（环境科学专业论文）地表水水质评价方法和水质预测模型的综合研究.pdf

a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y s e st h er e s e a r c hs t a t u so fe v a l u a t i o nm e t h o do fs u r f a c ew a t e r q u a l i t ya n dw a t e rq u a l i t yp r e d i c t i o nm o d e lc o m p r e h e n s i v e l y t h r o u g hc a s es t u d i e s ， s u m m a r i z i n ga n dc o m p a r i n gt h et r a d i t i o n a la n dl a t e s tw a t e rq u a l i t ye v a l u a t i o nm e t h o d s ， a l s oa n a l y z i n gt h ea d a p t a t i o no fs w m sm o d e lt ot h es o l u t et r a n s p o r ti nt h es i m u l a t e d u n i f o r mf l o wf i e l d b e g i n n i n gw i t ht h er o u t i n em o n i t o r i n gd a t af r o mm a i nc u t - s e c t i o no ft a i h ul a k e b a s i n ，e v a l u a t i n gt h e c u t - s e c t i o n sw a t e rq u a l i t yw i t h s i n g l e - f a c t o ri n d e xm e t h o d , n e m e r o wi n d e x ，c o m p r e h e n s i v ew a t e rq u a l i t yi n d e x ，f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n m e t h o d ，g r a yc o r r e l a t i o na n a l y s i sa n db p a n n t h er e s u l ts h o w st h a tt h em e t h o do f c o m p r e h e n s i v ew a t e rq u a l i t yi n d e xh a st h eh i g h e s tc o i n c i d e n c ew i 廿lo t h e rm e t h o d sa n d h a so n l yo n el e v e ld e v i a t i o ni no n l yo n em o n i t o r i n gc u t - s e c t i o nc o m p a r i n gw i t ht h e a v e r a g eo ft h es i xm e t h o d s s u p p o r t e db yt h e s u r v e yo fd o n g y i n gg e o t h e r m a lr e s o u r c ed e v e l o p m e n ta n d e n v i r o n m e n t a li m p a c t ”，t a k i n gap o i n ts o u r c eo fp o l l u t i o no fg e o t h e r m a lt a i lw a t e ro f g u a n g l ir i v e ra sa ne x a m p l e ，u s i n gs w m sm o d dt od e a lt h ec h a n g e so ft e m p e r a t u r e ， c h l o r i d i o na n dh i g ht o t a ls a l i n i t yw i t hd y n a m i cs i m u l a t i o na n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s w i t h t h ep a r a m e t e r sf i x e d ，s w m sm o d e lc a nr e f l e c tt h es o l u t et r a n s p o r tp r o c e s so fg e o t h e r m a l t a i lw a t e rd i s c h a r g e di n t ot h er i v e r s