（系统工程专业论文）神经网络和遗传算法在河流二次污染预测中的应用研究.pdf

摘要 摘要 针对水质的预测预警需要，本文主要围绕提高河流二次污染水质的预测精度 来展开研究工作。 本文先对河流水环境基本知识，水环境质量标准，水污染主要水质指标，水 污染危害以及水中各种物质的相互作用进行研究，特别是河流水质的二次污染。 然后对当今河流水质模型的分类及常见的几种河流水质模型进行研究。 在对水环境和水质预测模型研究的基础上，重点讨论了b p 神经网络预测模型 的特点及其不足之处，针对b p 算法易陷入局部极小、收敛速度慢的缺点，根据遗 传算法具有全局寻优的特点，提出了用一种遗传算法实现b p 神经网络初始权重优 化的河流二次污染预测方法，充分考虑了b p 算法的精确性和遗传算法全局寻优的 特点，使b p 算法摆脱局部极小的困扰，并且所训练的网络能够达到要求的精度。 然后把遗传算法优化b p 网络初始权重的方法应用于河流二次污染水质预测 中，使用m a t l a b 神经网络工具箱的g u i 工具建立预测系统的神经网络模型，并对建 立的网络进行初始化、训练和仿真的各种操作，界面友好直观，模型以预处理过 的前2 4 5 天的氨氮数据和亚硝酸盐数据作为历史样本数据进行训练，再以后来2 8 天的氨氮数据来预测对应的亚硝酸盐的浓度。将优化方法的预测结果与标准b p 网 络建模方法的预测结果进行了比较，结果分析表明，遗传算法优化b p 网络权重的 方法有效提高了b p 神经网络应用于河流二次污染水质预测时的预测精度。 最后对全文进行了总结，并对以后工作的研究提出了建议。 关键词：b p 神经网络；遗传算法；河流水质预测；m a t l a b 广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nv i e wo ft h ew a t e rq u a l i t yf o r e c a s t i n ga n dw a r n i n g ，i nt h i sp a p e r ，t h em a i n s t u d yi st oi m p r o v et h ep r e d i c t i o na c c u r a c yo fw a t e rq u a l i t yi nt h er i v e r s s e c o n d a r y p o l l u t i o n a tf i r s t ，t h ep a p e rs t u d i e st h ek n o w l e d g eo fr i v e rw a t e re n v i r o n m e n t ，t h eq u a l i t y s t a n d a r d so fw a t e re n v i r o n m e n t ，t h em a j o rs t a n d a r d so fw a t e rq u a l i t y , t h ew a t e r p o l l u t i o n ，sh a z a r d sa n dt h ei n t e r a c t i o no fv a r i o u sm a t e r i a l si nt h ew a t e r ，e s p e c i a l l y t h er i v e r s ，s e c o n d a r yp ol l u t i o n a f t e rt h a t ，i tr e s e a r c h e s t h ec l a s s i f i c a t i o no fw a t e r q u a l i t ym o d e l sa n dt h ec o m m o n r i v e rw a t e rq u a l i t ym o d e l s o nt h eb a s eo fr e s e a r c h i n gw a t e re n v i r o n m e n ta n dw a t e rq u a l i t yf o r e c a s t i n g m o d e l s ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ef e a t u r e so fb pa l g o r i t h ma n di t ss h o r t n e s s ，i no r d e r t oo v e r c o m et h es h o r t c o m i n g st h a tb pa l g o r i t h mi su s u a l l yt r a p p e dt oal o c a lo p t i m u m a n di th a sal o ws p e e do fc o n v e r g e n c ew e i g h t s ，a c c o r d i n gt ot h ea d v a n t a g eo ft h e g l o b eo p t i m a ls e a r c h i n go fg a ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h eo p t i m i z a t i o no f t h ew e i g h t so f ab pn e u r a ln e t w o r ku s i n gag ai nt h er i v e r s s e c o n d a r yp o l l u t i o np r e d i c t i o n t h i s a l g o r i t h mc o n s i d e r st h ep r e c i s i o no fb pa n dt h eg l o b a lc o n v e r g e n tc h a r a c t e r i s t i c so f g a ，m a k e st h eb pa l g o r i t h mg e ta w a yf r o mt h el i m i t a t i o no f l o c a le x t r e m ev a l u e ，a n d t h et r a i n e dn e t w o r kc a na t t a i nt h ea c c u r a c yo fr e q u e s t t h e n ，a p p l y i n gt h en e wm e t h o dt ot h er i v e r s s e c o n d a r yp o l l u t i o np r e d i c t i o n ，a n d e s t a b l i s h i n gt h en e u r a ln e t w o r k s m o d e lo fp r e d i c t i o ns y s t e mw i t hg u i t o o lo fn e u r a l n e t w o r k s ，t o o l ? b o xi nm a t l a b ，a sw e l l ，t oi n i t i a l i z e ，t r a i na n ds i m u l a t et h ee s t a b l i s h e d n e t w o r k s t h ei n t e r f a c ei sf r i e n d l ya n dc a nb ed i r e c t l yp e r c e i v e d t h ev a l u e sf o r i n d i v i d u a lw e i g h t sa n db i a s e sa r ed e t e r m i n e db yc o m b i n a t i o no fg aa n db p a l g o r i t h m s ，t h et r a i n i n gd a t ao f a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k sm o d e l sa r e2 4 5d a y s d a t ao f h i s t o r yo b s e r v a t i o n ，t h ec u r r e n t4w e e k s d e n s i t yo fn o ； a r ep r e d i c t e da c c o r d i n gt o t h el a t e r2 8d a y s n h 3 nd a t a s c o m p a r i s o n sa r eg i v e no ft h e s et w om e t h o d s f o r e c a s t i n gr e s u l t s ，t h en e wm e t h o dc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h ea c c u r a c yo ff o r e c a s t a n dr e l i a b l yb eu s e di nt h er i v e r s s e c o n d a r yp o l l u t i o np r e d i c t i o nb ya n a l y z i n gt h e r e s u l t so fr e a le x a m p l e s t h i sm e t h o dc a na l s oe f f e c t i v e l yb eu s e di no t h e rf i e l d s f i n a l l y ，as u m m a r yo ft h ef u l l t e x ti s p r o p o s e d ，a n df u t u r er e s e a r c hw o r ki s s u g g e s t e d a b s t r a c t k e y w o r d s ：b a c k - p r o p a g a t i o nn e u r a ln e t w o r k s ；g e n e t i ca l g o r i t h m s ；r i v e rw a t e r q u a l i t yp r e d i c t i o n ；m a t l a b h i 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 论文作者签字： 随龙 艚蝴婵：箍勤呔 z 叩年石岿多日 5 5 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 水资源是一种日益紧缺不可替代的自然资源和国家及其重要的战略资源，城 市水资源是实现城市可持续发展的重要保障，对维护社会稳定、促进城市建设具 有重要作用。