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基于 RBF 神经网络的湖库水质富营养化程度评价模型 ＊ 张晓丹 黄朝君 徐 菡 刘钦圣 北京科技大学应用科学学院, 北京 100083 摘要 运用人工神经网络中的 RBF 网络算法, 建立一种新的湖库水质富营养化程度评价模型。 对我国污染差异分布 广泛的12个湖库的水质富营养程度评价数据中的 10 组作为训练样本进行网络的建立, 剩余 2 组用于网络的检验。 结果表明 该方法建立的评价模型比文献[ 1] 利用多元统计分析方法建立的评价模型更加简便有效。 关键词 富营养化 RBF 网络 人工神经网络 ＊国家自然科学基金资助项目 批准号 70271068 0 引言 我国湖泊、水库的富营养化问题已十分严重。调 查显示 [ 1] , 51. 1的湖泊达到富营养程度, 30. 8的 水库达到富营养化程度, 对生产生活造成极大影响。 科学准确地对湖库水质富营养化程度进行评价,无疑 对水环境污染防治工作有着重要的指导意义。近年 来,在用定量化的水质富营养化程度评价方面已有一 些研究结果 [ 1-7] , 但各种方法均有其适用条件和局限 性,缺乏统一的评价模型 。由于水质富营养化评价所 根据的各项指标变量间的相关性非常复杂,是一个不 确定性的非线性系统 。而人工神经网络具有自学习、 自组织、 自适应与容错能力,它适合处理模糊的、 非线 性、 含有噪声的模式特征不明确的问题 , 因此它完全 适用于湖库水质富营养程度评价模型的建立与预测。 本研究选用 RBF 网络,其优点在于 ,比目前应用最广 泛的 BP 神经网络的收敛速度一般要快 10 3 倍, 且不 会收敛于局部极小点 。 本研究根据文献[ 1] 、 [ 3] 提供的我国污染差异分 布广泛的 12个湖库水质富营养化程度评价数据, 应 用 RBF 网络建立出湖库水质评价模型 ,将 12 组数据 分成两部分,其中 10 组作为训练样本建立模型,剩余 2 组用于网络的检验 ,结果表明 , 输出的计算结果与 实际十分吻合, 且比文献[ 2] 更加简便有效 。 1 RBF 神经网络简介 RBF 神经网络属于多层前向神经网络。它是一 种3 层前向网络 , 输入层由信号源节点组成 ; 第 2 层 为隐含层, 隐单元的个数由所有描述的问题而定, 隐 单元的变换函数是对中心点径向对称且衰减的非负 非线性函数 ; 第 3 层为输出层 , 它对输入模式做出 响应 。 RBF 网络的基本思想是 用径向基函数 RBF 作 为隐单元的“基” ,构成隐含层空间, 隐含层对输入矢 量进行变换 ,将低维的模式输入数据变换到高维空间 内,使得在低维空间内的线性不可分问题在高维空间 内线性可分 。 根据神经网络隐单元个数的不同 , RBF 网络有 2 种模型 正规化网络 Regularization Network 和广义 网络 Generalized Network 。 正规化网络的训练样本 Xi与“基函数”φi x , xi 是一一对应的 , 当 N 很大时, 网络实现复杂 ,且在求 解网络的权值时容易产生病态问题 ill conditioning 。 广义网络就是为解决这一问题而产生的 。 图 1 广义 RBF 网络 如图 1 所示 ,广义网络的输入层有 M 个神经元, 其中任一个神经元用 m 表示; 隐含层有 I I N 个 神经元, 其中任一神经用 i 表示 ,第 i 个隐单元的激 励输出为“基函数” φ i x , ti , 其中 ti[ ti1, ti2, , tiM] i 1,2, , I 为基函数的中心; 输出层有 J 个 神经元 ,其中任一神经元用 j 表示。隐含层与输出层 连接权值用 wij, i 1, 2, , I , j 1, 2, , J 表 示。在广义网络中还设置了阈值 0, 其做法是令隐 含层的一个神经元 G0的输出恒为 1, 而令输出单元 与其相连的权值为 w0j j 1,2, ,J 。 80 环 境 工 程 2007年 4 月第25 卷第2 期 设训练样本集 X [ X1,X2, XN] T ,其中任一 训练样本 Xk [ xk1, xk2, , xkm, xkM] , k 1,2, , N 。对应的实际输出为 Yk[ yk1, yk2, , ykj, , ykJ] ,期望输出为 dk [ dk1, dk2, , dkj, , dkJ] 。 当网络输入训练样本 Xk时 ,网络的第 j 个输出 神经元的实际输出为 ykj Xkw0j∑ N i 1 wijφ Xk, ti , j 1,2, ,J 其中 ,“基函数”φ Xk, ti 一般选为高斯函数 φ Xk, ti exp - 1 2σ 2 i ‖Xk-ti‖ 2 exp - 1 2σ 2 i ∑ M m 1 x km-tim 2 其中, ti [ ti1, ti2, , tiM] 为高斯函数的中心, σi为高 斯函数的方差。 RBF 神经网络主要学习的参数有 3 个 基函数的 中心、方差, 以及权值 。根据径向基函数中心选取的 方法不同, RBF 网络有多种学习方法 ,其中最常用的 4 种学习方法是 随机选取中心法 , 自组织选取中心 法,有监督选取中心法和正交最小二乘法 。学习训练 的过程一直进行到网络输出与期望输出的误差减少 到可接受的程度为止 。详见参考文献[8,9] 。 2 水质富营养化程度评价的 RBF 网络模型 2. 1 输入数据的无量纲化 多指标评价问题的首要任务是消除指标间的不 可共度性, 即要先作到原始数据的无量纲化 ,神经网 络的建立要求处理后的数据一方面要保持原始指标 的相关性, 另一方面要合理体现各指标上的变异, 故 先对原始数据进行规格化处理 , 其规格化公式如 式 1 。 x ＊ ij xij-s1j skj-s1j 1 式中 xij、x ＊ ij 处理前后第 i 样本的j 项指标值 ; s1j、skj j 项指标上最低、最高级别标准值。 将12 组湖库藻类繁殖高峰期的 Chl-a 、TP 、TN、 COD、 SD 等 5 项富营养化程度指标的实测浓度进行 归一化后, 得到输入数据 ,见表 1。 表 1 我国 12 个湖库水质富营养化程度规格化数据及检验结果 序号湖库 X ＊ 1 Ch1 -a X ＊ 2 TP X＊ 3 TN X ＊ 4 COD X ＊ 5 SD 期望输出 dk 网络实际 输出 yk 1邛海0. 000750 . 213390 . 063650. 045750. 723713 中营养3 . 0000 2洱海0. 020940 . 030960 . 025130. 124700. 783512 贫中营养2 . 0000 3博斯腾湖0. 024590 . 