t os o m ed e g r e e ，i tc a nb eu s e dt os i m u l a t et h es o l u t e t r a n s p o r tp r o c e s si nu n i f o r mf l o wf i e l d h o w e v e r , s w m sm o d e lc a nb ef u r t h e ro p t i m i z e d b e c a u s ei to n l yc o n s i d e r st h ea t t e n u a t i o no fc o n t a m i n a n t sf r o mt h ea n g l eo fp h y s i c a l s p r e a d ，w i t h o u tc o n s i d e r i n gt h eb i o d e g r a d a t i o na n dc h e m i c a lc o n v e r s i o n 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 yf o r e c a s t ；c o m p r e h e n s i v ew a t e r q u a l i t yi n d e x ；s w m sm o d e l ；s u r f a c ew a t e r 学位论文独创性声明、学位论文知识产权权属声明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名日期： 学位论文知识产权权属声明 名月li 日 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密“ 导师签名 ( 本声明的版 日期 日期 所有，未经许可，任何单 t , j 弓ti 日 月c ，钿 个人不得擅自使用) 第一章引言 1 1 研究目的和意义 第一章引言 水是人类的生命之源，是发展经济不可缺少的宝贵自然资源，水资源的开发利 用为人类社会进步和国民经济发展提供了必要的基本物质保证。然而，包括我国在 内的世界上众多国家或地区水资源十分短缺，水污染问题相当严重，水污染事件时 有发生。表1 1 是根据环保部官方网站公布的全国环境质量公报( 淡水环境部分) 总 结得出的我国淡水环境质量现状，图1 1 是七大水系劣v 类水在水质类别中的 比例。从表1 1 和图1 1 可以看出尽管近年来各级政府已采用各种措施缓解和防治 水体污染，我国水环境质量状况仍不容乐观，污染治理任务十分严峻。因此，做好 水质监测、评价与预测模拟工作就显得尤为重要。 表1 12 0 0 5 - 2 0 0 7 年我国淡水环境质量状况 年份地表水水质状况 七大水系的4 1 1 个地表水监测断面中，i i i i 类、v 类和 劣v 类水质的断面比例分别为4 1 、3 2 和2 7 。其中，珠江、 2 0 0 5 长江水质较好，辽河、淮河、黄河、松花江水质较差，海河污 染严重。主要污染指标为氨氮、五日生化需氧量、高锰酸盐指 数和石油类 2 0 0 6 年，监测的七大水系( 含国界河流) 的1 9 7 条河流，4 0 8 个断面 ， 中，其中i 类水质断面占4 6 、v 类占2 8 、劣v 类占2 6 。 一一 主要污染指标为高锰酸盐指数、石油类和氨氮。重点湖泊太湖、滇池 和巢湖的湖体水质均为劣v 类 2 0 0 7 年监测的1 9 7 条河流的4 0 7 个断面中，i i 类、v 类和 ，、，、 劣v 类水质的断面比例分别为4 9 9 、2 6 5 和2 3 6 。七大水系中， 。 只有珠江、长江总体水质良好，松花江为轻度污染，黄河、淮河为中 度污染，辽河、海河为重度污染 水质评价主要目的是了解水质现状，是水质等级评定和水功能区划的前提，同 时也是水质预测的基础。水质预测模型是对排入水体中污染物在时间和空间上迁移 转化规律的数学描述，其中涉及到许多物理、化学和生物过程。目前，无论是在制 订地区或流域水污染物排放标准或确定水体各排污口的容许排污量和削减率，还是 对突发性或连续性排污行为进行评价或对开发建设工程项目的环境影响进行预断， 甚至水资源的规划、管理和控制过程中都涉及到水质现状评价和时空的变化问题， 也即需要解决水质的定量评价、模拟和预测问题，由此水质评价、模拟和预测已经 青岛大学硕士学位论文 成为环境科学领域的重要课题。 图1 19 0 0 5 - - , 2 0 0 7 年七大水系i v - 劣v 类水在水质类另 l 中的比铹 鉴于水质评价、模拟和预测在水环境管理和规划中的重要作用，归纳总结现有 水质评价方法和预测模型，系统阐述这些方法和模型的优缺点，分析其发展趋势等 就十分必要。本论文拟对主要水质评价方法进行系统总结，通过实例研究，分析其 优缺点，同时，采用s w m s 模型( 即河口滨海潮汐流湖泊环流和溶质运移模型) 对 均匀流场中的点状源溶质运移情况进行模拟，了解其对河流水质预测的适应情况。 