基于灰色系統(tǒng)的COD排放量預測方法

來源：http://www.attrakmagnet.com/ 作者：余氯檢測儀 時間：2018-08-04

　　目前，我國水資源問題日趨嚴重，中國水資源現(xiàn)狀是總量比較豐富，但分布不均且人均占有量低;旱澇災害頻繁，水資源供需不平衡;水資源利用率不高，污染比較嚴重。COD 作為表征水質污染程度的重要指標，所以COD排放量一直被人們所重視。國家《“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案》中明確提出：到“十二五”末，全國的化學需氧量(COD)要比 2010年下降8%。因此，本文通過清河、凡河流域的基礎數(shù)據(jù)，對“十二五”末的COD排放量進行模擬預測，并根據(jù)預測的結果提出相應的解決措施。

　　1 研究背景與方法

　　1.1 研究背景

　　COD排放量包括工業(yè)COD和生活COD2部分，根據(jù)2005～2010年《鐵嶺市環(huán)境狀況公報》數(shù)據(jù)分析，近些年來在鐵嶺社會經(jīng)濟不斷發(fā)展的情況下，COD排放量得到很好的控制。在“十一五”期間對重點排污企業(yè)經(jīng)行關停并轉整治，COD排放總量從2007年起得到明顯的改善，工業(yè)及生活的COD排放量均有下降，全市通過工程治理、結構調(diào)整和監(jiān)督管理3大措施，COD排放量實現(xiàn)“十一五”期間下降16.3%，2項減排指標均完成“十一五”減排任務。

　　1.2 方法的選擇

　　對清河、凡河流域COD排放量的預測是環(huán)境績效評估和管理工作的基礎。流域COD減排量的預測，是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，采用適合的預測方法根據(jù)時間推斷出變化規(guī)律，由于各個方法的基礎理論的不同，預測方法可以分為5類：數(shù)理統(tǒng)計預測法、灰色系統(tǒng)理論預測法、神經(jīng)網(wǎng)絡模型預測法、水質模擬模型預測和混沌理論預測5種方法。表1從理論基礎、適用條件、對數(shù)據(jù)資料的要求以及方法應用的難易程度4個方面對5類COD排放量預測方法進行綜合分析比較。

　　每種預測方法都有其自身的優(yōu)點和不足，建立清河、凡河流域COD排放量預測模型時必須考慮年COD排放量和待預測的歷史數(shù)據(jù)的特點、預測目的和預測期的長短，結合每年清河、凡河流域COD排放量的變化規(guī)律，篩選出適合該流域的預測方法。

　　清河、凡河流域的COD排放量系統(tǒng)就是一種灰色系統(tǒng)，它有已知信息部分，如2005～2010年的COD排放量，更有未知信息部分，如未來“十二五”期間2011～2015年的COD排放量。即使歷史的及未來的許多因素、變量，如經(jīng)濟、人口、污染源排放情況及污水處理廠建設情況等也是未知的或未確定的。于是在本文引入灰色系統(tǒng)常用的灰色GM(1，1)模型來對清河、凡河流域的十二五期間COD排放量進行預測。

　　1.3 基于灰色系統(tǒng)的COD排放量預測方法

　　1.3.1 灰色系統(tǒng)理論

　　“灰色理論”是以“部分信息已知，部分信息未知”的“小樣本”、“少信息”的系統(tǒng)為研究對象，通過對已有信息的分析、建模以及控制和優(yōu)化，從中提取有價值的信息，以完成對系統(tǒng)運行演化及行為規(guī)律的準確描述并實施有效的監(jiān)控。該方法還采取了從總體到部分再由部分到整體的思路，能夠把宏觀和微觀結合起來，并從不同角度、不同方位來深入研究問題，有利于挖掘不確定系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律。GM(1，1)灰色系統(tǒng)理論認為：灰色性極其具有廣泛性，系統(tǒng)的隨機性和模糊性是灰色性的2個不同方面的性質，因此灰色系統(tǒng)理論能應用于各個領域的研究。

　　1.3.2 灰色系統(tǒng)理論研究的基本方法

　　系統(tǒng)分析法有，如方差分析法、回歸分析法、主成分分析法等。其中，回歸分析法是應用比較多的。

　　GM(1，1)灰色模型是系統(tǒng)分析法理論中提出的一種新的預測模擬方法，也叫系統(tǒng)灰關聯(lián)度法。是通過對各個指標因素間的發(fā)展趨勢的差異后相似程度進行分析，最終求得各指標因素間的關聯(lián)性。灰關模型是分析發(fā)展態(tài)勢，對樣本的熟練要求較少，而且計算量較小，不會出現(xiàn)灰關聯(lián)度定量結果與定性分析不一致的情況?；疑碚搶㈦S機變量當作一定范圍內(nèi)變化的灰量，將隨機過程當作是在一定時間及空間區(qū)域變化的灰色過程。

　　1.3.3 GM(1，1)灰色預測模型概述及建立

　　目前應用灰色模型進行預測時，最常用的是GM(1，1)模型。GM(1，1)灰色預測模型實際上是一種對單因素趨勢進行推斷的一種預測方法。以微分方程的形式表達出來，所揭示的是隨時間變化的COD排放量的連續(xù)過程。其基本思路是直接在歷史數(shù)據(jù)中尋找統(tǒng)計規(guī)律和概率分布規(guī)律的統(tǒng)計方法。

