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基于投影尋蹤等級評價模型的大伙房水庫水質(zhì)評價

文檔作者：陳默文檔來源：遼寧省阜新市水利勘測設(shè)計研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年08月29日
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第52卷第12期甘肅水利水電技術(shù)V01．52．No．12
2016年12月GANSU WATER RESOURCESAND HYDROPOWER TECHNOLOGY Dec．．2016
·水文水資源·
基于投影尋蹤等級評價模型的大伙房水庫水質(zhì)評價
陳默
(遼寧省阜新市水利勘測設(shè)計研究院，遼寧阜新123000)
摘要：介紹了投影尋蹤等級評價模型的各個步驟，采用該模型評價了大伙房水庫水質(zhì)，得出取樣點的豐水期水質(zhì)較桔
水期差，水庫監(jiān)測斷面水質(zhì)為Ⅲ、Ⅳ類水質(zhì)，水體富營養(yǎng)化較嚴(yán)重，主要原因是總氮嚴(yán)重超標(biāo)，并將評價結(jié)果與綜合污
染指數(shù)法評價結(jié)果比較，總體看來，兩種評價方法得出的結(jié)果基本一致，采用投影尋蹤等級評價模型進行水質(zhì)評價是
完全可行的。
關(guān)鍵詞：投影尋蹤等級評價模型；大伙房水庫；水質(zhì)評價
中圖分類號：TV697．1；X824 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-0144(2016)12—0001—03
20世紀(jì)60年代末70年代初，Kruscal首先提
出了投影尋蹤方法，1974年，F(xiàn)riedman和Tukey對
投影尋蹤方法作了深入的研究，明確提出了投影尋
蹤思想，即將樣本數(shù)據(jù)投影到低維空間上，對投影得
到的低維構(gòu)形，通過定義好的投影指標(biāo)，用計算機尋
求使投影指標(biāo)達到極大地一個(或幾個)投影方向
(或平面)上的數(shù)據(jù)投影，由計算機圖像系統(tǒng)顯示出
來，然后用肉眼直接判斷數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征【”。
1 投影尋蹤等級評價模型
投影尋蹤等級評價模型(Projection Pursuit Grade
Evalution Model，簡稱PPE)的建模過程包括如下幾
步[2-71。
步驟l：樣本評價指標(biāo)集的歸一化處理。設(shè)評價
等級表中各指標(biāo)值的樣本集為k’(i，j)li=l，2?n；j=l，
2?p)，其中菇+(i√)為第i個樣本第歹個指標(biāo)值，n,p
分別為樣本的個數(shù)(樣本容量)和指標(biāo)的數(shù)目。為消
除各指標(biāo)值的量綱和統(tǒng)一各指標(biāo)值的變化范圍，可
采用下式進行極值歸一化處理：
對于越大越優(yōu)的指標(biāo)：石(i√)=三號等二蘭堅興
菇一U，—嗡商nU， 對于越小越優(yōu)的指標(biāo)：石(i√)=魚焉婪掣菇r—U，—噶旆U，
其中，算一(『)、xmq)分別為第．『個指標(biāo)值的最大
值和最小值，菇(幼)為指標(biāo)特征值歸一化的序列。本
次水質(zhì)評價各參數(shù)最大值及最小值采用地表水環(huán)境
質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(表1)。
表1投影尋蹤法評價項目地表水限值mgm
注：引自GB 3838—2002{地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》
收稿日期：2016—11—20
作者簡介：陳默(1983一)，女(蒙古族)，遼寧阜新人，工程師，碩士，主要從事水利工程設(shè)計，E—mml：23055024@qq．corn。
萬方數(shù)據(jù)
2016年第12期甘肅水利水電技術(shù)第52卷
步驟2：構(gòu)造投影指標(biāo)函數(shù)Q(僅)。PPE方法就
是把P維數(shù)據(jù){x(i,j)lj=l，2··．p)綜合成以a={僅(1)，a
(2)，理(3)?a(p))為投影方向的一維投影值三(i)：
上
z(i)=Σa(j)x(i，_『) (扛1，2?n)
j=l
然后根據(jù){彳(i)I扛1，2?n)的一維散布圖進行分
類。其中a(j)為單位長度向量。綜合投影指標(biāo)值時，
要求投影值z(i)的散布特征應(yīng)為：局部投影點盡可能
密集，最好凝聚成若干個點團，而在整體上投影點團
之間盡可能散開。因此，投影指標(biāo)函數(shù)可以表達成：
Q(0c)=S：·D：
其中，&amp;amp;為投影值z(i)的標(biāo)準(zhǔn)差，豌為投影值z(i)的
局部密度，即
見=乞乞(R-r(i,j))·u(R-r(i√))
