基于增强天牛须搜索算法的水质综合评价方法技术

本发明专利技术公开的基于增强天牛须搜索算法的水质综合评价方法，包括以下步骤：获取水样的物理化学参数；根据分类标准计算水样的综合WQI；计算水样各物理化学参数得分并选择关键水质参数，再利用关键水质参数建立WQImin模型；设计具有约束条件的增强天牛须搜索算法，优化WQImin模型的权重；基于综合WQI，评价WQImin模型并选择最佳的关键水质参数，实现水质综合评价。本发明专利技术的基于增强天牛须搜索算法的水质综合评价方法，解决了现有水质指标难筛选的问题，同时兼顾水质评价的准确性和经济性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
基于增强天牛须搜索算法的水质综合评价方法


[0001]本专利技术属于水质评价
，具体涉及一种基于增强天牛须搜索算法的水质综合评价方法。

技术介绍

[0002]城市河流在城市发展和生态环境维护中起着至关重要的作用。为实现水资源的可持续协调发展，迫切需要开展科学全面的水质评价，为后续的污染治理提供思路。
[0003]目前国内外学者已经对水质评价方法进行了大量研究，而将大量水质信息转换为可理解数字的水质指数(Water Quality Index,WQI)受到广泛关注。WQI是描述水质状态和评价水质等级的有效方法。《中国地表水环境质量标准》列出了24个物化参数，并通过定义不同的阈值将每个物化参数分为6类水质等级，包括I类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、
Ⅴ
类和劣
Ⅴ
类。
[0004]为了便于对水质进行评价，许多研究集中在建立WQImin模型上。WQI min模型是含有最少关键水质参数的WQI模型，WQImin模型既继承了传统的WQI模型的优点又剔除冗余水质指标，成本小、效率高，被广泛应用。但是，建立模型所用的逐步多元回归法会赋予水质参数负权或极值权，失去物理意义，容易出现过拟合问题，泛化能力较差。因此，为提高关键水质参数筛选能力以及优化WQImin模型关键参数的权重值，需要有更加有效的解决方式。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种基于增强天牛须搜索算法的水质综合评价方法，解决了现有水质指标难筛选的问题，同时兼顾水质评价的准确性和经济性。/>[0006]本专利技术所采用的技术方案是：基于增强天牛须搜索算法的水质综合评价方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1、获取水样的物理化学参数；
[0008]步骤2、根据分类标准计算步骤1所得水样的综合WQI；
[0009]步骤3、计算步骤1所得水样各物理化学参数得分并选择关键水质参数，再利用关键水质参数建立WQImin模型；
[0010]步骤4、设计具有约束条件的增强天牛须搜索算法，优化步骤3所得WQImin模型的权重；
[0011]步骤5、基于步骤2所得综合WQI，评价经步骤4优化过权重的WQImin模型并选择最佳的关键水质参数，实现水质综合评价。
[0012]本专利技术的特点还在于，
[0013]步骤1中的物理化学参数包括温度、pH、溶解氧、总氮、氨氮、总磷、化学需氧量、浊度、叶绿素a和透明度共10个。
[0014]步骤2具体包括以下步骤：
[0015]步骤2.1、采用《中华人民共和国地表水环境质量标准》中公布的pH、溶解氧、总氮、氨氮、总磷、化学需氧量、浊度、叶绿素a和透明度的各6个等级阈值进行步骤1所得10个物理
化学参数中相应9个的等级评价，分别给出9个物理化学参数的水质等级；
[0016]步骤2.2、将步骤1所得物理化学参数中温度的等级类别设定为Ⅳ类，则第i个物理化学参数的水质指数WQI
i
制定为公式(1)所示：
[0017][0018]公式(1)中，C
i1
表示第i个物理化学参数的水质等级，“1,2,3,4,5”依次对应《中华人民共和国地表水环境质量标准》中物理化学参数的水质等级“I类,Ⅱ类,Ⅲ类,Ⅳ类,
Ⅴ
类”，水质等级C
i1
的测量范围为S
iu_1
～S
iu
；C
i2
表示水质在C
i1
类中的位置，X
i
为第i个物理化学参数的测量值；
[0019]如果水质等级是劣V类，在阈值单调递增的条件下，由超标倍数法将WQI
i
定义为公式(2)所示：
[0020][0021]否则在阈值单调递减的条件下，如公式(3)所示：
[0022][0023]公式(2)和(3)中，S
i5
为V类水质等级的阈值；
[0024]步骤2.3、将步骤1所得10个物理化学参数的水质指数WQI
i
进行求和得到综合WQI如公式(4)所示：
[0025][0026]公式(4)中，W
i
为WQI
i
的权重，由熵权法确定；M、n分别为物理化学参数个数和样品个数；E
i
为WQI
i
的熵，P
ik
为WQI
i
中第k个样本的概率。
