水環(huán)境及水資源分析計算的新方法及其應用.pdf

1、水環(huán)境及水資源自然發(fā)展、演化過程的分析和模擬，合理判定水環(huán)境污染程度，進行水環(huán)境及水資源系統(tǒng)分析計算，是目前改善水環(huán)境質量、提高資源利用能力需要解決的問題，并為水環(huán)境及水資源管理決策提供科學依據(jù)。目前水環(huán)境及水資源信息分析計算方法研究仍處于積極探索和不斷發(fā)展階段，是環(huán)境科學系統(tǒng)工程界的熱點和難點之一。為了更好地探索水環(huán)境及水資源的演變規(guī)律，更客觀、更準確地反映水環(huán)境實際情況，引入分析計算的新原理及新方法來研究水環(huán)境及水資源問題，是學科發(fā)

2、展的需要。 本文依托973國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃項目“長江中下游湖泊富營養(yǎng)化發(fā)展趨勢預測方法研究”（NO. 2002CB412301）和國家自然科學基金項目“基于子波和分形理論的水文尺度分析新途徑”（NO. 40271024），在總結和吸收有關前人研究成果的基礎上，系統(tǒng)地介紹了兩種直接用于水環(huán)境及水資源評價和預測的新方法——投影尋蹤、支持向量機；三種用于水環(huán)境及水資源分析計算模型參數(shù)估計的優(yōu)化算法——禁忌搜索算法、模擬退火算法

3、和量子遺傳算法，以及五種新方法相互之間的耦合模型，對比不同耦合模型的優(yōu)化性能、應用特征和優(yōu)缺點，并對禁忌搜索算法提出兩種改進方式。通過模擬和研究水環(huán)境及水資源發(fā)展變化，將新方法及其相互耦合模型與優(yōu)化后的多種形式的評價和預測指數(shù)公式應用于我國主要河流、湖泊、地下水及水資源利用能力的評價和預測實例研究中，分析結果表明新方法有較好的實用性。概括起來，本項研究的主要研究內(nèi)容和成果有： (1)將禁忌搜索算法用于多種形式的水環(huán)境及水資源

4、分析計算公式中的參數(shù)優(yōu)化，并提出改進后的免疫禁忌搜索算法和混合禁忌搜索算法。分別將免疫禁忌搜索算法用于區(qū)域水資源系統(tǒng)評價及經(jīng)濟、社會與湖泊富營養(yǎng)化的協(xié)調度指數(shù)公式的優(yōu)化，將混合禁忌搜索算法用于湖泊富營養(yǎng)化評價、地下水水質評價、水位流量關系擬合優(yōu)化中，得到較好的評價和預測結果。 (2)將模擬退火算法用于多種形式的水環(huán)境及水資源分析計算公式中的參數(shù)優(yōu)化，分別得到水資源可再生能力、區(qū)域水資源利用能力和太湖富營養(yǎng)化程度的冪函數(shù)加和型指

5、數(shù)評價公式，以及太原市地下水水質評價的S型曲線模型，并對上述評價模型進行實例分析。 (3)將量子遺傳算法用于多種形式的水環(huán)境及水資源分析計算公式中的參數(shù)優(yōu)化，并應用于長江流域主要城市、武漢重點水域及太原市地下水水質評價。實例分析表明，量子遺傳算法表現(xiàn)出較好的種群多樣性和更快的收斂速度。 (4)將投影尋蹤分類和投影尋蹤回歸模型應用于水環(huán)境及水資源分析計算的實例研究中。投影尋蹤分類模型用于武漢重點水域13個點位的水質評價

6、及中國淮河片區(qū)水資源利用能力的評價；提出一種用參數(shù)矩陣表示的投影尋蹤回歸預測模型新形式，采用免疫進化算法對參數(shù)矩陣進行優(yōu)化，并應用于太湖未來30年的富營養(yǎng)化發(fā)展趨勢的預測中。 (5)分別將禁忌搜索算法、模擬退火算法和量子遺傳算法三種現(xiàn)代優(yōu)化算法與投影尋蹤模型相耦合，并將優(yōu)化后的投影尋蹤模型應用于武漢重點水域13個點位的水質評價及中國淮河片區(qū)水資源利用能力的評價實例中，對評價結果和模型性能進行分析、對比。 (6)由于支

7、持向量機在解決小樣本、非線性及高維模式識別問題中表現(xiàn)出許多特有的優(yōu)勢，因此，在分析支持向量機的性能和參數(shù)取值基礎上，將其用于長江流域主要城市水段的水質評價，獲得了較好的效果。 (7)支持向量機（SVM）的計算復雜度和精度很大程度上依賴于參數(shù)的合理選擇，因此，將禁忌搜索算法（TS）用于SVM參數(shù)優(yōu)化中，提出TS-SVM耦合模型，并應用于太湖富營養(yǎng)化發(fā)展趨勢的預測實例中。為了探索更適合于支持向量機參數(shù)選取的優(yōu)化技術，將禁忌搜索算法