（环境科学专业论文）深圳石岩水库清淤过程水质变化研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t s h e r g z h e ns h i y a nr e s e r v o i re x i s t sl o t so fs e d i m e n t a c c o r d i n gt o b e i j i n g u n i v e r s i t ya n ds h e n z h e nb a o a nw a t e rr e s o u r c ee x p l o i t a t i o nc o m p a n y sr e s e a r c h ，i t c o n t a i n sh i g hc o n t e n to fh e a v ym e t a la n dn 、pi ns e d i m e n t t h i sc o n d i t i o ni s d a n g e r o u st or e s e r v o i r sq u a l i t y i na u g u s t2 0 0 6 ，s h i y a nr e s e r v o i rb e g a nc l e a r i n ga w a ys e d i m e n tp r o j e c tf o rt h e r a d i c a li m p r o v e m e n to nt h ew a t e rq u a l i t y t oi n v e s t i g a t et h ew a t e rq u a l i t yc h a n g e w h e nt h ep r o j e c tc a r r y st h r o u g h ，t h i st h e s i s sm a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea s f o l l o w s ： 1 、t a k i n go u ta d e q u a t es e d i m e n td o e sd i s t u r b a n c es i m u l a t e de x p e r i m e n t s a n d t e s t i n gd i f f e r e n ts t a t e so fw a t e rs a m p l e s c h o o s ec r 6 + ，c u ，z n ，f e ，m n ，t p ，t n ， n h 3 一na st h ew a t e rq u a l i t ye v a l u a t i o nf a c t o r s ，t h e nu s ei n t e g r a t e df u z z ya s s e s s m e n t m o d e lt oa s s e s sd i f f e r e n ts t a t e so fw a t e r , f i n a l l yf i n dt h ew a t e rq u a l i t yc h a n g e d i r e c t i o na f t e rt h es e d i m e n td i s t u r b a n c e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ew a t e rq u a l i t y d e t e r i o r a t e sr a p i d l ya f t e rt h ef i r s td a yo fd i s t u r b a n c e b u ta f t e rf o u rd a y s ，e i g h td a y s ， t w e l v ed a y so fd i s t u r b a n c et h ew a t e rq u a l i t yb e c o m e st og o o dd i r e c t i o n t h i sc h a n g e t r e n do fs i m u l a t e dt e s ti sv e r yi m p o r t a n ti nt h es t u d yo fr e a lc l e a r i n ga w a ys e d i m e n t p r o c e s s 2 、t a k et h ef o r m e rw a t e rs a m p l e sa n dh a v et e s t t h e nc h o o s et h es a m ee i g h t w a t e rq u a l i t ye v a l u a t i o nf a c t o r st oa s s e s sw a t e rq u a l i t yu s i n gi n t e g r a t e df u z z y a s s e s s m e n tm o d e r e s u