基于支持向量机的城市湖泊水质评价研究

摘要

近年来，随着城市规模的不断扩大，人口的日益增长和经济的快速发展，水环境的污染问题日渐加剧，对区域经济发展、饮用水安全和生态环境构成了严重威胁，并且日益严重的水污染问题严重制约了我国经济社会的发展。根据《2010年中国环境状况公报》数据显示，由环保部组织监测营养状况的26个湖泊中，呈现富营养化的湖泊占42.3％。城市湖泊几乎全部处于重富营养化或异常营养化状态，绝大多数大中型湖泊已在富营养化的边缘或已经处于富营养化状态（中华人民共和国环境保护部，2010）。因此，科学有效地揭示湖泊水质健康状况以及合理的水质评价，不仅可了解和掌握水体的污染程度和发展趋势，而且能为湖泊管理部门制定有效的控制方案及政府部门的环保决策提供有力依据。
　　本文基于以上情况，利用支持向量机模型良好的推广和泛化能力，以及在处理分类问题及小样本问题方面的优势，构建了湖泊水质评价模型，并运用此模型对白云湖的水质评价进行了研究。在两年多的研究时间内，对广州市白云区白云湖的水质进行了八次跟踪监测，获得了大批相关数据。依据国内外相关研究及湖泊的实际监测数据的分析，选取了溶解氧、化学需氧量、生化需氧量、氨氮、总磷、石油类在内的六项指标，并借鉴国家制定的环保标准对六项指标进行了分级，构建了由五个等级组成的以白云湖为研究对象的城市湖泊水质评价指标体系。最后，以评价指标为训练样本在支持向量机上进行训练，得到水质评价模型，并将该模型应用于白云湖水质评价中，进而获得白云湖的水质健康状况。结果显示，白云湖的水质2013年4月份比2011年1月份有明显好转，但其生态系统还十分脆弱，净化水质能力有限;广和泵站引水口的水质等级提高时，其出水水质也有相应的提高。根据评价结果，提出了对白云湖要进行全面截污，提高进水水质，并增加挺水植物、沉水植物的数量以及对石油类污染物的处理措施等方面的建议来改善湖泊水质健康状况。
　　此外，本研究中还将支持向量机的湖泊水质评价模型与传统的单因子评价法和模糊综合评价法进行了比较，评价结果显示，支持向量机水质评价模型较传统的评价方法而言，没有水质参评项目个数的限制，能够全面、客观地反映水资源各水质参评项目的综合污染程度，在小样本的情况下也能得到较好的分类结果，能够为决策者在制定决策时提供更加科学客观的依据，有助于促进环境友好型社会的一步发展，具有广阔的应用前景。

目录

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摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 水质评价的研究现状

1．2．2 水质预测研究现状

1．2．3 水质预测方法发展趋势

1．3 支持向量机与湖泊水质评价

1．4 研究内容

1．5 技术路线

第2章 研究材料及方法

2．1 研究区域概况

2．1．1 白云湖概况

2．1．2 白云湖人工设施布置情况

2．2 现场调研

2．2．1 2011年4月调研

2．2．2 2011年8月调研

2．2．3 2012年4月调研

2．3 样品采集

2．3．1 监测点设置原则

2．3．2 水质监测

2．4 本章小结

第3章 支持向量机理论

3．1 支持向量机的原理

3．2 支持向量机的算法

3．2．1 线性支持向量机

3．2．2 非线性支持向量机

3．3 本章小结

第4章 基于支持向量机的城市湖泊水质评价

4．1 基于支持向量机的水质评价模型

4．1．1 指标体系的建立

4．1．2 数据处理

4．1．3 模型训练

4．2 结果与讨论

4．3 与其他方法的比较

4．4 本章小结

结论

参考文献

致谢

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