（水工结构工程专业论文）基于贝叶斯方法的三峡库区水环境质量研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 长江三峡工程是举世瞩目的跨世纪特大型水利工程，在保障防洪安全和综合 开发利用方面具有举足轻重的作用。工程的建设对生态与环境的影响一直是国内 外专家学者广泛关注的热点之一，因此本文对广泛关注的三峡库区水环境质量状 况进行分析研究。 本论文主要以三峡蓄水运行3 年多的水文水质监测资料为基础，从1 3 5 m 蓄 水前后水质参数变化趋势，1 5 6 m 蓄水对坝下游水质影响及蓄水期间干支流水质 变化几个方面展开分析。结果表明：蓄水以后水质整体水平呈下降趋势，但短期 内没有明显恶化。支流水体蓄水后，水体营养盐浓度受干流影响增加，在其他条 件适合的情况下，会加速水体的富营养化。 在比较众多评价方法的基础上，论文重点研究建立了贝叶斯正则化神经网络 ( b r n n ) 水质评价模型和贝叶斯水质评价模型。为避免因样本资料过少而使网 络陷入局部最小值，从而引入贝叶斯规则化方法改进网络的自适应能力，从而改 进了b r n n 水质评价模型，同时本文尝试采用抽样误差正态分布原理来估计水质 评价的似然概率，从而改进贝叶斯水质评价方法，使其更加合理和可靠。通过实 例的评价对比分析，验证了模型的可靠性、合理性与实用性。从而合理评价了三 峡库区水环境状况，客观地反映了三峡水库库区水环境特征与实际现状，为三峡 水库水资源保护和监督管理提供科学依据和技术支持。 运用b r n n 和b a y e s 方法分别从综合因子及分类因子( 氧平衡因子、营养盐 类因子、毒物因子) 方面对三峡库区水质进行评价。结果表明：三峡库区总体水 质良好，水质保持在i 、i i 类水平，满足库区水体功能要求。建库蓄水后，局部 水域的富营养化可能引起水华等环境灾害的发生；坝下水中溶解氧浓度出现超饱 和现象，不利于鱼类的生长，应引起重视。 关键词 贝叶斯正则化神经网络；贝叶斯方法；水质评价；三峡水库 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t n l et h r e eg e o r g e sp r o j e c ti st h ek e yp r o j e c tf o ry a n g t z er i v e rd e v e l o p m e n t n e i m p a c t so fp r o j e c tc o n s t r u c t i o no ne c o l o g i c a la n de n v i r o n m e n tw e r ea l w a y st h e c o n c e r no fd o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c h e r s ，s ot h i sp a p e ra n a l y z e sa n ds t u d y st h e w a t e rq u a l i t yc o n d i t i o n so f t h et h r e eg e o r g e sr e s e r v o i r 、 ，i t l lw i d ea t t e n t i o n o nt h eb a s i so ft h r e eg o r g e sw a t e rr u n n i n gm o r et h a nt h r e ey e a r so fw a t e r q u a l i t ym o n i t o r i n gd a t a , t k sp a p e rm a i n l yf r o m13 5 mw a t e rq u a l i t yp a r a m e t e r s b e f o r ea n da f t e rt h ec h a n g et r e n d , 15 6 mw a t e rs t o r a g ei m p a c t i n go i ld a md o w n s t r e a m w a t e rq u a l i t ya n dt h ec h a n g e so fm a i n s t r e a ma n dt r i b u t a r i e sa n a l y s i st h ec h a n g e si n s e v e r a la s p e c t so fw a t e rq u a l i t y 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a t ：t h eo v e r a l ll e v e lo fw a t e r q u a l i t yi sad e c l i n i n gt r e n d ，b