应用灰色聚类模型对给水管网水质的综合评价.pdf

第 2 9卷第 6期 2 0 0 7年 1 2月 重 庆 建 筑 大 学 学 报 J o u r n a l o f Ch o n g q i n g J i a n z h u Un i v e r s i t y Vo 1 ． 2 9 No ． 6 De c ． 2 0 0 7 应用灰色聚类模型对给水管网水质的综合评价 王 丹 宁 ， 赵 明 ， 赵 洪宾 ( 哈尔滨工业大学 市政环境工程学院 ， 哈尔滨1 5 0 0 9 0 ) 摘要 ： 灰 色聚类 法是灰 色系统 理论 的一种 ， 它 以模 糊数 学为基础 ， 并在 此基础 上有 所发 展 、 创 新 。灰 色聚 类 模 型 的 特 点 是 对 数 据 的 分 辨 力 高 ， 多 个评 价 因子 的 绿 合 评 价 中有 独 到 的 优 势 。 给 水 管 网 水 质 是 多 个 因子 的 综 合 作 用 结 果 ， 不 利 于 直 观 判 断 。 因而 可 借 助 灰 色 聚 类 模 型 理 论 ， 确 定 实 际 的 各 项 指 标 的 数 值 与 评 价 标 准 的 关 系 ， 把 各 个 因子 定 量 的 监 测 数 据 转 化 成 综 合 性 的 结 论 。依 靠 灰 色 聚 类 理 论 来 确 定 管 网 水 质 的 归 类 以 此 方 法 来 评 价 给 水 管 网各 个 监 测 点 的 水 质 情 况 ， 确 定 管 网 水 质 的 归 类 ， 最 后 用 实例 验 证 模 型 计 算值 与 实 际 情 况 的 一 致 性 。 关键词 ： 给 水管 网； 灰 色理 论模 型 ； 水质评价 中 图分 类号 ： T U9 9 1 ． 2 1 ； 文献 标 志码 ： A 文章 编 号 ： 1 0 0 6 —7 3 2 9 ( 2 0 0 7 ) O 6 一o 0 9 8 —0 3 S y n t h e t i c E v a l u a t i o n o f Wa t e r Qu a l i t y i n W a t e r S u ppl y Ne t wo r ks Ba s e d o n Gr e y Cl a s s i f i e d M o d e l W a n g Da n — ni n g，Zh a o M i n g，Zh a o Ho ng — b i n ( Ha r b i n I n s t i t u t e o f Te c h n o l o g y， S c h o o l o f M u n i c i p a l En v i r o n m e n t a l En g i n e e r i n g Ha r b i n 1 5 0 0 9 0 ) Ab s t r a c t： Gr e y c l a s s i f i e d t he o r y i s one ki n d o f g r e y s ys t e m ． I t d e v e l o ps a nd i na u gu r a t e s o n t he ba s i s of f uz z y ma t h e ma t i c s ．Th e a b i l i t y t o d i f f e r e n t i a t e d a t a c l e a r l y i s i t s p r o mi n e n t v i r t u e ． W a t e r q u a l i t y i n wa t e r s u p p l y n e t wo r k s i s wi t h c o mb i n e d r e s u l t s a n u mb e r o f f a c t o r s ，i t i s u n f a v o r a b l e t o t h e i n t u i t i v e j u d g me n t ．