（农业水土工程专业论文）湖库水质评价及水质模拟预测方法研究.pdf

摘要 在经济发展高速增长的同时，水环境问题日渐突出，迫切需要相应理论及技 术的支持。研究水体中污染物迁移转化规律，准确评价水环境状况，预测水环境 变化趋势，对于经济有效地防治水环境污染，具有重要的科学价值和现实意义。 本论文以国家自然科学基金重点研究项目“京蒙沙源区植被建设中水资源优 化配置研究”和内蒙古自然科学基金项目“西山湾水库水环境质量预测模型与水环 境改善对策研究”为依托，结合浑善达克沙地京蒙沙源区生态环境建设中生态需水 的实际，将环境科学、水利科学等学科进行交叉渗透，就模糊集理论、灰色系统 理论、自适应神经网络算法( a b p ) 、加速遗传算法( a g a ) 以及各种算法的结 合在水质评价中的应用进行了研究，就神经网络在水质模拟预测及水库富营养化 预测方面的应用进行了探讨，建立了基于a b p 和a g a 的水质评价、模拟预测模 型，旨在寻求一种评价结果客观、准确、评价过程简单而有效的评价预测方法。 ( 1 ) 在采集分析西山湾水库大量实测水质数据的基础上，建立了基于a g a 的模糊贴近度水质评价模型、基于a g a 的l o g 曲线水质评价模型和a = b p 水质 评价模型，采用上述模型以及模糊数学法、灰色关联法对水环境质量进行了现状 综合评价，并对各种方法进行了对比分析。 ( 2 ) 将a b p 模型用于串联水库水质的时空模拟与预测。根据水质在一维空 间和时间上的连续性，建立了模拟水质一维空间分布和时间分布的a - b p 串联模 型，并建立了二维a b p 模型。 ( 3 ) 采用a b p 模型和a g a 模型对水库的富营养化进行了评价：建立了基 于a b p 的富营养化指标预测模型，并对水库富营养化指标进行了预测。 ( 4 ) 推算了水库水环境容量，对入库污染源进行了分析预测，根据水污染控 制和生态修复理论，制定了水库水污染防治对策。 研究结果表明：较之其它方法，采用基于a g a 的模糊贴近度模型和a - b p 模 型进行水质评价可信度较高；采用a b p 模型各项水质指标模拟效果均较好，并 且体现出可同时模拟多个变量和模拟过程大为简化等优点；采用a g a l o g 和 a b p 进行水库富营养化评价，两种方法评价结果基本一致；在水库富营养化预测 的几种方法中，a b p 模型的预测精度高于其它方法；水环境容量推算结果表明， 西山湾水库已无t n 、t p 和c o d m 。的环境容量； b o d 5 、c o d 。仍有一定的环境 容量。 关键词：水质评价；水质模拟预测：富营养化评价预测：水污染防治：加速遗传 算法：自适应神经网络；湖库 s t u d yo nt h em e t h o d so f w a t e rq u z d i t y a s s e s s m e n ta n ds i m u l a t i o na n dp r e d i c t i o nf o rr e s e r v o i r s a b s t r a e t w h i l es p e e d i n g u p t h ed e v e l o p m e n to nt h ee c o n o m y , t h e p r o b l e mo fw a t e r e n v i r o n m e n ti sb e e np r o t r u d e dg r a d u a l l y s t u d i n go nt h ef a t ea n dt r a n s p o ro f t h ep o l l u t a n t s ， a s s e s s i n gw a t e fe n v i r o n m e n t a lq u a l i t ya n dp r e d i c t i n g i t s d e v e l o p m e n tt e n d e n c ya r e s c i e n t i f i c a l l yv a l u a b l ea n dp r a c t i c a l l ys i g n i f i c a n tt op r e v e n ta n dc o n t r o lw a t e re n v i r o n m e n t c o n t a m i n a t i o n s u p p o r t e db yak e yp r o j e c to fs t a t en a t u r a ls c i e n t i f i cf u n da n di n n e rm o n g o l i an a t u r a l s c i e n t i f i cf u n d ，a c c o r d i n gt ot h ee c o l o g i c a lw a t e rd e m a n di nh u n s h a n d a k es a n d l o t ， i n t e r c r o s s i n ge n v i r o n m e n t a ls c i e n c ea n dh y