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监 测 与 评 价 基于鱼群算法优化的空气质量评价普适模型 ＊ 李祚泳 汪嘉杨 邬 敏 成都信息工程学院, 四川 成都 610041 摘要 在设定各项空气污染物的明显危害浓度“参照值”基础上, 提出一个适用于多项污染物的幂函数加和型空气质 量评价综合指数公式, 该公式的特例也可作为单项指标的空气质量评价。 采用鱼群算法优化公式中的参数, 得出优化 后适用于多项污染物的空气质量综合评价普适指数公式。 公式被应用于多个实例分析计算, 并与其他若干评价方法 评价结果相比较, 结果表明 该公式不受污染物种类和数目多少的限制, 形式简便, 计算快速, 使用方便, 具有通用性、 可比性和实用性。 关键词 空气质量评价 评价指数 鱼群算法 参数优化 ＊ “973”国家重点基础研究发展规划资助项目 2002CB412301 ; 成都 信息工程学院发展基金资助项目 CSRF200401 。 0 引言 用于空气环境质量评价的方法有多种,每种方法 各有其特点 [ 1 -7] 。传统的幂函数加和型指数法虽然已 被应用于空气质量评价, 但并无适用于所有空气指标 的普适指数公式。在设定各项空气污染物的明显危 害浓度限值的基础上 ,提出用鱼群算法优化幂函数加 和型指数公式中的参数, 得出对多种污染物都能普遍 适用的空气质量评价普适指数公式 ,并将其应用于多 个实例,进行效果检验。 1 鱼群算法简介 鱼群算法 artificial fish swarm algorithm , AF 是李 晓磊等于2002 年提出的模拟鱼的觅食、聚群和追尾 行为的一种新的随机搜索优化算法 [ 8-9] 。其行为描述 如下 设人工鱼状态为 X x1, x2, , xk, , xk为 欲寻优的控制变量 ; 人工鱼当前位置的食物浓度为 Y f X ,Y 为目标函数值; 2 个人工鱼个体 i 与 j 之 间的距离为 dij‖Xi-Xj‖; 人工鱼的感知距离为 Visual ; 人工鱼每移动一步距离为 Rand 0, 1 STEP , 其中STEP 为人工鱼移动的最大步长 ,Rand 0, 1 为 0, 1 间的随机数; δ 为拥挤度因子; Aq 为安全度系数。 1. 1 觅食行为 设人工鱼当前状态为 Xi, 在其可见域内 dijYi,则向该方向前 进一步 ; 否则, 重新随机选择状态 Xj, 判断是否满足 前进条件; 反复多次后,若仍不满足前进条件 ,则随机 移动一步。觅食行为的数学表达式为 xinextkxikRand 0,1STEP xjk-xik ‖Xj-Xi‖ 当 YjYi xinextkxikRand 0,1STEP 当 Yj≤Yi 1 式中 ,k 1,2, , K ; xjk、xik和 xinextk分别表示人工鱼 当前的状态向量Xj、Xi及人工鱼下一步状态向量的k 个分量。 1. 2 聚群行为 设人工鱼的当前状态为 Xi, 探索其可见域内 dij δ Yi e Aq δ1 2 说明伙伴中心位置处食物浓度较高 , 且不太拥 挤,则执行式 3 ; 否则 ,人工鱼执行觅食行为。 xinextkxikRand 0,1STEP xck-xik ‖Xc-Xi‖ 3 1. 3 追尾行为 设人工鱼当前状态为 Xi, 探索当前可见域内 dijδ Yi e Aq δ1 4 表明伙伴 j 的状态 Xmaxj处的食物浓度值Ymaxj较 高,且不太拥挤 ,则执行式 5 ; 否则, 人工鱼执行觅食 80 环 境 工 程 2008年 10 月第 26卷第 5 期 行为 。 xinextkxikRand 0,1STEP xmaxk-xik ‖Xmaxj-Xi‖ 5 1. 4 行为选择和终止 最简单的行为选择是先模拟执行聚群行为和追 尾行为 ,然后评价行为后的值, 选择其中最大者来执 行,缺省行为方式为觅食行为 。算法终止可设置为判 断当前迭代次数是否已达到预置的最大迭代次数作 为终止条件。 2 幂函数加和型空气质量评价指数公式 幂函数加和型空气质量评价指数公式一般可以 表示为 [ 10] PI a ∑ n i 1 Wi Ii b 6 式中 PI 空气质量综合指数; Wi 指标 i 的分指数归一化权值 ; n 指标的个数 ; a 、 b 需要优化确定的参数 ; Ii 指标 i 的分指数,其计算公式为 Iici ciα 7 式中 ci 污染物 i 的浓度值 ; ciα 设定的污染物 i 的明显危害浓度“参照 值” 。 ciα选取应使不同污染物的同级标准浓度限值cik k 1,2,3 用式 7 计算的分指数值 Iik彼此差异不 大,从而可应用优化方法优化得到式 6 中的参数 a 、 b 。7 项空气污染物的环境空气质量标准 GB3095- 2000 及设定的危害浓度“参照值”ciα及由式 7 计算 得到的7 项空气污染物的各级标准的分指数值 Iik如 表1 所示。 3 基于 AF优化的幂函数加和型空气质量综合评价 普适指数公式 应用AF 算法优化式 6 中的参数 a 、b 时, 需要 构造目标函数 min Q a , b 1 K ∑ K k 1 PIk-PIk0 2 8 式中 K 空气质量分级标准数目 ,为 4; PIk 由式 6 计算得到的表 1 中第 k 级综合 指数值; PIk0 第 k 级综合指数目标值。 