当前对综合水质标志指数法、灰色关联分析、人工神经网络等评价方法的相互 比较还缺乏系统性，对s w m s 模型的研究和应用还很少，因此，了解这些方法或模 型的基本原理、验证其精确程度并与其它方法或模型进行比较分析，对于二者的进 一步推广和应用具有一定的现实意义。 1 2 水质评价方法研究动态 1 2 1 代表性水质评价方法简介 1 2 1 1 指数评价法 指数评价法包括单因子污染指数法和综合污染指数法。 单因子评价法是将每个评价因子与评价标准( 地表水常采用g b 3 8 3 8 2 0 0 2 标准) 比较，确定各个评价因子的水质类别，其中的最高类别即为断面水质类别，通过单 因子污染指数评价可确定水体中的主要污染因子。单因子评价法的应用很广，特别 2 第一章引言 是在建设项目的环境影响评价中十分常见，但这一方法因过于简单而使评价过于粗 糙，如某一河段只有一种污染物超标，则直接判定该河段不满足相应的水质标准。 因此，单因子污染指数只能代表一种污染物对水质污染的程度，不能反映水体整体 污染程度，单因子指数法从某种程度上说并不科学。 综合指数法是考虑多种水质因子，并采用加权平均等方法来计算的水质评价法。 关伯仁( 1 9 7 4 ) 提出的评价在各种污染物质影响下水质污染状况的水质指数，是我 国第一个综合表示水质污染情况及综合评价水污染的指数n 1 。因对分指数的处理方 法不同，综合指数法往往表现出不同的形式，其代表性方法有均值型多因子指数、 均方根法、加权平均指数、豪顿水质指数( r kh o r t o n ，1 9 6 5 ) 、布朗水质指数( r m b r o w n ，1 9 7 0 ) 、普拉特水质指数( l p r a t i ，1 9 7 1 ) 、内梅罗水质指数( n l n e m e r o w ， 1 9 7 4 ) 、罗斯水质指数( s l r o s s ，1 9 7 7 ) 等。 内梅罗指数法是当前最常用的综合污染指数评价方法，内梅罗水质指数特别考 虑了污染最严重的因子，但它只能反映污染的程度而难于反映污染的质变特征，针 对内梅罗水质指数法的不足，马成有( 2 0 0 6 ) 在磐石市地下水评价中提出了修正的 内梅罗水质指数形式，得出较客观的结果。 1 2 1 2 模糊综合评价法僻1 水环境是个复杂的动态系统，水环境质量具有确定与不确定、精确与模糊的特 性，同时具有量的特征，处理这类问题时并不仅仅依靠确定性模型，往往可通过随 机性模型和模糊模型来解决。模糊综合评价是借助模糊方法，根据模糊集的理论和 概念来确定环境质量的归类。模糊综合评价法的核心内容是确定隶属函数，进而求 得隶属度以确定水质类别。 近年来，国内学者也对模糊评价法做了不少有益探索。方正( 2 0 0 3 ) 提出了用 于湖泊水质评价的多级模糊综合评价法，认为多级模糊评价法可避免一般模糊综合 评判中由于最大隶属度不适用性所引起的判断错误b 1 。王博( 2 0 0 8 ) 在研究松花江 流域水环境质量时将模糊综合评价与g i s 相结合，认为模糊数学可用于大空间尺度下 的水环境质量评价h 1 。基于模糊理论的评价法主要包括模糊概率法( 马建华，1 9 9 4 ) 和模糊综合评判法啼1 ( 梅学彬，2 0 0 0 ) 、贴近度综合评价法等。 1 2 1 3 人工神经网络法睁埘 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ，简写成a n n ) 是由具有适应性的简 单单元组成的广泛并行互连的网络，它的组织能够模拟生物神经系统对真实世界物 体所作出的交互反应( t k o h o n e n ，1 9 8 4 ) 。 a n n 用于水质评价最常用的是b p ( e r r o rb a c kp r o p a g a t i o n ，误差反向传播) 模 3 青岛大学硕士学位论文 型，b p 网络是一种具有3 层或3 层以上的神经网络，包括输入层、中间层( 隐含层) 和 输出层。b p 网络是利用最陡坡降法的概念，把误差函数最小化，将网络输出的误差 逐层向输入层逆向传播并分摊给各层单元，从而获得各层单元的参考误差，进而调 整人工神经元网络相应的连接权，直到网络的误差达到最小化( 白云鹏，2 0 0 7 ) 。此 外，改进的b p 模型( 曹剑峰，2 0 0 6 ) 、f p n n 模型( 刘坤，2 0 0 6 ) 、a n f i s 模型( 马 细霞，2 0 0 7 ) 、h o p f i e l d 模型( 郭劲松，2 0 0 0 ) 等也出现在近年来的水质评价研究中。 1 2 1 4 综合水质标志指数法 综合水质标识指数法是在单因子水质标志法的基础上发展起来的，它是在全面 分析各类型水质指标污染状况的基础上，选取有代表性的重点污染因子，结合各水 体的功能区标准，通过计算，用一个综合系数即水质标识指数来反映河流水质状况。 徐祖信( 2 0 0 5 ) 将综合水质标识指数用于上海市河流的水质评价取得了令人信服的 评价结果，并确定了我国河流水体黑臭的判别准则n 。