基于灰色关联分析的蒙特卡罗法建立水库出库水质预测模型.pdf

基于灰色关联分析的蒙特卡罗法建立水库 出库水质预测模型 ＊ 焦瑞峰 1 吴 昊 2 师 洋 1 1.黄河水资源保护科学研究所, 河南 郑州 450004;2 .黄河设计公司, 河南 郑州 450003 摘要 运用灰色理论和蒙特卡罗方法相结合建立的水库出库水质预测模拟模型, 首先采用灰色关联分析方法科学准 确的识别出主要影响因素, 接着用蒙特卡罗原理预测, 克服了专家直接给定法的主观任意性, 并且同时考虑多个主要 因素对水质状况的影响, 使预测出的结果客观、合理。 关键词 水质预测 灰色关联分析 关联系数 蒙特卡罗 模拟 ＊国家自然科学基金 “黄河联合研究基金”项目, 黄河典型污染 物迁移转化规律 50239010 1 灰色关联分析水库出库水质影响因素识别 影响因素识别就是要找出影响水库出库水质的 主要因素 ,并对其后果做出定性和定量的描述 。在水 库供水水质预测中 ,影响因素众多, 力求考虑所有影 响因素,是相当困难的。为此, 分析中要根据不同水 库的实际情况和研究目标, 抓住主要矛盾 ,通过影响 因素识别过程, 选择那些对水库供水水质影响较大的 因素 ,作为水库供水水质预测的主要影响因素 。在此 基础上,对主要影响因素及其导致水库供水水质的变 化特征做出定性定量的描述。 水库水质的影响因素众多 ,但对水质的影响程度 并不清楚 ,且影响因素与水质之间的信息量很多情况 下是不全面的, 是灰色的 。所以用灰色关联分析 [ 1] 很 好的解决了这个问题, 使其影响程度量化 ,找出主要 的影响因素。关联分析视分析对象为一发展变化系 统,是动态过程发展态势和量化的比较分析。 1. 1 关联系数 设水库水质时间序列和影响因素比较时间序列 分别为 x0 tk{ x0 t1 , x0 t2 , x0 tn } ,k 1,2, , n xj tk{ xj t1 , xj t2 , xj tn } , j 1,2, , I x0为水库水质被考察对象的序列 , 称为参考序 列; xj为与 x0比较关联程度的水质影响因素的序列, 称为比较序列。 I 为比较序列的个数 , k 表示第 tk时 刻参考序列和比较序列的采样点。记 tk时刻 x0与 xj的关联系数为 ξi tk , 则绝对值关联系数的公式 为 ξ i tk Δ min ρ Δ max Δi tkρ Δ max 式中 ρ 分辨系数 , 是一个事先取定的常数 , 取 ρ ≤ 0. 5,以使 ξi值变化在[ 0, 1] 之间 。 Δ min 为各时 刻 x0与 xj的最小绝对值 ,即 Δ min min min|x0 tk-xj tk | k 1,2, , n ; j 1,2, , I Δ max 为各时刻 x0与 xj的最大绝对值,即 Δ max max max |x0 tk-xj tk | k 1,2, , n ; j 1,2, , I Δi tk 为 tk时刻时, x0与 xj的绝对差值,即 Δi tk |x0 tk-xj tk | k 1,2, , n ; j 1,2, , I 1. 2 关联度 由于水库出库水质影响因素关联系数的数很多, 信息过于分散, 为了便于比较, 将各个时刻关联系数 集中为一个值, 求平均值 ,表达式为 ri 1 n∑ n k 1 ξ i tk ri是影响因素的曲线 xj对水库水质曲线 x0的关 联度 。 在计算水库出库水质的影响因素与水库水质的 关联度, 进行排序找出影响水库出库水质的主要 因素 。 2 蒙特卡罗 Monte-Carlo 水库水质预测技术 2. 1 水库水质预测思路 在确定了影响水库出库水质的主要因素之后 ,水 库出库水质的预测的主要任务是确定主要影响因素 63 环 境 工 程 2006年 8 月第24 卷第4 期 的概率分布 ,并对不同数值出现的概率进行估计, 并 确定出影响因素与水库出库水质的相关关系 ,在此基 础上对水库出库水质进行预测 。 预测水库出库水质的目标是出库水的污染物浓 度,其预测要考虑多方面的因素影响后 , 按水库的蓄 泄方式得到水库的出库水质, 难以直接推出其概率分 布,从而采用模拟技术。 2. 2 蒙特卡罗模拟的基本原理 设水库出库水某污染因子浓度 Y 与主要影响因 素之间函数关系为 Y f X1,X2, , Xn 1 其中, 变量 X1, X2, , Xn为概率分布已知的不确定 因素。但在实际问题中, 往往是未知的 , 或者是一非 常复杂的函数关系式 ,一般难以用解析法求解有关 Y 的概率分布及其数字特征 。蒙特卡罗法利用一个随 机数发生器通过直接或间接抽样取出每一组随机变 量 X1, X2, , Xn 的值 x1i, x2i, , xni , 然后按 Y 对于X1, X2, , Xn的关系式确定函数Y 的值yi yif x1i, x2i, , xni 2 反复独立抽样 模拟 多次 i 1、 2、 , 便可得到函 数Y 的一批抽样数据 y1、y2、, 当模拟次数足够多 时,便可给出与实际情况相近的函数 Y 的概率分布 及其数字特征, 亦即完成了水库出库水某污染因子浓 度的预测 。实践证明 , 经过 50 ～ 300 次模拟, 输出 y 的分布函数就基本上可以收敛 。 2. 3 蒙特卡罗法的模拟步骤 1 确定输入变量 主要影响因素 及其概率 分布 。 2 通过模拟试验 , 独立地随机抽取各输入变量 的值 ,并使所抽取的随机数值符合既定的概率分布 。 3 建立数学模型 , 按照研究目的编制程序计算 各输出变量。 