论文资料：长江水质的评价与预测.doc

精品文档 免费阅读 免费分享 如需请下载！长江水质的评价与预测付 红，毕 斌，贾智钦指导教师：郑继明摘要：本文涉及多个方面的问题，包括了对水质的综合评价与各地区水质污染状况的分析，污染源的确定，水质污染发展趋势预测，以及建立在这三个问题基础上的科学治污措施。问题1采用模糊数学理论，针对主要的水质监测指标，建立了模糊综合评判模型，对长江两年多的水质情况做出综合评价，并分析各地区水质的污染状况。问题2建立起关于自净系数的数学模型，通过定量的计算，将上游江水只通过自然净化流到下游时各污染物的浓度与在下游观测点实际所测的数据比较分析，确定了长江干流主要的污染源所在。问题3预测了水质的发展趋势，采用熵权属性识别模型，根据不同综合指数对水质未来的变化做出了定量描述和计算。问题4中建立了线性规划模型，以长江干流的类和类水的比例控制在20%，以及不能有劣类水，作为不等式约束条件，以未来10年所处理的污水总量最小为目标函数，得出了每年需处理的污水量。问题5从科学化，制度化，规范化等几个角度给出了解决长江水质污染问题的切实可行的参考建议和意见。关键词：模糊综合评判；自净系数；熵权属性识别；拟合；线性规划1 基本假设1）每个观测站(地区)的水质污染主要来自于本地区的排污和上游的污水。2）江河自身对污染物都有一定的自然净化能力，且长江干流的自然净化能力是均匀的。3）只考虑溶解氧(DO)、高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮(NH3-N)、PH值等指标对水质污染的影响。4）第个观测站与其下一个站点之间的江段的水流速等于在第个观测站点的水流速。5）进行权值统计分析时，假设、劣类水质权值分别为1、2、3、4、5、6、7。）采用水质监测指标的模糊综合评判法分析时，对某监测站03年6月到05年9月所有监测数据取平均值，不考虑取平均值带来的误差，也不考虑PH值对水质的影响。2 问题分析问题1要求对长江近两年多的水质情况做综合评价，并分析水质污染状况。通过对长江水污染情况（附表3）的深入分析，发现可以用两种不同方法进行分析，权值统计分析法和模糊综合评判法，最终我们选择了采用主要对水质监测指标的模糊综合评判法定量分析，科学性强，但评判过程较复杂。问题2要求通过研究分析，找到长江干流主要的污染源集中在哪些地区。在解决该问题的过程中，我们首先通过建立数学模型，由污染物的浓度入手，通过定量的计算，分别求出了在不考虑支流和考虑支流的情况下对干流的影响，比较分析得出科学的结论，找出污染源的主要集中区域。问题3的处理中，从不同的角度出发，通过对近十年的数据分析，对水文年时段干流与支流的综合考虑，应用熵权属性识别模型对长江水质的科学评价；根据不同的综合指数来对水质的变化情况做出定量描述，并运用熵值来确定权重系数，避免权重确定的主观臆断，从而对将来的变化做出科学的预测。问题4的分析过程中，将长江干流的类和类水的比例控制在20%以内转化成分别将这两类水中所含的各种污染物的质量控制在整个干流各种污染物质量的20%来建立不等式约束条件。另外考虑不能有劣类水，即每个河段内的水质的两项主要指标至少为类水的标准：高锰酸盐指数限值15，氨氮限值2.0，作为相应的约束条件，建立起以未来10年处理污水总量最小为目标的线性规划模型，从而解决了该问题。3 模型的建立与求解3.1 问题1 问题(1)要求对长江近两年多的水质情况做综合评价，并分析水质污染状况。通过对长江水污染（附表3）的深入分析，采用对主要水质监测指标的模糊综合评判法定量分析。首先通过分析，各种因素关于水质评价等级的隶属度函数可认为按线性变化，因此，除溶解氧（DO）一项外，其余几项对第级的隶属度可以按下式计算： 对于溶解氧（DO）项，则其对级的隶属度可表示为： 式中分别为附表地表水环境质量标准中各因素相邻的两个值。例如：当高锰酸盐指数(CODMn)=7mg/L时，在标准表中应属于IV级水质，但是根据式计算得：，说明其关于级水质隶属度为0.75，关于IV级水质的隶属度为0.25。由此可得模糊关系（模糊评判矩阵）： 式中表示第i种因素对第j级水质的影响，可由式和计算得出。至于各污染物因素在水质评判中所起作用的大小，可以用下面的一个关系表示出来（总因素） 其中，表示各级标准值的算术平均值，表示的溶解氧(DO)的隶属度，因其与水温有关不妨设，其中为实测溶解氧(DO)浓度时相应水温下的饱和DO浓度值，为各级标准的DO平均值。