d r a u l i cs c i e n c e ，t h ep a p e ru s e df u z z ys e t s t h e o r y , g r e ys y s t e m st h e o r y a d a p t i v eb a c k p r o p a g a t i o na l g o r i t h m ( a b p ) ，a n d a c c e l e r a t i o ng e n e t i ca l g o r i t h m ( a g a ) t oa s s e s sa n dp r e d i c tw a t e re n v i r o n m e n t a lq u a l i t y ( 1 ) b a s e do nt h em o n i t o r i n gd a t af o rt h ex i s h a n w a nr e s e r v o ir ，f u z z yn e a r n e s sw a t e r q u a l i t ya s s e s s i n gm o d e lb a s e do na g a a n dl o gc h i v em o d e lb a s e do na g aa n da ：- b p m o d e lw e r ed e v e l o p e dt oa s s e e ew a t e rq u a l i t y ，t h er e s u l t sf r o mt h e s em e t h o d sw e r e c o m p a r e da n da n a l y s e d ( 2 ) a b pm o d e lw a sd e v e l o p e df o rs i m u l a t i n gw a t e rq u a l i t yd i s t r i b u t i o na n dc h a n g e w i t ht i m ea n ds p a c e ，t h es e r i e sc o n n e c t e da b pm o d e l sa r ep r o p o s e dt op r e d i c tl dw a t e r q u a i l t ya n dt i m ed i s t r i b u t i o n ( 3 ) t h ea g a m o d e la n da - b pm o d e lw e r ee m p l o y e dt oa s s e s se u t r o p h i cg r a d eo f r e s e r v o ir ( 4 ) t h ew a t e re n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yw a sc a c u l a t e da n dp o l l u t e dr a wo fr e s e r v o i r w a sa n a l y z e d ，a c c o r d i n gt ot h e o r yo fw a t e rp o l l u t i o nc o n t r o la n de c o l o g yr e s t o r a t i o n ， w a t e rp o l l u t i o nc o n t r o lm e a s u r e so fr e s e r v o i rw e r es u g g e s t e d i tw a sc o n c l u d e dt h a ta b pm o d e la n df u z z yn e a r n e s sm o d e lb a s e do na g aa r ec o n v i n c i b l e a n de f f e c t u a lt oa s s e s sw a t e rq u a l i t yc o m p a r i n gw i t ho t h e rm e t h o d s ；s i m u l a t i n gr e s u l t so f a - b p s p e n s e r ：b yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef u n d ( n o 5 0 1 3 9 0 4 0 ) a n di n n e rm o n g o l i an a t u r a ls c i e n c ef u n d ( n o 2 0 0 3 0 8 0 2 0 5 0 8 ) m o d e lf o rp r e d i c t i o nw a t e rq u a l i t yi n d e x si sm o r ep r e c i s i o n i tc a ns i m u l a t em o r ei n d e x e s s i m u l t a n e o u s l y , a n ds i m p l i 毋s i m