A g r e y c l a s s i f i e d m o d e l i s u s e d t o d e t e r m i n e t he a c t ua l nu me r i c a l r e l a t i on s h i p wi t h t he e v a l ua t i o n c r i t e r i a， a nd t r a ns f o r m e a c h mon i t o r i ng d a t a wi t h q u a nt i t a t i v e f a c t o r i n t o a c o m p r e he ns i v e c o nc l u s i on ． I n t h i s a r t i c l e，Gr e y c l a s s i f i e d t h e o r y i s us e d t o e v a l u a t e t he wa t e r q ua l i t y a nd d e t e r m i ne t he wa t e r qu a l i t y r a nk i n wa t e r s u p pl y n e t wo r k s， The r e a r e go o d a g r e e me n t s b e t we e n t h e c a l c ul a t e d a n d a c t ua l me a s ur i n g da t a ． Ke y wo r d s ：wa t e r s u p pl y n e t wo r ks ；g r e y t h e o r y mod e l ；wa t e r q ua l i t y e v a l u a t i on 对 管 网的水 质 监测 数 据 进 行评 价 分 析 ， 确 定 管 网 中的水质等级 ， 以便对管 网中不满足要求地点 的水质 进行分 析处理 ， 从而确保 城市 给水 管 网水 质 ， 这 已成 为 城市给水管网共同面临的问题[ 1 ] 。 给 水管 网水质评价 是一 个多 因素耦 合 的动态 性 综 合系统 ， 科学问题需要数学模型来描述 ， 以实现其严谨 性 。由于给水 管 网水质 问题 是多个 因子 的综 合作 用 结 果 ， 管 网 中水质 评 价 因子 数 目较 多 ， 不 利 于直 观判 断 。 因而可借助灰色聚类模 型理论 ， 确定实际的各项指标 的数值与评价标准的关系 ， 把各个因子定量 的监测数 据转化成综合性的结论 ， 依靠灰色聚类理论来确定管 网水质 的归类 。 1 灰色聚类法模型 灰色 聚类 原理 以模糊 数 学 为 基 础 ， 吸 收 了模 糊 数 学 的优点 ， 并有 所发 展 、 创 新 [ 2 ] [ 引。灰 色 聚类 模 型在 多 个评价因子的综合评价中有独到的优势[ 4 ] 。以此方 法 来评价给水管网各个监测点 的水质情况可以得到客观 的评价结论 ， 该方法可通过与管网各个监测点的实测 数据 联 网 ， 利 用 计 算 机 编 程 运算 ， 从 而得 出 水 质 评 价 结论 。 1 ． 1 聚类 系数[ ] [ 6 * 收稿 日期 ： 2 0 0 7 —0 7 —0 2 作者简介 ： 王丹宁( 1 9 7 1 一) ， 女 ， 博 士生。 主要从事给水管网水质宏观评价研究 一 ∑ ( z ) W ( 1 ) i = 1 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 王 丹 宁 ， 等 ： 应 用灰 色聚类模 型对 给水 管 网水质 的综合评 价 9 9 式 中w一第 i 个水质评价因子在第 个灰类 中的权 重系数 Y ( ) 一第 h个聚类对象中第i 个水质评价因 子在第 个灰类 中的白化函数 L 一第 h个 聚类对 象对 第 个灰 类 的聚 类 系数 由各个灰类的聚类系数构成聚类行向量 L 一( L L ⋯L ) ， 由聚类 系数 最 大值 所 属 级 别确定为该聚类对象 的级别。 1 ． 2 权重 系数 的计 算 灰类 的聚类法中应用的权重系数充分考虑到了各 个评价因子在不同级别中的区别 ， 如公式 ( 2 ) 所示 ] 。 w 一 虹 ∑ ( ／ c ) f 一 1 式 中五一第 i 个因子的实测值 ( 2 ) 式 中 准值 C 。 一第 i 个因子在第 个灰类 中的代表值 1 ． 3 水 质评 价 因子在 各 个灰类 中的 白化 函数 在管网水质评价 中， 选取 个评价因子 ， 且每个因 子 又划分 为 m 个 评价级 。即 m 个灰 类 ， 这样 每个 评价 因子有 个白化函数 。白化函数主要有三种形式 ： 灰 类为 1的白化函数 ， 灰类为 2 一 一1的白化 函数 ， 灰 类 为 m 的 白化 函数[ 8 ] 。 如果评价级别为三级 ， 即当灰类为三类时 ， 白化函 数的计算式为( 3 ) ， ( 4 ) ， ( 5 ) 。 f 1 E E 0 ， 1 ] I — — Y f l ( 蕾 )一 E ( l ， c 2 ) ( 3 ) 。 。 