079500 . 157290. 207290. 880414 中富营养4 . 0000 4 ★于桥水库 0. 095600 . 039330 . 165830. 196760. 91134 4 中富营养 ★ 3 . 9428★ 5磁湖0. 090440 . 141420 . 252930. 165990. 963924 中富营养4 . 0000 6巢湖0. 085280 . 230130 . 375210. 163561. 003095 中富营养5 . 0000 7甘棠湖0. 482390 . 221760 . 353430. 269640. 993815 中富营养5 . 0000 8蘑菇湖0. 511950 . 551460 . 440540. 578940. 980415 富营养5 . 0000 9杭州西湖0. 597110 . 223430 . 368510. 400000. 992785 富营养5 . 0000 10南京玄武湖1. 264781 . 180751 . 132330. 346560. 998976 重富营养6 . 0000 11武汉墨水湖1. 642140 . 832642 . 683420. 538461. 015466 重富营养6 . 0000 12 ★广州东山湖 1. 157861 . 117151 . 201000. 587041. 004126 重富营养 ★ 5 . 9616★ 注 表中带“★”处的数据为网络的检验数据。 2. 2 输出数据的数值化 为建立神经网络, 须将样本对应的教师信号 期 望输出值 进行数值化。文献[ 1] 给出我国湖库营养 化评价指标的 6 个级别,将富营养化级别从轻到重排 列后 表 2 作为网络的期望输出。 2. 3 网络的建立和检验 取表 1 中的 1 ～ 3, 5 ～ 11 共 10 组数据建立 表 2 富营养化等级的数值化 贫营养贫中营养中营养中富营养富营养重富营养 123456 RBF 网络,经过多次上机试算与比较,最终将隐含层的 节点数选为 9, 网络结构为 591, 拓扑结构见图 2。 经过9 次训练后收敛,而后以第 4 组和第 12 组数据对 网络进行检验 ,网络输出值及检验结果见表1。 81 环 境 工 程 2007年 4 月第25 卷第2 期 图 2 网络的拓扑结构 3 结论 网络的计算结果表明 ,实际输出与期望输出非常 一致 ,特别是将没有参加网络建立的两组数据用来检 验, 其结果十分准确, 表明网络的泛化能力很好。 RBF 网络以极少的迭代次数 9 次 得到了比较精确 的结果,相对于文献[ 2] 的评价方法更加简便有效 ,因 此可认为本研究建立的 RBF 网络可作为对湖库水质 富营养化程度进行评价的统一模型 。 参考文献 [ 1] 陈守煜. 工程模糊集理论与应用. 北京 国防工业出版社, 1998. [ 2] 王晓鹏. 基于多元统计分析的湖库水质富营养化程度评价模型 及应用. 数理统计与管理, 2003, 22 2 30. [ 3] 舒金华. 我国湖泊富营养化程度评价的探讨. 北京 国防工业出 版社, 1998. [ 4] 刘首文等. 人工神经网络在湖泊营养化评价中应用研究. 上海 环境科学, 1996, 15 1 11. [ 5] 吴绍龙. 水质评价的模型综合 灰度分析复合模型应用. 上 海环境科学, 1996, 15 6 9. [ 6] 胡明星, 郭达志. 湖泊水质富营养化评价的模糊神经网络方法. 环境科学研究, 1999, 11 4 40. [ 7] 林衍等. 湖泊水质富营养化评价的物元分析方法. 环境工程, 1996,14 5 44. [ 8] 阎平凡等. 人工神经网络与模拟进化计算. 北京 清华大学出版 社, 2000. [ 9] 高隽, 人工神经网络原理及仿真实例. 北京 机械工业出版社, 2003. [ 10 ] 楼天顺等. 基于 MATLAB 的系统分析与设计 神经网络. 西 安 西安电子科技大学出版社,2000. 作者通讯处 张晓丹 100083 北京科技大学应用科学学院 2006- 09-05 收稿 上接第 61页 但当污水注进浮盖膜下会产生很大的褶皱。 在已投入使用且形状较为规则并有足够的施工 场地的调节池, 一般可采用“湿法”施工 。“湿法”的施 工程序为 池外场地平整 ※实地丈量 、确定裁膜尺 寸※浮盖膜裁剪、拼接 ※集气管安装 ※浮盖膜的牵 引※排气管安装 ※重力压管安装。此种方法施工后 的效果好, 但必须有足够的焊接场地、牵引设备和牵 引场地。 深圳市下坪场的浮盖工程因要求最低水位要达 到101 m 标高 ,而现场没有足够宽阔的焊接场地。所 以本工程拟采用“干法”和“湿法”相结合的方法进行 施工, 即首先在清干的池子内焊接好满足达到 101 m 水位时的浮盖膜 ,其中一侧锚固,然后往池内注水 ,当 水位达到 101 m 后, 把其他三侧的浮盖膜牵引就位后 进行现浇混凝土压顶锚固 。 4 浮盖技术的应用及前景 采用 HDPE 膜在调节池上加盖是国内外近年来 对填埋场调节池污水产生的臭气进行有效控制的一 种较为合理的方法 。深圳市下坪场调节池的浮盖工 程已竣工将近一年, 能有效地控制臭气向大气环境的 自由挥发, 下坪场最大的臭气散发源已经被控制住。 现今 ,国内有许多大型的垃圾填埋场都运用浮盖技术 来为调节池进行加盖 ,包括青岛小涧西固体废弃物处 置场 、 山东即墨灵山垃圾填埋场及浙江嘉善垃圾填埋 场等, 这些填埋场均表明采用 HDPE 膜对调节池加盖 后对臭气控制的效果较好 。 浮盖技术在填埋场污水调节池的应用能够得到 很好地推广应归功于该技术可以很好地控制污水产 生的臭气向周边环境扩散 ,同时该技术还阻挡雨水进 入调节池减少污水处理量 , 并且也美化污水处理现 场。由此可见, 浮盖技术今后在国内的填埋场将会有 很广泛的应用。 参考文献 [ 1] 垃圾卫生填埋实用技术. 北京 化学工业出版社, 2004. [ 2] 广州市胜义防渗工程有限公司. 深圳市下坪固体废弃物填埋场 污水调节池封盖. 2004. [ 3] 赵爱华, 王雷,秦峰. 上海市环境工程设计科学研究院, 第二届 城市固体废物管理与处理技术国际研讨会论文集, 2003. 