u l a t i o np r o c e s s e s ；b o t ha g a a n da b pm o d e l sh a v e u n a n i m o u sa s s e s s i n gr e s u l t s ，w h i c hi n d i c a t e st h em o d e l sa r ev a l i d ；p r e d i c t i o np r e c i s i o no f a - b pm o d e lf o r e u t r o p h i c a t i o n i s h i g h e rt h a n o t h e rm e t h o d s ；r e s u l t so fw a t e r e n v i r o n m e n t a lc a p a c i t ys h o wt h a tx i s h a n w a nr e s e r v o i rh a sn oe n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yf o r t p t na n dc o d m n ，a n dh a ss t i l ls o m er o o mf o rb o d 5a n dc o d c r k e yw o r d s ：w a t e rq u a l i t ya s s e s s m e n t ：w a t e rq u a l i t ys i m u l a t i o na n dp r e d i c t i o n ： e u t r o p h i ca s s e s s m e n ta n dp r e d i c t i o n ：w a t e rp o l l u t i o nc o n t r o l ：a c c e l e r a t i o n g e n e t i ca l g o r i t h m ；a d a p t i v eb a c k p r o p a g a t i o n a l g o r i t h m ：l a k ea n d r e s e r v o i r d ir e t t e db y = p r o f c h a ol u n b a g e n a p p ii c a n t f o rd o c t o rd e g r e e ：m at a iii n g ( a g r i c u l t u r a l w a t e ra n ds o i l e n g i n e e r i n g j ( c o l l e g e o f w a t e r r e s o u r c ea n d c i v i l e n g i n e e r i n g o f i n n e r m o n g o l i a a g r i c u l t u r a l u n i v e r s i t y ，h u h h o t 0 1 0 0 1 8 tc h i n a ) 内蒙吉农业大学博士学位论文 l 1 引言 1 1 研究目的与意义 在经济发展和高速增长的同时。环境问题日渐突出，成为世晃范围内高度关注的 共同问题。水环境恶化对国家经济的发展产生严重影响和制约，水环境保护和生态建 设已经上升到国家战略发展的高度，迫切需要相应理论及技术的支持。国际上，水环 境研究从微观尺度向宏观尺度逐渐拓展，使研究所包括的层次更多，范围更广，内容 更丰富。发达国家在经历了发展经济、破坏环境、经济发达、重建生态的曲折发展历 程之后，目前已经将水环境保护从基础研究、技术层次提升到国家政策和立法的高度。 十分重视环境保护的理论、技术，规划、机制、政策等有关研究。发展中国家也在积 极寻找适合各自国情的水环境保护策略，以保障经济可持续发展的环境安全。从理论 上认识水环境演变中各种复杂的物理、化学、生物等过程的客观变化规律，以及水环 境对人类活动的响应关系，通过实际监测、物理化学分析、物理模型、数值模拟等各 种技术手段分析其变化现象，进而寻找水环境的自然改善和人工调控途径。是水环境 基础及应用研究的重点内容。近l o 多年来，由于经济高速发展对生态环境的剧烈干 扰和破坏，引发了一系列问题，制约了经济的发展和人民生活质量的进一步提高，水 环境与经济发展的宏观关系越来越多地得到相关学科研究的重视，研究者从不同的侧 面，展开与水环境保护相关的理论及方法探讨。水环境基础及应用研究呈现出在理论、 方法、技术等方面的新的发展趋势。 水环境是自然环境的一个重要组成部分，是人类赖以生存和健康发展最重要的基 本生态环境之一。一个良好的水生态系统不仅具有为人类的生存发展提供安全的用水 保证的功能，还具有独特的景观功能，如湖泊生态系统具有较高的审美价值，可以提 高人类生活的舒适度，有益于人们的身心健康。水生态系统有着自己的生态规律，具 有一定的环境自净能力即一定的环境阈限，具有一定的纳污能力。只要人类排放的污 染没有超过水体的自净能力，水生态系统仍然可以保持平衡。但是如果人类排向水体 的污染物质超过了其自净能力，那么水体就会被污染，并会不断地降低其自净能力， 最终丧失其原有的功能。 