然而，城市河流是一个开放的系统，其水质易受到自然现象的、随 机的以及人为的影响。 二次污染是指排入环境中的一次污染物在物理、化学或生物因素的作用下发 生变化，或与环境中的其它物质发生反应所形成的物理、化学成分与一次污染物 不同的新污染物，称二次污染物，由二次污染物造成的环境污染，称为二次污染。 河流中的二次污染，是指河流中的一次污染物经过迁移转化生成新的污染物 即河流的二次污染物，由河流的二次污染物造成的环境污染称为河流的二次污染。 如无机汞在自然水域中转化为剧毒的甲基汞就形成了河流的二次污染；又如含六 价铬的污水，经处理生成无害的氢氧化铬，随污泥排出，在土壤中遇酸性地下水 能使氢氧化铬再溶解而生成三价铬，即出现河流的二次污染。 长期以来我国水资源开发利用方式粗放，经济社会发展付出的水环境代价过 大。大量废污水未经处理直接排放，有的一次污染物在河流中又会经过迁移转化 为二次污染物，形成河流的二次污染，导致一些地区水环境严重恶化，极大制约 了人类的生存和社会的可持续发展。 来自国家环保总局的消息：从2 0 0 5 年1 1 月松花江水受到硝基苯污染致使下 游哈尔滨市停止供水四天后，平均每两天发生一起环境突发事故，其中7 0 是水 污染事故【l 】。2 0 0 8 年9 月2 3 日，由于砷浓度严重超标，昆明阳宗海水质遭受严重 污染，由i i 类急速降为了劣v 类，直接影响当地两万六千多名群众的饮水安全；2 0 0 9 年2 月2 0 日早晨，江苏省盐城市城西水源遭酚类化合物污染，原水取水口的 水中含挥发酚量达到0 2 m g l ，超标1 0 0 倍，两家自来水厂关闭，数十万市民饮 水受到影响。 相对而言，珠江流域是一个水资源比较丰富的地区，在2 0 0 7 年8 月份对珠 江干流监测评价的2 0 个断面中，水质符合i i 、类水标准的断面9 个，占断面总 广东工业大学硕士学位论文 数的4 5 ，i v 类水7 个，占3 5 ，v 类水3 个，占15 ，劣v 类水1 个，占5 。污 染河段主要位于珠三角城市河、部分水量较小的支流、河涌及珠江的出海河口。 近年来，珠江流域频繁发生的水环境污染事故也再一次警示我们保护水环境 所面临的形势依然非常严峻。2 0 0 6 年12 月2 7 日，北盘江一级支流那么河上游一 座金矿尾矿坝发生溃坝，致使尾矿坝内约有5 万m 3 矿废渣漫入下游小河及白坟水 库，造成突发性水污染事件；2 0 0 7 年4 月2 2 日，广东省中山市的渔民和边防官 兵在珠江口流域一起清理河涌的垃圾时，随便一捞都是垃圾成堆。 中华人民共和国水污染防治法已由中华人民共和国第十届全国人民代表 大会常务委员会第三十二次会议于2 0 0 8 年2 月2 8 日修订通过，自2 0 0 8 年6 月1 日起施行。 广州市政府非常注意水资源的治理和开发利用，专门成立了珠江治理整顿办 公室，财政拨款几百亿元治理流经广州市区的六江一河( 珠江、东江、西江、北 江、增江、绥江、流溪河) 及市区内2 l3 条河涌。市区周边先后建立了十几个生 活污水处理厂，2 0 1 0 年前全市生活污水处理率达到1 0 0 。2 0 0 6 到2 0 0 8 连续3 年省市领导亲自带头下水横渡珠江，向世人展示了政府治理珠江的成果和继续加 大治理珠江的决心。 1 2 研究意义 加强水环境保护管理，及时对水质进行监控预测是当今世界公认的避免和消 除水质污染影响的可行解决方法【：3 】，近年来国内也逐步建立了水质监测预报系统 【4 】。在计算机技术和近代应用数学高速发展的今天，建立河流水质预测模型，对 河流水质进行模拟和预测，已经具备了充分的物质基础和技术条件。总体看来， 水质预测已经取得了一定成果，但仍处于发展和完善之中。“十一五 期间国家 的五大环保重点之一是：以饮水安全和重点流域治理为重点，加强水污染防治。 在对河流水质监测、控制和治理的研究过程中，我们发现河流水质监测的技 术设备成本很高，要监测的河流水质指标很多，如果对河流中所有污染水质指标 都进行检测，人员设备的投入要求很多，特别是有些一次污染物在河流中会发生 迁移转化产生二次污染物，形成河流的二次污染，这就需要投入更多的人力和物 力。如果能够利用一次污染物的含量来预测与之对应的二次污染物的含量，这样 就可以节约一些成本，同时又可以达到了解掌握二次污染物含量的目的，可以说 2 第一章绪论 是一举两得。但要达到这种效果，就必须提高河流二次污染水质的预测精度，本 文主要就是围绕这个来展开研究工作。 河流二次污染水质预测研究是随着现代空间信息技术、数据库技术和仿真技 术的发展而发展起来的。