作者通讯处 张超平 518029 深圳市八卦路众鑫科技大厦 深圳 下坪填埋场 2006- 07-08 收稿 82 环 境 工 程 2007年 4 月第25 卷第2 期 Abstract It is described the composition, function and construction technic of a floating cover system. It is also discussed the necessity and the importance of the floating cover system in a regulating reservoir by taking the regulating reservoir of Shenzhen Xiaping Landfill for example, meanwhile, it is at last concisely introduced the application and prospect of the floating cover technology in China. Keywords refuse landfill, regulating reservoir and floating cover film THE DESIGN OF TREATMENT PROCESS OF MEDICAL WASTESPan Qing 62 Abstract It is designed the treatment process of medical wastes by thermal decomposition double -incineration 3T controland application of new technigue in the system of flue -gas clean, the running result showed that the treatment process can treat medicalwastes effectively, and has the advantages of no secondary pollution and good social, economic and environmental benefits, which is worth popularizing. Keywords AB -incinerator, thermal decomposition, medicalwastes and design of treatment process RESEARCH ON PREPARATION OF IRON CONCENTRATE POWDER FROM PYRITE CINDER Mi Qingliang Huang Xiaoqin QuJiaguo 67 Abstract It is analyzed the current use of pyrite cinder in Chenxi County and made an in -depth discussion on the new technology for the preparation of iron concentrate powder from pyrite cinder. By means of screening and physics -chemistry treatment processes of pyrite cinder. the related norms of iron concentrate powder can meet the quality requirements by iron and steel industry. Keywords pyrite cinder, utilize and research APPLICATION OF HPLC TO COMPETITIVE ABSORPTION OF THE PHENOLS Xin Meihua Li Mingchun Wang Qiong et al 69 Abstract The determination of phenolswas carried out by Rp -HPLCwith UV detection. The effects of the component, concentration, pH and flow rate of the mobile phase on the separation of phendswere studied. The optimal chromatographic conditions for the separation and determination of phenols have been obtained. The experimental results can be used to the detection of competitive absorption of the phenols on the modified chitosan. Keywords high perance liquid chromatography, UV detection, phenolic compounds and absorption DETERMINATIONOFCODCrINLOWCONCENTRATIONWASTEWATERWITH PHOTOELECTRIC COLORIMETRYGuan Huiling Li Xiaoming Yang Qi et al 72 Abstract This study is focused on the feasibility of utilizing the photoelectric colorimetry to determine the CODCrof low concentration wastewater. The photoelectric colorimentry has better accuracy and precision, it can greatly decrease the dosage of reagent, and the results can be displayed directly without the titration or protracting criterion curve. However, this can t resist the influence of Cl-well. Keywords CODCrmeasurement, photoelectric colorimetry and low concentration wastewater CALCULATION OF RIVER WATER ENVIRONMENTAL CARRYING CAPACITY BASED ON TRIANGULAR FUZZY NUMBERLi Ruzhong Gao Sudi 74 Abstract Based on the characteristics of fuzzinessand