基于遗传算法的河流水质模型参数估值系统研究

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1、两南交通大学硕士研究擞学位诧文第l 页摘要利朋河流水质模嬲进行河流水质的数学模拟是河流流域环境规划、环 境影响评价等工作中的有力工具。河流水质模型应用中的关键问题怒模型 参数瓣售篷。多参数簸魏纯傣篷方法在淫滚承蔟搂篓熬参数继蓬翊戆中翼 有明最的经济和技术上的优越性。 河流水质模型多参数最优化估值在原理上归结为一个有约束非线性规 划目憨静求解。 本文研究将遗传算法( G e n e t i cA l g o r i t h m s ) 应用于河流水质模型的多参 数最拨诧 轰毽，掇据涎渡瘩溪模型多参数最缎纯售域闼题妁蜜骣，邀 亍了估值遗传算法的设计。包括： 1 遗传基因型的设计； 2 。适应凄函数

2、鹣设诗及茭尺度交换； 3 遗传策略设计。Q U A L 2 E 是一个灵活通用的综合性河流水臻模型。本文在算法设圣 一豹 基础上进行了Q U A L 2 E 模型参数估值系统静开发和程序的编澍，开发了一 个基1 ：遗传算法的Q U A L 2 E 模型参数估值演示系统，并进行了估值冀例纳 验涯弱分聿露。经验诞，本文设诗豹藩健遥转算法吴煮较蹇麴然篷霹纛蛙和搜索效率。 研究表明，遗传算法能够圆满、黼效地完成较为复杂的i 可流水成模型 的参数往值，德褥在疲蠲中和瑷推广。关键谰；涎溅承痰援罄；参数毡擅；遗铸算法；Q U A L 2 E西南交通大学硕士研究生学位论文第1I 页A b s t r a c

3、tM a k i n gu s eo ft h es t r e a mw a t e rq u a l i t ym o d e lt oc a r r yo nm a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o ni sap o w e r f u lm e a n so f e n v i r o l m a e n t a lp l a n n i n ga n de n v i r o n m e n t a li m p a c ta s s e s s m e n to fr i v e rd r a i n a g eb a s i n ，a n

4、de t e T h ek e yi s s u eo ft h ea p p l i c a t i o no f t h es t r e a mw a t e rq u a l i t ym o d e li st oe s t i m a t et h em o d e lp a r a m e t e r M u l t i p a r a m e t e r - o p t i m i z a t i o nw a yo f p a r a m e t e re s t i m a t i o nh a sc l e a rs c i e n c ea n dt e c h n i

5、 q u ea d v a n t a g ei np a r a m e t e re s t i m a t i o no f t h es t r e a mw a t e rq u a l i t ym o d e l T h et h e o r yo ft h em u l t i - p a r a m e t e r - o p t i m i z a t i o nw a yo fp a r a m e t e r e s t i m a t i o no fs t r e a mw a t e rq u a l i t ym o d e li st os o l v eac

6、 o n s t r a i n e dn o n l i n e a rp l a n n i n gi s s u e T h i sp a p e ra p p l i e sG A( G e n e t i cA l g o r i t h m s ) t ot h em u l t i - p a r a m e t e r - o p t i m i z a t i o nW a yo fp a r a m e t e re s t i m a t i o no f s t r e a mw a t e rq u a l i t ym o d e l ，a n dd e s i g

7、 n st h eg e n e t i ca l g o r i t h m sa c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c eo ft h em u l t i p a r a m e t e r - o p t i m i z a t i o nw a yo fp a r a m e t e re s t i m a t i o no ft h es t r e m nw a t e rq u a l i t ym o d e l ，i n c l u d i n g ：1 D e s i g no f t h eg e n em o d e l ；2 D

8、 e s i g no f t h ef i t n e s sf u n c t i o na n dt h ef i t n e s ss c a l i n g ；3 D e s i g no f t h eh e r e d i t a r yp o l i c y Q U A L 2 Ei saf l e x i b l ea n dc o m p r e h e n s i v es t r e a mw a t e rq u a l i t ym o d e l O nt h eb a s i so fa l g o r i t h md e s i g n ，t h i sp

9、a p e rp r o g r a m st or e a l i z et h eG Aa n dd e v e l o p sad e m op a r a m e t e re s t i m a t i o ns y s t e mo fQ U A L 2 Em o d e lb a s e do nt h eg e n e t i ca l g o r i t h m s T h e nc o r r o b o r a t e sa n da n a l y z e st h es y s t e mw i t hp a r a m e t e r e s t i m a t i