尹海龙( 2 0 0 8 ) 研究认为当 综合水质为劣v 类水时，模糊数学法、灰色系统评价法、层次分析法、b p 人工神经 网络法的评价结论偏保守，综合水质标识指数法则能够进行合理评价n 副。 综合水质标志指数主要有整数位、小数点后三位或四位有效数字组成( 见图 1 2 ) ，可表示为： w q i = x i x 2 x 3 x 4 式中：舛一综合水质标志指数； 五一综合水质级别； 工，一综合水质在该水质级别变化区间中所处的位置，根据公式按四舍五 入的原则确定； x ，一参与综合水质评价的单项水质指标中，劣于水环境功能区目标的指 标个数； x 。一综合水质类别与水体功能区类别的比较结果，视综合水质的污染程 度，义。为一位或两位有效数字。 综合水质标识指数总体上包括两部分：综合水质指数，为综合水质标识指数 中的墨五，通过计算得出；标识码，为综合水质标识指数中的x ，和x 。，在求 得综合水质指数的基础上，通过判断得出。上海市内陆河流及水系水质常规评价 技术规范( 试行) ( 2 0 0 5 ) 中规定必须参与综合水质评价的项目包括：d o 、高锰 酸盐指数、b o d 5 、氨氮四项，开展总磷监测后，总磷的监测数据也须纳入综合评价， 4 第一章引言 相关计算方法参见上述规范附录部分。 总体水质类别为类 综合水质与水环境功能区 等级相差3 个级别 水质在类区间的隶属度 为9 0 参与评价的指标中，劣于 环境功能区的指标有3 个 参与评价的指标中，劣于 环境功能区的指标有1 个 水质在劣v 类区间的隶属 度为8 0 综合水质与水环境功能区 等级相差1 个级别 总体水质类别为劣v 类 ( 或水体黑臭) 7 8 3 3 = 尹财 a 综合水质类别为i v 类( 左侧)b 综合水质类别为劣v 类( 右侧) 图1 2 综合水质标志指数各组分解释 除上述介绍的几类水质评价方法外，层次分析法、灰色系统理论、物元可拓集、 投影寻踪技术、遗传算法、蚁群算法( 李祚泳，2 0 0 4 ) 在水质评价中也有一定的应 用n 引。近年来，针对大区域或大流域的水体，不少学者提出了遥感水质模型。雷坤 ( 2 0 0 4 ) 通过中巴地球资源1 号卫星的遥感资料，建立了太湖表层水体叶绿素a 和总 氮的遥感模型，一定程度上反映了太湖表层水体叶绿素瘌总氮的分布趋势口引。张 博( 2 0 0 7 ) 通过对湖泊水质遥感模型的研究，认为需要在资源环境卫星上加入更适 合水质遥感的波段n 1 6 1 。今后，遥感技术在大型地表水体水质评价、水功能区划和 水质预测中的应用会越来越多。 1 2 2 水质评价方法的发展趋势 从水质评价方法的发展过程来看，在未来的一段时间内，水质评价方法的发展 将呈现以下特点： ( 1 ) 从应用范围上看，指数评价法，特别是综合指数法因其原理简单、易于操 作，在水质调查和评价中仍会应用很广，此外，综合水质标志指数法在水质评价中 也逐渐显示出一定的优势。 ( 2 ) 从研究动态上看，非机理性水质评价方法是种黑箱模型，模式通常较复杂， 尚需进步研究，因而开发出评价效果好的模型和便于操作的模型软件将是下一步 的研究重点。 5 青岛大学硕士学位论文 1 3 水质预测模型研究动态 1 3 1 水质预测模型发展的历史沿革n 卜2 6 】 最早的水质模型是1 9 2 5 年由美国工程师斯特里特( s t r e e t e r ) 和菲尔普斯( p h e l p s ) 提出的表述一维河流中b o d 和d o 消长变化规律的模型，i 扫p h e l p s 在1 9 4 4 年总结和公 布，即经典的s t r e e t e r - p h e l p s 水质模型( s p 模型) 。从那时起，水质模型的建立与应 用已有8 0 多年的历史。经过许多中外学者和专家的不断努力，水质数学模型得到了 长足发展，其发展过程大致可以分为以下几个阶段： 第一阶段，2 0 世纪2 0 年代中期- 7 0 年代初期。该阶段的特点是：主要集中于 对氧平衡的研究，强调点源污染( 徐祖信，2 0 0 3 ) ；属于一维稳态模型( 罗定贵， 2 0 0 5 ) 。代表模型如：s t r e e t e r 和p h e l p s ( 1 9 2 5 ) 提出的氧平衡模型。这一阶段的模型 比较简单，只考虑了b o d 及d o 的双线性系统，可称为考虑水质项目不多的一维稳 态模型阶段。其后，许多学者对s - p 模型提出了修正形式，常见的有托马斯( t h o m a s ， 1 9 4 8 ) 模型、多宾斯一凯普( d o b b i n s c a m p ，19 6 2 ) 模型和奥康纳( o c o r m o r ，19 6 0 、19 6 2 、 1 9 6 5 、1 9 6 7 ) 模型等。 第二阶段，2 0 世纪7 0 年代初期一8 0 年代中期，是水质模型的迅速发展阶段，主要 集中于相互作用的非线性系统模型的研究。该阶段的特点是：开始出现了多维模 拟、多介质模拟、动态模拟及形态模拟等特征的多种模型研究，涉及营养物质n 和p 的循环系统，水生生物系统，以及生物生长率同营养物质、阳光、温度的关系，浮 游植物与浮游动物生长率之间的关系，这些相互关系都是非线性的，有限差分法、 有限元计算被应用于水质模型的计算( 廖招泉，2 0 0 5 ) ；由一维、二维模型扩展到 三维模型的研究( 李玉粱，2 0 0 2 ) 。