由于受全球经济社会快速发展、人口的急剧膨胀和人们生活水平的日益提高的影 响，人类对环境的污染日益严重，河流、湖泊、水库、港湾等水体的水环境状况也日 益恶化，水体的原有功能遭到了严重破坏，人类自身的生存和发展也受到严重威胁。 水被5 0 个国家的科学家列为本世纪最棘手的两大问题之一。目前，全世界有超过8 0 个国家、占世界总人口4 0 的人严重缺水。我国的水资源状况也极不乐观，可以概 括为“水资源稀缺、人均水资源占有量少、利用率低、污染严重”。近几年来我国废 水、污水排放量以每年1 8 亿i t l 3 的速度增加，全国工业废水和生活污水每天的排放量 近1 6 4 亿i t l 3 ，其中8 0 未经处理直接排入水域“。全国仍有近一半城市没有污水处 理厂，绝大多数小城镇未建污水处理设施。我国江河污染的严重势态也没有缛到有效 2湖库水蒺评份及水质模拟预测方法研究 遏制，整体环境质量还在恶化。2 0 0 2 年，七大水系7 4 1 和监测断面中，仅有2 9 1 的断面满足i i i i 类水质要求，3 0 的断面属、v 类水质，4 0 9 的断面为劣v 类 水质”。主要湖泊氮、磷污染严重，富营养化问题突出。全国以地下水为主的城市， 地下水几乎全部受到不同程度的污染。我国每年水污染造成的经济损失约为全年 o n p 的1 5 3 “。2 0 0 5 年1 1 月3 日，中石油吉化双苯厂爆炸导致松花江发生重 大环境污染事件，进一步为我们敲响了水污染防治刻不容缓的警钟。中国的水问题已 经成为我国建设和谐社会的重要制约因素。 随着2 l 世纪我国发展重心向西部转移，西部地区水环境保护面临更大的压力。 确立该地区需求与水资源合理开发的统一协调关系，研究西部干旱区水资源开采和水 环境保护相协调的保护方案，开发水资源的生态功能、净化改善环境的功能，控制水 质污染，建立适合新经济体系的水环境管理模式，重建社会经济发展体系与水环境体 系之间的新平衡应是本世纪中国水坏境控制与保护的基本战略目标。针对水体的不同 特点，准确评价水环境状况，研究污染物的迁移转化规律，预测水环境未来状况，充 分利用水环境容量，提高水体自净能力，从而经济有效地防治水环境污染。是水环境 科学工作者研究的重要课题，该课题的研究具有重大的科学价值和实用意义。 本论文以国家自然科学基金重点研究项目“京蒙沙源区植被建设中水资源优化配 置研究”为依托，以西山湾大河口串联水库为研究对象，结合浑善达克沙地京蒙沙源 区生态环境建设中生态需水的实际，将系统工程、环境科学、水利科学等多学科进行 交叉渗透，在对西山湾水库水环境现状进行调查、监测、评价的基础上，建立基于遗 传算法和神经网络的水环境评价、预测模型，揭示西山湾水库水环境质量现状，研究 库区水体的水质迁移转化规律，预测水库水质富营养化状况，并研究制定出水环境改 善对策，对浑善达克沙地生态环境建设具有现实意义。 采用不同的方法进行水环境质量评价，对水质等级的划分不尽一致，导致评价结 果差别较大；传统的水质预测方法，预测模型复杂，计算方法繁琐。寻求一种评价结 果客观、准确、评价过程简单而有效的评价预测方法便成为本论文的研究目的。 1 2 研究方案 1 2 1 研究区概况 西山湾、大河口串联水库分别于1 9 9 9 年和1 9 9 6 年建成运行，位于内蒙古浑善达 克沙地京蒙沙源区、多伦县境内的滦河干流上，控制流域面积8 9 9 9 k m 2 ，多年平均径 流量1 9 5 亿一。黑风河、吐力根河是水库的两个主要水源，两河多年平均径流量 1 2 4 亿一。来水量占滦河全流域径流量的6 0 5 。大河口、西山湾水库两坝址相距1 5 公里，大河口库容2 6 0 0 万m 3 ，西山湾水库总库容1 0 亿i l l 3 ，两库间以滦河干流河道 为中心的狭长山间沟谷构成西山湾水库库区上游大河口水库发电下泄水量、汛期溢 洪道泄洪量直接流入西山湾水库库区，两库问没有流域面积较大的支流，区间径流小。 内蒙古农业大学博士学位论文3 水库兼有养鱼、旅游、发电、灌溉及向拟建的多伦县和正蓝旗电厂供水等多种功能。 近3 0 4 0 年来，由于自然因素及人为因素的双重影响，浑善达克沙地生态环境逐年 恶化，沙地植被遭到严重破坏，草场严重退化，流动沙丘面积逐年增加。昔日水草肥 美的草原已变成植被稀疏的沙地。为了保护居住在浑善达克沙地农牧民的生存空间， 还首都北京一片蓝天，内蒙古自治区锡林郭勒盟行署已制定出“浑善达克沙地南缘大 型生态屏障建设项目规划”等4 项生态建设工程。这些生态建设工程中的植被需水、 农田需水、城镇居民及工业、企业用水以及即将投入建设的蓝旗电厂的用水，均需要 充足的水量和优良的水质，西山湾水库( 及其上游的大河口水库) 蓄水就成为区域水 资源的重要组成部分。水库水质的好坏直接关系到水库经济效益和环境效益的正常发 挥，影响到水库的运行寿命。 1 2 2 研究技术路线 ( 1 ) 收集基础资料。调查采集滦河流域的社会、人口、经济、水文、水资源、 气候、气象、环境生态，水利工程、国土资源极其利用情况的基础数据； ( 2 ) 确定水库水质采样时间、监测断面及采样点布设、采样指标、采样方法， 选择水样监测部门及分析方法等； ( 3 ) 选择水环境质量现状评价方法并建立评价模型，进行水库水环境质量现状 综合评价； ( 4 ) 建立水质模拟预测模型，进行水库水质指标模拟预测： ( 5 ) 建立水库富营养化评价及预测模型，进行水库富营养化指标模拟预测； ( 6 ) 推算水库水环境容量，提出水污染防治对策。 ( 7 ) 撰写论文，并向当地环境保护及水利部门提供水库水环境评价预测结果以 及污染防治对策报告。 1 2 3 实验方案设计 ( 1 ) 水质采样时间确定。采样时间确定为2 0 0 3 年、2 0 0 4 年和2 0 0 5 年三年的丰 水期( 7 、8 、9 、1 0 月) 、平水期( 4 、5 、6 月) 和枯水期( 1 1 、1 2 、1 、2 、3 月) 三 个水期。根据当地的气候条件，采样时间分别为2 0 0 3 年8 月1 6 日，2 0 0 4 年5 月2 6 日，2 0 0 4 年8 月1 3 日，2 0 0 5 年1 月1 2 日，2 0 0 5 年5 月2 0 日，2 0 0 5 年8 月1 4 日， 2 0 0 5 年l o 月2 6 同。 表2 8 给出了各次水库各监测断面水质指标检测值。 ( 2 ) 水质采样断面及采样点布设。沿水流方向从大河口水库进口到西山湾水库 出口选取7 个水质检测断面，各断面设置3 条垂线，各垂线上根据水深分层设置采样 点。水库水样采集断面布置见图1 。 ( 3 ) 水质采样指标确定 4 湖库水质评价及水质模拟预测方法研究 水质现状评价检测指标：根据地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 中基本 项目，并根据水库的特征，选择常规检测项目d o 、c o d 。、c o d m 、b o d 5 、t p 、t r 、 a s 、c n 、酚、c ，、c d 、p b 等1 2 项指标作为水库水质现状评价指标； 选择d o 、c o d 。、c o d m n 、b o d 5 等4 项指标作为水质模拟预测指标； 根据富营养化评价标准，选择叶绿素、透明度、b o d 5 、c o d 。、c o d m n 等5 项指标作为富营养化评价指标； 选择t p 、t n 作为富营养化预测指标。 ( 4 ) 水质指标采集方法。采样前，根据监测指标的性质，选择适宜材质的盛水 容器和采样器。盛水容器分别为聚乙烯容器、玻璃容器和硼硅玻璃容器。采样时，用 采样器进行采样，采样器分别有表层水采样器( 瓶) 、深层水采样器( 带重物的采样 桶) 和溶解氧采样瓶( 自制，密闭不透气) 。采样后按环境监测技术规范的规定 对水样进行保存，在规定的时间之内完成对水样的监测分析。 ( 5 ) 水质指标检测。部分水质指标检测样品采用现场检测；部分指标检测样品 利用自身的实验条件在项目参加人所在实验室进行检测；因自身条件所限，另将部分 指标检测样品分别委托内蒙古农牧渔业生物实验研究中心、内蒙古自治区环境监测中 心站、内蒙古环境科学研究院实验室和内蒙古绿洁环保有限公司环境检测中心进行检 测。 ( 6 ) 分析方法：按国家国家监测技术规范及国标环境监测分析方法等 进行。 表1水质分析方法 项目方法项目方法 d o 电极法酚4 一氟基安替比林比色法 c o d c r重铬酸钾法 c r 二苯碳酰二肼比色法 c o 聊n酸性高锰酸钾法 c a 原子吸收光度法 b o d 5 五几生化培养法 p b 原子吸收光度法 t p龆锑抗分光光度法悬浮物重量法 t n碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法叶绿素 s l 8 8 1 9 9 4 a s二乙基二硫代氨基甲酸银比色法透明度塞式盘 c r 异烟酸一髓错龄铜比色法 内蒙古农业大学博士学位论文 j 0 乙 i 取样垂线取佯点 库底 圈1 水库水样采集断面布置图 表2水库水质实测样本一( 2 0 0 38 ) 断面d o c o d 口b o d 5n h 州 t p a s t t c n酚c ，c dp b 壁量! 里鲤! 型! 竺咝! 婴丝! 型! ! 型! ! 婴坠! 型! ! 竺坚! 型! ! 型! l50 81 4 9 528 20 0 2 40 2 90 0 0 3 50 0 0 3 50 0 0 l0 0 0 2o 0 0 0 5o 0 0 5 25 0 31 41 22 6 000 2 40 ，2 60 0 0 3 50 0 0 3 50 0 0 l0 0 0 2 0 0 0 0 5 0 0 0 5 35 ，8 71 4 2 02 7 0 0 0 2 00 2 0 o0 0 3 5 00 0 3 5o 0 0 lo 0 0 200 0 0 5o 0 0 5 46 0 21 4 1 22 5 6 n 0 202 40 ，0 0 3 50 0 0 3 50 0 0 ln 0 0 20 0 0 0 50 0 0 5 55 3 】35 222 0o0 1 90 2 2o 册3 50 0 0 3 50 0 0 100 0 2 0 0 0 0 5 00 0 5 f，。l 6 湖库水质评价及水质模拟预测方法研究 表4水库水质实别样本三( 2 0 0 48 ) 断面doc o d 。 