l t ss h o wt h a tt h ew a t e rq u a l i t yi nc l e a n i n gp r o c e s si sb e t t e r t h a nt h a to ft h ef o r m e rw a t e r t h i sc h a n g es h o w st h ec l e a n i n gp r o c e s sm a k i n gt i n y d i s t u r b a n c ea n dh a v i n gn od e t e r i o r a t i o ni n f l u e n c et ow a t e rq u a l i t y 3 、m u da n ds a n dd e p o s i tw h e nt h em i x t u r eo fm u da n dw a t e rc o m ei n t ot h e s e d i m e n ta c c u m u l a t i o nf i e l d t h ew a t e rf l o w st ot h er e s e r v o i ra g a i n s ot h et e x ta l s o s t u d yt h ew a t e rq u a l i t yo ft h ec o m i n go u tm u dm i x t u r e sp o s i t i o na n dt h ew a t e r e n t e r i n gr e s e r v o i r sp o s i t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o m i n go u tm u dm i x t u r e s w a t e rq u a l i t yi sw o r s et h a nt h eo t h e rp o s i t i o n c o m p a r i n gt h e s et w op o s i t i o n sw a t e r a b s t r a c t q u a l i t yt or e s e r v o i r st w o ，t h eo r d e ri s ：t h ec l e a n i n gp r o c e s s sw a t e rq u a l i t yi sb e s t ，t h e f o r m e rw a t e rq u a l i t yi st h es e c o n d ，t h ew a t e re n t e r i n gr e s e r v o i ri st h et h i r d ，t h em u d m i x t u r ei sw o r s t k e y w o r d s ：p o l l u t e ds e d i m e n t ，c l e a n i n gr e s e r v o i r ss e d i m e n t ，w a t e rq u a l i t y a s s e s s m e n t , i n t e g r a t e df u z z ya s s e s s m e n t ，w a t e rq u a l i t yc h a n g e 论文公开声明 论文公开声明 本人郑重声明：所呈交的硕士生学位论文深圳石岩水库清淤过程水质变化 研究是本人在导师方国祥的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中 已经引用的内容外，本文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本 提交的研究生论文不涉及国家秘密、不牵连单位专利权益、不牵涉同行专家著作 权、不需要行业技术保密，论文可以通过书面或电子出版网络对外交流。本人同 意将自己的研究生硕士论文提交给中国国家图书馆、中国科学技术信息研究 所中国学位论文数据库、清华大学中国学术期刊电子图书馆、中国科学院 科学科技图书馆。 l l 签名添妣 2 0 0 76 月日 引占 引言 水库在防洪、灌溉、发电、航运、城市工矿供水以及发展旅游等方面发挥了 巨大的作用，促进了国民经济的发展，但同时由于修建水库破坏了河流天然水力、 泥沙条件与河床边界的相对平衡库区水位抬高，水深加大，流速减小，水流输 沙能力显著降低，造成库区泥沙淤积。 与此同时，随着工业和人口的增长，大量污染有害物质直接或间接排入水体， 因此，水库泥沙淤秘不仅减少了库容，而且在库内沉积了人量的碳、氯、磷和重 金属等污染物，它们是水体中潜在的内源性污染源，对水体水质安全构成威胁， 深圳石岩水库淤积严重，且据2 0 0 3 年北京大学和深圳市宝安水资源开发总 公司联台对水库底质污染的调研报告显示，水库的污染比较严重，水库水质的恶 化使得水库底质也遭到污染，污染的底质在物质迁移过程中的释放对水库水质造 成：次污染。因此，水库的清淤工作刻不容缓。 目前，石岩水库水下清淤工程正存进行中水下清淤过程中底泥的扰动对水 库水质的影响研究意义重人。