北票市農村飲水工程管道水質安全評價

艾宏偉

(北票市水務綜合行政執法隊,遼寧 北票 122100)

隨著農村經濟的不斷發展,村民對生活用水質量的要求越來越高[1]。飲用水質安全直接關系著村民身心健康,這也是村民生存發展的基本要求。在向用戶輸配生活用水過程中農村飲水工程輸配水網發揮著重要作用,由于生物、化學和物理作用使得輸配水質存在一定波動。所以,用戶水質優化的核心就是實現輸配水管道水質安全的科學評價[2-3]。對于復雜輸配水管網系統中的所有節點和管道實施人工檢測,難以準確反映水質變化情況且實現難度較大。因此,文章充分考慮農飲水工程特點提出復合粒子群法,對及時掌握管道水質變化情況以及保證供水水質安全極具現實意義。

1 研究方法

1.1 水質數據分類方法

1)粒子群算法設計。粒子群算法與同類進化法具有一定相似性,主要通過“進化”和“群體”過程實現鳥類群體行為的模擬。該算法以微粒個體的適應度作為計算核心,待優化問題的解利用離子方位來確定。一般地,在粒子群算法中每個粒子的適應度與其性能的狀況密切相關。通過設置粒子速度,可以確定每個粒子的飛行速率和方位,從而逐步接近最優解。例如,在處理水質數據時,可以將每個水質粒子的方位表示為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)]。在開始計算之前,需要初始化處理水質粒子的速度和方位,并通過跟蹤極值的方式來刷新其速度與方位,通過多次迭代運算逐步確定最優解。

具體來說,個體極值Qj(h)=[qj1(h),qj2(h),…,qjn(h)]可以選用粒子自身檢索的最優解,全局極值Qf(h)=[qf1(h),qf2(h),…,qfe(h)]可以使用截至當前達到的粒子群最優解,其中qjn(h)和qfe(h)為表示當前和所有粒子水質數據。在e維計算時,可以按照公式(1)～(2)不斷更新每個粒子j的速度和方位,以使其靠近個體極值和全局極值,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為數量;ω、d為慣性權重系數和加速系數;rand、sig為隨機數和Sigmoid函數。通過公式(1)、(2)可以反映粒子之前的慣性與速度及其“認知”行為,這體現了粒子之間的相互協作和信息共享關系。

2)數據編碼。該過程就是將離散化的混合數據,通過粒子首層、第二層結構進行分類處理,即通過兩層相融來完成編碼分類,任一可行解與與水質粒子的一種編碼相對應。數據屬性連續分割點的編碼為首層,以二進制編碼設置所有非間斷屬性分割點,分割點數目總值即為碼長度總值,某一水質粒子是1或0時則代表使用和不使用該分割點,即水質粒子后續層間編碼工作可繼續或終止,例如,對于b1、b2選擇分割點的問題,使用1010010來表示首層編碼,在第二層中可以將粒子結構分為分類、離散和連續編碼,實現混合水質數據編碼。

3)分類流程。步驟1:在水質數據分類過程中,需要定義適應度函數來評估每個水質粒子的分類效果,同時還需要設定合適的懲罰系數和迭代次數,在初始化階段將復合粒子群Y(h)的速度和方位設定為初始值。步驟2:根據設定的適應度函數,對每個水質粒子在Y(h)中的分類效果進行評估,如果某個水質粒子的分類結果都為0(即無有效分類),則將其適應度值設置為很小的值。步驟3:將每個水質粒子的當前最佳分類方案(qbest)與其對應的適應度值進行比較,如果某個水質粒子的適應度較高,則其分類效果較好,將其設定為當前階段的最優方案。步驟4:將全局最優方位Qf(h)作為參考,對比分析各個水質微粒的適應度值,如果某個水質微粒的適應度值較高,重新設定其索引號。步驟5:確定各個粒子的方位和速度,根據水質微粒的非間斷離散化屬性和分類結果,確定每個粒子的方位和速度。這些屬性和結果將直接影響粒子的適應度大小。步驟6:判定是否達到最大迭代次數,如果已經達到了預設的最大迭代次數則直接進入步驟8,結束分類過程,否則返回步驟3繼續迭代。步驟7:根據設定的終止條件,判斷是否繼續進行迭代,如果未達到終止條件返回步驟2,繼續計算適應度和更新粒子的方位與速度。步驟8:根據最優粒子的分類方案,對水質數據進行分類處理,準確地反映水質數據的個別與整體屬性,從而減少后續的運算量。

