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基于投影寻踪等级评价模型的大伙房水库水质评价

文档作者：陈默文档来源：辽宁省阜新市水利勘测设计研究院		点击数：	更新时间： 2025年08月29日
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第52卷第12期甘肃水利水电技术V01．52．No．12
2016年12月GANSU WATER RESOURCESAND HYDROPOWER TECHNOLOGY Dec．．2016
·水文水资源·
基于投影寻踪等级评价模型的大伙房水库水质评价
陈默
(辽宁省阜新市水利勘测设计研究院，辽宁阜新123000)
摘要：介绍了投影寻踪等级评价模型的各个步骤，采用该模型评价了大伙房水库水质，得出取样点的丰水期水质较桔
水期差，水库监测断面水质为Ⅲ、Ⅳ类水质，水体富营养化较严重，主要原因是总氮严重超标，并将评价结果与综合污
染指数法评价结果比较，总体看来，两种评价方法得出的结果基本一致，采用投影寻踪等级评价模型进行水质评价是
完全可行的。
关键词：投影寻踪等级评价模型；大伙房水库；水质评价
中图分类号：TV697．1；X824 文献标志码：A 文章编号：2095-0144(2016)12—0001—03
20世纪60年代末70年代初，Kruscal首先提
出了投影寻踪方法，1974年，Friedman和Tukey对
投影寻踪方法作了深入的研究，明确提出了投影寻
踪思想，即将样本数据投影到低维空间上，对投影得
到的低维构形，通过定义好的投影指标，用计算机寻
求使投影指标达到极大地一个(或几个)投影方向
(或平面)上的数据投影，由计算机图像系统显示出
来，然后用肉眼直接判断数据结构特征【”。
1 投影寻踪等级评价模型
投影寻踪等级评价模型(Projection Pursuit Grade
Evalution Model，简称PPE)的建模过程包括如下几
步[2-71。
步骤l：样本评价指标集的归一化处理。设评价
等级表中各指标值的样本集为k’(i，j)li=l，2⋯n；j=l，
2⋯p)，其中菇+(i√)为第i个样本第歹个指标值，n,p
分别为样本的个数(样本容量)和指标的数目。为消
除各指标值的量纲和统一各指标值的变化范围，可
采用下式进行极值归一化处理：
对于越大越优的指标：石(i√)=三号等二兰坚兴
菇一U，—嗡商nU， 对于越小越优的指标：石(i√)=鱼焉婪掣菇r—U，—噶旆U，
其中，算一(『)、xmq)分别为第．『个指标值的最大
值和最小值，菇(幼)为指标特征值归一化的序列。本
次水质评价各参数最大值及最小值采用地表水环境
质量标准(表1)。
表1投影寻踪法评价项目地表水限值mgm
注：引自GB 3838—2002{地表水环境质量标准》
收稿日期：2016—11—20
作者简介：陈默(1983一)，女(蒙古族)，辽宁阜新人，工程师，硕士，主要从事水利工程设计，E—mml：23055024@qq．corn。
万方数据
2016年第12期甘肃水利水电技术第52卷
步骤2：构造投影指标函数Q(仅)。PPE方法就
是把P维数据{x(i,j)lj=l，2··．p)综合成以a={仅(1)，a
(2)，理(3)⋯a(p))为投影方向的一维投影值三(i)：
上
z(i)=Σa(j)x(i，_『) (扛1，2⋯n)
j=l
然后根据{彳(i)I扛1，2⋯n)的一维散布图进行分
类。其中a(j)为单位长度向量。综合投影指标值时，
要求投影值z(i)的散布特征应为：局部投影点尽可能
密集，最好凝聚成若干个点团，而在整体上投影点团
之间尽可能散开。因此，投影指标函数可以表达成：
Q(0c)=S：·D：
其中，&amp;amp;为投影值z(i)的标准差，豌为投影值z(i)的
局部密度，即
见=乞乞(R-r(i,j))·u(R-r(i√))