最后采用(B=A*R，总的评判结果)进行模糊综合评价，应先将归一化，即将改为，使。选取四川攀枝花龙洞监测的近两年的平均数据进行水质的综合评价（由于水质为IV类时,PH值都处于69范围，它并不能确切决定水质，故可以不考虑PH值的影响）。首先计算得出模糊评判矩阵，然后计算出总因素，最后采用 (B=A*R，总的评判结果)进行综合评价。 从上述结果可以看出，四川攀枝花龙洞附近水域水质关于级水质隶属度为0.963，关于级水质隶属度为0.037。采用同样的方法可以求解出长江流域其他地方水质污染情况。3.2 问题2根据附件3中所提供数据来分析长江干流近一年多主要污染物高锰酸盐指数和氨氮的主要污染源。 首先考虑江河自然净化设长江干流的自净系数为（此处我们取），将7个长江干流主要观测站点四川攀枝花、重庆朱沱、湖北宜昌等顺序按编号；将2004年4月到2005年4月按顺序编号，由于第个观测站与其下一个站点之间的江段的水流速等于第个观测站点的水流速，则：江水由第个观测站流到下个观测站需要的时间为： ； 而第个站点的主要污染物高锰酸盐指数和氨氮的浓度分别为：；通过江水的自然净化后，江水到达第个站点时的：高锰酸盐指数浓度应为：；氨氮的浓度应为： ；由附件3的数据可以得到第个站点处实测的高锰酸盐指数浓度：；氨氮的浓度：；及水的流量：；可以通过比较分析与，与得出长江干流近一年多主要污染物高锰酸盐指数和氨氮的污染源主要在那些地区。具体建模过程如下： 在不考虑各长江干流7个主要观测点之间的支流对长江干流排污的影响的情况下，在第个月污水由第个站点通过自然净化到达第个站点时的高锰酸盐指数浓度和氨氮的浓度分别为： ；其分别乘以第个站点处的水流量便得到单位时间内流过第个站点的污染物的质量。 ， ； 考虑某个观测站地区或两个观测站点之间支流对此江段的污染有影响的情况下，通过题目数据，即实际测得的第个站点处的高锰酸盐指数浓度和氨氮的浓度及水流量，得到求解单位时间内实际流过第个站点的高锰酸盐和氨氮的质量。 ， ；通过比较、统计分析两种情况下所得的结果可得长江干流主要污染物高锰酸盐和氨氮的污染源主要在四川攀枝花与朱沱之间的支流包括四川乐山岷江大桥地区，四川宜宾凉姜沟地区，四川泸州沱江二桥地区；和江西九江河西水厂与安徽安庆皖河口之间的支流包括江西南昌滁槎地区，江西九江蛤蟆石地区；另外，在湖北丹江口胡家岭点和湖南岳阳岳阳楼地区也是污染物氨氮的来源。3.3 问题3在不采取有效的治污措施的条件下，依照过去10年的主要统计数据，对长江未来10年水质污染的发展趋势做出分析。首先，我们通过对近十年的数据分析，通过对水文年时段干流与支流的综合考虑，利用熵权属性识别模型来对长江水质的评价；根据不同的综合指数对水质的变化情况做出定量描述，并运用熵值来确定权重系数，避免了权重确定的主观性，对变化做出科学的预测。(1) 基于熵权的属性识别模型在研究对象空间X取个方案，对每个方案要测量m个指标，第个方案的第个指标的测量值为，因此，第个方案可以表示为一个向量的形式：。设F为X上某类属性空间，为属性空间F的分割，以水质评价为例，假定F（水质污染程度）可以分为6类，即据地表水环境质量标准 (GB38382002)公布的标准，且彼此独立，满足，则是属性空间F的有序分割。由于属性集之间是可“比较”的，在水质评价中，可以认为污染程度越高越“强”，因此建立“强”序来进行综合评价。(2) 方法的属性测度假定，然后来计算第个方案第个指标值具有属性的属性测度再根据和的关系并通过其关系计算得到第个方案的个指标测量值的属性测度之后，然后计算第个方案的属性测度；在众多的评价指标中有可能体现出重要性相同的情况，也有可能不同；因此，必须考虑各个评价指标的权重的影响，计算各指标的权重： （7）由此可知道计算权重可计算得到属性测度的计算公式 （8）其中。按照评分准则，计算出： （9）式中为分数，其值与t取值一致，则可根据的大小对进行比较和排序。(3) 熵值法确定权重系数在信息论中，信息熵反映了信息无序化的程度，信息熵越小，系统无序度越小，系统无序度越小，信息效用值越大，反之亦然。对于所讨论的个方案的个评价指标的初始矩阵，决策矩阵显然是一种信息的载体，故可用信息熵评价所获系统信息的有序度及效用，由于信息熵可用来度量个指标的信息效用值，因此利用熵值法计算个指标的权重，其本质就是利用改指标信息的效用值来计算的，效用值越高，其对评价的重要性越大。