本文正是在这一背景下针对这个问题研究石岩水库 清淤过程中的水质变化，为水库的正常供水和清淤工程提供技术支撑，也可作为 其他水库清淤工程中水质变化研究的一个参考。 深圳石岩水库地理位置图 第章文献综述 第一章、文献综述 第一节、污染底泥对水库的影响机理 一、底泥污染物来源 水体沉积物是由粘土、粉沙、砂、有机物或各种矿物质组成，组成范围变化 较大，可以是纯矿物组成，也可以是有机物为主。沉积物通过许多物理的、化学 的及生物的过程而沉积在水体底部区域( 王晓蓉，1 9 9 3 ) 。 过去二十年来，底泥的形成越来越受到人类活动的影响，绝大多数疏水有机 物、金属、营养物随着颗粒物的携带进入水体，之后沉积下来形成污染底泥 ( g u l f e r nb a k a n 等，1 9 9 9 ) 。底泥污染日益受到科学界的关注( p e t e rm c h a p m a n 等，2 0 0 1 ) 。美国1 9 8 9 年n r c ( 国家研究委员会) 的研究报告将污染底泥定义 为“包含有化学物质含量足以使之对环境或人体环境构成伤害的沉积物” ( n a t i o n a lr e s e a r c hc o u n c i l ，l9 9 7 ) 。 二、污染物底泥对水体的影响 湖泊、水库常年接受入湖、库及径流输入所带来的污染物以及湖内死亡生物 体及其他悬浮物的沉降。在这些相对静止的水体中，污染物可以通过水、泥界面 交换作用重新进入水体。在2 0 世纪7 0 年代之前，环境工作者在很大程度上忽视 r 沉积物的重要性，沉积物的功能被简单的看成是水环境中污染物的“汇”。随 着人们对沉积物与水之间发生的许多基本物理、化学和生物过程的知识的不断积 累，沉积物与水之间的相互作用逐渐引起人们的重视，尤其是对水生生态系统和 水体质量造成严重影响的作用方面( 李铁等，1 9 9 8 ) 。 以营养物为例，在城市湖泊长期以来的积累，使得沉积物中氮、磷负荷往往 都很高，在湖泊外来污染源全部切断以后，底泥中的富营养盐会逐渐释放出来， 仍然会是湖泊发生富营养化( 金相灿等，1 9 9 2 ) 。在武汉东湖，若不考虑内源底 泥营养量的情况下，东湖截污工程完成后，只需要3 年的时间就能恢复水体，然 后如果考虑底泥的释放作用，则需3 5 年以上才能得到恢复( 姜建国等，2 0 0 1 ) 。 氧化还原过程是发生于沉积物水介面的主要过程。界面的氧化还原反应 第一一章文献综述 很活跃，因为在这里有有机物的沉淀，分子氧难以向下扩散到沉积物的孔隙水中， 因而构成很大的氧化还原梯度( 陈静生等，1 9 9 7 ) 。一般情况下释放出的营养盐 首先进入沉积物的间隙水中，逐步扩散到沉积物表面，进而向湖泊沉积物的上层 水混合扩散，从而对湖泊水体的富营养化发生作用。氮与磷的释放机制各不相同。 前者取决于氮化合物分解的程度，而后者与其化学沉淀的形态有关。氮化合物在 细菌的作用下可以相互转化，不同形态的氮其释放能力不同，溶出的溶解态无机 氮在沉积物表面的水层进行扩散。底泥中的磷主要是无机态的正磷酸盐占大部 分。一旦出现利于钙、铝、铁等不溶性磷酸盐沉积物溶解的条件，磷就释放。 由于底泥中重金属含量远比水中可溶性金属含量高几个数量级，底泥中的重 金属可释放到上覆水产生二次污染。金属的释放主要由水体的四个过程引起：盐 浓度升高、氧化还原条件的变化、p h 值降低、天然或合成的配合剂使用量增加。 生物迁移过程、食物链过程也能引起金属的重新释放( 王晓蓉，1 9 9 3 ) 。 第二节、水质评价方法的研究进展 水环境是自然环境的重要组成部分，水环境质量通常是指水体受到人类活动 干预或污染损害的程度( 叶文虎等，1 9 9 4 ) 。水环境质量评价简称水质评价，是 对水品质优劣进行定性或定量的描述，以准确的反映目前的水体质量和污染状 况，弄清水体质量变化发展的规律，找出评价区域的主要污染问题，为水污染治 理、水功能区划、水环境规划以及水环境管理提供依据。 早期用于水质评价的方法主要有生物学评定分类方法和专家评价法。生物学 评定分类方法是2 0 世纪初( 1 9 0 2 - - 1 9 0 9 年) 柯克维支和莫松等提出来的( 马倩 如等，1 9 9 0 ) ，是以河流受污染的结果来分析，提供水质污染所引起的后果。专 家评价法( 李祚泳，2 0 0 4 ) 是组织环境领域或相关领域专家，运用专业方面的知 识和经验对水质进行评价的方法，它的最大特点是对于某些难以定量化的因素给 予考虑和作出评价，在缺乏足够的数据资料的情况下，可以作出定性和定量的估 计。 进入2 0 世纪6 0 年代后，随着对水质评价研究的深入，提出用数学模型来进 行水质评价，水质评价产生了一定程度的定量性。1 9 6 5 年，e k h o r t o n 提出了水 质评价的质量指标法( q i ) ，以此标志着水质现状评价工作的开始。随后， r m b r o w n 等于19 7 0 年提出了水质现状评价质量指数法( w q i ) ，n l n e m e r o w 2 第章文献综述 在其河流污染的科学分析一书中提出了另一种指数法内梅罗法，并对纽 约周的一些地面水的污染情况进行了指数分析。