Y l 2 ( xi 、= E E O ， C i l ] E ( c i 1 ， C ≈ ) ，_， 、 ( 4 ) ∈ L Ci 3 C 2 E [ ％， 。 。 ] = {亭 ㈣ Y ( ) 一第 i 水质评价因子第 m 个灰类的白 化 函数 2 实 例 2 ． 1 实例 选取 对北方某市给水管 网的水质进行监测 ， 选出有代 表性 的三 个 监 测点 ， 水 质 评价 因 子优 选 出 1 5项 ， 实测 数据见表 1 。 表 1 北方某市给水管 网水质 实测数据 水质评 监测点 分级标 准 水 质评 监测点 分级标准 价 因子 1 2 3 I级 Ⅱ级 Ⅲ级 价因子 1 2 3 I级 Ⅱ级 Ⅲ级 色度 7 ． 5 7 1 6 7 ． 5 1 5 3 0 锌0 ． 1 0 ． 2 0 ． 3 0 ． 5 1 ． 0 1 ． 5 浑浊度 1 2 3 0 1 3 挥发酚类0 ． 0 0 1 0 ． 0 0 1 0 ． 0 0 1 0 ． 0 0 1 0 ． 0 0 2 0 ． 0 0 5 臭 和 味0 0 0 0 1 2 褰 。 ． 。． s 。 ． 。 ． 。． s 。． s 总碱度8 2 2 9 8 4 6 6 2 0 0 4 5 0 6 5 0 硫 酸盐 1 7 5 2 2 5 1 5 0 1 2 5 2 5 0 4 0 0 铁0 ． 2 1 0 ． 2 5 0 ． 3 0 0 ． 1 5 0 ． 3 0 1 ． 0 氯 化物 1 0 5 1 2 5 2 0 0 1 2 5 2 5 0 4 0 0 锰0 ． 0 6 0 ． 0 8 0 ． 0 8 0 ． 0 5 0 ． 1 0 0 ． 1 5 溶解性总 固体 2 0 8 8 8 6 7 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 铜0 ． 1 0 ． 3 0 ． 4 0 ． 5 1 ． 0 1 ． 5 细菌总数0 0 0 1 0 1 0 0 2 0 0 总大肠菌群0 0 1 0 3 1 0 2 ． 2 水质 因子 关于各 级别 的权值 水质评价标准分为三级 。I 级水质为水质优 良， Ⅱ 级 标准接近于生活饮用水卫生标准( 2 0 0 1 ) 及城市供水水 质标准 C J ／ T 2 0 6 —2 0 0 5 ， 水质尚好 ， 可以饮用 。 ] [ 1 。Ⅲ 级水质部分指标超过饮用标准， 不能饮用 。 论文 用灰 色聚 类法对 三处 监测 点 的水 质进 行模 拟 计算 ， 各水质因子关于各级别 的权值计算结果见表 2 。 各级别的白化函数计算值见表 3 ， 计算所得 的灰色聚 类系数与评价结果见表 4 。 一 嚣 一 0 二 一 二 一 1 0 五 一 ％ 一 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 0 重 庆 建 筑 大 学 学 报 第 2 9卷 衰 2 北方纂市给水管 罔各水质因子关于各级别 的权值 水质评价 因子 级 监 Ⅲ级 级 监 Ⅲ级 级 监 。 Ⅲ级 色度 浑浊度 臭和味 总碱度 铁 锰 铜 锌 挥发酚类 阴离子合 成洗涤剂 硫 酸 盐 氯化物 溶解性 总 固体 细菌总数 总大肠菌群 o． o1 1 o ． 023 o． 03 8 0． 0 09 0． 0i 7 0． 02 8 0． 06 7 0．i 2 8 0． i9 5 0 ．01 i 0 ． 023 0． 03 8 0． 0 09 0 ．01 7 0． 02 8 0． 00 7 0． 01 3 0． 0 2 0 ．O1 1 0 ． 023 0． 03 8 0 ．0 09 0 ．01 7 0． 02 8 0． 00 7 0． O1 3 0 ．0 2 0 ．0 4 8 0． 04 2 0． 04 8 0 ．i 27 0 ．i1 4 0．i 29 0．1 5 7 0．i 3 2 0 ．1 4 0 ．i 63 0．i 6i 0． 0 8 0 ．1 42 0 ．1 43 0． 07 0． 13 4 0．1 28 0 ．0 58 0．i 4 0 ．i 3 8 0．i 5 3 0． 13 6 0． i 38 0．1 5 0．i 0 8 0．1 O 2 0． 1 04 0 ．0 23 0 ． 023 0． 02 6 0． 0 5i 0 ．0 51 0． 05 6 0． 05 4 0． 0 5 0． 05 2 0 ． 023 0． 02 3 0． 02 6 0 ．0 34 0 ． 03 4 0． 03 8 0． 0 4 0． 03 8 0． 03 9 0．i 2 0．i i 5 0． 07 7 0 ．0 85 0 ． 