i=1 j=l
其中，E(z)為序列{z(i)Ii=1，2?n)的平均值，R為
局部密度的窗口半徑，它的選取既要使包含在窗
口內(nèi)的投影點的平均個數(shù)不太少，避免滑動平均
偏差太大，又不能使它隨著11,的增大而增加太
高，R可以根據(jù)試驗來確定，其取值范圍r愀+
(p／2)≤R≤2p，r(i，i)表示樣本之間的距離，r(i，
i)=k(i)呻(．『)|，M(t)為一單位階躍函數(shù)，當(dāng)t≥0
時，其值為l，當(dāng)，t<0時其函數(shù)值為0。
步驟3：優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù)。當(dāng)各指標(biāo)值的樣本
集給定時，投影指標(biāo)函數(shù)p(d)只隨著投影方向a
變化而變化。不同的投影方向反映不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
特征，最佳投影方向就是最大可能暴露高維數(shù)據(jù)某
類特征結(jié)構(gòu)的投影方向，因此可以通過求解投影指
標(biāo)函數(shù)最大化問題來估計最佳投影方向，即
最大化目標(biāo)函數(shù)：Max：p(理)=S：·D：
三
約束條件：s咄藝a2(j)=l
j=J
這是一個以{a(『)!『=1，2?p)為優(yōu)化變量的復(fù)雜
非線性優(yōu)化問題，用傳統(tǒng)的優(yōu)化方法處理較難。因
此，應(yīng)用模擬生物優(yōu)勝劣汰與群體內(nèi)部染色體信息
交換機制的基于實數(shù)編碼的加速遺傳算法(RAGA)
來解決其高維全局尋優(yōu)問題。
步驟4：等級評價。把由步驟3求得的最佳投影
方向僅+代人步驟2中的公式后可得評價等級標(biāo)準(zhǔn)
表中各經(jīng)驗等級樣本點的投影值z+(i)，根據(jù)各經(jīng)驗
等級和各經(jīng)驗等級對應(yīng)的投影值z+(i)建立投影尋
蹤等級評價模型y+砜z)，然后將待評價樣本進行歸
一化處理，計算待評價樣本的投影值z(i)，將投影值
z(i)代入投影尋蹤等級評價模型)，+吼z)，最后得出
各評價樣本的所屬等級。
2大伙房水庫水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果
大伙房水庫是一座防洪、供水、灌溉、發(fā)電、養(yǎng)
魚等多種功能的大型水利樞紐工程，是撫順、沈陽
兩市生活飲用水的重要水源地，本次依據(jù)大伙房
水庫2016年水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果進行評價。監(jiān)測結(jié)果見
表2。
3評價結(jié)果
表1中水庫水污染評價等級為5級，每個樣本
有10個評價指標(biāo)，即屬于10維數(shù)據(jù)，對表1、表2中
水質(zhì)等級標(biāo)準(zhǔn)建立PPE模型。RAGA優(yōu)化過程中選
定父代初始種群規(guī)模為n=100，交叉概率p。=0．80，
變異概率pm=0．80，優(yōu)秀個體數(shù)目選定為20個，a=
0．05，加速次數(shù)為4，得出最佳投影方向僅+=
(0．2383，0．4506，0．0406，0．086，0．0636，0．5099，0．636
9，0．2479，0．2231，1．9162×10。12)?？芍獙λ|(zhì)影響
因子排序為：總氮>汞>氨氮>總磷>溶解氧>大
腸菌群>五日生化需氧量>氟化物>高錳酸鹽指
數(shù)>石油類，其中溶解氧、總磷、大腸菌群對水質(zhì)的
影響程度差不多。將O／+代人步驟2公式中即得各個
水污染等級標(biāo)準(zhǔn)樣本的投影值彳+(i)=(0．0000，
0．2740，0．7108，1．2594，2．2738)。投影值散布見圖1，
誤差分析見表3。
平均絕對誤差為一0．004 12，平均相對誤差
為0．488 8％?？梢奝PE模型精度較高，可以用
來描述各水污染評價指標(biāo)與水污染評價等級之
間的關(guān)系。
計算表2中7個監(jiān)測斷面的枯水期、豐水期的
水質(zhì)因子的水污染綜合評價投影值，得出評價結(jié)果
見表4，同時表4中也列出了綜合污染指數(shù)評價法
計算出的評價等級罔。
萬方數(shù)據(jù)
第12期陳默：基于投影尋蹤等級評價模型的大伙房水庫水質(zhì)評價第52卷
表2大伙房水庫2016年水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果
斷面溶解氧氨氮高錳酸鹽指數(shù)生化需氧量氟化物汞總氮總磷大腸菌群石油類
北枯8．77 O．365 2．670 0．40 0．000 030 0 2．84 0．010 16 000 0．043
北豐7．93 0．210 3．030 O．930 O．47 0．000 033 0 2．76 0．055 16 000 0．012
古枯8．57 0．130 2．170 0．870 0．33 0．000 030 0 2．21 0．010 1 236 0．054