　　從數(shù)學的角度上看灰色預測的解，相當于冪級數(shù)疊加，其中包含了一般線性回歸和冪級數(shù)回歸內(nèi)容，故灰色預測模型要比一般的線性回歸預測模型準確，將非線性回顧和指數(shù)曲線之間擬合，也較確定性時間序列預測技術優(yōu)秀。但是此模型在進行預測時也存在一些不足之處，用這種模型進行預測的結果，精度較高的只有最近幾年的數(shù)據(jù)，越往后面幾年預測發(fā)展，結果的誤差就越大，該模型的預測意義就不存在了，其不適合于長期的數(shù)據(jù)預測。對此，在實際建模過程中，對此模型進行了改進，對該模型的預測結果進行殘差修正，并且結合殘差序列的周期性分析來修正模型， 從而將改模型的預測的精確度大大提高。

　　選用灰色預測模型預測2011～2015年COD排放量，那么以對COD排放量的預測，建立了預測模型。

　　1.3.3.1 原始數(shù)列

　　3 結語

　　應用GM(1，1)模型對2005～2010年“十一五”期間清河、凡河流域COD排放總量數(shù)據(jù)進行趨勢分析以檢驗方法的準確性，得到的檢驗結果誤差均在允許范圍內(nèi)，而后又對清河、凡河流域2011～2015年“十二五”期間COD排放總量進行了定量預測，根據(jù)預測結果可知，至2015年清河流域COD排放總量6014.7t，凡河流域COD排放總量436.72t，從預測出來的減排趨勢結果來看，COD減排量超額完成國家綱要中提出的在“十二五”期間COD排放總量削減8%的目標。 　　參考文獻

　　[1] 張利平，夏軍，胡志芳.中國水資源狀況與水資源安全問題分析[J].長江流域資源與環(huán)境，2009，18(02)：116-120.

　　[2] Cammara A S，Randall CW.The model[J].Journal of Environmental Engineering，ASCE，1984，110 (05)：993.

　　[3] Thomann R V.The further"Golden Age"of predictive models for surface water quality and ecosystem management[J].Journal of Environmental Engineering，1998，124(03)：94-103.

　　[4] 徐祥發(fā).評價指標相關性消除的方法研究田[J].系統(tǒng)工程理論與實踐，2002，22(11)：1-5.

　　[5] 李亮，吳瑞明.消除評價指標相關性的權值計算方法田[J].系統(tǒng)管理學報，2009，18(02)：221-225.

　　[6] 李艷雙，曾珍香，張閩，等.主成分分析法在多指標綜合評價方法中的應用[J].河北工業(yè)大學學報，1999，1(28)：94-97.

　　[7] 吳殿廷，李東方.層次分析法的不足及其改進的途徑.[J].北京師范大學學報，2001，40(02)：264-268.

　　[8] 嚴麗坤.相關系數(shù)與偏相關系數(shù)在相關分析中的應用[J].云南財貿(mào)學院學報，2003，19(03)：78-80.

　　[9] 薛薇統(tǒng)計分析與SPSS的應用[M].北京：中國人民大學出版社，2008：266.

　　[10] P.Vieira，H.Alegre，M.j.Rosa，etal.Drinking water treatment plant assessment through performance indicators[J].Water Science&Technology：Water Supply-WSTWS，2008：245-253.

　　[11] P.Vieira，C.Silva，M.J.Rosa，et al.A PI system for drinking water treatment plants?Cframework and case study application[J].Performance Assessment of Urban Infrastructure Services.2008：389-402.

　　[12] 靳燕，陳大興，辛亮.寧夏總量減排與環(huán)境質量改善的相關性分析[J].環(huán)境監(jiān)控與預警，2011，3(06)：33-37.

　　[13] 張妍，楊志峰，何孟常，等.基于信息熵的城市生態(tài)系統(tǒng)演化分析田[J].環(huán)境科學學報，2005，25(08)：1127-1134.

　　[14] 黃定軒.基于客觀信息熵的多因素權重分配方法[J].系統(tǒng)工程理論方法應用，2003，12(04)：321-324.

　　[15] 李睿.天津市水污染物總量分配方法研究[D].天津：天津大學碩士學位論文，2007.

　　[16] 方棟，高翔霞.邯鄲市排放總量控制研究 [J].環(huán)境科學，1994，15(04)：14-18.

　　作者簡介：謝軼(1982-)，女，碩士。研究方向：從事水環(huán)境質量綜合分析研究。

——本文由豐臨科技整理發(fā)布，內(nèi)容供參考，如有侵權，請聯(lián)系刪除，謝謝！上海豐臨科技有限公司為你提供濁度儀(濁度計)、在線濁度儀、余氯儀、余氯分析儀、工業(yè)在線pH計、cod測定儀、pH計等多種水質檢測儀，水質分析儀，歡迎您前來選購，豐臨科技竭誠為您服務！