4 确定试验 模拟 次数以满足预定的精度要 求,以逐渐积累的较大样本来模拟输出函数的概率 分布 。 2. 4 水库出库水质的蒙特卡罗模拟流程 1 确定水库出库水质的定类污染因子。 2 由数理统计和经验判断确定主要影响因素的 概率分布 。 3 由蒙特卡罗模拟技术随机生成符合相应分布 的各主要影响因素的数值 。 4 通过从长系列分析主要影响因素与水库出库 水质的相关关系 , 考虑因素的影响得到模拟出库 水质 。 5 经过上述过程的 n 次重复 , 可得到容量为 n 的目标样本 ,在此基础上 ,用统计学方法分析得到在 主要影响因素的条件下水库出库水质的出现几类水 的概率。 3 实例研究 某大型水库具有防洪 、 供水、 发电、 灌溉功能的大 型水利工程。其主 要污染因子是 CODMn、氨氮和 CODCr。本研究仅以 CODCr为例运用前面提到的理论 和方法对 2010 年分析预测 。 3. 1 主要影响因素识别 根据该水库 2000年 ～ 2004年入库和出库的水质 监测资料, 进行灰色关联度分析。 以水库出库 CODCr浓度为参考数列 x0,以相应的 水库蓄水量为 x1, 入库 CODCr浓度为 x2, 以水库的水 的温度为 x3, 则列出相应的关联系数序列。 根据关联系数求关联度, 得 r10. 41, r20. 38,r30. 21 相应的关联序为 r1r2r3 关联分析结果表明 水库相应的蓄水量和入库的 CODCr浓度与水库出库的 CODCr浓度关系密切 , 故可 认为水库的蓄水量和入库的 CODCr浓度是水库出库 CODCr浓度主要影响因素 。 3. 2 水库出库 CODCr浓度模拟 3. 2. 1 CODCr回归分析 根据 2000 年～ 2004 年水库的入库和出库断面的 监测资料及相应的水库的蓄水量进行分析得到 CODCr回归分析方程 C出-0. 1266V库容0. 013C入22. 4 3 式中 C出 CODCr出库浓度 mg L; V库容 水库库容 m 3 ; C入 CODCr入库浓度 mg L。 对 3 式进行线性回归的显著性检验 , F 2. 83, 取 α 0. 1 查表得 F0. 1 2, 302. 49, 显然 F F0. 1 2,30 ,所以可以认为 3 式线性回归显著 。 3. 2. 2 入库CODCr浓度模拟 该水库上游来水的 CODCr浓度 ,一般都集中在某 个范围内浮动, 但其概率分布难以从理论上得到, 只 64 环 境 工 程 2006年 8 月第24 卷第4 期 能通过主观估计获得 。对上游来水水质决定因子拟 采用三角形分布 [ 2] 。它的一个突出优点是只需提供 最小值、最可能值和最大值 3 个参数 ,无需给出具体 的概率。可以减少主观人为因素影响。 其三角形分布随机序列 xi a ri b -a c -a ,0 ≤ri≤c -a b -a b - 1-ri b -a b -c , c -a b -a ≤ri≤1 4 式中 r 计算机产生的 0,1 之间的随机数 ; a 、b、c 分别是入库 CODCr浓度的最小值、 最可能值、 最大值 。 3. 2. 3 水库蓄水量模拟 根据水库运用方式和目的 ,现对非汛期水库蓄水 量模拟 。库容采用均匀分布 。均匀分布只有一个区 间。这种分布要求的信息量少且简单。 均匀分布随机序列 xia b -a ri i 1,2, 5 式中 r 计算机产生的 0,1 之间的随机数 ; a 、b 分别是水 库蓄水 量的最 小值、最 大值。 3. 2. 4 水库出库CODCr预测 随机模拟的上游来水 CODCr浓度与随机模拟水 库蓄水量进行随机组合, 对 2010 年非汛期不同月份 分别模拟 500次并进行统计结果见表 1。 表 1 某水库出库 CODCr浓度模拟结果统计 月份1112123456 Ⅱ0 . 8 Ⅲ70. 86964. 86570 . 469 . 270 . 465 Ⅳ29. 230. 235. 23529 . 630 . 829 . 435 从预测的结果看出 ,以 CODCr评价因子 。水库的 出库水质主要集中在三类 ,如果按60 的概率来确 定水质类别 ,那么该水库 2010 年出库水质基本稳定 在三类水质 。 4 结论 水库出库水质预测, 问题复杂, 影响因素众多 ,将 灰色理论和蒙特卡罗原理相结合建立的模型 ,在考虑 影响水质的众多因素的基础上用灰色理论识别出主 要影响因素 ,用蒙特卡罗原理预测很大程度克服了专 家直接给定法的主观任意性, 并且可同时考虑不同影 响因素对水质状况的影响。实例运用证明灰色关联 分析的蒙特卡罗水库出库水质预测模型是客观 、合 理、 可行的 。 参考文献 [ 1] 贺北方, 刘正才. 灰色系统理论方法与应用. 北京 气象出版社, 1995. [ 2] 黄克中, 毛善培. 随机方法与模糊数学应用. 上海 同济大学出 版社, 1987. 作者通讯处 焦瑞峰 450004 郑州市城北路 8 号9 号楼 5 号 电话 0371 66023437 E -mail jiaoruifeng yrcccab. com 2005- 08-18 收稿 上接第 62页 6 结论 1 采用绝对压力法进行试验, 对试验数据应用 质量点法计算得到的结果具有很高准确度和可靠度。 2 试验过程中, 对泄漏率计算影响较大的参数 是气体压力的测试值 ,因而对压力的测试其准确度要 求非常高 。 3 从试验的理论分析和试验结果看 ,整体密封 性试验所用的测试系统和测试方法是可行的 。 4 从计算分析结果和试验结果看, 在全压平台 进行泄漏率计算时, 混凝土降压后有“吐气”的现象, 因而停留在该平台的稳定时间要≮4 h。 