代表模型：湖泊水库一维动态模型l a k e c o 、 d y r e s m 及河流三维模型w a s p ( d i t o r o ，1 9 8 3 ) 。 第三阶段，2 0 世纪8 0 年代中期至今，是水质模型研究的深化、完善与广泛应用 的阶段。该阶段的特点是：纳入了水动力模型( 李继选，2 0 0 6 ) ；水质模型中状 态变量及组分数量大增，特别是针对重金属和有毒化合物的研究；考虑了水质模 型与面源模型的对接( 徐祖信，2 0 0 3 ) ；多种新技术方法，如：灰色系统理论、随 机数学、a n n 、3 s 技术等引入水质模型研究( 李如忠，2 0 0 6 ) 。代表河流模型有：一 维稳态q u a l 模型( q u a l 2 e ，1 9 8 5 ：q u a l 2 k ，2 0 0 2 ) 和进一步得到更新的动态w a s p 模型( w a s p 4 ，1 9 8 8 ；w a s p 5 ，1 9 9 3 ；w a s p 6 ，2 0 0 1 ) 。代表湖泊模型有：一维动 态模型c e q u a l - r 1 ( 1 9 8 6 ) ；二维动态模型c e q u a l w 2 ( 1 9 9 5 ) 等。形态模型代 表为：美国环保局阿森斯实验室开发的地球化学热力学平衡模型( m i n t e q a l ，1 9 8 7 ； m i n t e q a 2 ，1 9 9 0 ) 。 目前世界上主要水质模型的概况见表1 2 。 6 第一章引言 表1 2 世界上主要水质模型的分类汇总 注：a w 表示可在w i n d o w s 操作系统上运行，u 表示可在u n i x 操作系统上运行，毒表示目前止在 开发：b ( 1 ) = 纵向的，( v ) = 垂直的，( h ) = 水平的。 7 青岛人学硕士学位论文 1 3 2 代表性河流水质模型简介 1 3 2 1o u a l - ii 模型隆7 。嘲 q u a l i i 模型是美国国家环保局( u s e p a ) 开发的一个具有多种用途的河流水 质模型。它是一维稳态模型，可以把这个模型应用于既有主流又有支流的均匀河段。 按照用户的要求，以各种组合方式描述以下1 3 种水质参数：d o 、b o d 、氨氮、亚硝 酸盐、硝酸氮、可溶性磷、水温、大肠杆菌、叶绿素a - 藻类以及用户自定义的1 种可 溶解物质和3 种不溶解物质。对任意的水质变量c ，方程均可写为如下形式： 箜：a ( d a 篆x ) 一塑+ 垒+ 垒 o ta o xa 苏aa 卜( 2 ) 式中：d 一河流纵向弥散系数( m 2 s ) ； 彳一距离x 处的河流断面面积( m 2 ) ； 鼢厂水质变量c 的内部源和汇( m g m 3 s ) ； 一外部的源和汇( m g m 3 s ) 。 q u a l i i 模型假设水力学系统处于稳定状态，a po q 。= o 。q u a l i i 模型里各水质 优 j ，、 变量迁移方程具有相同的形式，只是反应项半不同，每个水质变量的反应项都有 d f 各自的相关方程。 1 3 2 2w a s p 模型体系瞳洲1 w a s p 是u s e p a 开发的另一个成熟模型，可用于对河流、河口、水库、湖泊、 海岸的水质进行模拟。在水质模拟上，它能模拟几个底泥层和两个水体层，所以它 实际上是准二维模拟，但它的水动力模型是一维的。通过t o x i 和e u t r o 两个子模 块，它能广泛模拟各种水质组分( 状态变量) ，如d o 、b o d 、氮化合物、磷化合物、 盐度、藻类、硅土、底泥、水温、细菌、示踪剂、杀虫剂、有机物以及用户自定义 的物质。w a s p 5 以前的版本都为d o s 程序，而w a s p 6 贝u 发展为w i n d o w s 程序。以前 版本的w a s p 采用显式差分算法，而目前已开发出了采用隐式差分算法的w a s p 。 w a s p 在其基本程序中反映了对流、弥散、点杂质负荷与扩散杂质负荷以及边界的 交换等随时间变化的过程。经简化w a s p 常用如下模型： 昙( 旧= 昙( 川+ t 彳篆m ( 蹦圳置 l - ( 3 ) 8 第一章引言 式中：u ，一纵向速度( 1 1 1 s ) ； e 。一纵向弥散系数( m 2 s ) ； 咒一点源和面源( m g m 3 s ) ， & 一边界负荷( m g m 3 - 8 ) ； & 一源汇项( m g m 3 s ) 。 1 3 2 30 t i s 模型体系陋列 o t i s 模型是美国地质调查局( u s g s ) 开发的可用于对河流中溶解物质的运移 进行模拟的一维水质模型，带有内部调蓄节点，状态变量是痕迹金属。该模型能模 拟河流的调蓄作用，还可用于模拟示踪剂试验。它只研究用户自定义水质组分，还 提供了参数优化器。o t i s 模型如下： 壤o cq 彳。产c 穰1 0 仰孛o c + 了q l i n ( c 卸蚂 h 4 ， l 鲁硝丢c c 吲 h 钏 式中：a 、彳。