表 1 7 项空气污染物日平均浓度限值 GB3095 -2000 及其分指数值和设定值 ciαmg m3 DF 除外 污染物 名称 1 级2 级3 级4级 危害级 ci1Ii1ci2Ii2ci3Ii3ciαIiα SO20. 050. 100. 150. 300. 250. 500. 501 NOx0. 050. 170. 100. 330. 150. 500. 301 NO20. 080. 320. 120. 480. 120. 480. 251 TSP0. 120. 120. 300. 300. 500. 501. 001 PM10 0. 050. 100. 150. 300. 250. 500. 501 DF80. 20120. 30200. 50401 CO40. 3340. 3360. 50121 PIk0 0. 25640. 35090. 48030. 90 PIk0. 24100. 37280. 50850. 8783 注 DF 单位为 t km2月 。 依据“等比赋值 ,等差分级”原则 ,将 PI 的取值范 围[ 0. 1, 0. 9] 划分为 7 级, 则每相邻两级之间的比值 为 α 1. 3687, 令 l 3, 4, 5, 7 分别对应 1 级、2 级、 3 级和4级 危害级 标准的污染危害指数目标值 PIk0 如表 1 所示 。将表1 中的各级标准作为一个样本 ,以 各级标准的 7 项指标的分指数值 Iik i 1, 2, , 7; k 1,2,3, 4 代入式 6 ,并在满足优化目标准则条件 式 8 下 ,用Matlab 对 AF 算法编程运算 ,AF 的参数设 置如表2 所示。 表2 AF算法中的参数设置 参数的取值范围 鱼群 规模 m 最大 步长 STEP 可视 范围 Visual 拥挤度 因子 δ 安全度 系数 Aq 目标函数 最小值 Qmin a∈ 0, 20 b∈ 0, 10 200. 200. 500. 6180. 80. 000481 独立运算若干次, 当优化目标函数值满足 Q ≤ 0. 000481 时迭代结束, 得到优化好的式 6 中的参数 a 0. 8783, b 0. 7821, 从而得到优化后的幂函数加 和型空气质量综合评价普适指数公式 PI 0. 8783 ∑ n i 1 WiIi 0. 7821 9 式中 Ii 由式 7 计算得到的指标 i 的分指数值; Wi 指标 i 的分指数的归一化权值 , 通常各 指标视作等权 ,即 Wi 1 n ; n 参与评价指标数目 。 将表 1 中各级标准的 7 项指标的分指数 Iik代入 式 9 , 计算得到综合指数与各级标准的对应关系如 表1 中最后一行所示。当式 9 中的 n 1 时, 式 9 81 环 境 工 程 2008年 10 月第 26卷第 5 期 简化为 PI 0. 8783 I 0.7821 i, 即为单项指标 i 的评价 指数公式 。 4 实例分析计算 评价实例 1 广安市各项大气污染物15 d 浓度均 值如表3 所示, 数据引自文献[ 11] 。应用式 7 和式 9 计算得到各测点的空气质量综合评价指数值 PI 和所属评价等级见表 3。表 3 中还列出文献[11] 用模 糊综合评价法给出的评价等级 。可以看出 除 9 点 两种方法的评定结果有一级之差外, 其余 11 个测点 两种方法的评定结果完全一致 。 表3 广安市大气 15 d 浓度均值及两种方法评价结果mg m3 因子 测 点 123456789101112 TSP0. 170. 620. 320. 420. 630. 400. 370. 430. 440. 330. 330. 60 SO20. 0920. 1630. 1510. 3040. 3570. 1970. 1840. 1900. 1490. 1440. 2050. 281 NO20. 0160. 0550. 0380. 0520. 0430. 0420. 0400. 0420. 0420. 0250. 0380. 043 PI0. 18800. 42050. 30440. 43900. 51500. 36090. 30560. 36550. 34430. 28710. 34010. 4660 AF 法等级132332222223 模糊法等级132332223223 评价实例 2 武汉市空气污染物监测值如表 4 所 示。数据引自文献[ 12] 。应用式 7 和式 9 计算得 到各测点的空气质量综合评价指数值 PI 和所属评价 等级见表 4。表4 中还列出文献[ 12] 用其它多种评价 法给出的评价等级 。可以看出 用式 9 作出的评价 等级与改进属性识别法作出的评价等级完全相同 。 评价实例 3 重庆市不同区域和不同方位空气污 染监测值如表 5 所示 。数据引自文献[ 13] 。应用式 7 和式 9 计算得到空气质量综合评价普适指数值 PI 和所属评价等级及文献[ 13] 给出的评价等级见 表5 。比较可知 ,两种方法评价结果除西南方位有一 级之差外 ,其余 6 个区域和方位评定结果完全相同 。 表 4 武汉市空气指标监测值及多种方法评价结果 测点 SO2 mg m- 3 NO2 mg m- 3 TSP mg m- 3 AF 法 PI评价等级 模糊评 判法 属性识 别法 改进属 性法 1 0. 0750. 