[0027]步骤3具体包括以下步骤：
[0028]步骤3.1、通过公式(5)计算步骤1所得水样各物理化学参数得分V如下：
[0029]arg maxV＝V1+V2+V3[0030][0031]公式(5)中，V1是描述测量值X
i
时间变化的变异系数，σ
i
为测量值X
i
的标准差，μ
i
为测量值X
i
的平均值；V2是水质差异，描述为与IV类水质相比第i个参数的优和劣；V3是第i个参数的测量值X
i
与其他参数之间的平均互信息；
[0032]步骤3.2、将步骤3.1所得各物理化学参数得分V由高到低进行排序，选择前j个得分V对应的物理化学参数作为关键水质参数，j∈[1,10]；
[0033]步骤3.3、利用步骤3.2所得关键水质参数建立WQImin模型，如公式(6)所示：
[0034][0035]公式(6)中，β
i
是第i个关键水质参数的权重，β
i
∈[0,1]。
[0036]步骤4具体包括以下步骤：
[0037]步骤4.1、利用增强天牛须搜索算法优化步骤3.3所得WQImin模型的权值β
i
使得所有权值β
i
之和等于1，具体为：
[0038]步骤4.1.1、确定增强天牛须搜索算法中天牛须的左天线和右天线的位置如下：
[0039][0040]公式(7)中，为天牛的右触角和为天牛的左触角，x
t
表示基本天牛须搜索算法中的天牛在t时刻的位置，即为关键水质参数权重的集合{β
i
}，随机单位向量为天牛的搜索行为，d
t
是两个触角之间的距离，R是常数；
[0041]步骤4.1.2、在增强天牛须搜索算法中加入适应度最佳的位置变量x
best
，如果f(x
t
)<f(x
best
)，x
t
被赋值给x
best
，结束搜索；将步骤4.1.1中和馈送到适应度函数f(x)中，根据天牛两只触角感知不同关键水质参数的权重β
i
，通过公式(8)计算出下一个位置并更新步长：
[0042][0043]公式(8)中，δ
t
表示每次迭代的步长，δ
t
会随着迭代次数的增加本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于增强天牛须搜索算法的水质综合评价方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、获取水样的物理化学参数；步骤2、根据分类标准计算步骤1所得水样的综合WQI；步骤3、计算步骤1所得水样各物理化学参数得分并选择关键水质参数，再利用关键水质参数建立WQImin模型；步骤4、设计具有约束条件的增强天牛须搜索算法，优化步骤3所得WQImin模型的权重；步骤5、基于步骤2所得综合WQI，评价经步骤4优化过权重的WQImin模型并选择最佳的关键水质参数，实现水质综合评价。2.如权利要求1所述的基于增强天牛须搜索算法的水质综合评价方法，其特征在于，所述步骤1中的物理化学参数包括温度、pH、溶解氧、总氮、氨氮、总磷、化学需氧量、浊度、叶绿素a和透明度共10个。3.如权利要求2所述的基于增强天牛须搜索算法的水质综合评价方法，其特征在于，所述步骤2具体包括以下步骤：步骤2.1、采用《中华人民共和国地表水环境质量标准》中公布的pH、溶解氧、总氮、氨氮、总磷、化学需氧量、浊度、叶绿素a和透明度的各6个等级阈值进行步骤1所得10个物理化学参数中相应9个的等级评价，分别给出9个物理化学参数的水质等级；步骤2.2、将步骤1所得物理化学参数中温度的等级类别设定为Ⅳ类，则第i个物理化学参数的水质指数WQI
i
制定为公式(1)所示：公式(1)中，C
i1
表示第i个物理化学参数的水质等级，“1,2,3,4,5”依次对应《中华人民共和国地表水环境质量标准》中物理化学参数的水质等级
“Ⅰ
类,Ⅱ类,Ⅲ类,Ⅳ类,
Ⅴ
类”，水质等级C
i1
的测量范围为S
iu_1
～S
iu
；C
i2
表示水质在C
i1
类中的位置，X
i
为第i个物理化学参数的测量值；如果水质等级是劣V类，在阈值单调递增的条件下，由超标倍数法将WQI
i
定义为公式(2)所示：否则在阈值单调递减的条件下，如公式(3)所示：公式(2)和(3)中，S
i5
为V类水质等级的阈值；步骤2.3、将步骤1所得10个物理化学参数的水质指数WQI
i
进行求和得到综合WQI如公式(4)所示：
公式(4)中，W
i
为WQI
i
的权重，由熵权法确定；M、n分别为物理化学参数个数和样品个数；E
i
为WQI
i
的熵，P
ik
为WQI
i
中第k个样本的概率。4.如权利要求2所述的基于增强天牛须搜索算法的水质综合评价方法，其特征在于，所述步骤3具体包括以下步骤：步骤3.1、通过公式(5)计算步骤1所得水样各物理化学参数得分V如下：公式(5)中，V1是描述测量值X
i
时间变化的变异系数，σ
i
为测量值X
...

【专利技术属性】
技术研发人员：高泽海，杨国泉，刘洋，李涛，马文超，储墨林，王文玉，韦林岚，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：