一主要渠道横截面积( m 2 ) ； c 、c ，、g 一主要渠道溶解物浓度、侧向入流溶解物浓度、储蓄区溶解 物浓度( m g l ) ； q 一流量率( m 3 s ) ； q t r m 一侧向流量率( m 3 s ) ； 口一储蓄区交换系数。 1 3 2 4 川k e 模型体系 m i k e 模型由丹麦水动力研究所( d h i ) 开发，包括m i k e il 、m i k e 2 1 、m i k e 3 及m i k es h e ，m i k e l l 是一维动态模型，能用于模拟河网、河口、滩涂等多种情形， m i k e 2 1 是二维动态模型，用来模拟水质预测中垂向变化常被忽略的湖泊、河口、海 岸地区，m i k e 3 与m i k e 2 1 类似，但它能处理三维空间问题，m i k es h e 是种流域模 型，用于流域和河网水质的模拟。一维m i k e 模型如下： 9 青岛人学硕+ 学位论文 署= e 窘一云知h 矗 “5 ， 詈= e 百a 2 l 一7 , a 苏l 一( k , + k 2 灿l 式中：c 、c 。一分别为断面d o 和b o d 浓度及当时水温下的饱和溶解氧 ( m g l ) , e 。一纵向弥散系数( m 2 s ) ； u 一平均流速( m s ) ； k 。、k ：一分别为生化耗氧系数和河流复氧系数( s - 1 ) ； s 。一由水生生物光合作用、呼吸作用和河床底泥耗氧等引起的d o 增减率 ( m g l s ) ： l 一当地径流或吸着有机物的底泥重新悬浮引起的增减率( m g l s ) 。 1 3 2 5c e q u a l - w 2 模型删 c e q u a l w 2 模型是二维的水质和水动力耦合模型，由美国陆军工程兵团 ( u s a c e ) 水道试验站开发。与大部分二维模型不同，该模型是横向平均的，即它 模拟纵向和垂向。该模型用来模拟湖泊和水库，也适合模拟一些具有湖泊特性的河 流。它能模拟的水质变化过程很多，所有重要富营养化和藻类动态变化过程都有， 该模型对相对狭长的湖泊和分层水库的水质模拟极佳。c e q u a l w 2 模型如下： 塑+ 丝+ 一0 w b c 一竺垒一竺垫_ c 口 “6 ， o to xo z缸瑟 9 式中：b 一时间空间变化的层宽( m ) ； u 、形一分别为x 方向( 水平) 、z 方向( 竖直) 的横向平均流速( m s ) ； d ，、d ：一分别为工和z 方向上温度和组分的扩散系数( m 2 s ) ； q 一入流或出流组分的物质流量率( m g l s ) ； s 一相对组分的源汇项( m g m 3 s ) 。 1 3 2 6e f d c 模型3 7 1 e f d c h p 环境流体动态代码，它是由j o h nh a m _ r i c k 开发的三维模型。该模型目前 已f l = l u s e p a 支持，u s e p a 正考虑将它纳x b a s i n s 模型系统中。它的水动力部分类 1 0 第一章引言 似于e c o m 3 d 和c h 3 d w e s 。大部分水质变化过程被包括在其姐妹模型h e m 3 d 中， 那些变化过程是基于c e - q u a l - i c m ( i n t e g r a t e dc o m p a r t m e n tm o d e l ) 的。它可用于 模拟来自点源非点源的污染物、有机物迁移、归趋等，e f d c 模型可用于模拟包括 c o d 、氨氮、总磷、藻类在内的2 2 种水质质量的浓度变化。e f d c 模型如下： 詈+ 警+ 警+ 警= 昙c 墨箸，+ 专c 巧筹，+ 昙c e 箸，+ 疋 ，旬， 西玉 却 瑟 缸、1 苏7 却、7 却7 昆、：玉7 。 式中：甜、，、1 6 一分别为石、y 、z 方向上的速度变量( n 以) ； k ，、k ，、k ：一分别为工、y 、z 方向上的湍流扩散系数( m 2 s ) ； s t 一每单位体积上的内部外部源汇项( m g m 3 s ) 。 1 3 3 非机理性水质模型简介 上节从空间维数上介绍了几种主要的机理性水质模型，机理性模型需要的基础 资料与数据比较多，只有通过深入细致的调查，才能拟合出较准确的模型参数，进 而得出较准确的解析解或数值解。也正因为如此，非机理性模型借助系统理论和计 算机技术的进步得以发展起来。非机理性模拟是一种黑箱式研究方法，往往针对某 一特定的水质系统，通过数学统计和其它数学方法建立模型，模拟效果有时比较好， 因此在水质预测中也有一定的应用。常见的非机理性模型有灰色模型法、马尔科夫 法、时间序列法及人工神经网络法。 1 3 3 1 灰色模型法 灰色理论模型由邓聚龙( 1 9 8 2 ) 在研究系统控制的不确定元中首先提出的，灰 色系统预测实际上就是一种单因素趋势外推的预测方法嘲1 。灰色系统预测通过鉴别 系统各因素之间发展趋势的相异程度，即进行关联分析，并对原始时间序列进行数 据处理，通过生成有较强规律性的数据序列，然后建立相应的微分方程模型，从而 预测事物未来发展趋势的状况。