08 6 0． 05 6 0． 06 7 0． 0 64 0 ．0 39 0．1 2 0 ． 077 0． 07 7 0 ．1 28 0 ．0 86 0． 08 4 0． 06 7 0． 04 2 0． 03 9 0．1 63 0．1 61 0． 16 8 0 ．1 53 0 ．1 55 0．1 5 9 0． 0 8 0． 07 7 0 ．07 3 0． 09 8 0． 09 7 0．1 0 ．0 85 0 ． 08 6 0． 08 8 0． 10 8 0． 1 02 0 ．0 97 0． 04 9 0． 04 8 0． 0 53 0 ．0 i5 0 ． 0i 7 0． 02 8 0 ．0 9 0． 0 86 0 ．0 87 0． 0i i 0 ．0 23 0． 03 8 0． 0 09 0 ．01 7 0 ． 02 8 0． 007 0． 01 3 0． 0 2 0 ．01 i 0 ． 023 0． 03 8 0． 0 09 0 ．01 7 0． 02 8 0． 00 7 0． 01 3 0． 0 2 参考文献 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 2 ． 3 模拟计算结果 根据本文所述的灰色类聚模型的计算方法， 得出 各级别的白化 函数计算值见表 3 ， 计算所得的灰色聚 [ 4 ] 类系数与评价结果见表 4 。 衰 3 各水质评价因子关于各级别的 白化 函数值 裹 4 各个监测点水质灰 色聚类 系数与评价结果 3 结 论 E 5 ] E 6 ] [ 7 ] E 8 ] 经过灰色聚类法 的计算 ， 监测点 1和监测点 2均 为水质优 良的 I级水质， 监测点 3为 Ⅱ级水质， 接近于 [ 9 ] 生活饮用 水卫生 标准 ( 2 0 0 1 ) 及 城市 供 水水 质标 准 C J ／ T 2 0 6 —2 0 0 5 ， 可 以饮用 。 灰色聚类法评价结论符合实际情况， 证实 了灰色 类聚法的可信度 。 徐兵 ， 贺尧 基． 改善城市供水管 网水质 的实践与探讨 [ J ] ． 给水排水 ， 2 0 0 2 ， 2 8 ( 1 2 ) ： 1 3 —1 6 ． XU b i n g ， H e Ya o _ I i ．P r a c t i c e a n d Di s c u s s i o n o f I mp r o v e me n t o f t h e Ur b a n Wa t e r Qu a l i t y o f W a t e r S u p p l y Ne t wo r k~ J ] ．Ch i n a W a t e r& Wa s t e wa t e r ， 2 0 0 2， 2 8 ( 1 2 ) ： 1 3 _ 1 6 ． 杨伦标 ， 高英 仪． 模 糊数学 原理 及应用 ( M3 ． 华 南理 工大 学 出版社 ， 1 9 9 5 ． YANG Lun - b i a o，GA0 Yi ng - y i ． Fu z z y M a t he ma t i c s Pr i n c i p l e a n d Ap p l i c a t i o n [ M] ．S o u t h Ch i n a Un i v e r s i t y o f Te c hn ol og y Pr e s s， 19 95： 2 9— 35 ． 李惠明． 水质现状数学模型综合 研究 [ J ] ． 中国环境 科学 ， 1 9 9 1 ， 1 1 ( 5 ) ： 3 5 6 — 3 6 0 ． LI H u i — mi n g． Compr e he ns i v e Re s e a r c h of M a t he m a t i c a l Mo d e l o f Cu r r e n t S i t u a t i o n o f W a t e r Qu a l i t y ．[ J ] ．Ch i n a En v i r o n me n t a l S c i e n c e s ， 1 9 9 1 ， l 1 ( 5 )： 3 5 6 — 3 6 0 ． 肖红． 灰色类 聚法在许 昌市 浅层地 下水 质评价 中的应用 [ J ] ． 江苏环境科技 ， 1 9 9 8 ， ( 2 ) ： 4 O 一4 3 ． XI A0 ho ng． Ap pl i c a t i o n o f Gr e y Cl a s s i f i e d The o r y i n W a t e r Qu a l i t y E v a l u a t i o n o f S i mp l e La y e r Un d e r g r o u n d W a t e r o f Xu c h a n g E J 3 ．