u ti nt h es h o r tt e r mt h e r ei sn oo b v i o u sd e t e r i o r a t i o no f w a t e rq u a l i t y a f t e rt r i b u t a r i e ss t o r a g e ，w a t e rn u t r i e n tc o n c e n t r a t i o n sa f f e c t e db yt h e i n c r e a s ei nt h em a i n s t r e a m ，i no t h e rc o n d i t i o n ss u i t a b l ec i r c u m s t a n c e s ，t h ew a t e rb o d y 、析l lb ea c c e l e r a t e dw i t ht h er i c ho fn u t r i t i o n o nt h eb a s i so fc o m p a r i n gv a r i o u se v a l u a t i o nm e t h o d s ，t h ep a p e rf o c u so nt h e e s t a b l i s h m e n to fr e g u l a rb a y e s i a nn e u r a ln e t w o r k ( b r n n ) w a t e rq u a l i t ye v a l u a t i o n m o d e la n db a y e s i a nw a t e rq u a l i t ye v a l u a t i o nm o d e l t oa v o i ds a m p l e sb e c a u s eo ft o o l i t t l ei n f o r m a t i o n g e t t i n gi n t o n e t w o r kal o c a lm i n i m u m ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e s b a y e s i a nm e t h o d st oi m p r o v et h er u l e so ft h ea d a p t i v ea b i l i t yo ft h en e t w o r k ，t h u s i m p r o v i n gt h ew a t e rq u a l i t ye v a l u a t i o nm o d e lb r n n ，a tt h es a m et i m es a m p l i n g e r r o ri nt h i sp a p e rt o t r yt oe s t i m a t et h en o r m a lp r i n c i p l e so ft h ew a t e rq u a l i t y e v a l u a t i o nl i k e l i h o o dp r o b a b i l i t y , t h e r e b yi m p r o v i n gw a t e rq u a l i t ye v a l u a t i o n b a y e s i a nm e t h o d st om a k ei tm o r er e a s o n a b l ea n dr e l i a b l e r e l i a b i l i t y , r a t i o n a l i t ya n d p r a c t i c a b i l i t yo f t h em o d e lw a sv e r i f i e db yc o m p a r i n ga n a l y s i s 1 1 1 ew a t e re n v i r o n m e n t s t a t u sc l o s et ot h r e eg e o r g e sd a mi se v a l u a t e dc o r r e c t l y i na d d i t i o n ，s c i e n t i f i ca n d t e c h n i c a ls u p p r o t sa r es u p p l i e df o rw a t e rq u a l i t yp r o t e c t i o na n ds u p e r v i s i o no f1 1 1 e t h r e eg e o r g e sr e s e r v o i r n l ew a t e rq u a l i t ya s s e s s m e mo nc o m p r e h e n s