北票市農(nóng)村飲水工程管道水質(zhì)安全評(píng)價(jià)

艾宏偉

(北票市水務(wù)綜合行政執(zhí)法隊(duì),遼寧 北票 122100)

隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,村民對(duì)生活用水質(zhì)量的要求越來(lái)越高[1]。飲用水質(zhì)安全直接關(guān)系著村民身心健康,這也是村民生存發(fā)展的基本要求。在向用戶(hù)輸配生活用水過(guò)程中農(nóng)村飲水工程輸配水網(wǎng)發(fā)揮著重要作用,由于生物、化學(xué)和物理作用使得輸配水質(zhì)存在一定波動(dòng)。所以,用戶(hù)水質(zhì)優(yōu)化的核心就是實(shí)現(xiàn)輸配水管道水質(zhì)安全的科學(xué)評(píng)價(jià)[2-3]。對(duì)于復(fù)雜輸配水管網(wǎng)系統(tǒng)中的所有節(jié)點(diǎn)和管道實(shí)施人工檢測(cè),難以準(zhǔn)確反映水質(zhì)變化情況且實(shí)現(xiàn)難度較大。因此,文章充分考慮農(nóng)飲水工程特點(diǎn)提出復(fù)合粒子群法,對(duì)及時(shí)掌握管道水質(zhì)變化情況以及保證供水水質(zhì)安全極具現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究方法

1.1 水質(zhì)數(shù)據(jù)分類(lèi)方法

1)粒子群算法設(shè)計(jì)。粒子群算法與同類(lèi)進(jìn)化法具有一定相似性,主要通過(guò)“進(jìn)化”和“群體”過(guò)程實(shí)現(xiàn)鳥(niǎo)類(lèi)群體行為的模擬。該算法以微粒個(gè)體的適應(yīng)度作為計(jì)算核心,待優(yōu)化問(wèn)題的解利用離子方位來(lái)確定。一般地,在粒子群算法中每個(gè)粒子的適應(yīng)度與其性能的狀況密切相關(guān)。通過(guò)設(shè)置粒子速度,可以確定每個(gè)粒子的飛行速率和方位,從而逐步接近最優(yōu)解。例如,在處理水質(zhì)數(shù)據(jù)時(shí),可以將每個(gè)水質(zhì)粒子的方位表示為Yj(h)=[yj1(h),yj2(h),…,yjn(h)],并將粒子的飛行速度表示為Uj(h)=[uj1(h),uj2(h),…,ujn(h)]。在開(kāi)始計(jì)算之前,需要初始化處理水質(zhì)粒子的速度和方位,并通過(guò)跟蹤極值的方式來(lái)刷新其速度與方位,通過(guò)多次迭代運(yùn)算逐步確定最優(yōu)解。

具體來(lái)說(shuō),個(gè)體極值Qj(h)=[qj1(h),qj2(h),…,qjn(h)]可以選用粒子自身檢索的最優(yōu)解,全局極值Qf(h)=[qf1(h),qf2(h),…,qfe(h)]可以使用截至當(dāng)前達(dá)到的粒子群最優(yōu)解,其中qjn(h)和qfe(h)為表示當(dāng)前和所有粒子水質(zhì)數(shù)據(jù)。在e維計(jì)算時(shí),可以按照公式(1)～(2)不斷更新每個(gè)粒子j的速度和方位,以使其靠近個(gè)體極值和全局極值,即:

uij(h+1)=ω·uij(h)+d1rand2i(h)[qjn(h)-yjn(h)]+d2rand2i(h)[qjn(h)-yin(h)]

(1)

(2)

式中:i、j為數(shù)量;ω、d為慣性權(quán)重系數(shù)和加速系數(shù);rand、sig為隨機(jī)數(shù)和Sigmoid函數(shù)。通過(guò)公式(1)、(2)可以反映粒子之前的慣性與速度及其“認(rèn)知”行為,這體現(xiàn)了粒子之間的相互協(xié)作和信息共享關(guān)系。

2)數(shù)據(jù)編碼。該過(guò)程就是將離散化的混合數(shù)據(jù),通過(guò)粒子首層、第二層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類(lèi)處理,即通過(guò)兩層相融來(lái)完成編碼分類(lèi),任一可行解與與水質(zhì)粒子的一種編碼相對(duì)應(yīng)。數(shù)據(jù)屬性連續(xù)分割點(diǎn)的編碼為首層,以二進(jìn)制編碼設(shè)置所有非間斷屬性分割點(diǎn),分割點(diǎn)數(shù)目總值即為碼長(zhǎng)度總值,某一水質(zhì)粒子是1或0時(shí)則代表使用和不使用該分割點(diǎn),即水質(zhì)粒子后續(xù)層間編碼工作可繼續(xù)或終止,例如,對(duì)于b1、b2選擇分割點(diǎn)的問(wèn)題,使用1010010來(lái)表示首層編碼,在第二層中可以將粒子結(jié)構(gòu)分為分類(lèi)、離散和連續(xù)編碼,實(shí)現(xiàn)混合水質(zhì)數(shù)據(jù)編碼。