要增强水质预报精度，有效防范河流水质污染特别是二 次污染所带来的危害，就必须加强对河流水质二次污染的预测。目前在国内，对 于河流二次污染预测方面的研究和应用很少，仅处在研究和尝试阶段，主要集中 于河流中泥沙、底泥对河流的二次污染，即底泥中的营养盐和污染物在上覆水发 生变化时会重新释放再次进入水体形成二次污染。贺宝根等1 5 根据底泥中污染物 质累积和释放过程及底泥对河流二次污染的机理，运用苏州河的实测资料，得到 河流二次污染b o d 和c o d 的年释放量。张辽飞等 6 1 综述了底泥二次污染中氮、磷、 重金属的释放机理、影响因素及一些常用的研究方法。邢大韦等【7 】针对洪水发生 时，随着泥沙的冲淤，沉积的泥沙被冲刷带来了污染物的迁移，形成了河流的二 次污染。 相比单一的预测方法，利用神经网络、遗传算法等人工智能方法，结合污染 物在河流中的迁移转化规律，通过建立河流二次污染水质神经网络模型，根据历 史资料数据对河流二次污染水质进行预测研究，可有效监测河流二次污染水质的 发展变化趋势，扩大水质测报范围，实现水质信息监测的准确性，能为政府环保 部门、流域原水水质监测点或河道管理部门等相关单位，合理利用和保护水资源 提供可靠的技术支持与决策参考。随着社会经济的发展和科学技术的进步，河流 二次污染的预测研究在水环境监测和管理方面将会发挥更大的作用。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 水质预测方法 水质预测的常见方法有线性回归方法i s 、时间序列方法 9 1 、灰色系统方法d o l 、 人工神经网络方法 1 1 , 1 2 , 1 3 】、决策树方法 1 4 】、混沌方法【1 5 】等。所有方法均能将数据中 隐含的规律挖掘出来，但并非所有方法均能将隐含的规律直观显现出来，而是将 隐含规律再次隐藏在各种复杂的参数和算法中，在实际预测时调用参数和算法及 确定输入变量的具体数值等进行预测，各种预测方法都有自身的优点和不足。 国外怀特在2 0 世纪7 0 年代对洪水泛滥进行了预测，在洪水泛滥的风险决策 3 广东工业大学硕士学位论文 中发展了单项预警体系，取得了显著的经济效益和生态效益【】。近年来，随着水 环境污染事故的频发，欧洲在莱茵河流域和多瑙河流域加强了水质预测，构建了 水污染预警系统，对于区域内的水污染控制发挥了重要作用m 】。 国内对水环境预测的研究，也以流域范围的宏观尺度为主，如苏维词l l s l 就乌江 流域生态环境预测方法和技术进行的探讨；臧永强等人【1 9 】针对扬州市河流污染情 况，结合g i s 虚拟现实技术，研究了扬州市河流污染在虚拟地理环境中的可视化 表达；仇蕾等t ：o 】对流域生态系统预测管理框架建立的尝试。此外，部分学者对区域 水质状况进行了预测预警研究，如董志颖等【2 l 】应用水质预测理论建立起在g i s 技 术支持下的吉林西部水质预警系统；韩晓刚等1 15 1 针对原水水质预测系统的发展现 状，分析讨论了混沌理论应用于水质预测的可行性，并利用混沌理论中的 l y a p u n o v 指数法对国内某水厂在线监测指标的周平均值进行了预测。 1 3 2 神经网络 人工神经网络是近几十年各个行业应用最广泛的预测方法，比较适用于那些 具有不确定性或高度非线性特征的控制对象。在水环境中水质的变化就具有不确 定性和非线性的特征，因此神经网络很适合对水源水质的预测，在这方面的应用 也很多。 r e c k n a g e 等系统地研究了a n n 模型在水质预测中的应用，建立了三个淡水湖 泊预测藻类爆发的a n n 模型和一个河流预测藻类爆发的a n n 模型，预测结果表明， a n n 模型可以预测不同环境条件下淡水水体中像藻类爆发这样复杂非线性的水环 境现象 2 2 】；r o d r ig u e z 等人首次使用人工神经网络模型( a n n ) 研究了余氯在配水系 统中的衰减，并与传统的一级模型进行了对比【2 3 】。模型通过b p 算法和使用一个时 间延迟输入拓扑结构来实现，对两个供水系统进行的模拟表明在水温较低时一级 模型显示效果较好，而在水温较高时a n n 模型则显示了较好的效果。这个模型开拓 了对余氯衰减研究的新领域，扩大了水质模型的研究思路。 国内李莹等根据东江水质监测的实际情况，建立了两种基于自适应a n n 的惠 州东岸段水质预测模型，得出a n n 具有算法简便、可自动修正和精度高的特点，采 用此方法可避免以往为寻找水质数学模型而消耗大量精力，同时也可大大改善因 各种随机污染或模型误差而造成预测精度低的问题，可在河流水质的智能化建模、 污染预测决策控制等方面发挥积极作用【1 2 】。陈建秋，张新政利用时滞大系统理论 4 第一章绪论 分析流域水污染的控制，将小波神经网络应用于水质预测中【：l 。王勇把基于时序 趋势结构序列的数据挖掘方法以及基于粗糙集与趋势结构序列的时序挖掘方法应 用于水质预测上、利用时滞方法对时间序列进行预测，构建了a n n 与a r 相结合的时 序预测模型，并以具体的时序数据集对模型进行性能测试，结果表明：a n n 与a r 相结合的模型的性能均比单一的a n n 模型或单一的a r 模型的性能好【，】。 