i v ef a c t o ra n dc l a s s i f yf a c t o r ( o x y g e n b a l a n c ef a c t o r , n u t r i e n t sf a c t o ra n dt o x i cf a c t o r ) i nt h et h r e eg e o r g e sa r e aw a sw e l l g e n e r a l l ya n dw a sn o tg e t t i n gp o o ro b v i o u s l ya f t e ri m p o u n d i n gw a t e ru s i n gb r n n m o d e l sa n db a y e sm o d e l v a r i a t i o nt e n d e n c yo fw a t e rq u a l i t yd u r i n gd e p o s i tm o n t h s i si 、i il e v e l s e u t r o p h i c a t i o ni ns o m el o c a lw a t e ra r e aa f t e ri m p o u n d i n gw a t e rm a y i n d u c ea l g a eb l o o m s d ol e v e li nd o w n s t r e a mo ft h ed a mi so v e r s a t u r a t e dn o tc o n d u c i v e t ot h eg r o w t ho ff i s h ，i ts h o u l db er e g a r d e d k e yw o r d s ：b r n n ；b a y e s ；w a t e rq u a l i t ya s s e s s m e n t ；t h et h r e eg e o r g e sr e s e r v o i r 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：寄亭文 e l 期：勃如生勐 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文储魏存章文导师签名李石亏量日期：础 卯 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 水是人类和一切生物赖以生存的物质基础，也是人类文明发展不可缺少的自 然资源。虽然地球表面大部分被水覆盖，但真正可以开采利用的淡水资源不到地 球总储量的1 。并且水污染造成的危害正在加剧。水污染是指水体受到人类活动 的影响而使水的感观、物理化学性质、化学成分、生物组成以及底质状况等发生 恶化的现象。水污染使水的使用价值降低，给水生生物和用水者造成危害，并加 剧水资源短缺的矛盾。随着人口的增长、社会的进步、经济的发展，水体污染日 益严重，成为当今最突出的环境问题之一。 我国由于快速工业化、人口过多和不加控制的资源开发而导致我国水环境恶 化的情况日趋严重。目前，我国总体水环境状况令人堪忧。1 9 9 5 年水利部进行了 第二次全国水质评价工作。根据1 9 9 1 年水质监测断面资料，按照国家g b 3 9 3 9 - 8 8 地面水环境质量评价标准，对近7 0 0 条河流，约1 0 万k m 河长的水质进行了评 价。结果表明：在全国综合评价河长9 8 6 1 4 k m 中，水质为i 、i i 、的河长分别占 评价河长的2 7 6 、2 6 1 和2 1 3 ：水质为、v 类和超v 类的污染河长分别占评 价河长的2 7 6 、8 3 和1 0 6 污染总河长占评价河长的4 6 5 ，与1 9 8 0 年的水质 评价成果相比，污染河长增加了l 倍多。根据1 9 9 9 年水资源公报资料，全国污染 河长占总评价河长的比重下降为3 7 6 ，单超v 类严重污染河长比重较1 9 9 1 年增 加了6 6 # - 百分点。水体污染严重己成为实现中国水资源可持续利用的重要障碍 之一。加强水资源的综合利用，防治水污染，对水环境进行综合治理势在必行乜1 。 长江三峡工程是举世瞩目的跨世纪特大型水利工程，是治理和开发长江的 战略性工程，具有防洪、发电、航运等综合效益。作为长江流域的控制性工程， 三峡工程在保障防洪安全和综合开发利用方面具有举足轻重的作用，但工程的建 设将可能对三峡库区的生态环境造成直接或潜在的影响。三峡工程对生态与环境 的影响一直是国内外专家学者广泛关注的热点之一口1 。 三峡工程于1 9 9 3 年开工，1 9 9 7 年1 1 月8 日及2 0 0 2 年1 1 月6 日先后在大江及导 流明渠截流；2 0 0 3 年6 月1 日蓄水，6 月l o 日蓄水至1 3 5 m 高程，2 0 0 3 年1 0 月蓄水水 山东大学硕士学位论文 位达到1 3 9 m 。