10、 o ne x a m p l e s C o r r o b o r a t i o nc o n f i r m st h a tt h ep a r a m e t e re s t i m a t i o ng e n e t i ca l g o r i t h md e s i g n e db yt h i sp a p e rh a sh i g hr e l i a b i l i t ya n ds e a r c he f f i c i e n c y R e s e a r c hi nt h i sp a p e ri n d i c a t e st h a tt

11、 h eg e n e t i ca l g o r i t h mC a na c c o m p l i s ht h ec o m p l i c a t e dp a r a m e t e re s t i m a t i o no ft h es t r e a mw a t e rq u a l i t ym o d e lp e r f e c t l ya n de f f e c t i v e l y ，a n di sw o r t h yo f b e i n gp o p u l a r i z e d K e yw o r d s ：s t r e a mw a

12、t e rq u a l i t ym o d e l ；p a r a m e t e re s t i m a t i o n ；g e n e t i ca l g o r i t h m s ；Q O A L 2 Em o d e l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页1 1 问题的提出第1 章绪论1 1 t 河流水质模拟与河流水质模型定量模拟河流水质的时空变化是进行河流流域环境规划、环境影响评 价等工作时不可缺少的步骤，是进行河流流域环境管理的有力工具。例如 在进行工程建设项目对水环境质量的影响预测和评价，对连续的或突发的 排污迸行水质影响的评价和描述，以及在制定区域水污染控制系

13、统规划或 进行污染控制的系统分析等过程中，都涉及到水环境质量在空间和时间上 的变化问题，需要迸行水质的定量模拟。因此，河流水质定量模拟的方法 和技术受到了许多环境学者的重视和关注。河流水质定量模拟f 门办法根j l ! ：其所采川模型系统的不I 司可以分为物础 模拟、电模拟和数学模拟。【1 1 物理模拟和电模拟均为有实物模拟，分别采用按比例缩小的物理模型 和电模型作为模拟工具。用这两种方法进行河流水质的定量模拟往往需要 耗费较大的人力、物力、财力。同时，在技术上，除了模拟河流的局部水 文、水力特性外，在模拟水质方面大多难以达到相当的真实性和准确性。 因此国内外学者对数学模拟给予了普遍的重视。

14、数学模拟的主要工具是电子计算机。作为一种非实物的模拟方法数 学模拟无需采用专门的仪器和设备，因而可以节省大量的人力、物力、财 力。在技术上，数学模拟由于采用电子计算机，其模拟的速度、灵活性和 准确性是其他模拟方法无法比拟的。利用电子计算机模拟，可以在一个受 控的环境中进行各种状态及影响因素的考察，许多在物理模拟和电模拟中 无法实现的如临界状态等在数学模拟中可以“随心所欲”的进行研究，从 而在深度和广度上取得更加有意义的模拟和预测的数据和资料。数学模拟 还可以根据各种各样的需要和可能进行多方案的模拟和比较，为决策提供 大量的信息和多种选择的可能。另外，在物理模拟和f 乜模拟中，进行两个 变量的试

15、验就会遇到困难，进行两个以上变量的试验就几乎不可能了；而 在数学模拟中，人们可以不受变量数目的限制，同时考察多变量因素的影 响。 近年来，随着电子计算机软、硬件技术的飞速发展，电子计算机的求西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页肼能力大_ 人提高，价格) f ；断降低，使利川汁算机进行复杂的河流水质模拟 成为可能。建立数学模型，以电子计算机为工具进行河流水质的数学模拟 已成为科研和实际工作中普遍采用的进行河流水质定量模拟方法。在大多数_ _ = f ：境科学与工程类文献中，除非特别指明，河流水质模拟均指河流水质 数学模拟，河流水质模型均指河流水质数学模型。本文在表述中亦遵守这样的习惯。1 1

16、2 河流水质模型参数估值问题国外对河流水质模型的研究开始于1 9 2 0 年代。自1 9 2 5 年， S t r e e t e r - P h e l p s 建立第一个河流水质模型s P 模型以来，国际上对河流水质 模型的研究大致经历了四个阶段： 笫一阶段为1 9 2 5 1 9 6 5 年，丌发了比较简单的B O D D O 的双线性系统 模型，对河流水质问题采用了一维的计算方法。 第二阶段为1 9 6 5 1 , 9 7 0 年，随着计算机技术的应用和河流水环境问题认 识的深入，河流水质模型发展为六个线性系统，计算方法山一维演进到二维。 第三阶段为1 9 7 0 1 9 7 5 年，研究和发展了相互作用的非线性系统模型 涉及到营养物质氮、磷的循环浮游动物和浮游植物及其与营养物质、阳 光、温度的关系等。利用数值方法进行非线性系统的求解，空问上采用一维和二维方法进行计算。 第四阶段为1 9 7 5 年以后，发展了多种相互作用的模型系统，空间尺度 已经发展到三维。模型复杂性大大提高，变量数目迅速