其后，又有p r a i t 、古拉利等人 提出各种指数法。1 9 7 7 年，r o s s 在总结以前的一些水质指数的基础上对英国的 库鲁德河进行水质评价研究，提出了一种较简明的水质指数计算方法。进入9 0 年代后，水质评价的方法得到了进一步的扩展，各种数学方法和模型都得到了应 用，如p u c k e r 等应用主成分分析法对美国弗尼亚州某些河流的主要离子化学因 素进行了研究。水质评价蓬勃发展至此，仍缺乏统一的、公认的评价模式( 金菊 良等，2 0 0 1 ) 。 我国水质评价工作是在7 0 年代后才逐渐发展起来的。关于河流水质综合评 价方法的研究比较活跃，到现在为止，不同研究者提出的综合评价水质方法或指 数就有几十种之多。最早是( 市环保所等3 3 个单位，1 9 7 6 ) 北京西郊环境质量 评价中涉及到的水环境质量的研究，其中提出了“水质质量系数”；上海地区水 系水质调查组提出了“有机污染综合评价”的概念；熊广政等在1 9 7 8 年对南京 城区环境质量综合评价的研究中提出了使用叠加型指数法的“水域质量综合指 标 ；吉林省科学技术委员会与吉林省环境保护局于1 9 8 0 年在图们江水系污染与 水质资源保护研究中提出了“均值型指数法”等。 纵观环境评价的发展，有由单目标向多目标，。由单环境要素向多环境要素， 由单纯的自然环境系统向自然环境与社会环境的综合系统，由静态分析向动态分 析发展的趋势( 陆壅森，1 9 9 9 ) 。 在这里主要简单介绍几种常用的评价方法：指数评价法、模糊评价法、灰色 评价法、物元分析法与可拓集合方法、人工神经网络方法。 一、指数评价法 指数综合评价是对整个水体质量做出定量描述，只要项目、标准、监测结果 可靠，综合评价从总体上看是可以基本反映水体污染的性质和程度的，而且便于 比较水体在时间上和空间上的污染状况及其变化。它的特点在于均以监测数据与 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，以此代表 水体的污染程度，以及进行不同河流或同一条河流不同时期的水质比较。 指数评价法可分为单因子污染指数法和水质综合污染指数法。单因子污染指 数法表示单项污染物对水质污染影响的程度，水质综合污染指数表示多项污染物 第一章文献综述 对水质综合污染的影响程度。 l 、单因子污染指数法 单因子评价法将各参数浓度代表值与评价标准逐项对比，以单项评价最差项 目的类别作为水质类别。单因子评价方法是目前使用最多的水质评价法，该法简 单明了，可以直接了解水质状况与评价标准之间的关系，给出各评价因子的达标 率、超标率和超标倍数等特征值( 刘征等，2 0 0 5 ) 。其主要有以下几种表达方式： 1 1标准指数法 标准指数法是指某一评价因子的实测浓度与选定标准值的比值，计算公式 为： s 二：旦( 1 1 ) i c s i 式中：s ，为评价因子f 在取样点的标准值数；c 为评价因子f 在取样点的实测值； e ，为评价因子i 的标准值。当评价因子的标准指数 1 时，表明该水质因子超过选定的水质标准，已不 能满足使用要求。 1 2污染超标倍数法 污染超标倍数法就是依据污染超标倍数判别水体污染程度的一类方法，污染 超标倍数计算评价指标f 的超标倍数公式为： p ：旦蔓：旦一l( 1 2 ) l c s c s 式中：为评价指标f 的超标倍数；e 为评价指标i 的实测浓度值；c 为评价指 标f 的最高允许标准值。 2 、水质综合污染指数法 在求出各个单一因子污染指数的基础上，再经过数学运算得到一个水质综合 污染指数来评价水质，并据此来对水质进行分类。依据对分指数的处理不同，指 数法有可以分为不同的指数形式，主要有豪顿( h o r t o n ) 水质指数、布朗( 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、黄浦江污染指数( a ) 等。 4 第章文献综述 表1 - 1 常用的综合评价法的数学模式 名称表达式符号解释 s = 兀，男o ( i 。( 1 i = 1 幂指数法 形= 1 s i ，为i 污染物在，点的评 i = 1 价指数； 加权平均法 s = 彬s ，彬= 1 s 为污染物f 在，点的污染 i = li = 1 ，m 、1 2 指数； 向量模法 s ，= l s ；，i 形为污染物i 的权重值。 ，= l 算术平均法 弘去孰 下面就有代表性的综合评价方法做一件简单介绍。 2 1布朗水质指数法 美国国家卫生基金组织1 9 7 0 年( b r o w n 等) 提出美国至今仍在广泛使用的 水质指数法，一般称为布朗水质指数( b r o w nw q i ) 。该方法可为不同水体的水 质对比提供一个标准方法。布朗水质指数在评价因子选择、评分尺度和权重分配 上广泛征求意见，b r o w n 就3 5 个水质参数对1 4 2 位水质专家进行咨询，最后确 定9 个水质参数进入评价体系。指标包括溶解氧( d o ) 、粪大肠菌、p h 值、b o d 5 、 温度、硝酸盐、磷酸盐、浑浊度、总固体。然后再根据专家意见，对上述参数的 重要性给出了相对权重。