灰色模型利用观察到的反映预测对象特征的时间序 列来构造灰色预测模型，预测未来某一时刻的特征量，或达到某一特征量的时间。 李如忠( 2 0 0 6 ) 总结出只有当原始数据呈指数规律变化时，灰色预测模型的预测精 度才是较高的，对于序列变化不呈指数规律的情形，预测可能会出现较大偏差，甚 至有学者对时序数列累加生成可以增强数列规律性的论点提出疑问1 。 1 3 3 2 马尔科夫法 马尔科夫模型是以俄国数学家a a m a r k o v ( 1 9 0 7 ) 的名字命名的，其本质是一 种概率估计，它将时间序列看作是一个随机过程，通过对事物不同状念的初始概率 1 】 青岛人学硕+ 学位论文 及状态之问的转移概率的研究，预测事物的未来状态，为决策者提供一定的依据。 马尔科夫模型的特点是不需要依据大量的历史统计资料而通过近期情况的分析可以 预测未来的情况，为制定长远规划或对策提供参考信息。马尔科夫链模型适用于随 机波动性较大的动态过程预测，这恰好可以弥补灰色预测的不足，李志强( 2 0 0 2 ) 将灰色系统理论与马尔科夫链原理相结合，建立河流水质灰色马尔科夫预测模型， 并应用于地表水d o 预测中，效果比较理想h 引。 1 3 3 3 人工神经网络法h 卜伽 前馈型b p 网络即误差反向传播神经网络是最常用的神经网络。由于误差反传算 法实质是一个无约束的非线性最优化计算过程，在网络结构较大时计算时间比较长， 且容易陷入局部极小点而难以得到最优结果。因此，不少学者提出了改进的b p 法、 遗传算法( j h h o l l a n d ，1 9 7 5 ) 和模拟退火算法( s k i r k p a t r i c k ，1 9 8 3 ) 等多种优 化方法用于网络的训练。 近年来，国内也有少数学者尝试利用b p 网络进行水环境质量预测。郭敬松 ( 2 0 0 1 ) 、刘道根( 2 0 0 5 ) 等提出了b o d d o 耦合b p 网络模型，并应用于单河段预 测( 即把训练好的网络用于预测某一个固定的河段，此河段内的所有输入参数都是 实测值) 。邹志红( 2 0 0 7 ) 通过实验分析认为b p 模型进行连续河段水质预测时，对 多河段的长距离预测有较大的误差，而对多河段的短距离预测误差较小。 值得注意的是，a n n 与传统算法相比并非优越，只有在常规方法解决不了或效 果不佳的情况下a n n 方法才能显示出其优越性。 1 3 4 水质模型发展趋势 ( 1 ) 在相当长的一段时间内，机理性模型仍然是水质预测模拟的主流模型。但 水环境系统是个不确定性的复杂系统，这决定了随机性模型在水质预测中具有一定 的应用价值，因此，建立机理性模型和随机性模型的耦合模型将是下一阶段重要研 究课题，这种耦合模型决不仅限于当前b o d d o 模型与b p 模型的简易耦合，而是考 虑了生物地球化学和热力学因素的水动力、水质模型与随机模型的耦合。 ( 2 ) 当前水环境管理处在从小范围的水质管理到大尺度流域管理的过渡阶段， 因而对b a s i n s 、g e n s c n 和w a r m f 之类的模型系统的研究将会进一步得到加强， 并逐渐应用到流域水质评价当中。 ( 3 ) 由于3 s 技术的发展，将水质模型与g i s 和r s 等技术结合势必受到相关学者 的关注。 1 4 主要研究内容 1 2 第一章引言 ( 1 ) 利用现有水质监测数据，选取水质评价因子，选择多种代表性评价方法， 并了解这些评价方法的原理。 ( 2 ) 将代表性评价方法应用于地表水水质评价，统计分析其评价结果，了解各 类方法的实用性和结果的可靠性。 ( 3 ) 选择试验场，在水文现状调查和样本分析测试的基础上，建立数学模型， 确定有关参数和边界，利用s w m s 模型模拟均匀流场中的溶质运移情况。 ( 4 ) 通过数字处理，将s w m s 模型的预测结果与实测值相比较，了解s w m s 模 型对河流水质预测的适应情况。 1 3 第二章水质评价方法的实例研究 第二章水质评价方法的实例研究 从最简单的单因子指数评价法，到当前正在研究的人工神经网络等非机理性评 价方法，相关学者在水质评价方法上不断的推陈出新，使其呈现多样化，并渐趋成 熟和完善。但当前还缺乏对各类水质评价方法的系统归纳，未对各类方法的应用范 围和条件等进行细致的分析，因此，本章着重从地表水空间尺度和水质功能上考虑， 通过实例分析，系统总结和比较传统的水质评价方法与最新的水质评价方法，这些 评价方法包括单因子指数、内梅罗指数、综合水质标志指数、模糊综合评判、灰色 关联分析、b p a n n 等。 2 1 研究区简介 本研究以太湖为例，选取太湖在丰水期和枯水期的两组监测数据，具体水质监 测数据见表2 1 。本研究水质数据来源于中国环境监测总站主要河流水质监测周报， 数据真实可靠，此外，选取太湖流域这一水质功能上具有多样性、地理空间上具有 真实性的地表水体，避免了以往研究中为便于分析而随机选择几个水质等级不一的 样本。 