i=1 j=l
其中，E(z)为序列{z(i)Ii=1，2⋯n)的平均值，R为
局部密度的窗口半径，它的选取既要使包含在窗
口内的投影点的平均个数不太少，避免滑动平均
偏差太大，又不能使它随着11,的增大而增加太
高，R可以根据试验来确定，其取值范围r愀+
(p／2)≤R≤2p，r(i，i)表示样本之间的距离，r(i，
i)=k(i)呻(．『)|，M(t)为一单位阶跃函数，当t≥0
时，其值为l，当，t<0时其函数值为0。
步骤3：优化投影指标函数。当各指标值的样本
集给定时，投影指标函数p(d)只随着投影方向a
变化而变化。不同的投影方向反映不同的数据结构
特征，最佳投影方向就是最大可能暴露高维数据某
类特征结构的投影方向，因此可以通过求解投影指
标函数最大化问题来估计最佳投影方向，即
最大化目标函数：Max：p(理)=S：·D：
三
约束条件：s咄艺a2(j)=l
j=J
这是一个以{a(『)!『=1，2⋯p)为优化变量的复杂
非线性优化问题，用传统的优化方法处理较难。因
此，应用模拟生物优胜劣汰与群体内部染色体信息
交换机制的基于实数编码的加速遗传算法(RAGA)
来解决其高维全局寻优问题。
步骤4：等级评价。把由步骤3求得的最佳投影
方向仅+代人步骤2中的公式后可得评价等级标准
表中各经验等级样本点的投影值z+(i)，根据各经验
等级和各经验等级对应的投影值z+(i)建立投影寻
踪等级评价模型y+砜z)，然后将待评价样本进行归
一化处理，计算待评价样本的投影值z(i)，将投影值
z(i)代入投影寻踪等级评价模型)，+吼z)，最后得出
各评价样本的所属等级。
2大伙房水库水质监测结果
大伙房水库是一座防洪、供水、灌溉、发电、养
鱼等多种功能的大型水利枢纽工程，是抚顺、沈阳
两市生活饮用水的重要水源地，本次依据大伙房
水库2016年水质监测结果进行评价。监测结果见
表2。
3评价结果
表1中水库水污染评价等级为5级，每个样本
有10个评价指标，即属于10维数据，对表1、表2中
水质等级标准建立PPE模型。RAGA优化过程中选
定父代初始种群规模为n=100，交叉概率p。=0．80，
变异概率pm=0．80，优秀个体数目选定为20个，a=
0．05，加速次数为4，得出最佳投影方向仅+=
(0．2383，0．4506，0．0406，0．086，0．0636，0．5099，0．636
9，0．2479，0．2231，1．9162×10。12)。可知对水质影响
因子排序为：总氮>汞>氨氮>总磷>溶解氧>大
肠菌群>五日生化需氧量>氟化物>高锰酸盐指
数>石油类，其中溶解氧、总磷、大肠菌群对水质的
影响程度差不多。将O／+代人步骤2公式中即得各个
水污染等级标准样本的投影值彳+(i)=(0．0000，
0．2740，0．7108，1．2594，2．2738)。投影值散布见图1，
误差分析见表3。
平均绝对误差为一0．004 12，平均相对误差
为0．488 8％。可见PPE模型精度较高，可以用
来描述各水污染评价指标与水污染评价等级之
间的关系。
计算表2中7个监测断面的枯水期、丰水期的
水质因子的水污染综合评价投影值，得出评价结果
见表4，同时表4中也列出了综合污染指数评价法
计算出的评价等级罔。
万方数据
第12期陈默：基于投影寻踪等级评价模型的大伙房水库水质评价第52卷
表2大伙房水库2016年水质监测结果
断面溶解氧氨氮高锰酸盐指数生化需氧量氟化物汞总氮总磷大肠菌群石油类
北枯8．77 O．365 2．670 0．40 0．000 030 0 2．84 0．010 16 000 0．043
北丰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
古丰7．60 O．145 2．900 1．230 0．47 0．000 030 0 2．44 0．040 1 1 833 0,017