1 3 3 遗传算法 遗传算法是由美国密西根大学的h o ll a n d 教授于1 9 6 2 年首次提出的，是一种 模拟生物进化过程中“物竞天择，适者生存 原则的全局优化算法 2 s ，2 6 。遗传算 法采用有遗传、变异及优胜劣汰的自然规律作为其思想，具有自组织、自适应和 自学习特性。近年来，遗传算法在优化领域特别是在解决非线性问题中不断取得 成功【2 7 】，其中g r e f e n s t e t e ej j 将g a 的参数选取作为一个优化问题，提出用g a 优化g a 参数的二级数值方法【：s 】。但存在早熟收敛问题严重束缚了它的进一步应 用，其主要原因是遗传操作算子或控制参数设计不当导致在进化过程中关键基因 缺乏或丢失。针对此问题，国外学者r u d o l p hg ，s c h a f f e rjd 和jc r a i gp o t t s 分别在新增遗传算予【2 9 】、改善控制参数【，o 】和改进算法结构1 等方面做了大量工作。 因为河流水质参数的变化具有不确定性和非线性，所以用遗传算法解决河流 二次污染水质预测的问题，可以充分发挥遗传算法在解决复杂的非线性问题时具 有的易于并行处理、不易陷入局部最优等特点，但同时计算量很大、存贮要求也 很高，所以可以用遗传算法和神经网络相结合来实现对河流二次污染水质的预测。 用遗传算法优化神经网络是遗传算法的一个发展方向，它主要包括三个方面： 连接权的进化；网络结构的进化；学习规则的进化【，：】。在实际中，目前利用遗传 算法对神经网络进行优化，大多数研究还只是处在对连接权的进化上 3 3 ，3 4 。使用 遗传算法进行b p 网络权系数、阈值训练的方法是将b p 网络的权系数、阈值统一 编码为遗传算法的种群，随机地初始化后，在选择、交叉、变异等算子的作用下 逐代产生新的种群，以训练样本集的均方误差为适应度函数，实现网络权值和阈 值的学习。先利用遗传算法整体寻优的特点将网络的权重优化到一个较小的范围， 然后用b p 算法精选的训练样本继续优化之，保留了遗传算法的全局随机搜索能 力，在一定程度上避免了陷入局部极小值。 5 广东工业大学硕士学位论文 1 4 主要研究内容 本文主要围绕提高河流二次污染水质的预测精度来展开研究工作。 本文先对河流水环境基本知识，水环境质量标准，水污染主要水质指标，水 污染危害以及水中各种物质的相互作用进行研究，特别是河流水质的二次污染。 然后对当今河流水质模型的分类及常见的几种河流水质模型进行研究。 在对水环境和水质预测模型研究的基础上，学习讨论了人工神经网络的特 点，神经网络模型，特别是b p 神经网络和b p 算法的特点及其不足之处。然后研 究了遗传算法的定义和基本概念，遗传算法的设计与实现及其主要参数的选取。 针对b p 算法易陷入局部极小、收敛速度慢的缺点，根据遗传算法全局寻优的特点， 提出了用遗传算法实现b p 神经网络初始权重优化的河流二次污染预测方法。 把遗传算法优化b p 网络初始权重的方法应用于河流二次污染水质预测中， 使用m a t l a b 神经网络工具箱的g u i 工具建立预测系统的神经网络模型，并对建立 的网络进行初始化、训练和仿真的各种操作，界面友好直观，模型以预处理过的 前2 4 5 天的氨氮数据和亚硝酸盐数据作为历史样本数据进行训练，再以后来2 8 天的氨氮数据来预测对应的亚硝酸盐的浓度。 最后对全文进行了总结，并对以后工作的研究提出了建议。 课题来源： ( 1 ) 区域水质优化复杂大系统的监测与控制，国家自然科学基金项目 ( 6 0 5 7 4 0 5 2 ) ( 2 ) 水环境治理复杂系统的监测与总量控制，广东省科技计划项目 ( 2 0 0 5 8 3 3 3 0 1 0 0 8 ) ( 3 ) 水质预测复杂大系统的模拟与控制及其算法研究，广东省自然科学基 金项目( 0 5 0 0 1 8 2 0 ) ( 4 ) 河流水质治理规划决策支持系统，广州市属高校科技计划项目( 0 8 c 0 0 5 ) 第二章河流水环境知识和水质模型分析 第二章河流水环境知识和水质模型分析 要对河流的二次污染水质进行预测分析，就必须对河流水环境的基本知识比 较了解，特别是对河流中各种水质变量之间相互作用、相互影响的关系要清楚， 从而选择利用合适的水质模型来对河流水质关系进行建模。 2 1 河流水环境知识 2 1 1 河流的二次污染 1 河流二次污染的定义根据2 0 0 8 年2 月2 8 日修订通过的中华人民共和 国水污染防治法的最新解释【，5 】 水污染物：是指直接或者间接向水体排放的，能导致水体污染的物质。 水污染：是指水体因某种物质的介入，而导致其化学、物理、生物或者放射 性等方面特性的改变，从而影响水的有效利用，危害人体健康或者破坏生态环境， 造成水质恶化的现象。 二次污染：排入环境中的一次污染物在物理、化学或生物因素的作用下发生 变化，或与环境中的其它物质发生反应所形成的物理、化学成分与一次污染物不 同的新污染物，称二次污染物，由二次污染物造成的环境污染，称为二次污染。 二次污染现象在我们的生活环境中普遍存在。大气中当某些一次污染物，在 自然条件的作用下改变了原有性质，特别是那些反应性较强的物质，性质极不稳 定，容易发生化学反应而产生新的污染物，即出现二次污染。