表2 1太湖水质监测数据( m g l ) 太湖流域面积3 6 9 万k m 2 ，地处长江三角洲核心区域，北依长江，南濒杭州湾， 东临东海，西以茅山、天目山为界，行政区划分属江苏、浙江、上海、安徽三省一 市。流域为典型的平原河网地区，河道总长约1 2 万k m ，密度达3 3 k m k m 2 ，0 5k m 2 以上的大小湖泊18 9 个，多年平均水资源量1 7 6 亿m 3 ，人均本地水资源量仅为全国 平均水平的1 5 。太湖流域人口密集，经济发达，随着流域经济社会快速发展，流域 1 4 青岛大学硕士学位论文 水污染、水资源短缺问题严重，已成为制约流域经济社会可持续发展的重要因素。 由于太湖流域水功能区划正在制定中，本研究参照江苏省地表水( 环境) 功能区划、浙江省水功能区、水环境功能区划方案和上海市水( 环境) 功能 区划，确定断面的水质控制标准。 各监测断面水质控制标准见表2 2 。 表2 2各监测断面水质控制标准 2 2 评价方法和评价结果 2 1 1 单因子指数法 单因子评价法可表示为： 只= 式中：只一第i 种污染物的单因子指数( p h 除外) ； q 一第f 污染物的实测浓度( m g l ) ； 墨一第f 污染物的评价标准( m g l ) 。 对于d o ，其指数采用下式计算： = 吲 p d o = 1 0 - 9 c s o 田o ( c d d s d o ) ( c d d 7 o ) 2 一( 3 ) 式中：一p h 的标准指数； p h c l p h 的现状监测结果； 屯一p h 采用标准的下限值； p h 墨一p h 采用标准的上限值。 根据单因子评价法算对太湖流域主要断面的水质进行评价，结果见表2 2 ，水 质评价标准参照地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) ，本章地表水水质评价标 准均参照g b 3 8 3 8 2 0 0 2 。 表2 2 单因子指数法各断面水质评价结果 曩要j 堂望至堕鍪竺望塑婴等级堂垦堕竺墅坠皇旦! 塑! 等级 。_ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - - i _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ 一：= 壬z 廿一一f ! 口z ，旺 编号p h d o c o d u 。氨氮 。p h d o c o d m 。氨氮 ”一 l 撑0 3 30 2 80 8 30 6 4 1 1 0 6 00 8 40 9 30 7 4 i i 7 挣0 4 9o 7 71 2 5 1 2 5i vo 3 21 5 3 1 3 30 4 1 v - _ l l - _ _ l _ l - - - - _ - _ _ l - l - i - - _ l - _ _ - i l _ _ 一一一一- 2 1 2 内梅罗指数法 内梅罗指数是一种兼顾极值和平均值的计权型多因子评价指数，该方法可表示 堕筑而 一一一 g 一& d d 眉一憎 祟堕以 一一 i l 晰 埘 p p 皿v 铝他巧巧 o 0 0 孓 n 好弛骼粥卯 l o 0 0 n拍铝侈酊昭 l c ；m l c ； 配 腮 o o 0 o n扑 舵盘舛 2 n n 4 l跖鳄驺驺叮 0 0 o 1 l朽加凹乃加 n n c ；n 使 醪甜勰凹仉n 仉c ；n 搿擤僻沸谢 青岛人学硕士学位论文 为： 当q l o 1 时， 弓= c j l o = 1 + 尸l g ( c f l v ) 当q l 妒1 时，用c f l i f 的实际数值， 册 只= 与 j = l 2 一( 4 ) 2 一( 5 ) 2 一( 6 ) 式中：i 一水质项目数( i = 1 ，2 ，3 ，n ) ； ，_ 水质用途数( ，= 1 ，2 ，3 ，m ) ； b 一，用途f 项目的内梅罗指数； c ；一水中f 项目的监测浓度( m l ) ； 厶一j 用途i 项目的最大容许浓度( m g l ) ； 尸一常数，内梅罗采用5 0 ； 砰几种用途的总指数，取不同用途的加权平均值； 一不同用途的权重，( ) = l 。 内梅罗将水的用途分为三类：人类接触使用的，间接接触使用的，不接 触使用的。本研究将太湖归为一类。内梅罗指数对应的污染等级见表2 3 。 表2 3内梅罗指数污染等级划分标准 根据内梅罗指数法对太湖流域主要断面的水质进行评价，结果见表2 4 。 1 7 第二章水质评价方法的实例研究 表2 4 内梅罗指数法各断面水质评价结果 2 1 3 综合水质标志指数法 2 1 3 1 综合水质标志指数计算 以d o 、c o d m 。、b o d s 、删3 一四种常见水质指标为例，综合水质标志指 数的计算公式可表示为2 一( 7 ) 式。 x 1 彳：= 丢( + 。+ ，+ 碥，一) 2 - ( 7 ) 式中：p d o 、砭、砭d d 5 、一一分别表示d d 、c o d 胁、b o d s 、n h 3 一n 的单因子水质指数。 2 1 3 2 单因子水质标志指数 只= x 1 x 2 2 一( 8 ) 式中：只一第i 项水质指