(xiàn)象背后的規(guī)律、局部和整體之間的本質(zhì)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性分形特征的度量通常用分形維數(shù)（Fractal dime nsion） 來表示，本研究中分形維數(shù)權(quán)重的確定步驟如下假設(shè)江都市芒稻河斷面水質(zhì)評價(jià)影響因素中第i個(gè)指標(biāo)X*i的數(shù)據(jù)向量為:式中，n為

4、待評價(jià)因素的樣本個(gè)數(shù)；m為待評價(jià)對象的指標(biāo)個(gè)數(shù)1）對數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，對于效益型指標(biāo)和成本型指標(biāo)分別按式（2）和（3）進(jìn)行計(jì)算,之后將指標(biāo)變換到0,1區(qū)間，即得到數(shù)據(jù)歸一化后的指標(biāo)數(shù)據(jù)向量如式（4）所示Xf - (A； - tnimY； )/(maxAr； - mi nA； ) (2)Xt = ( maxX； - A； )/( maxY； - minX* ) (3)2）建立17維相空間（需要時(shí)可多達(dá)9維或更大），形式如下： 耳兀2 * *軸-1 知-9心力 g % g九1 -1 a 玄”$心 (5)一維二維匕維相空間 相空間3）分別計(jì)算上述17維相空間兩點(diǎn)之間的距離rpq（s）與平均距離 x

5、s，計(jì)算公式為：%（叮Ji 7理L * I 百宀 - J + 1廠陽（專）或山=工歸 1-（7）式中，p, q=1, 2,，n-s+1（不同相空間的點(diǎn)數(shù)）;s=1 , 2,，3 （相空間維數(shù)3 =7）.4）分別計(jì)算上述17維相空間兩點(diǎn)之間距離小于rsk的概率Ck（s），計(jì)算公式為：gw 一 工工嘰-川門（打 一 * 十 I ） P v式中，rsk為指定的距離上限，k 一般取相空間維數(shù) 3的2倍，H為Heaviside函數(shù)，其值分別由下式確定：5）如果存在分形，則每維相空間有:根據(jù)上述17維相空間求出一組 Ck(s)值，在Ck(s)和rsk雙對數(shù)圖上若為直線，則分形存在，其斜率為分形維數(shù)，即:l

6、nC(.O= lim (12)6) 若分形維數(shù)隨著相空間維數(shù)的升高趨向極限，則此極限值為空間的分形維數(shù).在實(shí)際應(yīng)用中，若分形維數(shù)沒有嚴(yán)格地趨向某一極限，則采取比較不同維數(shù)相空間的分形維數(shù)，選擇其趨于穩(wěn)定的最大者或相鄰空間分形維數(shù)之差滿足一定精度，作為該水質(zhì)評價(jià)影響指標(biāo)的分形維數(shù).3分形插值評價(jià)模型的構(gòu)建可根據(jù)如下步驟建立水質(zhì)評從而消除指標(biāo)的量綱并統(tǒng)一指依據(jù)上述方法求出每個(gè)水質(zhì)評價(jià)影響指標(biāo)的分形維數(shù)權(quán)重, 價(jià)分形插值評價(jià)模型1) 對影響水質(zhì)狀況的各評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化預(yù)處理, 標(biāo)的變化方向2) 在上述評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等級范圍內(nèi)，利用Matlab軟件按均勻分布隨機(jī)產(chǎn)生I個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣本，對于每個(gè)指標(biāo)采用同一組

7、隨機(jī)數(shù)值，若有T個(gè)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等級，則可形成I X T個(gè)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)樣本，每個(gè)評價(jià)樣本對應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)等級為y(j).3) 根據(jù)公式(6)(12)計(jì)算各指標(biāo)分形維數(shù)Di,利用公式(13)可求得第j個(gè)樣本的評價(jià)值認(rèn)門二工0 f(13)4) 對于T個(gè)評價(jià)等級，設(shè)第t個(gè)評價(jià)等級對應(yīng)的評價(jià)值z(j) St , St，其中，St、St是根據(jù)國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838 2002)確定的5類水質(zhì)分類區(qū)間的上界和下界，根據(jù)第j個(gè)樣本計(jì)算的評價(jià)值z(j)與經(jīng)驗(yàn)等級y(j)(式(14)，建立z(j)-y(j) 的散點(diǎn)圖，根據(jù)散點(diǎn)圖可建立相應(yīng)的分形插值評價(jià)模型(階梯函數(shù)).y(y)=S1 S2 w工(j)-S-S2 *

8、宙 (j) S31十st - vl八 5 W豊(j) 4J) 765413. 9055,5.7117,6. 1689,5. 7918,6. 1047.5.4304.5. 7808,5. 19()6,5. 5801,5. 87X3,5. 7661)以經(jīng)驗(yàn)等級值為縱坐標(biāo)，以綜合評價(jià)值為橫坐標(biāo)，得到兩者的散點(diǎn)圖(圖2).從圖2可以看出，z(j)和y(j)的圖形為階梯形、上升曲線，根據(jù)公式(13)用a、b、c、d、e、f、g、h、k、丨分段線性插值，得到水質(zhì)評價(jià)的分形插值等級模型(分段函數(shù))，具體見公式(15).z(J) W I.0M4L(B44 z(j) L15851.1585 莖 L5860L58