此后，汛期水位降至1 3 5 m 运行，非汛期水位在1 3 9 m 运行。2 0 0 6 年9 月2 0 日，三峡水库开始蓄水至1 5 6 m 。 图1 1 三峡坝区地理位置不意图 三峡水库蓄水至1 3 5 m 水位后河道变化如图1 1 所示，图中上游浅蓝色部分为 建库后的水面，颜色较深的部分为蓄水前的江段。大坝上下游水位落差近7 0 米， 水库近坝区水深可达10 0 多米。三峡水库蓄水后，原有水文条件极大地改变，水 面面积增大，水体加深，水流变缓，特别是蓄水后的支流。 因此，根据目前监测情况，分析目前三峡库区水环境现状并对水环境质量作 出正确的评价，对于水质监测数据科学化、标准化的管理和分析，三峡建库后的 水质管理和合理控制库区水体污染，保持库区良好水质具有重要的实用价值和实 际意义。 1 2 水环境质量评价方法研究进展 环境质量评价最早出现在2 0 世纪初，美国是世界上第一个把环境评价以法律 形式肯定的国家。早期用于水环境质量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 , - 一1 9 0 9 ) 柯克维支和莫松h 3 等提出来的，是从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 2 山东大学硕士学位论文 评价法啼3 就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 进行评价的一种方法，专家评价法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，随着对水环境质量评价研究深入，提出数学模型来进行 水环境质量评价，此后，水环境质量评价蓬勃发展，不断涌现新的评价方法。1 9 6 5 年，美国俄亥俄州河流卫生委员会的赫尔顿1 瓜k h o a o n ) 提出了水质评价的质 量指数法，标志着水质现状评价工作的开始。之后，西德的莱伯曼口1 ( l i e b m a n ) 根据化学和生物参数提出了另一种水质评价方法，并编制了巴伐利亚州的水质 图。1 9 7 0 年，布朗阳3 ( r m b r o w n ) 在3 5 种水质参数中选取1 1 种重要水质参数， 然后根据专家的意见，针对每个参数的相对重要性加权计算水质评价指数。1 9 7 4 年美国哈金斯旧1 ( h a r k i n s ) 提出了另一种水质指数，该指数为各参数换算的污染 指数相加和的算术平均值。罗斯n 们( s l r o s s ) 在上述指数系统研究的基础上，对 英国克鲁德流域干支流的水质进行了评价，从常规监测的1 2 个参数中选取了4 个 参数作为计算河流水质指数的指标，并分别给以不同的加权系数。我国水环境质 量评价开始于2 0 世纪7 0 年代初。 1 9 7 4 年，我国提出了第一个综合表示水质污染情况的综合污染指数n ，改善 了用单项指标表示水质污染不够全面的欠缺：7 0 年代中期，提出了“有机污染综 合评价值”的概念n 羽，有机污染综合评价值定义为b o d 、c o d 、n h 3 - n 和d o 的 实测值与相应标准值之比求和，较综合地评价水质受有机物污染的情况，特别适 用于有机物污染较严重的水体。1 9 7 7 年又提出了“水域质量综合指标n 3 h ，用以 评价环境中水要素的质量。7 0 年代末，又进一步发展了评价方法，把测定项目分 为无机类、有机类和重金属类，将水质评价指数也分为三类，即分指数、类指数 和综合指数，从而进行评价。进入2 0 世纪8 0 年代，随着系统论、控制论和信息论 的发展，模糊数学、物元分析、灰色系统和人工神经网络等现代系统方法不断应 用于水环境质量评价。目前，国内外水环境质量评价方法有很多，在这简要介绍 几种常用的评价方法：指数评价法，基于模糊理论的水环境质量评价，基于灰色 系统理论的水环境质量评价以及基于神经网络的水质评价模型。 1 指数评价法 指数评价法可分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 山东大学硕士学位论文 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对 水质综合污染的影响程度n 纠耵。 ( 1 ) 单因子污染指数法。单因子污染指数法定义：i 。= c ；c 。；( c ；表示第i 种 污染物实测浓度，c 。；表示第i 种污染物的评价标准) 。即由每个水质监测参数依 据国家地面水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 确定水质类别，最后选择其中 最差级别作为该区域的水质状况类别。单因子污染指数法只能代表一种污染物对 水质污染的程度，根据单一因子来评价水质污染是不能反映水质整体污染程度。 我国徐祖信n 钉改进了该方法，提出了一个全新的河流单因子水质评价指数一单因 子水质标识指数。