步骤如下：1） 构件个方案的个评价指标的判断矩阵2） 把R归一化处理，得到B矩阵： （10） 上式中，、分别表示同指标下不同方案中最满意者或最不满意者（根据不同的情况），在水质评价中比如DO的含量就越大越好，而其它的基本上为越小越好。3） 根据熵的定义， 个方案个评价指标，可以确定评价指标的熵为：式中，4） 计算评价指标的熵权W： （11）在此对水质情况中的干流和支流河长与全流域的权重来反映与干流和支流占总体综合指数的权重。第年长江的总天污染情况，也就是说第年的综合指数的计算如下：根据式（9）、（10）、（11）可得： （12） （13）可求得其水质综合指标的平均值： （14）根据近10年的统计和假设条件，求出所需的参数如下表：在预测未来10年长江水质污染发展趋势时我们主要采取拟合的思想来对过去的主要统计数据进行处理。对长江未来水质污染的发展趋势的定量预测主要是以下几个方面的内容：1）每年长江总流量，废水排放总量；2）每年水平年的分析，即类、类、类、类、类、劣类水所占的干流中的河长。通过拟合得到以上各个方面预测的经验函数，通过经验函数来定量的分析未来水质污染的发展趋势。趋势分析和非线性回归分析都是根据时间序列的实际值建立模型，再利用模型来进行预测计算的。对废水排放的预测，首先对2001年的数据进行了线性平滑处理，使得这组数据为：174,179,183,189,207,234,245,256,270,285，对2005年到2014年的排污预测(单位：亿吨)：295.2500，307.5682，322.6818，343.1014，371.9003，412.7150，469.7448，547.7517，652.0612，788.5612。同理对长江总流量的预测，对水平年预测的分析，也可以采用类似的方法得出结果。3.4 问题4附件4数据中，水文年是指在一年内所有检测数据的平均值，因此我们根据水文年来考虑问题四中未来10年每年需对污水处理的情况。主要污染物高锰酸盐和氨氮相对独立的考虑，将类和类水这两种污染物比例控制在20%以内，通过污水处理之后没有劣类水作为约束条件。这样处理后，问题4就变成了一个线性规划问题，目标函数是使未来十年所处理的污水量最小。第年废水排放总量为：，处理的污水量为：，则剩下的废水总量为：； 第年水文年干流类水，类水，类水，类水，类水，劣类水的河长分别为：，因此第年长江干流6类水的总河长为：；第类水所占总河长的百分比为：；第年污水处理过后类水和类水所含污染物高猛酸盐的总量为：，而长江干流中所含的污染物总量为：，将高锰酸盐的比例控制在20%以内得：,同理，将氨氮的比例控制在20%以内得：。另外考虑不能有劣类水，即每个河段内的水质的指标至少为类水的标准：高锰酸盐指数限值15，氨氮限值2.0。建立约束不等式如下：对于高锰酸盐的标准的考虑：进行污水处理后，劣类水所含高锰酸盐的质量为：，而总的水体积为：，故为使污水处理过后劣类水不再存在，则处理后原劣类水的标准的限值为15，即： 。同理对于氨氮的标准：。于是，通过化简整理得到如下的线性规划模型，目标函数，在未来10年内所处理的污水总量最小。约束条件是（1）未来10年每年长江干流类水和类水的高锰酸盐和氨氮分别控制在20%之内（2）污水处理后原劣类水的高锰酸盐和氨氮的标准控制在类水标准之内。其中，只有是待求量，而其他变量均可以由问题3所得到的对未来10年各数据的预测或者从题目所给的附表中读出.根据问题3中未来10年每年废水排放总量、长江总流量、干流类水的河长、干流类水的河长、干流类水的河长、干流类水的河长以及干流劣类水的河长的预测结果，利用线性规划模型，用Lindo软件包可以方便解出结果，解得自2005年开始，每年所需要处理的污水分别为：(单位为:亿吨)；从计算结果可以看出为了满足长江干流的类和类水的比例控制在20%以内，而且没有劣类水，时间越往后每年所需要处理的污水量就越多，这与我们在问题(3)中对未来水质的预测是相符合的。3.5 问题5目前，长江流域的水质状况总体良好，局部严重。但是，这种局部严重正在向全局发展，主要现象有:上游森林覆盖率严重下降，泥沙含量增加，泥土大量流失带来了沙漠化，流域内生态环境急剧恶化，固体废物污染严重等等。对解决长江水质污染问题的切实可行的建议和意见1、大力提倡，积极表率，促进树立起全民的环保意识；2、树立和落实科学发展观，对于长江沿途污染排放极其严重的企业予以关闭，对于那些能够造成污染的企业，排出的废弃物和污水必须经过达标处理；3、上游地段做好防止水土流失，同时进行