布朗水质指数按下式计算： w q i = 彬q ( 1 - 3 ) i = 1 式中： w q i 在0 1 0 0 之间；q 为第j 个因子的质量，在0 - - - 1 0 0 之间；形为 第j 个参数的权值，彬= 1 ；n 为水质参数个数。 2 2豪顿( h o r t o n ) 水质指数 1 9 6 5 年h o r t o n 等人首次提出了一种水质评价的指数体系。选择溶解氧 5 第一章文献综述 ( d o ) 、p h 值、大肠菌、电导率、碳氯仿提取物、碱度、氯化物、享有污染处 理设备的人口百分比8 项水质参数和温度、“显著污染”2 项指数值表达水质状 况。亚洲开发银行表征水质状况即采用h o r t o n 水质指数。h o r t o n 水质指数计算 公式如下： 彬厶 凹= 上l _ m ，m ， ( 1 4 ) n i 彬 i = 1 式中：缪为h o r t o n 水质指数；形为权重；i ，为水质参数的评分值；m 。为水质 低于某一特点值为1 ，否则为o 5 ；m 2 为无“显著污染”时为1 ，否则为0 5 。 所谓“显著污染”，是包括出现瘀渣沉积、油、碎屑、浮味、臭味、变色等现象。 m 。和m ：针对个别水环境现象而特别设置。 h o r t o n 指数适用于评价河流卫生状况，其未考虑有毒物质的影响。本法对确 定权值和参数的评价方法是有参考价值的。 2 3 内梅罗水污染指数 美国学者内梅罗( n e m e r o w ) 提出一种水污染指数。用下式计算： p ij =( 1 5 ) 式中：p i ，为某种用途的水质指数；c 为水中某种污染物的实测浓度( f 代表水 质项目数) l i ，为某种污染物的水质标准代表水的用途) 。 内梅罗共选用下面1 4 种水质参数和污染物作为计算污染指数的依据，即水 温、水色、浑浊度、p h 值、大肠菌、总溶解固体、悬浮物、总氮、碱度、硬度 氯、铁和锰、硫酸盐、溶解氧。在水的用途上，分为三类：人接触的( 包括饮用、 游泳等) 、人使用的( 包括渔业、农业等) 、人不接触的( 包括工业冷却水、航运 等) 。根据上述三类用途，先计算出各种用途的污染指数用；，总污染指数计算 公式如下： 6 第一錾文献综述 3 p i = 勘j p ij ，= l ( 1 6 ) 式中：p i 为几种用途的水质总指数；p 1 ，为某种用途的水质指数；为不同用 途的权系数。 2 4罗斯水质指数法 英国人罗斯在总结以前一些水质指数的基础上，对英国克鲁德河的干、支流 进行水质评价研究，提出了一种简明的水质指数计算方法。其主要思想是，首先 选取b o d 、d o 、氨氮、悬浮固体4 个评价因子，分别给予3 、2 、3 、2 的权重； 其次，根据实际检测值，按照给定的评价因子分级表( 值) ，给出4 个评价因子 的分级值；然后，计算水质指数。公式如下： 4 彬4 w q i = 号广一 彬 ( 1 7 ) 式中：a ，为评价因子f 的分级值；场凹为水质指数，用整数表示，分成0 1 0 共1 1 个等级，数值越大水质越好。 罗斯水质指数与其他水质指数相比，剔出了不必要的水质因子选项，直接具 体的反映了水体污染状况。 二、模糊评价法 由于水环境中存在大量不确定性因素，水质级别、分类标准等都是一些模糊 概念，因此，模糊数学在水质综合评价中得到广泛的应用。 模糊评价法的基本思路是由检测数据建立各因子指数对各级标准的隶属度 集，形成隶属矩阵，再把因子权重集与隶属度矩阵相乘，得到模糊集，获得一个 综合评价集，表明评价水体水质对各级标准水质的隶属程度，反映综合水质级别 的模糊性。应用模糊数学进行水质评价时，对一个断面只需要一个由p 项因子指 标组成的实测样本，由实测值建立各因子指标对各级标准的隶属度集。如果水质 级别为q 级，则构成p q 的隶属度矩阵，再把因子的权重集与隶属度矩阵进行 模糊积，获得一个综合判积，表明断面水质对各级标准水质的隶属程度，反映了 综合水质级别的模糊性。由于模糊数学的突出特点在于对事物的判别与评价，因 7 第章文献综述 此，有关模糊评判的其他方法都在水质综合评价中得到应用。例如，模糊模式识 别理论在环境质量评价中的应用研究( 郑成德，1 9 9 7 ) ，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( 孙蕾，2 0 0 0 ) ， 此外还有模糊贴近度法、模糊距离法及模糊综合评判与加权平均复合模型应用于 水质评价( 何玉冰，1 9 9 8 ) 等。 三、灰色评价法 灰色评价法是用灰色系统的方法来评价河流水质。由于在水环境质量评价中 所获得的数据总是在有限的时间和空间范围内监测得到的，所提供的信息不完全 或不确切，因此说水环境是一个灰色系统，即部分信息已知，部分信息未知或不 确定的系统，可以用灰色系统的原理来进行水质综合评价( 薛巧英，2 0 0 3 ) 。 用灰色系统理论进行水质评价的基本方法是计算断面水质中各因子的实测 浓度与各级水质标准的关联度，然后根据关联度大小确定断面水质的级别，根据 同类水体与该类标准水体的关联度大小还可以进行优劣的比较。 应用了水质综合评价的灰色系统方法有灰色聚类法、灰色贴近度分析法、灰 色关联评价方法等。如果将待评价样本作为事件，水质级别作为对策，构成局势， 还可应用灰色局势决策模型进行水质综合评价( 吴雅琴，1 9 9 8 ) 。 