单因子水质标识指数可以完整标识水质评价指标的类别、水质 数据、功能区目标值等重要信息，既能按国家标准类别定性评价，又能根据标识指 数进行水质数据的分析：既可以比较分析同一类水质指标在同一级别中的差异， 也可以在不同类别水质指标中比较分析水质的污染程度。 ( 2 ) 水质综合污染指数法。在求出各个单一因子污染指数法的基础上，再 经过数学运算得到一个水质综合污染指数来评价水质，并据此来对水质分类。对 分指数的处理不同，使指数法存在着不同的形式。如简单迭加型、算术平均型、 加权平均型、罗斯水质指数、内梅罗指数乜们、黄浦江污染指数、豪顿水质指数等。 这些不同形式指数中有不少涉及到评价因子权重的匹配，权重的取值直接影响到 评价的结果，因此，评价结果具有很大的主观性；并且各种指数形式都存在不能 很好地与国家统一的水质功能类别相一致，并且没有非常完善、比较统一的环境 质量分级系统，这样的评价结果只能定性地说明污染程度是轻、严重还是非常 严重，不能确定其功能类别为几类。为此，不少学者对综合指数法提出改进，目 的是将综合污染指数与水质类别统一起来，以提高综合指数法的适用性，例如： 梁德华瞳1 1 提出断面综合指数法，综合水质指数由整数和小数两部分组成，整数部 分代表断面水质功能类别，使综合水质指数与水质类别统一起来；小数部分为各 污染指数的加权平均，以区别同类水质的优劣，权重的选取基于不同污染指标超 标对水质类别贡献大小不同的思想。 2 基于模糊理论的水环境质量评价 所谓模糊是指边界不清晰，这种边界不清的模糊概念，是由十五之间的差 异引起事务间存在中间过渡过程，引入模糊数学的概念符合水质评价的客观要 4 山东大学硕士学位论文 求。模糊数学法的关键是构造隶属函数或矩阵以及权重矩阵，应用模糊理论对水 质进行综合评价。模糊综合评价口2 。2 钔是指对多种模糊因素所影响的事物或现象进 行总的评价，又称模糊综合评价。其代表性方法有：模糊综合评价法、模糊概率 法、模糊综合指数法等。其中应用较多的是模糊综合评价法。模糊综合评价法是 根据各污染的超标情况进行加权，但污染物毒性与浓度不成简单的比例关系，这 种加权方法不一定符合实际情况，其中隶属函数以及权重的选择，仍在探讨中。 梅学彬乜朝提出新的权重确定方法，把指标区分为对标准递增型指标和对标准递减 型指标，再分别计算各指标权重。曾永陆1 等采用模糊综合评价法对黄河_ - f - 峡一 花园口段水质进行了评价，认为该法适用于各评价因子超标接近的情况。 3 基于灰色系统理论的水环境质量评价 水环境质量系统除了模糊性以外，还有一种更为广泛，内容更为深刻的特 性，这就是系统的灰色性信息的不完全性和非确定性。灰色聚类法啦! 就是将 水体作为一个灰色系统，灰色聚类分析是建立在灰色的白化函数生成的基础上， 将聚类对象对于不同的聚类指标所具有的白化数据进行归纳，用以判断该聚类对 象属于哪一类。灰色聚类法中白化函数的建立与模糊数学中隶属函数建立有相似 之处，且灰色聚类法和模糊综合评价法都是根据最大隶属度原则来评价的，灰色 聚类法与模糊数学最重要的区别是在权重的计算上，模糊综合评价法中计算权重 的含义是，根据各污染物的超标情况进行加权，超标越多，加权越大。根据这一 原则计算权重，各污染物的权重都是相同的。而灰色聚类法认为各污染物的危害 性反映在变化幅度不同的分级标准中，各污染物的权重应该是不同的，根据不同 水质类别确定相应级别各污染物的权重，这一点避免了模糊数学方法只用一个权 重划分水质级别的不合理之处，但这种权重计算方法显然没有考虑超标污染物对 水质的特别损害，有着明显的缺陷。从郭劲松啪和陈武口订的算例中可以看出，用 模糊综合评价法易使评价结果偏重，而用灰色聚类法评价水质又容易使评价结果 偏轻。汪家权口2 3 等为改进这种方法，便以灰色系统理论为基础，把灰色关联度分 析方法和单因子污染指数法相结合，构造了一种适合于评价地下水质量的灰色模 型。 4 基于a n n 的水环境质量评价 水质评价是水质规划管理的基本程序。它以定量特征值方式直观地表示水环 境质量的总体状况或某种特殊指标对水质状况的特别影响，是进行水环境容量计 5 山东大学硕士学位论文 算和实施水污染控制的重要基础。如前所述，国内外用于水质评价的方法很多， 综合指数类评价方法较单指数法更抓住了水体按水质级别进行功能分类的要求， 更能反映出水体质量变化的不确定性特征，而这一特征正是各水质指标互相作 用、互相影响的结果。这些方法都要事先假定评价模式或主观规定一些参数，评 价结果具有很强的主观性，因而适用性受到限制。为此，人们始终在努力寻找更 为客观的评价方法。人工神经网络的出现为解决这一问题提供了可能，神经网络 具有的学习与记忆功能为解决水质评价这类模式识别和分类问题提供了理论依 据。 近年来，国内外均开始了将人工神经网络应用于水质综合评价的初步探索。 文献口3 3 利用贝叶斯概念( b a y e s i a nc o n c e p t s ) 和组合神经网络进行了流域非点源 污染的评价。