0460.3620. 28022212 2 0. 1070. 1240.6610. 47613333 3 0. 1660. 1050.5370. 45363333 4 0. 0630. 0590.3920. 29822322 5 0. 0370. 0260.1940. 17161111 60. 0610. 0400.4200. 28202322 70. 0320. 0270.3140. 21151211 80. 0120. 0210.1710. 13711111 表 5 重庆市不同区域和不同方位空气污染监测值及评价结果mg m3 区域SO2NOxTSP AF 评价法 PI评价等级 文献[ 13] 评价等级 区域SO2NOxTSP AF 评价法 PI评价等级 文献[ 13 ] 评价等级 城郊0. 1120. 0540. 2240. 258522东南0. 0740. 0290. 1720. 187611 近郊0. 1120. 0490. 2030. 246322西南0. 0760. 0340. 2350. 216412 远郊0. 0430. 0170. 1780. 152811西北0. 1010. 0420. 1810. 224011 东北0. 0960. 0530. 2170. 244822 5 结论 1 基于 GB3905-2000 空气质量标准, 在设定各 项空气污染物的危害浓度“参照值”基础上,应用鱼群 算法优化得出了适用于多项空气污染物幂函数加和 型综合指数公式 9 , 并把单指标的评价指数公式作 为特例包括在内 ,因而该公式具有普适性。 2 优化得出的普适公式 9 被应用于较多实例 分析计算中, 并与其他多种评价方法结果进行了比 较,表明该评价公式具有合理性和实用性 。 参考文献 [ 1] Hass H, Builtjes P J H, Simpson D.Comparison of model results obtained with several European regional air quality models.Atmos. 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SW 型烟气净化器纯水水浴脱硫实验研究. 西南科技大学 学报,2004, 19 2 76 -79 作者通信处 陈常蕊 102249 中国石油大学 北京 化工学院 122信箱 电话 010 89734820 E -mail chenchangrui99163 . com 2008- 02-28 收稿 上接第 82页 [ 3] 李祚泳.大气环境质量评价的标度指数法. 中国环境科学, 1998, 18 5 433 -436 [ 4] 李祚泳, 汪嘉杨, 赵杰颖, 等. 基于模拟退火算法的空气污染危 害指数及其应用. 系统工程, 2007,25 6 62 -66 [ 5] 李祚泳, 彭荔红. 基于韦伯 -费希纳拓广定律的环境空气质量标 准. 中国环境监测, 2003,19 4 17-19 [ 6] 杨晓华, 杨志峰, 郦建强, 等. 大气环境质量综合评价的物元分 析方法. 环境工程, 2003,21 5 69-70 [ 7] 李祚泳, 丁晶, 彭荔红. 环境质量评价原理与方法. 北京 化学 工业出版社, 2004 [ 8] 李晓磊, 邵之江, 钱积新. 一种基于动物自治体的寻优模式 鱼 群算法. 系统工程理论与实践, 2002, 22 11 32 -38 [ 9] 李晓磊, 薛云灿, 路飞, 等. 基于人工鱼群算法的参数估计方 法. 山东大学学报 工学版 , 2004,34 3 84 -87 [ 10] 丁桑岚. 环境评价概论. 北京 化学工业出版社, 2001 24 -35 [ 11] 罗龙胜, 熊维川, 黎江, 等. 广安市大气环境质量现状评价与优 化布点监测. 四川环境, 2002,21 3 56 -60 [ 12] 张礼兵, 程吉林, 金菊良, 等. 改进属性识别模型及其在城市环 境质量综合评价中的应用. 环境工程, 2006, 24 3 74 -76 [ 13] 李其林, 黄昀, 李传义, 等. 重庆市蔬菜基地大气质量评价及污 染特征. 四川环境, 2004,23 1 75-77 作者通信处 李祚泳 610041 成都市人民南路三段 6号 成都信息 工程学院 电话 028 85533762 E -mail lizuoyong cuit. edu. cn 2008- 04-10 收稿 19 环 境 工 程 2008年 10 月第 26卷第 5 期 APPLICATION OF MBR TECHNOLOGY IN TREATMENT OF PCB s WASTEWATER Wu Shiwen 68 Abstract The practical application ofMBR technology in treatment of PCB s wastewater was introduced. The operation results show that the MBR system is stable with quality effluent under the following conditionsthe influent COD of 1 500 mg L, Cu2 of 1. 