如美国洛杉矶发生 的光化学烟雾，是由于人的生产活动和汽车行驶排入大气中的烃类及其它化合物， 在阳光作用下发生光化学反应，进一步生成以臭氧为主的多种强氧化剂，从而引 起更严重的污染，即大气二次污染。 城镇水厂的供水水质在正常情况下是符合我国现行生活饮用水卫生标准 要求的，但是出厂水经过给水管网输送及二次加压供水到居住区用户时，往往受 到污染，致使水质发生变化，甚至不能符合标准要求，这种情况称为管网水 质二次污染。 河流中的二次污染，主要是针对所监测河段，由于外部污染物进入河流及河 7 广东工业大学硕士学位论文 流内部污染物的迁移转化所造成的水质变化。无机汞在自然水域中转化为剧毒的 甲基汞就形成了二次污染；又如含六价铬的污水，经处理生成无害的氢氧化铬， 随污泥排出，在土壤中遇酸性地下水能使氢氧化铬再溶解而生成三价铬，即出现 二次污染。这里所说的甲基汞和三价铬，即二次污染物。 2 河流二次污染的特点近些年，修建拦河闸工程形成人工水面是在我国许 多城市比较流行的一项水利工程，拦河闸蓄水后形成平静的水面，水中的颗粒物 质很快就会沉降，使得水面变清、水质变好。沉积的污染物质在河床淤积形成底 泥，在微生物的作用下，底泥会释放出污染物，对水体形成二次污染。一般而言， 底泥中重金属、营养元素氮磷等对水体的污染较为严重。 河流的二次污染是重金属和有毒物的释放过程，增加了耗氧量，不但关系到 下游水生物的生命问题，而且关系到下游饮用水的安全，严重影响着市民的生活 质量。据有关资料介绍，河流二次污染事故时有发生，其影响范围广，发病人数 多，经常发生的疾病一般有两种：一种是生物性污染所致的疾病，常见的如痢疾、 肠炎等，发病率较高；另一种是化学性污染所带来的疾病，如铬中毒、氨中毒等。 可见，河流二次污染问题不容忽视，亟待加以解决。 河流中的二次污染具有污染形式多样、污染发生的不确定性、污染过程的时 滞性、内部污染与外部污染发生的双重性等特点。既有点源污染、面源污染、大 气尘降、底泥释放污染物等有外部污染源造成的污染，又有水中污染物在物理、 化学、生物的因素下发生转化而造成的污染。污染物在进入水体及在物理、化学、 生物因素下发生转化需要一个过程，造成水质污染的持续性和时滞性。 2 1 2 水环境质量标准 不同用途的水质要求有不同的质量标准。有国务院各主管部委、局颁布的国 家标准，省、市一级颁布的地方标准，有不同行业统一颁布的行业标准和各大型 全国性企业统一颁布的企业标准。 水资源保护和水体污染控制要从两方面着手：一方面制订水体的环境质量标 准，保证水体质量和水域使用目的；另一方面要制订污水排放标准，对必须排放 的工业废水和生活污水进行必要而适当的处理【，s 1 。对水质要求最基本的是地面 水环境质量标准，由国家环保总局发布g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ，依照其中规定，地面水使 用目的和保护目标，我国地面水分五大类： 8 第二章河流水环境知识和水质模型分析 i 类一一主要适用于源头水，国家自然保护区； i i 类一一主要适用于集中式生活饮用水、地表水源地一级保护区，珍稀水生 生物栖息地，鱼虾类产卵场，仔稚幼鱼的索饵场等； 类一一主要适用于集中式生活饮用水、地表水源地二级保护区，鱼虾类越 冬、回游通道，水产养殖区等渔业水域及游泳区； 类一一主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区； v 类一一主要适用于农业用水区及一般景观要求水域。 其中同一水域兼有多类功能的，按照最高功能划分类别。有季节性功能的， 可分季划分类别。 对污水排放国家环保总局也制订了污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 。 另外，为使环境恶化的趋势得到基本控制，2 0 0 0 年国家环保总局又制订了“一控 双达标政策：“一控 是指对主要污染物进行总量控制；“双达标是指重点企 业、工业企业污染源处理达标；城市的地面水和空气质量实现按功能区达标。 2 1 3 表征水污染的主要水质指标 通常要确定实际水质是否达标，就需要一些相应的指标来进行衡量。水质指 标就是指水中污染物的具体衡量尺度。各种水质指标表示水中污染物的种类和数 量，由此判断水质的好坏及是否满足要求。水质指标分为物理、化学和微生物学 指标三类。常用的水质指标主要有以下几项： ( 1 ) 水温、悬浮物( s s ) 、浊度、透明度及电导率等物理指标，酸碱强度p h 值、总碱( 酸) 度、总硬度等化学指标，用来描述水中杂质的感官质量和水的一 般化学性质，有时还包括对色、嗅、味的描述。 ( 2 ) 氧的指标体系，包括溶解氧( d o ) 、生化需氧量( b o d ) 、化学需氧量( c o d ) 、 总需氧量( t o d ) 等，用来衡量水中有机污染物质的多少，也可以用碳的指标来表 示，如总有机碳( t o c ) 等。 ( 3 ) 氨氮( n h 3 一n ) 、亚硝酸盐氮( 讲) 、硝酸盐氮( n o ；) 、总氮( t n ) 、 磷酸盐和总磷( t d ) 等，用来表征水中植物营养元素的多少，也反映水的有机污 染程度。有时还加上表征生物量的指标叶绿素a 。 ( 4 ) 重金属及其化合物。