J i a n g s u En v i r o n me n t a l S c i e n c e s ， 1 9 9 8， ( 2 ) ： 4 0 — 4 3 ． 慕金波 ． 灰 色类 聚法在 水环境 质量评 价 中的应用 [ J ] ． 环 境科学 ， 1 9 9 1 ， 1 2 ( 2 ) ： 8 6 —9 O ． MU J i n - b o ． Ap p l i c a t i o n o f Gr e y Cl a s s i f i e d Th e o r y i n W a t e r En v i r o n me n t Qu a l i t y Ev a l u a t i o n ． [J] ． En v i r o n me n t a l S c i e n c e s ， 1 9 9 1 ， 1 2 ( 2 )： 8 6 — 9 0 ． 冯玉 国． 灰 色类 聚法与水 质污染 综合评 价 [ J ] ． 系统 工程 理论与实践 ， 1 9 9 2 ， 1 2 ( 6 ) ： 4 6 —4 8 ． FENG Yu - gu o． Gr e y Cl a s s i f i e d The or y a nd Co mp r e h e n s i v e Ev a l u a t i o n o f W a t e r P o l l u t i o n [J] ． S y s t e ms En g i n e e r i n g Th e o r y a n d P r a c t i c e ， 1 9 9 2 ， 1 2 ( 6 ) ： 4 6 — 48 ． 付立． 灰色 系统理 论及其 应用 [ M] ． 北京 ； 科 学技 术文献 出版社 ， 1 9 9 2 ． FU L i ． Gr a y s y s t e m t h e o r y a n d i t s a p p l i c a t i o n ．[ M ] S c i e n t i f i c a n d Te c h n i c a l Do c u me n t s Pu b l i s h i n g Ho us e， 19 9 2． 王 晓光 ， 周慧． 环境水质加权灰 色关联度综合评 价法及其 应用 [ J ] ． 沈 阳工业学 院学报． 1 9 9 7 ， 1 6 ( 1 ) ： 7 8 --8 0 ． W ANG Xi a o- gu a ng，Zho u hu i ． W e i ght i ng Gr e y Re l a t e d De gr e e Comp r e h e ns i v e Ev a l u a t i o n As s e s s me nt s a nd Ap p l i c a t i o n o f En v i r o n me n t a l W a t e r Qu a l i t y [ J ] ．J o u r n a l o f S h e n y a n g Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y， 1 9 9 7 ， 1 6( 1 )： 7 8 — 8O ． 肖益 民， 梅汇海． 模糊灰色差异度 在水质综合评 价中的应 用 C J 3 ． 武汉水利 电力大学学报报 ， 1 9 9 8 ， 3 1 ( 4 ) ： 6 1 —6 3 ． XI AO Yi — mi n，M EI Hui — ha i ． App l i c a t i o n o f Fuz z y Gr e y Di f f e r e n c e De g r e e i n Wa t e r Qu a l i t y C o mp r e h e n s i v e Ev a l u a t io n ．[ J ] ． J o u r n a l o f W u h a n Un i v e r s i t y o f H r a u l i c a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g， 1 9 9 8， 3 1 ( 4 )： 6 1 —6 3 ． ( 编辑胡 玲) 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m