5 mg L, MLSS of 6 000～ 8 000mg L and DO of 2～ 4 mg L, with the system temperature of 20～ 40℃, residence time of 10 h and aeration quantity of 40 ～ 43 m3 min. The average removal rate of COD is over 87 and that of Cu2is about 70. Keywords MBR technology PCB COD Cu2 treatment of wastewater ENGINEERING PRACTICE AND STUDIES ON SLAUGHER WASTEWATER TREATMENT Guo Ting Yang Ping Wang Honglei 70 Abstract The slaugher wastewater was treated with hydrolytic acidification -CASS technology. The operational results prove that the CASS technology has good effectiveness. Various fouling inds of the effluent meet the first class of Discharge Standard of Water Pollutants of Meat Packing Industry GB13457 -92. Keywords slaugherhouse wastewater treatment hydrolytic acidification CASS PRETREATMENT OF REFUSE LEACHATE BY COOPERATION FUNCTION OF HIGH MAGNET- IC POWDERTang Yanchao Cheng Yue Fu Mingliang 72 Abstract The cooperation function of high magnetic powder Fe3O4and abio -coagulant Al2 SO4 3were studied in this paper. The result indicated that the flocculation effectfrom complex use of Fe3O4andAl2 SO4 3was better thanuse of Al2 SO43only . When dosage of Al2 SO43 is 2. 0 g L, Fe3O4is 1. 6 g L, stirring rate is150 rpm, pH is3. 0, sedimentation time is 5min, the COD removal rate of leachate is 70. The sedimentation velocity of colloidal particle is picked up evidently in flocculation. Keywords high magnetic powder cooperation function leachate flocculation RESEARCH ON MAIN FACTORS OF INFLUENCING BIOLOGICAL P -PEMOVAL IN EBPR SYS - TEMCai Tianming Cai Shu Ning Qiang et al 74 Abstract Taking enhanced biological phosphrous removal EBPR system as the object of study, it was researched the effects of influent s acetate concentration after keeping anaerobic condition for 2h, the concentration of acetic acidhas less effect on PR. The suitable pHwas6. 0～ 7. 0for anaerobic PR, aerobic obso - rption of phosphorus and COD degradation. When pH was larger than 8 . 0 the system would lose EBPR capacity and PR was only 39. 