比重达4 0 以上的金属元素为重金属，如汞、镉、 铅、砷、铬、铜、锌、锰等，包括对其总量及不同状态和价态含量的描述。 9 广东工业大学硕士学位论文 ( 5 ) 有害物质，如挥发酚、氰化物、油类、氟化物、硫化物以及有机农药、 多环芳烃等致癌物质。 ( 6 ) 细菌总数、大肠菌群等微生物学指标，用来判断水受致病微生物污染 的情况。 ( 7 ) 根据水体中污染物的性质采用特殊的水质指标，如放射性物质浓度等。 总之，有的水质指标是水中某一种或某一类杂质的含量，直接用其浓度表示， 如某种重金属和挥发酚；有些是利用某类杂质的共同特性来间接反映其含量的， 如b o d 、c o d 等；还有一些指标是与测定方法直接联系的，常有人为任意性，如浑 浊度、色度等。水质指标能综合表示水中杂质的种类和含量，是不断发展的。如 何拟定最合理的指标，有待根据生产和环境科学的发展逐步完善。 2 1 4 水污染的危害 进入河流的污染物种类繁多，危害各有不同。按污染源的分布状况分类，可 分为点源污染和非点源污染 3 6 1 。点源污染主要指工业废水和城镇生活污水，他们 均有固定的排放口；非点源污染主要指来自流域广大面积上的降雨径流污染，如 农药、化肥污染，也常叫做面源污染。按污染的属性进行分类，可归纳为物理性 污染、化学性污染和生物性污染。相对应的就能使河流发生物理性、化学性和生 物性的危害。物理性危害是指恶化感官性状，减弱浮游植物的光合作用，以及热 污染、放射性污染带来的一系列不良影响；化学性危害是指化学物质降低水体自 净能力，毒害动植物，破坏生态系统平衡，引起某些疾病和遗传变异等；生物性 危害是指病源微生物随水传播，造成疾病蔓延。下面以几种具体的污染物说明其 危害。 ( 1 ) 砷，对我们来说可能比较陌生，但如果提到它的化合物一一三氧化二 砷，大家就熟悉了，因为它有个响亮的名字：砒霜。砷进入人体后，几乎不会被 分解和排除。 ( 2 ) 镉中毒主要是吸入镉烟尘或镉化合物粉尘引起。一次大量吸入可引起 急性肺炎和肺水肿；慢性中毒引起肺纤维化和肾脏病变。接触镉的工业有镉的冶 炼、喷镀、焊接和浇铸轴承表面，核反应堆的镉棒或覆盖镉的石墨棒作为中子吸 收剂，镉蓄电池和其它镉化合物制造等。日本报告“痛痛病 是因长期摄食被硫 酸镉污染水源引起的一种慢性镉中毒。 1 0 第二章河流水环境知识和水质模型分析 ( 3 ) 酚类为原生质毒，属高毒物质，酚污染的水有令人厌恶的药味，对神经 系统危害较大，人体摄入一定量会出现慢性中毒引起头晕头痛等，急性中毒症状 可导致昏迷而死亡。 ( 4 ) 无机汞可在生物体中转化为毒性很强的有机汞一一甲基汞，损害人体 细胞内的酶系统蛋白质，引起中枢神经系统障碍，中毒者出现小脑性运动神经失 调、语言障碍等症状。日本的水俣病就是长期食用受甲基汞污染的鱼贝引起的。 2 1 5 水中各种物质的相互作用 污染物在河流中的迁移转化是一种物理、化学和生物学的极其复杂的综合过 程1 3 6 。各种过程有其本身的特性和规律，是水质分析和预测的基础。各种水质变 量之间的相互影响关系是相当复杂的。图2 - 1 表明了大气、底泥及各个水质变量 之间的相互转化关系，在图中没有与其它水质变量不发生关系的水质参数。下面 对该图的各种相互作用作个简要的说明，图中每一条标有数字的连线表示以下各 种过程( 图中虚线代表河底底泥) ： j r 1 1 图2 一l 水质变量之间的相互影响关系 f i g2 - 1i n t e r a t i o nb e t w e e nw a t e rq u a l i t yp a r a m e t e r s ( 1 ) 复氧作用；( 2 ) 河底生物( 包括底泥) 的耗氧；( 3 ) 碳化b o d ( 即c b o d ) 耗氧；( 4 ) 光合作用产氧；( 5 ) 氨氮氧化耗氧；( 6 ) 亚硝酸氮氧化耗氧；( 7 ) 碳 化合物b o d 的沉淀；( 8 ) 浮游植物对硝酸氮的吸收；( 9 ) 浮游植物对磷( 磷酸盐磷) 广东工业大学硕士学位论文 的吸收；( 1 0 ) 浮游植物呼吸产生磷( 磷酸盐) ；( 1 1 ) 浮游植物的死亡和沉淀； ( 1 2 ) 浮游植物产生氨氮；( 1 3 ) 底泥释放氨氮；( 14 ) 氨氮转化为亚硝酸氮； ( 15 ) 亚硝酸氮转化为硝酸氮；( 1 6 ) 底泥释放磷。 由图2 - 1 可以看出各种水质变量之间的相互影响关系是相当复杂的，要想利 用当前的数学手段建立精确反映各种过程的模型，存在较大的难度，为了建模时 容易一些，而且所建立的模型又能反映出水质参数间的关系，就需要对水质模型 进行研究。 2 2 河流水质的预测模型 2 2 1 水质模型的分类 水质模型是描述水体中物质混合、输移和转化规律的数学模型的总称，是通 过分析污染迁移、转化等规律对河流水质进行分析的基本方法，河流水质模型的 研究与应用是河流水质预测的主要依据之一。 