古豐7．60 O．145 2．900 1．230 0．47 0．000 030 0 2．44 0．040 1 1 833 0,017
臺枯9．27 O．170 1．830 O．470 O．27 O．000 050 0 2．48 O．030 6 523 O．022
臺豐8．37 0．100 2．400 1．200 0．40 O．000 027 0 1．74 0．050 4 397 O．005
73枯9．60 0．220 3．275 1．475 O．40 O．000 020 0 2．25 0．040 87 0．022
73豐8．17 O．120 3．870 1．870 0．40 0．000 023 0 2．74 0．070 1 437 O．014
7枯8．69 0．170 3．270 O．760 O．17 0．000 017 5 2．36 0 47．5 0．031
7豐
撫枯
6．30 0．094 3．150 1．030 0．27
8．63 0．160 3．030 0．530 0．17
撫豐5．10 0．070 2．770 0．770 O．23
2．28 0 24 0．010
2．82 0．010 87 0．014
3．15 0．015 5 480 0．010
37枯8．41 0．190 3．430 1．280 0．20 0．000 018 0 2．12 0 36 0．025
37豐6．60 O．140 3．210 1．100 O．27 2．35 0 68 0．01 1
注：北表示北雜木斷面，古表示古樓斷面，臺溝表示臺溝斷面，73表示渾73斷面，7表示渾7斷面，73表示渾73斷面，撫表示撫順取水口
斷面，枯表示枯水期，豐變瘦豐水期
^
趔
鼎
神
投影值：‘(i)
圖1各等級水污染投影值與等級關(guān)系圖
由表4可知，取樣點的豐水期水質(zhì)較枯水期差，
因考慮了總氮、總磷這兩個因素，評價得出的水質(zhì)級
別較高，說明水體富營養(yǎng)化較嚴(yán)重，通過投影尋蹤評
價模型可知，對水質(zhì)影響因子排序為：總氮>汞>氨
氮>總磷>溶解氧>大腸菌群>五日生化需氧量>
表3 PPE模型誤差分析
氟化物>高錳酸鹽指數(shù)>石油類，實測數(shù)據(jù)也表明
了大伙房水庫總氮嚴(yán)重超標(biāo)，采用綜合污染指數(shù)評
價法得出的水質(zhì)級別比采用投影尋蹤評價模型得出
水質(zhì)級別高，這主要是因為綜合污染指數(shù)法分類級別
有6級，投影尋蹤評價模型分類級別有5級，總體看
來，兩種評價方法得出的結(jié)果基本一致，采用投影尋
蹤法進行水質(zhì)評價是完全可行的。(下轉(zhuǎn)第13頁)
· 3 ·
萬方數(shù)據(jù)
第12期徐青霞：淺談民勤縣水資源精細(xì)化管理模式第52卷
行24小時服務(wù)，確保智能化計量控制設(shè)備的規(guī)范操
作和安全運行。
4．2科學(xué)調(diào)度水量
水務(wù)局及時與上游涼州區(qū)和景電管理局進行銜
接溝通，對全年度上游來水進行綜合測算分析，積極
爭取上游最大限度增大作物生育期的調(diào)水流量，全
力推進以地表水灌溉為主、地下水灌溉為輔的灌溉
模式，對每月的地表水進行分析預(yù)判，為地下水提供
調(diào)度依據(jù)。在灌區(qū)農(nóng)作物灌溉期，縣水務(wù)局和氣象
部門密切關(guān)注區(qū)域降水，及時召開會議通知各鄉(xiāng)鎮(zhèn)
采取水量調(diào)控措施，并由網(wǎng)格長及時告知用水戶，實
行天上水、地表水和地下水聯(lián)合調(diào)度。當(dāng)一次降雨
量達到5 n'un以上時，要求及時拉長輪次灌水間隔
時間，在降雨后3～5 d內(nèi)采取停電停井措施，限制
提取地下水灌溉農(nóng)田；當(dāng)一次降雨量達到10 mm以
上時，減少一個輪次的灌水量。同時指導(dǎo)農(nóng)戶推行
“一畝一輪次節(jié)約1～3 kW·h電”計劃，使每眼機井
每輪次節(jié)電節(jié)水量落實到作物灌溉期全過程。
4．3實時監(jiān)控監(jiān)督
水電管理單位包村包社職工逐月逐井進行用
水量和用電量的登記，實時監(jiān)控每眼機井逐輪次
的用水情況，并對輪次水量臺賬張榜公示，及時將
逐輪次剩余水量電量告知用水戶，及時填寫水量
電量臺帳，由灌區(qū)水管單位負(fù)責(zé)于每月25日前將
年度水資源分配方案落實水量電量統(tǒng)計匯總上
報。同時，督促用水戶到轄區(qū)水管單位統(tǒng)一購買水
票，憑水票到電管單位申請供電提水，水電管理單
位按月進行對帳結(jié)算，核對水票上水量電量使用
情況，嚴(yán)格實行水票運行制度，通過水票運行和水
電共管措施的實施，進一步促進水權(quán)制度的有效
落實。
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(上接第3頁)
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