四、物元分析法与可拓集合方法 物元分析法是物元分析的基本理论在水环境质量评价领域的应用。它是根据 各级水质标准建立经典域物元矩阵，根据水质监测值建立节域物元矩阵，然后建 立各污染指标对不同水质标准级别的关联函数，取关联度最大值对应级别即为所 评价水质级别( 蔡文，1 9 9 8 ) 。文献( 冯玉国，1 9 9 5 ) 较早的将物元分析方法应 用于地下水水质评价，通过建立标准事物物元矩阵、节域事物物元矩阵、待评对 象物元矩阵和构造关联函数等步骤，确定水质评价结果。文献( 门宝辉等，2 0 0 3 1 梵文艳等，2 0 0 0 ；林衍等，1 9 9 6 ) 则将该方法应用于河流水质评价研究，得到了 较合理的评价结果。 可拓学( 蔡文等，1 9 9 7 ) 是用形式化工具，从定性和定量两个角度去研究解 决矛盾问题的规律和方法，它通过多指标参数评定模型来完整的反映样本的综合 质量水平。胡宝清等率先将可拓评价方法运用于地表水环境质量评价，取得了满 意的研究结果( 胡宝清等，1 9 9 9 ) 。文献( 王锦国等，2 0 0 2 ；冯玉国等，2 0 0 2 ) r 第章文献综述 等也用可拓评价方法评价了地表、地下水质状况。 五、人工神经网络方法 人工神经网络是2 0 世纪8 0 年代迅速崛起的一门非线性科学，它力图模拟人 脑的一些特征，如自适应性、自组织性和容错能力等，对事物进行分析判断。 其在水质评价应用中起步较晚，自1 9 9 4 年以后，b p 人工神经网络模型在逐 渐被引入到水环境质量综合评价中，近年来发展较快。现用于水愿评价的神经网 络模型已有几十种，但大部分网络模型都是几种典型网络模型的变形和组合，几 种典型的应用与水质评价的网络模型有b p 人工网络模型，h o p f i e l d 网络模型， 径向基函数人工神经网络( r b f ) 模型等。文献( 李祚泳，1 9 9 5 ；蔡煜东等，1 9 9 5 ； 王李管等，1 9 9 8 ；刘国东等，1 9 9 8 ；w a l l e ywj 等，1 9 9 8 ) 采用这类人工神经 网络方法对河流水质、湖泊水体富营养化程度进行了评价研究。此外，文献( 邓 勃等，1 9 9 0 ) 将人工神经网络技术与模糊数学理论相结合，提出了湖泊水质富营 养化的模糊神经网络模型。 小结 底泥的污染会对水体造成“二次污染”，具体表现为底泥中的氮、磷、金属 元素的释放，进而影响水体水质。 水质评价的方法种类繁多，大致上有五种，即指数评价法、模糊评价法、灰 色评价法、物元分析法与可拓集合方法和人工神经网络方法。在水环境质量综合 评价中，涉及到大量的复杂现象和多种因素的相互作用，而且评价中存在大量的 模糊现象和模糊概念，因此，本文采用的评价方法为模糊综合评价法，对水质进 行定量化处理，评价出水体的质量等级。 9 第：二章研究办窠与试验设计 第二章、研究方案与试验设计 第一节、研究对象与内容 一、研究对象 石岩水库位于深圳市宝安区石岩街道办事处西北角，茅洲河上游干流，水库 于1 9 6 0 年基本建成并开始蓄水。坝址以上十流长1 2 2 公里，集阿面积4 4 平方 公里，总库容3 2 0 0 万立方米，正常水位3 6 5 9 米，相应库容1 6 9 0 万立方米，是 深圳宝安区主要的饮用水源水库，它和铁岗水库担负着向全区8 0 以上镇( 街 道) 的供水重任。2 0 0 4 年的供水量达2 3 亿立方米，日供水量最大为7 5 万立方 米。 石岩水库原以农田灌溉为主，1 9 9 4 年1 1 月后转为工业与居民用水。随着社 会经济的快速发展和人口的增加，宝安地区早在8 0 年代末期就已出现水资源短 缺的态势。为了缓解水资源短缺，在石岩水库下游的茅洲河主河道上建设了燕川 水闸，采用了四级泵站，将茅洲河的地表水提升至石岩水库。随着排放到茅洲河 主河道和直接排放到水库的污水量的迅速增加，石岩水库水质急剧恶化，对宝安 区的水资源构成了严重威胁。北京大学调查结果表明，茅洲河提水导致石岩水库 水质严重下降，水库水质的恶化使水库的底质也遭到污染，污染的底质在迁移的 过程中物质的释放过程对水库水质形成了二次污染。2 0 0 1 年起，c o d 和总磷超过 了i 类水质标准。目前，随着深圳市东部取水工程建设完成，已不再从茅洲河提 水，而改由东江水经提水到达西沥水库，经涵洞到达铁岗水库，再通过塘头泵站 提水到石岩水库，现流域来水仅占全部蓄水量的三分之一。 石岩水库建设至今已有4 5 年，大量的泥沙淤积使有效库容减少，茅洲河提 水又使底泥遭受污染。目前，宝安区政府拟投入大量的资金对水库进行清淤，以 减少底泥对水质的二次污染。宝安区水务局基本认可深圳市水利规划设计院分三 期清淤的初步方案，以3 3 5 m 高程为界，分为陆地清淤和水下清淤两部分施工。 2 0 0 4 年秋，石岩河口的陆地清淤已基本完成，水下清淤也已于2 0 0 6 年8 月进行 至今。 l o 第+ ：章研究办案与试验设计 由于库底淤泥污染严重，重金属含量大部分超标，且底泥淤积分布面积较广， 水库清淤底质的扰动对水库供水水质有多大的影响? 淤泥堆积场回水对水库水 质有何影响? 这些问题至今仍得不到确定的答案。