台枯9．27 O．170 1．830 O．470 O．27 O．000 050 0 2．48 O．030 6 523 O．022
台丰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丰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丰
抚枯
6．30 0．094 3．150 1．030 0．27
8．63 0．160 3．030 0．530 0．17
抚丰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丰6．60 O．140 3．210 1．100 O．27 2．35 0 68 0．01 1
注：北表示北杂木断面，古表示古楼断面，台沟表示台沟断面，73表示浑73断面，7表示浑7断面，73表示浑73断面，抚表示抚顺取水口
断面，枯表示枯水期，丰变瘦丰水期
^
趔
鼎
神
投影值：‘(i)
图1各等级水污染投影值与等级关系图
由表4可知，取样点的丰水期水质较枯水期差，
因考虑了总氮、总磷这两个因素，评价得出的水质级
别较高，说明水体富营养化较严重，通过投影寻踪评
价模型可知，对水质影响因子排序为：总氮>汞>氨
氮>总磷>溶解氧>大肠菌群>五日生化需氧量>
表3 PPE模型误差分析
氟化物>高锰酸盐指数>石油类，实测数据也表明
了大伙房水库总氮严重超标，采用综合污染指数评
价法得出的水质级别比采用投影寻踪评价模型得出
水质级别高，这主要是因为综合污染指数法分类级别
有6级，投影寻踪评价模型分类级别有5级，总体看
来，两种评价方法得出的结果基本一致，采用投影寻
踪法进行水质评价是完全可行的。(下转第13页)
· 3 ·
万方数据
第12期徐青霞：浅谈民勤县水资源精细化管理模式第52卷
行24小时服务，确保智能化计量控制设备的规范操
作和安全运行。
4．2科学调度水量
水务局及时与上游凉州区和景电管理局进行衔
接沟通，对全年度上游来水进行综合测算分析，积极
争取上游最大限度增大作物生育期的调水流量，全
力推进以地表水灌溉为主、地下水灌溉为辅的灌溉
模式，对每月的地表水进行分析预判，为地下水提供
调度依据。在灌区农作物灌溉期，县水务局和气象
部门密切关注区域降水，及时召开会议通知各乡镇
采取水量调控措施，并由网格长及时告知用水户，实
行天上水、地表水和地下水联合调度。当一次降雨
量达到5 n'un以上时，要求及时拉长轮次灌水间隔
时间，在降雨后3～5 d内采取停电停井措施，限制
提取地下水灌溉农田；当一次降雨量达到10 mm以
上时，减少一个轮次的灌水量。同时指导农户推行
“一亩一轮次节约1～3 kW·h电”计划，使每眼机井
每轮次节电节水量落实到作物灌溉期全过程。
4．3实时监控监督
水电管理单位包村包社职工逐月逐井进行用
水量和用电量的登记，实时监控每眼机井逐轮次
的用水情况，并对轮次水量台账张榜公示，及时将
逐轮次剩余水量电量告知用水户，及时填写水量
电量台帐，由灌区水管单位负责于每月25日前将
年度水资源分配方案落实水量电量统计汇总上
报。同时，督促用水户到辖区水管单位统一购买水
票，凭水票到电管单位申请供电提水，水电管理单
位按月进行对帐结算，核对水票上水量电量使用
情况，严格实行水票运行制度，通过水票运行和水
电共管措施的实施，进一步促进水权制度的有效
落实。
参考文献：
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《穸、驴{多、瘳、《九越争《伊、《多、西、趔净《步、移、《斗捌伊、《矽、莎、彩、西卜《》《矿、多、移、西斗《》叫矿、露卜西斗电矿、《穸、驴、老斗它势、《矿、莎、移、西hd≯《多、西九它》《穸、驴、移、西斗司》
(上接第3页)
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