impreciseness of river water system, and the lack ofwater environmental ination, the parameters of river water environmental system are defined as triangular fuzzy numbers. On the basis, a fuzzy model for calculating river water environmental carrying capacity is established through fuzzifying the parameters in the conventional and certain model. From the model proposed above, the triangular fuzzy values of river water environmental carrying capacity are derived. According to the different required confidnece levelα , the above river water environmental carrying capacity can be transed from triangular fuzzy numbers into interval values. Study results show that the new model is more scientific and reasonable than that of conventional one. Keywords water environmental system, water environmental carrying capacity,triangular fuzzy number, membership function and confidence level DIRECTARSENIC DETERMINATION OFATMOSPHEREPARTICULATES AND DIESEL EXHAUST BY SPECTROPHOTOMETRYLi Shuwen Bai Tingting 78 Abstract The spectrophotometry is introduced for arsenic determination. This can be used for sensitive determination of arsenic in atmosphere particulates. The is practically applied in the arsenic determination in northern area of China. It is proved that the is dependable and accurate. Comparing the resultsby this with those of atomic absorption, a good agreement is found between them. The arsenic determination of diesel exhaust of motor vehicles is also carried out, and a certain amount of arsenic is contained in diesel exhaust. Keywords spectrophotometry , trace arsenic, atmosphere particulates, absorbance and diesel exhaust MODEL OF ASSESSING LAKE AND RESERVOIR EUTROPHICATION BASED ON RBF NETWORKZhang Xiaodan Huang Zhaojun Xu Han et al 80 5 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 25, No. 2,Apr. ,2007 Abstract A new model of lake and reservoir eutrophication assessment can be established with RBF network of artificial neural network. There are twelve groups of given data, of which ten groups are used to establish network and two groups are used to test the network. The results show that the RBF network is better than the s of principal component analysis and discriminant analysis in solving the problems of water eutrophication assessment. Keywords ertrophication, RBF network and artificial neural network DESIGN SUMMARY OF SHUANGYANG WASTEWATER TREATMENT PLANT IN CHANGCHUN Yang Shaohua Huang Jiguo Huang Guoxin et al 83 Abstract The design of Shuangyang Wastewater Treatment Plant in Changchun is introduced, and the problems and solutions in the process of debugging and operation are presented. Keywords design of wastewater treatment plant and CAST BRIEF INTRODUCTION TO URBAN RIVER POLLUTION PURIFICATION AND ECOLOGICAL RESTORATION INSHANGHAIHuang Yan Huang Minsheng Xu Yatong et al 85 Abstract