本篇论文正是通过这几个方面 的研究，为石岩水库的清淤扩容提供技术支撑。 二、研究内容 本论文研究的区域有两部分，一是石岩水库，二是淤泥堆积场。两个部分的 简单示意图如图2 一l 。 淤泥抽取 4 一：i 岩水库石水j 习： 图2 1 库区与淤泥堆积区示意图 研究内容分为以下几个方面： l 、收集整理已有的石岩水库底泥污染状况，在此基础上研究水质变化。 2 、对水库清淤过程进行简单模拟，了解在模拟底泥扰动过程中水体内元素 的变化规律及水质的变化情况。 3 、对水库在清淤工程实施前的水样采集和评价，与清淤过程中的水质变化 作对比。 4 、对水库清淤过程中的水样采集，分析清淤工程施工过程水质的变化趋势。 5 、对进出淤泥堆积场内的水体进行采集和评价，因为堆积场内的回水最后 是流回水库的。 第一：章研究方案与试验设计 第二节、研究思路 本论文的研究技术路线如下图所示： 四种状态的水样采集底泥采集 上 。底泥扰动模拟试验 水样不同状态采集 1 r 水质模糊综合评价 评侈因子 标准确定 上 评价因子权重集 隶属度集 i j 1 l 。 水质综合评价分析 上上 、 ll r 清淤前泥水抽回水排清淤后水扰动后不 水质状 入口水出口水 库水质状同状态水 况质状况 质状况 况质状况 1r 1r 水质变 清淤过程水质变化趋势 ； 一 化趋势 图2 - 2研究技术路线 1 2 * 研z w 窠5 试螗世计 一、布点采样 第三节、材料与方法 在2 0 0 5 年9 月份对石岩水库清淤前的水体采取水样，并采用g p s 技术对采 样点进行准确定位。同时也提取一定数量的库底淤泥，做模拟扰动试验。 在清淤工程进行中的五个时间进行水样采集，分别是2 0 0 6 年9 月2 7 日、2 0 0 6 年1 0 月2 4 日、2 0 0 6 年1 1 月9 日、2 0 0 6 年1 1 月2 i 口、2 0 0 7 年1 月9 口。在 库厦、淤泥堆积场内均采取水样( 图2 3 ) 。 图2 - 3石岩水库采样点位置图 第一：章研究方案与试验设计 二、检测项目与测定方法 1 、模拟试验：模拟试验里的检测项目与方法在后面章节里有详细说明。 2 、实际情况下的水样均送至深圳水务局进行的测定，按照国家环境保护总 局制定的地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 进行。 三、评价标准 水环境质量评价标准是整个评价工作的依据。本文采用的地表水环境质量标 准是国家标准g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ( 见表2 一1 ) 。 表2 1 地表水环境质量标准基本项目标准限值 单位：m g l 序 项日 l 类i i 类l l i 类类v 类 号 人为造成的环境水温变化应限制在 1水温( ) 周甲均最大温升1 周平均最大温降4 2 2 p h 值( 无量纲) 6 9 饱和率9 0 3溶解氧6532 ( 或7 5 ) 4高锰酸盐指数2461 01 5 5 化学需要量( c o d ) 1 51 52 03 04 0 6 五日生化需氧量( b o d 5 ) 33 4 6l o 7 氨氮( n h 3 - n ) 0 1 5o 5i 01 52 o 0 0 2 ( 湖、0 1 ( 湖、0 2 ( 湖、库0 3 ( 湖、0 4 ( 湖、 8 总磷( 以p 计) 库0 0 1 )库0 0 2 5 ) 0 0 5 ) 库0 i )库0 2 ) 9 总氮( 湖、库以n 计) o 2o 51 o1 52 o 1 0铜o 0 11 01 o1 01 o 1 1锌0 0 51 o1 o2 02 0 1 2氟化物( 以f 计) 1 0 1 o 1 o1 5 1 5 1 3硒o o lo 0 l0 o l0 0 2o 0 2 1 4砷o 0 5o 0 5o 0 5o 1 o 1 1 5汞0 0 0 0 0 5o 0 0 0 0 50 0 0 0 lo 0 0 1 0 0 0 1 1 6镉 o 0 0 l 0 0 0 50 0 0 5 0 0 0 5 o o l 1 7 铬( 六价) 0 o lo 0 5o 0 5o 0 5o i 1 8铅o o l0 0 l0 0 5o 0 5o 1 1 9氰化物0 0 0 5o 0 5o 2o 20 2 2 0挥发酚0 0 0 20 0 0 20 0 0 5o 0 l0 1 2 l白油类0 0 5o 0 5o 0 5o 5 1 0 2 2阴离子表面活性剂o 20 20 20 3 0 3 2 3硫化物0 0 5o 1o 2o 5 1 o 2 4 粪大肠菌群( 个n ) 2 0 02 0 0 0l o o o o2 0 0 0 0 4 0 0 0 0 1 4 第：章研究办案与试验设计 另外，铁、锰的评价标准参考了文献( 刘柯等，2 0 0 5 ) 和地下水中的评价标 准，作如表2 2 的设定： 表2 - 2铁、锰在论文中的评价标准 ( 单位：r a g l ) l 类i i 类i l i 类l v 类v 类 铁o - 30 3o 5o 51 o 锰 o 10 1 o 3 o 3o 5 四、评价方法 本论文中的水质综合评价均采用的模糊综合评价方法，选取的水质评价因子 为c r 6 + 、c u 、z n 、f e 、m n 、t p 、t n 、n h 3 - n 八项。 