人工濕地模型邊界問題理論及應(yīng)用技術(shù)的研究——以南四湖新薛河人工濕地為例.pdf

1、本課題來源于國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)“南四湖退化濕地生態(tài)修復(fù)及水質(zhì)改善技術(shù)與示范課題”(課題編號(hào)為2009ZX07210-009)中的子任務(wù)“水質(zhì)水量調(diào)度方案的研究”。課題組成員在前期已利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了新薛河人工濕地預(yù)測(cè)模型，模型的預(yù)測(cè)結(jié)果較好。但在對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證和應(yīng)用的過程中，發(fā)現(xiàn)模型存在邊界問題，該問題會(huì)導(dǎo)致所建模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值間的誤差偏大，降低了模型的準(zhǔn)確性及實(shí)用性，且極有可能影響網(wǎng)絡(luò)的收斂性和精度。
　

2、　因此，本文從系統(tǒng)科學(xué)的角度出發(fā)，以南四湖新薛河人工濕地為研究對(duì)象，首先通過對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建機(jī)理和模型邊界問題進(jìn)行理論研究，論證了采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行人工濕地水質(zhì)水量預(yù)測(cè)的可行性，并選擇BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立人工濕地預(yù)測(cè)模型；探討了模型邊界問題的由來和解決方法，經(jīng)過對(duì)比分析，選取了常用且較簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)擴(kuò)展方法來解決該問題。然后，應(yīng)用理論研究的結(jié)果，分季節(jié)對(duì)濕地的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擴(kuò)展；利用擴(kuò)展后的進(jìn)出水?dāng)?shù)據(jù)，分季節(jié)重新建立了人工濕地的BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)

3、測(cè)模型，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性和解決方法的有效性，有效地解決了模型邊界問題。最后，應(yīng)用新模型確定了地表Ⅲ類水約束條件下的水質(zhì)水量調(diào)度方案。
　　本文的創(chuàng)新之處主要是：在理論研究的基礎(chǔ)上，采用數(shù)據(jù)擴(kuò)展方法有效地解決了模型邊界問題。本文獲得的主要研究成果如下：
　　(1)通過對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建機(jī)理進(jìn)行理論研究，論證了采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行人工濕地水質(zhì)水量預(yù)測(cè)的可行性，并選擇BP網(wǎng)絡(luò)建立人工濕地預(yù)測(cè)模型。
　　(2)對(duì)模型邊界問

4、題進(jìn)行了理論研究，探討了該問題的由來和解決方法，經(jīng)過對(duì)比分析，選取了常用且較簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)擴(kuò)展方法來解決該問題，并依據(jù)數(shù)據(jù)擴(kuò)展方法的研究進(jìn)展，選取了較簡(jiǎn)單且應(yīng)用較多的函數(shù)擬合法來對(duì)濕地的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)展。
　　(3)依據(jù)濕地的季節(jié)性劃分結(jié)果，利用Origin軟件，采用非線性擬合法，分季節(jié)對(duì)濕地的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擴(kuò)展，以解決模型邊界問題，提高模型的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，改善模型的網(wǎng)絡(luò)性能。
　　(4)分季節(jié)重新建立了濕地進(jìn)水水質(zhì)、水量與出

5、水水質(zhì)間的BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型。通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一系列的優(yōu)化設(shè)計(jì)與循環(huán)試算，確定了模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，即三個(gè)季節(jié)模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均為：一個(gè)輸入層、一個(gè)隱含層及一個(gè)輸出層的三層BP網(wǎng)絡(luò)，隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為14、14和12，訓(xùn)練函數(shù)分別采用trainscg函數(shù)、traincgf函數(shù)和trainscg函數(shù)。三個(gè)模型建立后，分別采用不同季節(jié)的檢驗(yàn)樣本對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，濕地2～5月模型兩組檢驗(yàn)樣本的相對(duì)誤差范圍為1.40％～16.14％

6、，6～9月模型的相對(duì)誤差范圍為0.75％～18.00％，10～12月模型的相對(duì)誤差范圍為0.82％～20.04％。查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料可知，三個(gè)模型的預(yù)測(cè)誤差均在可接受的范圍內(nèi)，表明網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練成功，網(wǎng)絡(luò)性能能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。
　　(5)將訓(xùn)練好的三個(gè)季節(jié)模型進(jìn)行應(yīng)用。經(jīng)預(yù)測(cè)，在保證新薛河人工濕地的出水水質(zhì)達(dá)到地表Ⅲ類水的標(biāo)準(zhǔn)要求下，濕地2～5月的進(jìn)水負(fù)荷應(yīng)滿足：水量≤9774m3/d，CODCr≤32.07mg/L，氨氮≤4.08

7、mg/L，TN≤10.53mg/L，TP≤0.14mg/L；6～9月的進(jìn)水負(fù)荷應(yīng)滿足：水量≤33431m3/d，CODCr≤44.22mg/L，氨氮≤1.65mg/L，TN≤5.74mg/L，TP≤0.10mg/L；10～12月的進(jìn)水負(fù)荷應(yīng)滿足：水量≤11958m3/d，CODCr≤33.04mg/L，氨氮≤2.03mg/L，TN≤10.56mg/L，TP≤0.15mg/L。
　　(6)通過與濕地的實(shí)際調(diào)水情況進(jìn)行對(duì)比分析，得出本

8、文所建模型的預(yù)測(cè)結(jié)果比之前本課題成員所建模型的預(yù)測(cè)結(jié)果更接近于濕地的實(shí)際調(diào)水情況，誤差較小。這說明利用擴(kuò)展后的數(shù)據(jù)所建立的模型，更適用于對(duì)新薛河人工濕地的進(jìn)水水質(zhì)水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)，其準(zhǔn)確性和實(shí)用性也得到了提高，即本文有效地解決了模型邊界問題。本文所選的數(shù)據(jù)擴(kuò)展方法適用于解決神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的邊界問題。
　　(7)利用模型的預(yù)測(cè)結(jié)果，分季節(jié)建立了濕地的水質(zhì)水量調(diào)度方案。模型的預(yù)測(cè)結(jié)果是地表Ⅲ類水約束條件下濕地的最大進(jìn)水負(fù)荷，同時(shí)也是水