1.2 評價分析

考慮指標權重將分類后的水質數據作為分析單元計算各指標的單因子水質標識指數,每個指標權重利用超標法確定,然后通過加權求和獲取能夠全面反映輸配水管道水質的綜合水質標識指數,科學評定管道水質級別[4]。

1)計算單因子標識指數。根據水環境質量標準利用公式(4)計算氨氮、生化需氧量BOD和化學需氧量COD的單因子標識指數,對于遞減類指標溶解氧DO可以利用公式(5)計算其單因子標識指數[5-6],即:

(3)

(4)

式中:Hj、Dj為指標j的水質類別和實測濃度值;Rjh上、Rjh下為在第Hj類水區間內指標j的上、下限值。若氨氮、BOD和COD存在6個分類標準,所其對應的水質標識指數為:

(5)

2)指標權重計算。針對各指標權重利用超標賦權法確定,該方法既可以保證權重的合理性,還能夠重點突出超標因子的作用。采用超標倍數法確定各指標權重,如遇氨氮、BOD和COD的超標倍數可利用下式計算[7-9]:

(6)

式中:Rj5為水質的五級標準。溶解氧DO達到一級時取0,否則利用下式確定:

(7)

式中:R5DO、R1DO為溶解氧DO的五級和一級標準,其中R1DO的計算公式為:

(8)

式中:W為水溫。通過歸一化處理各超標倍數值可以確定氨氮、BOD和COD指標權重,即:

(9)

3)綜合表示指數計算。采用加權求合法處理單因子標識指數即可確定綜合標識指數,其表達式為:

(10)

根據計算的綜合標識指數可以評定輸配水管道水質安全級別,其中一、二、三、四、五、六級水質所對應的綜合標識指數Q取值區間為1.1～2.0、2.1～3.0、3.1～4.0、4.1～5.0、5.1～6.0和>6.0。

2 實例應用

采用復合粒子群方法定量評價北票市2020年農村飲水安全鞏固提升工程管道水質安全等級[10-12],如表2所示。

表2 輸配水管道水質安全等級

為了評價復合粒子群方法的可靠度,對比分析輸配水管道水質檢測實際值與該方法評價結果,如表3所示。

表3 復合粒子群方法與實際值是否相符

從表3可以看出,輸配水管道水質實際情況與復合粒子群方法基本一致,該方法具有較高可靠度,對定量評價農村飲水安全鞏固提升工程管道水質具有較強適用性。

采用層次分析法和模糊數學法定量評價北票市2020年農村飲水安全鞏固提升工程管道水質安全,計算不同方法評價時延和結果均方誤差如表4所示。

表4 基于不同方法的性能測試結果

由4可知,復合粒子群法相比于層次分析法和模糊數學法的均方誤差總體較小,其最大值只有0.056;從延時的角度上,復合粒子群法相比于層次分析法和模糊數學法具有更快的運算效率。

對北票市2020年農村飲水安全鞏固提升工程管道水質安全應用復合粒子群法、層次分析法和模糊數學法進行定量評價時,對溶解氧DO、氨氮、生化需氧量BOD和化學需氧量COD的查全率及查準率如圖1所示。

圖1 查全率與查準率

從圖1可以看出,采用復合粒子群法定量評價輸配水管道水質時,對溶解氧DO、氨氮、生化需氧量BOD、化學需氧量COD的查全率和查準率分別為0.97及0.98,該方法整體高于層次分析法和模糊數學法的查全率及查準率。

3 結 論

1)為定量評價輸配水管道水質級別研究提出一種復合粒子群方法,該方法相比于層次分析法和模糊數學法的均方誤差總體較小,其最大值只有0.056,從延時的角度上該方法具有更快的運算效率。

2)采用復合粒子群方法定量評價管道水質安全級別時,對溶解氧DO、氨氮、生化需氧量BOD、化學需氧量COD的查全率和查準率分別為0.97及0.98,該方法整體高于層次分析法和模糊數學法的查全率及查準率。