It was introduced the background, pollution purification and ecological restoration projects of five polluted rivers in the center districts of Shanghai city, which has certain values for the people in similar domestic zones to consult with when improving their cities water environments. Keywords Shanghai, urban rivers, pollution purification and practical effect INFLUENCE OF OVERFLOW DAM SHAPE ON NUTRIENT AND ORGANIC CONTAMINATION OF WATER BODYWang Jinqi Wang Guoxiang 89 Abstract The influence of overflow dam shape on nutrient and organic contaminants is studied by monitoring the DO and the change of water quality timely . It indicates that the dissolved oxygen of the water body all increasesby the two damswith different shapes dams, the function of the stepped overflow dam is more obvious than the bevel surface overflow dam, andthe content of IMn, NH3-N andTP is decreased, the average removal rate in the influent of the stepped overflow dam is better than the bevel surface overflow dam. Keywords overflow dam, DO, IMn, NH3-N, TP and self -purification RESEARCH ON THE UTILIZATION RATIO OF H2O2AND THE REMOVAL EFFICIENCY OF CODCrIN THE TREATMENT OF MIDDLE -AGED LANDFILL LEACHATE BY FENTON PROCESS Wang Xiquan Liu Xuewen 92 Abstract The factorswhichinfluence the utilization ratio of H2O2and the removal efficiency of CODCrwere studiedin the process of Fenton treatment of the effluent from the biological treated middle -aged landfill leachate. The test results show that the optimal initial pH is 7, the H2O2 Fe2ratio is 4∶ 1, the most economical dosage of H2O2is 0. 05 mol L and the a reaction time is 3. 5 h respectively aswell as the mixed activators can increase the utilization ratio of H2O2. The removal efficiency of CODCrmay reach to 80. 5 and the utilization ratio of H2O2is 153. 9, the quality of effluent can reach to the second level of landfill leachate discharge standard. Keywords landfill leachate, Fenton agent and hydrogen peroxide DESIGNAND OPERATION OF THE PROJECT OF ECOLOGICAL PONDS-WETLAND SYSTEM FOR MUNICIPAL WASTEWATER RECLAMATION AND REUSE YinJinduo Deng Hua LinJing et al 94 Abstract It was introduced the systematic design and operation of the project of the ecological ponds -wetland system for municipal wastewater reclamation and reuse. Keywords ecological ponds -wetland system, municipal wastewater, reclamation reuse and design Sponsor Central Research Institute of Building and Construction of MCC Group Publisher Industrial Construction Magazine Agency Editor The Editorial Department of Environmental Engineering 33, Xitucheng Road,Haidian District, Beijing 100088, China Telephone 01082227637、82227638 Fax 01082227637 Chief EditorWeng Zhongying Domestic All Local Posts DistributorChina International Book Trading Corporation P . O . 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