c o d m n b o d 5 t pt n 惩驯发叶绿素 序口( m e l )( m g ，l )( m g t 一) ( m g ，l )( m l )( m l ) ( m )( m g 1 】 i86 9 03 , 18 8 037 8 0 4 00 1 1 652 8 307 5 0 6 7 1 7 0 295 6 33 04 3 0 44 1 70 1 1 752 3 31 0 1 01 47 7 6 3 1 16 5 3 2 65 5 7 45 0 333 300 8 548 8 4l ，2 3 72 7 1 7 0 4s 7 5 03 86 1 3 4 3 0 04 o0 f f 055 3 20 7 9 03 2f 5 7 588 7 33 3 6 1 0 47 3 00 1 0 35 8 3l 0 5 0 34 9 1 2 0 67 0 0 72 28 2 05 2 1 7 00 5 7 24 0 3 6 0 9 5 01 3 8 2 3 77 7 9 02 72 7 04 4 6 0 00 7 74 3 8 6 1 0 3 32 06 2 0 表5水库水质实测样本四( 2 0 0 5 1 ) 断面doc o d 。 c o d r r m b o d 5 t p叶绿索t n 序号 ( m 叽)( m g ，l )( m g l ) ( m g l )( m g ，l ) i m 以) ( m 叽) l1 26 6 71 68 l2 8 722 5 70 0 3 290 3 434 6 l 21 14 6 3176 5 73 1 0 324 8 30 0 3 2 380 2 32 4 7 2 31 14 1 32 00 5 730 7 72 4 6 30 ，0 0 51 9 8 62 6 5 2 41 1 7 8 31 7 7 9 73 7 8 72 7 1 30 0 0 557 33 1 9 2 51 0 ，6 1 71 9 0 2 73 ，5 9 32 5 0 00 0 0 5l i 7 2 42 5 1 7 6 9 5 2 2 05 8 341 329 90 0 1 2 31 38 9 73 3 7 i 71 04 1 32 00 2 34 0 4 324 l0 ，0 l1 26 7 226 9 7 墨!垄墨垄里窭型堂查亘! ! 塑! ：! ! 断面doc o d 。 c o d m nb o d 5 t pt n 叶绿素 序号( m e - r e )( m g ，l ) ( m e - l ) ( r a g l ) ( m e - a - ) ( r a g l ) ( m g m ) 表7水库水质实测样本六( 2 0 0 58 ) 断面d oc o d 。 c o d m n b o d 5 t pt n 悬浮物透明度叶绿素 序号 ( m g 1 )( m e t , ) ( m e l - ) ( m g l ) ( m g 几) ( m e i )( m g ，l )( m )【m m 3 ) l8 5 088 04 9 034 70 | 1 72 1 2 61 405 22 83 6 7 278 i97 34 1 25 9 8o t l l 7i4 6 4 708 0 2 3 2 9 2 37 6 ，1 30 2 43 9 5 2 80 ，1 7 51 4 0 150 7 51 53 7 3 487 41 6 8 35 9 04 3 70 0 7 72 2 5 l1 60 3 93 1 7 6 7 582 31 4 1 34 9 74 4 30 0 9 72 0 0 1304 76 3 0 8 3 67 8 61 5 4 0 4 6 7 4 0 7 o o li 6 0 l60 9 3 3 29 0 3 7 79 2 1 60 7 4 5 8 3 9 3( o ，0 l0 7 0 0 71 2 73 1 2 8 3 表8 水库水质实测样本七( 2 0 0 51 0 ) 断面d oc o d o c o d m n b o d s t p n f 悬浮物 透明度叶绿素 序号 ( m 叽)( 1 1 3 扎)( m 叽)( m g r t )( r n e c l )( m 班) ( m g l ) ( m ) ( m e t r 0 3 ) i 86 2 51 67 6 56 5 7 74 4 0 0 0 0 7 6 88 0 02 90 0 0i 3 3 34 9 0 0 29 2 8 01 6 6 0 16 5 9 53 6 3 70 0 5 495 3 31 8 0 0 0 i 5 0 34 0 6 7 385 7 01 5 0 2 06 4 8 6i4 6 30 ，0 4 l1 0 6 3 35 0 0 0 1 6 0 04 0 6 7 49 1 0 01 4 8 2 25 0 8 l2 ，2 6 00 0 2 9j 2 8 6 7t 5 0 0 0 1 6 3 34 5 6 7 594 6 02 3 1 2 350 8 l24 9 00 0 3 91 73 0 03 2 0 0 0 0 9 0 04 4 0 0 693 9 02 62 8 5 75 6 8 35 4 00 0 5 3 1 20 0 0 3 l0 0 0 1 0 5 045 0 0 78 5 5 01 66 0 i6 2 7 0 2 3 5 700 4 9 1 6 8 3 33 60 0 0 1 1 8 35 9 0 0 内蒙古农业大学博士学位论文 7 1 3 本文研究的主要方法 1 3 1 水质现状评价主要研究方法 自2 0 世纪6 0 年代以来，国内外已开发出的水质评价方法有数十种之多，早期 以综合指数法为主。