5 从试验的结果看出 ,在事故压力作用下,安全 壳具有很好的密封性能, 能够保证其泄漏出安全壳的 放射性物质是在可以接受的范围。 参考文献 [ 1] 周文权, 曲小朋, 孟凡彬. 核电站安全壳整体密封性试验方法. 核动力工程, 1997, 2 153 -157. [ 2] American Nuclear Society . American National Standard for Containment System Leakage Testing Requirements,1994, ANSI ANS -56. 8 -2002. [ 3] 梁永义, 秦荣大, 金承华. 秦山核电厂安全壳密封性能试验的仪 表测量系统. 核科学与技术, 1992, 12 3 206 -212. 作者通讯处 詹淑文 100084 北京市清华大学 11 -105 室 电话 010 62776442 13241856004 E -mail zhansw04 mails. tsinghua. edu. cn 2005- 11-18 收稿 65 环 境 工 程 2006年 8 月第24 卷第4 期 MONITORING OF WATERQUALITY OF SUBSIDED POOL INCOAL MINE BY MICRONUCLEUS TEST TECHNIQUE WITHVICIA FABAYao Enqin Gui Herong 57 Abstract It was conducted the monitoring of water quality of subsided pool in Huainan Coal Mine using micronucleus test technique with vicia faba; at the same time the determinationof chloride, electrical conductivity, BOD5, CODCrandDO was done. The results show that water in the subsided pool has been polluted moderately. Microncleus test with vicia faba has a certain relation with chloride, electrical conductivity, BOD5, CODCrand DO. Keywords microncleus test technique, chloride, electrical conductivity , BOD, CODCr, DO and subside CONTAINMENT INTEGRATED LEAK RATE TEST CILRTOF CHASHMA NUCLEAR POWER PLANT IN PAKISTANZhan Shuwen Chang Huajian Jiang Jianyi et al 60 Abstract The theoretic of the CILRT and the test system are introduced, also the analysis of the result of the CILRT for Chashma Nuclear Power Plant in Pakistan during the first fuel updating is involved. Keywords nuclear power plant, containment and integrated leak rate test MONTE -CARLO BASED FORECAST MODEL OF OUTLET WATER QUALITY OF A RESERVOIR ACCORDING TO GRAY CONNECTION ANALYSISJiao Ruifeng Wu Hao Shi Yang 63 Abstract Using the gray theory and the Monte -Carlo , an imitative forecast model is established of the outlet water quality of a reservoir. At first the major influence factors are indentified accurately by the gray connection analysis . Then subjective random of expert directly assigning has beenovercome by theMonte -Carlo theory . Andthe effects of many major factors are simultaneously considered on the water quality condition. Which can make the predicted result objective and reasonable. Keywords water quality forecast, gray connection analysis, connection coefficient, Monte -Carlo and