7. If the age was 4 d the concentration of P in the effluent was lower and the system would have the best running effect. Keywords EBPR acetate concentration pH sludge age DESIGNOF COMPOSITIVE WASTEWATER TREATMENT PLANT OF A LARGE TEXTILE COR - PORATIONLi Fang Yang Bo Tian Qin et al 77 Abstract According to the characteristics of the compositive wastewater in a large textile corporation, the process of coagulating sedimenta - tion and biological treatment was adopted in this project.The sludge reduction technique was taken into account in this design.The practice showed that the effluent quality met the requirement of Grade Ⅰ of “ National Textile Wastewater Discharge Standard” GB4287 -92and part of bio -filter effluent was reclaimed. The excellent biological sludge reduction was obtained during the run. Keywords textile dying and finishing compositive wastewater sludge reduction A UNIVERSAL EXPONENTIAL ULA OF AIR QUALITY ASSESSMENT BASED ON ARTIFI- CIAL FISH SWARM ALGORITHMLi Zuoyong Wang Jiayang Wu Min 80 Abstract By setting up benchmarks for air quality indices, a universal exponentialula with power function for multi -indices of air pol - lutant is put forthfor uating air quality. Artificial fish swarm algorithm AF was used for optimizing the parameters in the ula. uation of air quality of several cases, using the simplified ula with power function, while comparing with results of other s, shows that the modified universal ula becomes simple, easy , practical, applicable and free of the confine of kinds and numbers of pollutant. Keywords air quality assessment uation exponent artificial fish swarm algorithm parameters optimization DETERMINATION OF SOLUBLE ORGANIC FRACTION BEFORE AND AFTER FILTRATION OF DIESEL EXHAUST PARTICULATES WITH CHROMATOGRAPHY-MASS SPECTROMETRY Liu Liping Xiao Fuming Tian Maocheng et al 83 Abstract First, particulates of the diesel engine were collectedwith self-designedbag -type particulates filtration system. Then, the organic soluble fractions SOFin diesel exhaust particulates have been extractedwith ultrasonic separator and analyzed by gas chromatography-mass spec - trometry GC -MS. The results showed that components of soluble organic fraction before and after filtration were changed a little. Alkanes were mostly , with some polycyclic aromatic hydrocarbons PAHs . The content of alkanes and PAHs couldbe decreasedobviously using bag -type par - 5 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 26, No. 5,October, 2008