3)分類(lèi)流程。步驟1:在水質(zhì)數(shù)據(jù)分類(lèi)過(guò)程中,需要定義適應(yīng)度函數(shù)來(lái)評(píng)估每個(gè)水質(zhì)粒子的分類(lèi)效果,同時(shí)還需要設(shè)定合適的懲罰系數(shù)和迭代次數(shù),在初始化階段將復(fù)合粒子群Y(h)的速度和方位設(shè)定為初始值。步驟2:根據(jù)設(shè)定的適應(yīng)度函數(shù),對(duì)每個(gè)水質(zhì)粒子在Y(h)中的分類(lèi)效果進(jìn)行評(píng)估,如果某個(gè)水質(zhì)粒子的分類(lèi)結(jié)果都為0(即無(wú)有效分類(lèi)),則將其適應(yīng)度值設(shè)置為很小的值。步驟3:將每個(gè)水質(zhì)粒子的當(dāng)前最佳分類(lèi)方案(qbest)與其對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度值進(jìn)行比較,如果某個(gè)水質(zhì)粒子的適應(yīng)度較高,則其分類(lèi)效果較好,將其設(shè)定為當(dāng)前階段的最優(yōu)方案。步驟4:將全局最優(yōu)方位Qf(h)作為參考,對(duì)比分析各個(gè)水質(zhì)微粒的適應(yīng)度值,如果某個(gè)水質(zhì)微粒的適應(yīng)度值較高,重新設(shè)定其索引號(hào)。步驟5:確定各個(gè)粒子的方位和速度,根據(jù)水質(zhì)微粒的非間斷離散化屬性和分類(lèi)結(jié)果,確定每個(gè)粒子的方位和速度。這些屬性和結(jié)果將直接影響粒子的適應(yīng)度大小。步驟6:判定是否達(dá)到最大迭代次數(shù),如果已經(jīng)達(dá)到了預(yù)設(shè)的最大迭代次數(shù)則直接進(jìn)入步驟8,結(jié)束分類(lèi)過(guò)程,否則返回步驟3繼續(xù)迭代。步驟7:根據(jù)設(shè)定的終止條件,判斷是否繼續(xù)進(jìn)行迭代,如果未達(dá)到終止條件返回步驟2,繼續(xù)計(jì)算適應(yīng)度和更新粒子的方位與速度。步驟8:根據(jù)最優(yōu)粒子的分類(lèi)方案,對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)處理,準(zhǔn)確地反映水質(zhì)數(shù)據(jù)的個(gè)別與整體屬性,從而減少后續(xù)的運(yùn)算量。

1.2 評(píng)價(jià)分析

考慮指標(biāo)權(quán)重將分類(lèi)后的水質(zhì)數(shù)據(jù)作為分析單元計(jì)算各指標(biāo)的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù),每個(gè)指標(biāo)權(quán)重利用超標(biāo)法確定,然后通過(guò)加權(quán)求和獲取能夠全面反映輸配水管道水質(zhì)的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù),科學(xué)評(píng)定管道水質(zhì)級(jí)別[4]。

1)計(jì)算單因子標(biāo)識(shí)指數(shù)。根據(jù)水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)利用公式(4)計(jì)算氨氮、生化需氧量BOD和化學(xué)需氧量COD的單因子標(biāo)識(shí)指數(shù),對(duì)于遞減類(lèi)指標(biāo)溶解氧DO可以利用公式(5)計(jì)算其單因子標(biāo)識(shí)指數(shù)[5-6],即:

(3)

(4)

式中:Hj、Dj為指標(biāo)j的水質(zhì)類(lèi)別和實(shí)測(cè)濃度值;Rjh上、Rjh下為在第Hj類(lèi)水區(qū)間內(nèi)指標(biāo)j的上、下限值。若氨氮、BOD和COD存在6個(gè)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn),所其對(duì)應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)為:

(5)

2)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算。針對(duì)各指標(biāo)權(quán)重利用超標(biāo)賦權(quán)法確定,該方法既可以保證權(quán)重的合理性,還能夠重點(diǎn)突出超標(biāo)因子的作用。采用超標(biāo)倍數(shù)法確定各指標(biāo)權(quán)重,如遇氨氮、BOD和COD的超標(biāo)倍數(shù)可利用下式計(jì)算[7-9]:

(6)

式中:Rj5為水質(zhì)的五級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。溶解氧DO達(dá)到一級(jí)時(shí)取0,否則利用下式確定:

(7)

式中:R5DO、R1DO為溶解氧DO的五級(jí)和一級(jí)標(biāo)準(zhǔn),其中R1DO的計(jì)算公式為:

(8)

式中:W為水溫。通過(guò)歸一化處理各超標(biāo)倍數(shù)值可以確定氨氮、BOD和COD指標(biāo)權(quán)重,即:

(9)

3)綜合表示指數(shù)計(jì)算。采用加權(quán)求合法處理單因子標(biāo)識(shí)指數(shù)即可確定綜合標(biāo)識(shí)指數(shù),其表達(dá)式為:

(10)

根據(jù)計(jì)算的綜合標(biāo)識(shí)指數(shù)可以評(píng)定輸配水管道水質(zhì)安全級(jí)別,其中一、二、三、四、五、六級(jí)水質(zhì)所對(duì)應(yīng)的綜合標(biāo)識(shí)指數(shù)Q取值區(qū)間為1.1～2.0、2.1～3.0、3.1～4.0、4.1～5.0、5.1～6.0和>6.0。

2 實(shí)例應(yīng)用

采用復(fù)合粒子群方法定量評(píng)價(jià)北票市2020年農(nóng)村飲水安全鞏固提升工程管道水質(zhì)安全等級(jí)[10-12],如表2所示。

表2 輸配水管道水質(zhì)安全等級(jí)

為了評(píng)價(jià)復(fù)合粒子群方法的可靠度,對(duì)比分析輸配水管道水質(zhì)檢測(cè)實(shí)際值與該方法評(píng)價(jià)結(jié)果,如表3所示。

表3 復(fù)合粒子群方法與實(shí)際值是否相符

從表3可以看出,輸配水管道水質(zhì)實(shí)際情況與復(fù)合粒子群方法基本一致,該方法具有較高可靠度,對(duì)定量評(píng)價(jià)農(nóng)村飲水安全鞏固提升工程管道水質(zhì)具有較強(qiáng)適用性。

采用層次分析法和模糊數(shù)學(xué)法定量評(píng)價(jià)北票市2020年農(nóng)村飲水安全鞏固提升工程管道水質(zhì)安全,計(jì)算不同方法評(píng)價(jià)時(shí)延和結(jié)果均方誤差如表4所示。

表4 基于不同方法的性能測(cè)試結(jié)果

由4可知,復(fù)合粒子群法相比于層次分析法和模糊數(shù)學(xué)法的均方誤差總體較小,其最大值只有0.056;從延時(shí)的角度上,復(fù)合粒子群法相比于層次分析法和模糊數(shù)學(xué)法具有更快的運(yùn)算效率。

對(duì)北票市2020年農(nóng)村飲水安全鞏固提升工程管道水質(zhì)安全應(yīng)用復(fù)合粒子群法、層次分析法和模糊數(shù)學(xué)法進(jìn)行定量評(píng)價(jià)時(shí),對(duì)溶解氧DO、氨氮、生化需氧量BOD和化學(xué)需氧量COD的查全率及查準(zhǔn)率如圖1所示。

圖1 查全率與查準(zhǔn)率

從圖1可以看出,采用復(fù)合粒子群法定量評(píng)價(jià)輸配水管道水質(zhì)時(shí),對(duì)溶解氧DO、氨氮、生化需氧量BOD、化學(xué)需氧量COD的查全率和查準(zhǔn)率分別為0.97及0.98,該方法整體高于層次分析法和模糊數(shù)學(xué)法的查全率及查準(zhǔn)率。

3 結(jié) 論

1)為定量評(píng)價(jià)輸配水管道水質(zhì)級(jí)別研究提出一種復(fù)合粒子群方法,該方法相比于層次分析法和模糊數(shù)學(xué)法的均方誤差總體較小,其最大值只有0.056,從延時(shí)的角度上該方法具有更快的運(yùn)算效率。

2)采用復(fù)合粒子群方法定量評(píng)價(jià)管道水質(zhì)安全級(jí)別時(shí),對(duì)溶解氧DO、氨氮、生化需氧量BOD、化學(xué)需氧量COD的查全率和查準(zhǔn)率分別為0.97及0.98,該方法整體高于層次分析法和模糊數(shù)學(xué)法的查全率及查準(zhǔn)率。