9、60 z(j) 21W 21947W2520925209 z(j) 3.5163 15163 z(j) W 41429 4J429 r(y) 590f) 5J906圖2綜合評價(jià)值與經(jīng)驗(yàn)等級值的散點(diǎn)圖4.2.4水質(zhì)現(xiàn)狀等級分類評價(jià)根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838 2002)和揚(yáng)州市江都環(huán)境監(jiān)測中心站的原始數(shù)據(jù)， 本文收集了南水北調(diào)揚(yáng)州江都芒稻河地區(qū)從2001 2008年比較完整的數(shù)據(jù)：長江芒稻河二水廠斷面為BOD5揮發(fā)酚、溶解氧、石油類、氨氮、高猛酸鹽指數(shù)、糞大腸菌群共7個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的數(shù)據(jù)，具體如表3所示.表3芒稻河二水廠斷面主要監(jiān)測指標(biāo)的年平均值監(jiān)測值年份BODs/(mg L*1潛解氧/(m

10、g C1)氨氮/(mg L1)高猛酸鹽指數(shù)Sg-Lj石油類/(mg L1)糞大腸菌群舲心)揮岌醐小20011 5756.80330363800177511750.00120021 1256.70.4513.2420.05524830.00120031.6757.20.4413.3750.02019000 00120041 7007.90.2943.0500.03316330.00220051.5757.80.3742.9000.05021160.00220061 9307.30.4203.3830.05019740.0D220072.0676.90.4683,6330 08317660.002

11、20082.0&7770.3943 3250.10025200.002將表3的數(shù)據(jù)規(guī)范化后代入線性插值公式(15)，得到芒稻河二水廠斷面年平均水質(zhì)的綜合評價(jià)值，表4是將本文方法與全排列多邊形圖示法及LM-BP網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行綜合比較的結(jié)果，圖3則反映了 3種方法對該區(qū)域歷年水質(zhì)與I類水體和H類水體之間的關(guān)系，以及歷 年水質(zhì)綜合指數(shù)的總體趨勢.表4芒稻河二水廠斷面水質(zhì)評價(jià)方法結(jié)果對照表年份綜合指標(biāo)值水質(zhì)評價(jià)等級綜合指標(biāo)值水質(zhì)評價(jià)等級綜合指標(biāo)值水質(zhì)評價(jià)等級20011.0370【】類，匸類0.4294I類1 B593口類20021,3916II類0.2272II類，I類1.6665類20031.3642】

12、1類0.3669口類，I類1.7055H類20041.1260II類，【類0.5046I類1 5799II類20051 1736】1類0.2564類1 4408n類20061.3896II類0.1535II類，I類1.6842口類20071.5417ns0.0745ns/i 類1.8529n類20051.3478ii類0.0889【I類小類1,0235II類才D龍水悻分界謖y4i1興舉佯甘畀洪圖3芒稻河斷面年平均水質(zhì)分類及趨勢（為了便于比較趨勢，全排列多邊形圖示法的綜合指標(biāo)值取負(fù)號）4.3水質(zhì)評價(jià)結(jié)果分析由表4可以看出，全排列多邊形圖示法得到的水質(zhì)評價(jià)等級過于樂觀，LM-BP網(wǎng)絡(luò)法的水質(zhì)評價(jià)等

13、級過于保守，分形維數(shù)權(quán)重法介于兩者之間這是因?yàn)槿帕卸噙呅螆D示法雖然簡潔直觀，能夠反映系統(tǒng)的整合原理，評價(jià)結(jié)果也有較明確的幾何意義，但這種方法沒有考慮各影響因素之間的權(quán)重，是一種等權(quán)的評價(jià)方法丄M-BP網(wǎng)絡(luò)法雖然考慮了權(quán)重因素的影響，但由于在算法運(yùn)行過程中需要一定數(shù)目的訓(xùn)練樣本，如果訓(xùn)練樣本的數(shù)目比較少，則水質(zhì)評價(jià)結(jié)果會趨于保守分形插值方法既考慮了指標(biāo)間的非線性關(guān)系又考慮了指標(biāo)間的權(quán)重 關(guān)系，不會過分依賴于訓(xùn)練樣本數(shù)，因此，評價(jià)結(jié)果更合理、 客觀同時(shí)，從圖3可以看出，分形維數(shù)權(quán)重法得到的I類水體與H類水體分界線之間的距離要比另外兩種方法小，這是因?yàn)樗|(zhì)達(dá)到優(yōu)良的難度是呈非線性增大的，反映了達(dá)到I類水體目標(biāo)的難度在不斷增加，這與地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的分類等級中I類水體與H類水體分界值是一致的.具體參見污水寶商城資料或 更多相關(guān)技術(shù)文檔。5結(jié)論水質(zhì)評價(jià)是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)問題，本文利用分形理論較強(qiáng)的非線性數(shù)據(jù)處理能 力，構(gòu)建了基于分形維數(shù)權(quán)重的水質(zhì)評價(jià)模型，該模型針對標(biāo)準(zhǔn)樣本量少的問題，可以在每級標(biāo)準(zhǔn)之間隨機(jī)內(nèi)插構(gòu)建