由于随机性、模糊性、灰色性往往共同存在于所研究的问题和对 象之中，随着计算机技术的快速发展，以现代数学理论为基础的模糊评价、灰色评价、 人工神经网络、遗传算法等现代系统方法近年来在水环境评价中得到广泛应用，而且 不同方法的耦合将成为科学发展的必然。 本论文以西山湾水库为研究对象，对西山湾水库7 个监测断面1 2 项指标进行了 水质检测采样，依据地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) ，分别采用模糊综合评 价法、灰关联综合评价法、基于加速遗传算法( a g a ) 的模糊贴近度评价法、基于 加速遗传算法( a g a ) 的逻辑颠蒂曲线( l o g ) 模型和基于自适应神经网络( a b p ) 的水质综合评价对水体质量现状进行了综合评价，并对五种评价方法进行了分析比 较。 1 3 2 水环境质量模拟预测主要研究方法 针对西山湾水库属狭长型水库，且垂向温差、水质浓度相差很小的特点，本研究 拟神经网络方法，对水库水质进行平面一维( 串联模型) 和二维水质模拟：采用神经 网络串联模型对水库水质的时间变化进行模拟，并对模拟结果进行分析研究。 1 3 3 水库富营养化评价及模拟预测主要研究方法 采用基于a g a 的l o g 曲线评价模型、a b p 模型以及综合营养状态指数法3 种 方法对水库富营养化现状进行分级评价；采用v o l l e n w e i d e r - d i l l o n 箱式磷模型水库的 磷浓度进行预测，采用a b p 网络模型和v o l l e n w e i d e r 经验模型对水库的氮、磷进行 模拟预测。 1 3 4 本文计算使用的主要方法 遗传算法和神经网络算法是本文计算使用的主要方法，f o r t r a n 是实现算法运用 的载体。 1 ，4 本文研究的主要内容 ( 1 ) 基于灰色模糊理论、遗传算法和神经网络的水环境质量现状综合评价研究 模糊综合水质评价法 灰色关联水质综合评价法 基于a g a 的模糊贴近度水质综合评价法 基于a g a 的l o g 曲线水质综合评价模型 8 湖库水质评价及水质模拟预测方法研究 基于a b p 网络的评水质综合评价模型 ( 2 ) 基于人工神经网络的水环境质量预测方法研究 串联水库一维水质空间分布研究： 串联水库二维水质空间分布研究； 串联水库水质时间分布研究。 ( 3 ) 基于人工神经网络和遗传算法的水库富营养化评价预测 水库富营养化评价方法研究； 水库富营养化预测方法研究。 ( 4 ) 水库水污染控制对策 入库污染源分析 水库水环境容量模型 水库水污染控制对策 论文主要研究内容： 第一章引言。论述了选题的目的和研究意义，概述了水环境评价及预测的主 要方法，重点介绍了遗传算法和神经网络算法及其在水环境评价和预测中的应用以及 研究现状，提出了本文的主要研究方法和主要研究内容。 第二章加速遗传算法( a g a ) 和自适应神经网络模型( a b p ) 的实现过程。 第三章水质现状评价。以地表水环境质量标准为基准，采用模糊综合评价法、 灰关联综合评价法、基于a g a 的模糊贴近度综合评价法、基于a o a 的l o g 曲线水 质评价模型和基于a b p 的水质评价模型实现对水库水质现状的综合评价，并对几种 评价方法进行了分析比较。 第四章水环境质量模拟预测。以b o d 5 、d o 、c o d 。，、c o d m n 4 项水质指标 为评价因子，分别建立模拟空间分布的平面一维和二维a b p 水质模型、模拟时间分 布的a b p 串联水质模型，实现对水库水质的空间分布和时间分布的模拟预测； 第五章水库富营养化评价及模拟预测。以湖库富营养化标准产生建模样本， 建立基于a g a 的l o g 曲线评价模型和a b p 模型，并采用综合营养状态指数法，实 现对水库富营养化状况的分级评价。分别利用b p 网络模型、v o l l e n w e i d e r - d i l l o n 箱 式模型和v o l l e n w e i d e r 经验模型实现对水库富营养化程度的模拟预测。并对各种评价 及预测方法进行了分析比较。 第六章水库水污染防治对策。对入库污染源进行了分析预测。对v o l l e n w e i d e r 模 型、d i l l o n 模型、o e c d 模型和合田健模型等4 种水环境容量模型进行了比较研究。 根据水污染控制和生态修复理论，提出了水库水污染防治对策。 第七章总结与展望。概括总结本文的主要研究内容及取得的成果，并对有待 内蒙古农业大学博士学位论文9 进步研究的问题进行了展望。 图2 给出了论文的主体结构流程。 研究目标 + f o r t r a n 9 0 程序设计语言 i 山+ 加速遗传算法 自适应b p 神经嗍络模型 f 水库富营养化评价 l、 ，1 i、 ， i li 一 水 模 模 灰 综 缝 维 质 水 永水 时 水巧 糊 曲糊 关质质 何规 环 染 贴 线综 联 养 # 1 ，则认为 该水体超标。