simulation PRODUCTIONAND CONTROL OF DISINFECTIONBY -PRODUCTS OF CHLORINE DIOXIDE Pan Ning Li Jincheng XuYouqin 66 Abstract Chlorine dioxide disinfection by -products include chlorite and chlorate. Chlorite is the dominant by -product and doesgreat harm to human body. Based on foreign and domestic researches , it is analysed the production and removal s of chlorine dioxide by -product and found out that sulfide, granular actived carbon GAC, ozonation and ferrousion are the effective s to remove chlorite. By comparison ferrous ion is the most promising to remove and control chlorite. There is no effective to remove chlorate. Keywords chlorine dioxide, disinfection by -products, chlorite and ferrous ion TECHNOLOGY TO TREAT COKE OVEN SMOKE BY MOTILE PURIFIER Hao Mingliang Ma Chengyu Qiao Wenli 69 Abstract It is introducd a technology to treat coke oven smoke by motile purifier. The result shows that after treating the smoke, the effluent gascan meet the national “ Emission Standard of Air Pollutants for Coke Oven” , the average concentration of SO2is 320 mg m3, the average concentration of soot is 215 mg m3, the smoke black is Lingman 1. Keywords coke oven, coal gas, smoke treatment, soot and SO2 THE ATION MECHANISM OF WHITE -SMOKE IN SPRAY DRYING TOWER OF CERAMIC FACTORY AND SOLVING MEASURESNie Yuqiang Kuang Xiaolei Song Chunhua 71 Abstract In light of ceramic factory chimney sending out white -smoke and causing environment pollution, two treatment schermes “ increasing temperature ” and“ decreasing temperature ” are provided. A mathematical model for increasing temperature scheme is established. According to this model, a minimum critical increasing temperature value is found out. The computing resultwhich hasbeen applied in the smoke treatment of the ceramic factory, whose correctness has also been verified. Keywords environment protection, smoke and mathematical model ANALYSIS AND APPLICATION OF DUST CONTROL WAY IN THE AREA ABOVE RAW MATERIAL CHUTE OF IRON WORKSChi Zhiyong 73 Abstract It is expounded the characteristics of dust pollution of the area above raw material chute in iron works, as well as an application example of travelling vent hole equipment for dedusting. Keywords dust control, iron works, chute and travelling dumper 5 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 24,No. 4, Aug . , 2006