雨丽i 孬订 按建模ll 模型描述系ii 模型参数的il 反应动力学ll 按使用管理ll 接模型的水ll 智能技术 方法 i 统的稳定1 生il 空间分布ii 的性质ii 的角度l 质组分l 薹li 蓁li 蓁ii 萎 模ii 模l i 模ll 模 型li 型j i 型ll 型雏 纯ll 纯 转i i 反 移il 应 模 i 模 型li 型 蓁li蓁蓁ll蓁il蒌li蓁 图2 2 水质预测模型的一般分类 f i 9 2 2w a t e rq u a l i t yf o r e c a s t i n gm o d e l s c l a s s i f i c a t i o n 人们通常应用数学的方法来建立计算模型，采用一些单项的物理或生物化学 实验和天然观测资料来帮助确定模型的参数，通过模型计算来模拟或预测水质在 时间和空间上的变化，从而为水体环境质量预测，水污染控制以及水资源的规划 1 2 第二章河流水环境知识和水质模型分析 管理服务。自1 9 2 5 年s t r e e t e r - - p h e l p s 建立了第一个b o d d o 水质模型以来，水质 模型的建立与应用已经有了7 0 多年的历史。近年来，对水质模的研究已从点源污 染模型转向非点源污染模型，从一般的水质模型转向综合水质模型，并将营养物、 有毒化合物及底泥等作用纳入到模型中，逐渐向真实、定量化方向发展。 水质模型可以从不同的观察角度进行分类，一般可以按照建模方法、模型参 数的空间分布、智能技术等几方面来划分，如图2 2 。 2 2 2 常见的河流水质模型 目前常见的河流水质模型有以下几种：s t r e e t e r p h e l p s 模型、q u a l - i i 模型、 时间序列模型和神经网络模型等，下面对这些典型的模型进行一些分析。 1 s tt e e t e r p h elp sb o d - d 0 模型在稳态条件下，即对于均匀河段流量和排 污稳定时，各断面的污染浓度c 不随时间变化，孚：0 ，则一维河流水质模型的 拼 基本方程为： 甜篆= e 瓦a 2 c + 墨0 d x ( 2 1 ) 斯特里特菲尔普斯建立的b o d d o 模型有以下假定【3 6 l ： ( 1 ) d o 溶解氧的浓度取决于b o d 反应与复氧过程，并认为有厌氧微生物参与 的b o d 衰变反应符合一级反应动力学，s = k i l ； ( 2 ) 水中溶解氧d o 的减少是由于含碳有机物在b o d 反应中的细菌分解引起， 与b o d 降解有相同速率； ( 3 ) 由于氧亏和湍流而引起复氧，并假设复氧速率与水中氧亏成正比，氧亏是 指溶解氧浓度与饱和溶解氧的浓度差值。 由上述三个假设，根据稳态的一维迁移转化基本方程，稳态的一维b o d 、 d o 水质模型可用下列两个方程来表示： i “一d l = e 粤一即 l 出出z 1 摆= e 窘一k t l + k 2 ( q 一。) q 2 1 3 广东工业大学硕士学位论文 式中三一x = x 处河水b o d 浓度( m g l ) ；o x = x 处河水溶解氧的浓度( m g l ) ： d 。一河水在某温度时的饱和溶解氧( m g l ) ；x 一离排污1 2 1 处( x = o ) 的河水流动距 离( k m ) ；u 一河水平均流速，m s ；毛- - b o d 衰减系数( d - ) ：如一河水复氧系数( d 。1 ) ； e 一河流离散系数( m 2 s ) 。 2 q u a l - i i 河流水质综合模型q u a l i i 模型可用于研究流入污水负荷对受纳 河流的水质影响，也可用于非点源问题的研究。它的基本方程是一个平移一一弥 散质量迁移方程，它能描述任一水质变量的时间与空间变化情况。在方程里除平 移和弥散项外还包括由化学、物理和生物作用引起的源漏项( 包括支流和排放口的 影响) 【，s 】。对于任意的水质变量c ，这个方程可以写成以下形式： 型：塑一型枷 亿3 ， q u a l - i i 模型假设流量处于稳定状态，即塑a t = o ，则詈= o 于是上式( 2 3 ) u - i 变成以下形式： 笙o t ：丝a o x 一百o ( o c ) o 删 亿4 ， 式中：e 一一河流纵向弥散系数；m 2 s ；s ；。一一水质变量c 的内部源和漏， k g ( s m 3 ) ；s 。一一外部的源和漏，k g ( s m 3 ) 。 也可以把s l o t 认为是c 的全导数，即：等，只是由于内部源和漏引起水质 口f 浓度的变化，它与孚不同，后者包括诸如离散、平移、稀释、各种其它源和漏的 甜 影响等。在稳态条件下车：o 。 甜 3 时间序列法时间序列是指按时间顺序取得的一系列观测值【3 7 1 ，时间序列分 析方法属于统计学范畴。时间序列分析是一个发展得相当成熟的学科，已有一整 套分析理论和分析工具。传统的时间序列分析技术着重研究具有随机性的动态数 据，从中获取所蕴含的关于生成时间序列系统的演化规律。研究方法着重于全局 1 4 第二章河流水环境知识和水质模型分析 模型的构造，主要应用于对系统行为的预测与控制。通过分析或研究时间序列， 找出时间序列中隐含的规律，认识系统的固有特性，掌握系统与外界的联系，并 据此构建系统模型，通过此模型对时间序列进行预测和控制，推断出系统在将来 的变化和行为。时间序列分析方法已不仅是一种数据处理的方法，它已演变为一 种系统分析研究的方法。王勇【，】把基于时序趋势结构序列的数据挖掘方法以及基 于粗糙集与趋势结构序列的时序挖掘方法应用于水质预测上，利用时滞方法对时 间序列进行预测。 4 神经网络法人工神经网络是一种由大量简单的人工神经元广泛连接而