由于各单项指标的评判结果往往是不相容的和独立的，直接利用单因子 指数进行评价常常遗漏一些有用的信息，甚至得到错误结果。地表水环境质量标准 ( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 中对不同环境功能水体中影响水体功能的因子规定了不同的指标 要求，这些不同因子对水体功能的影响程度是不一样的，为改善水环境质量控制这些 影响因子是必要的。但是评价水环境质量时，不考虑评价的目的和用途，不考虑不同 因子对水体环境功能影响的差异性，简单地以单因子指数作为评价水体功能的水质类 别，是不科学的，也是不符合水质类别的实际情况的。例如，我国南方一些饮用水源 地按粪大肠菌群指标判别，水域功能区应为劣v 类，如按单因子评价法，那么大多 数水体己失去使用功能，但这类水体通过自来水厂标准处理工艺处理即能达到饮用水 的标准，并未丧失饮用水源地的功能。现行标准中已将湖库的总氮、总磷作为基本项 目，许多重要湖库水质类别降为类、v 类甚至劣v 类，实际上总氮、总磷仅表征 水体的营养程度和发生富营养化的风险程度，并不表明富营养化或失去水体环境功 2 2湖库水质评价及水质模拟预测方法研究 能。如按单因子评价法表面上已失去了作为集中饮用水源地的功能，但实际上总氮、 总磷的浓度水平对人体健康基本没有影响，也不影响水体环境功能。因此，对地表水 质量评价科学的方法应是根据不同的评价用途和不同因子对水体环境的不同影响，选 择不同的影响因子及相应的评价方法进行评价。对水体环境功能影响严重的因子，如 重金属、剧毒化学品等，超标时使相应的水体功能丧失，即应以单因子指数作为评价 水质的依据；但只对水质功能支持度产生影响，且影响程度有限的因子，超标并不使 水体丧失相应的功能，即不能以单因子指数作为水质评价的依据。 多因子指数法以监铡数据与评价标准之比作为分指数，然后通过数学综合运算得 出一个综合指数，其综合指数基本形式有代数叠加型、均值型、加权型、加权均值型、 表9 多园子综台指数表达式 几何均值型、幂指数型、向量模型、均方根型和极值型等。该法模式计算简单，方便 内蒙古农业大学博士学位论文2 3 易行，但存在如下缺点：均权叠加法忽略了超标污染因子和环境富集残存大的污染因 子对环境污染贡献大的特点；加权叠加法需要确定合适的权重值，而确定合适的权重 值在污染项对环境贡献大小及作用机理不十分清楚的情况下是难以准确确定的。各种 多因子指数表达式见表9 。 依据对分指数的处理不同，指数法又可以分为不同的指数形式，主要有豪顿 ( h o o r t o n ) 水质指数、御朗( b r o w n ) 水质指数、普拉特( p r a t i ) 水质指数、尼梅罗( n e m e r o w ) 指数、罗斯( r o s s ) 水质指数、w 值指数、黄浦江污染指数等。 3 2 2 分级评分法 该法是由中国环境监测总站提出，国家环保总局曾推荐的一种水质评价方法。评 价标准以地面水环境质量标准( g b 3 8 3 8 8 3 ) 以及污染水质分级为参考依据， 规定每一级别对应参数的分值，各项参数分值相加为总分值，再根据总分值进行水质 级别分级。该方法克服了以c i s i 为基本评价单元划分水质的局限性，较指数法前进 了一步。但是该法的缺点是：评价等级不是连续的：其总分值是以1 6 项评价指标为 计算依据的，如果评价指标不足1 6 项，则评价结果只能根据分析确定，因而这类方 法只适用于粗略的水质评价。 3 2 3 模糊综合评价法 1 9 6 5 年美国l a z z d e h 教授著名的模糊集合一文的发表，标志着模糊数学的 诞生。由于水环境中存在大量不确定性因素，水质级别、分类标准都是一些模糊概念， 因此模糊数学在水质综合评价中迅速得到广泛应用。例如：李祚泳m 1 将模糊贴近度用 于湖泊富营养化评价；陈守煜“”将模糊模式识别理论和人工神经网络理论相结合应用 于水质评价：郑成德”将模糊模式识别理论在应用于环境质量评价中；孙蕾咖1 应用模 糊数学中模糊聚类的最大矩阵元法和模糊相关分析法对水质进行分析、聚类和评价。 模糊综合评价法是利用模糊数学的原理进行水环境质量综合评价的方法之一，它 是通过确定实测样本序列与各级标准序列间的隶属度来确定水质级别的方法。该方法 考虑了参加评价的各项因子在总体中的地位，为其配以适当的权重，确定隶属函数， 再经过模糊矩阵复合运算，求得综合隶属度，根据综合隶属度来划分水质类别，进而 得到综合评价结果。该法的关键是构造隶属函数矩阵以及权重矩阵。该法的典型代表 有：模糊综合评价法、h a m m i n g 贴近度法、模糊概率法的等。 由于水环境污染程度与水质分级相互联系并存在模糊性，而且水质变化是连续 的，模糊评价法在理论上具有一定的合理性。但是该法也存在如下不足：模糊评价法 仅按超标倍数加权，当个别指标超倍数较大，而多数指标均不超标甚至浓度很低的情 况下，将会出现水质评价等级偏低的结果。因此在应用模糊理论进行水质综合评价方 面还需进一步研究，研究的关键性问题是解决权重合理分配问题。 2 4 湖库水质评价及水质模拟预测方法研究 3