1 、水质模糊综合评价的相关概念和原则 在讨论区域水质评价的模糊综合评价方法前，有必要了解有关的概念和对综 合评价结果进行向量分析时应遵从的原则。 1 1模糊模型识别的概念( 赵和平，2 0 0 1 ) 模型识别就是把给定的事物归类到事物的若干标准模型里。它有两个基本要 素：一是标准模型库，二是待识别的对象。而所谓模糊识别，是指在模型识别中， 模型是模糊的，即标准模型库中提供的模型也是模糊的。 1 2 最大隶属度原则 设模糊综合评价结果向量为； b = b ，也，6 m ) ( 2 1 ) 若印2 燃乜j ，则被评事物总体上来讲隶书于第r 等级，这就是最大隶属 原则。最大隶属度原则的使用是有条件的( 潘峰，2 0 0 2 ) ，在某些情况下使用此 原则损失信息较多，甚至会得到不合理的评价结果。因此，本文采用加权平均原 则，扩大最大隶属原则有效性的使用范围。 1 3 加权平均原则 加权平均原则的思想基础是：将等级看作一种相对位置，使其连续化。为了 能定量处理，不妨用“l ，2 ，3 ，m 依次表示各等级，并称其为各等级的 秩；然后用b 中对应向量将各等级的秩加权求和，得到被评事物的相对位置，这 1 5 第章研究方案与试验设计 就是加权平均原则，可表示为： y b ； r j 嘭 ( 2 2 ) 其中k 为待定系数( k = l _ n - j k = 2 ) ，目的是控制较大的t 所起的作用，可以 证明，当k 专0 0 时，加权平均原则就是最大隶属原则( 谢季坚，2 0 0 0 ) 。 2 、水质模糊综合评价模型的建立 2 1 建立评价对象的因素集 因素是参与评价的评价指标。在环境评价中，因素集就是参与评价的r 1 个污 染因子的实际测定浓度组成的模糊子集，即“= 缸。，“：，甜。) 。 2 2 建立评价集 评价集是与因素集中评价因子对应得评价标准集合。根据g b 3 8 3 8 2 0 0 2 把 水质分为5 个等级，即评价集为：v = i ，i i ，i i i ，v1 。 2 3 权重系数的确定 本文应用一种基于检测样本信息的主成分分析赋权方法( 谢季坚，2 0 0 0 ) 。 其基本思想是：赋权的信息源应直接来自客观环境；确定权重的前提是要首先了 解整体系统中各环境因子相关联特征及其对整体环境系统污染物的贡献量。贡献 量越大者，其权重赋值就越高。所以，需要由空间或时间的不同点、不| 一参数检 测样本，形成系统分析的相关矩阵。它从各种不同环境质量级别的标度下，反映 群体之间、因子之间的关联性。其次，要采用一种能从多相关因子中提取各因子 对环境污染中分贡献的系统方法。 本文采用了旋转正交变换的主成分分析法，它可以定量描述交互因子在整体 系统的贡献，最后通过贡献量大小识别对应各个因子的权重值，使得赋权尽量做 到合理、客观和可比性。这类方法特别适用因子之间关联性影响比较明显的情况， 如地表水环境质量评价的应用。 2 3 1 赋权信息源的相关矩阵 水环境因子的监测数据是当时环境状态的真实记录，是重要的赋权信息源。 不同环境因子在整体系统中的相互作用，可以用相关信息矩阵表达。设有n 个水 1 6 第二：章研究办案与试验设计 环境监测样本，每个样本有m 相水环境因子检测值x ，n - - j 得水环境监测样本矩 阵x 和国家水质标准矩阵s ： 以。= b l 。 ( 2 3 ) 。= g 打) “， ( 2 4 ) 式中：i = l ，2 ，m ；j = l ，2 ，1 1 ；t = l ，2 ，c 。 为了消除不同单位或量级尺度影响，应对上述矩阵中的元素作归一化处理， 转变为【o ，1 区间内取值数。为达此目的，不妨约定，i 级水质标准浓度在标准 矩阵中对应元素为1 ，c 级水质( 最差级别) 标准浓度在标准矩阵中对应元素为 0 ，i 与c 级水之间的水质标准浓度在矩阵中对应的元素均在 o ，1 】之间。归一化 方法可以采用分段线性变换。简介如下： 对数值越大污染越严重的指标，可采用下式确定s ，x 矩阵元素的变换： = g 缸一s 缸) g 耙一s f l ) ( 2 5 ) l 1 x # - s 订 口扩= 0 缸一x 矿) 0 缸一s i l ) s i l ( x ， s 缸 ( 2 6 ) 【0石扩s 缸 对d o 等水质指标数值越大污染越轻的元素，可采用下列变换方法： = g 打一s i c ) g n 一) ( 2 7 ) l 1 x ，s n 口驴= 伍 ，一) 舾f l - & ) ：；勘) & ( 2 8 ) 【0 b j 缸 对p h 值，可按两个状态变换，即 毛= 拈篡主蒿冀 协9 ， 旷1 n 0 篡主苏冀 协 口扩2 ( 6 5 ，8 5 忆。1 或改为以7 5 为中点， 6 5 ，8 5 】为区间的三角分布等。 由于各级水质标准的差值为非线性，为便于理解、简化计算，本文中将s 矩阵归一化后取值为 o ，1 之间的等间距差值。统一记s 和x 矩阵归一化后的标 准矩阵和实测样本矩阵为： 第二章研究方案与试验设计 b e 。= 慨l 。 ( 2 11 ) 彳= b l 。 ( 2 1 2 ) 如果监测样本资料充足，可以