其评价内容不仅涉及传统的污染物，而且还涉及到有害有毒物在水 环境中的积累影响。文献m 1 报导了将水质评价标准分为1 1 级，输出层节点取为3 ， 输入层选用7 个评价指标作为该层节点数，隐含层节点数取为7 的水质综合评价b p 网络模型，再按输出值与期望值的接近程度去定性判定其归属哪一级水质。王李 管m 1 等采用5 层b p 网络，将水质分级别地定性描述为严重污染、中等污染、尚清 洁等进行数值量化，输出层节点取为3 ，用0 或1 分别表示不属于或属于该种污染 级别。输入层以7 个水质参数作为节点数，隐含层取3 层，各层节点数依次为1 4 ， 1 0 ，7 ，从而提出了7 - 1 4 - 1 0 - 7 - 3 结构的b p 水质评价网络。胡明星m 1 等选用5 个湖泊 ( 杭州西湖、武汉东湖、青海湖、巢湖、滇池) 的实测数据，采用极贫营养化、贫 营养化、中营养化、富营养化、极富营养化的富营养化程度描述作为输出层的节 点数，以模糊嫡准则判别网络的收敛性，提出了模糊嫡准则b p 网络水质评价模型。 5 概率统计法 这类模式是目前能表征各污染强度出现历时的唯一可行方法。水域水体污染 强度受水文流量系列及污染物排放因素的影响较大，故水质监测结果具有随机 性，此法有充分的理论基础。监测数据至少大于3 0 个，就能较准确地反映水域的 时空污染情况。数学期望、方差法和标准二阶矩法都是不错的选择，若能对合理 加权以及方差或二阶矩的明确指标含义进行深入研究，应是水质评价较先进的方 法。例如黄辉金口钉采用概率统计法兼顾了污染强度、污染范围和污染历时对邕江 河段水质进行了评价。概率统计法代表模式见下表 6 山东大学硕士学位论文 表i 1 概率统计法代表模式 1 1 计算累积概率p = m ( n + 1 ) 概 率 2 做出经验频率曲线图 法 3 直接从图上查出各种污染物在各种概率 下的频率值 4 运用按污染物浓度进行分级的指数综合 评分 2 数学 q 同k 且一= 1 ，乃= 一2 - ，乃2 考 q ：随机变量乃的数学期望 期望 ，= l，= lo ， 方差 q 2 ：随机变量所的方差 法 o 。2 = _ 乃2 一q 2 ：各污染因子的权重系数 3 = 专辱 圪：j 截面，i 污染物的标准二阶矩 阶 圪：j 截面的污染程度 矩 牛阿 k ：i 污染物在水体中的污染程度 法 巧= 厮 g ：污染物实测值 s ：污染物t 的标准浓度 1 3 三峡水环境研究现状 三峡水库蓄水以后，三峡库区水质如何变化一直成为国内外广泛关注的问 题。随着三峡水库的形成，三峡库区的水环境将由现在的典型河流水体转变为类 似湖泊水体，水环境将发生根本的变化。因此，非常有必要根据水质监测数据分 析三峡水库库区水质变化情况，目前许多专家对这一问题进行了深入的研究。 陈永灿1 等( 2 0 0 1 ) 在三峡库区河段采用灰色关联评价法和多目标决策评价 法进行了重庆寸滩、涪陵两个断面的水质评价与分析，研究表明评价结果能准确 地反映水体的污染状况。 刘会娟、曲久辉( 2 0 0 2 ) 对1 9 9 9 年长江三峡库区1 0 个主要城市河段的 7 山东大学硕士学位论文 1 2 个监测断面的水质监测结果，采用综合污染指数法( p 值法) 进行了三峡库区城 市江段总体水环境质量的综合评价。结果表明库区水质主体上是属于轻度污染， 少数水域属于中度污染，个别情况下有重度污染；主要污染区域为重庆主城区、 长寿、涪陵和万州；主要污染物是大肠菌群、t p 、非离子氨和石油类。 戴润泉1 等( 2 0 0 4 ) 采用单因子评价法，对长江三峡库区1 9 9 6 2 0 0 1 年的水 质监测资料进行水质状况分析，结果表明三峡库区江段水质状况总体良好，参与 评价的各项指标多年均值均符合i i 类水体标准：部分水质参数测值超i i 类水体标 准，其中高锰酸盐指数、总铅、氨氮为库区江段的主要污染因子：汛期水质劣于非 汛期水质。采用p w q t r e n d 水质污染发展趋势分析专业软件，对长江三峡库区6 年 来的水质监测资料进行水质趋势分析，结果显示库区江段水质参数浓度及污染物 输送率趋势均以无显著变化为主，表明库区江段总体水质状况6 年来基本保持稳 定。 罗专溪n 盯等( 2 0 0 5 ) 以2 0 0 3 年1 0 月和2 0 0 4 年4 月的两次现场调查数据为基 础，分析三峡水库蓄水初期的水生态环境特征。结果表明，蓄水初期水库水体交换 能力减弱，水库有机污染甚微，但水体t n 、t p 浓度偏高，水库整体处于中营养状 态。 曹明h 2 1 等( 2 0 0 6 ) 根据2 0 0 2 2 0 0 4 年对三峡水库库首的监测，对该水域的理 化特征及其动态进行了比较分析，并对三峡水库初期蓄水前后的数据进行了差异 显著性分析。结果显示主要理化指标空间差异不大，主要随季节变化。部分理化 指标在蓄水前后有显著差异。其中t n 、t p 在蓄水后与蓄水前同期比较有明显降 低。对营养状态指数( t s i m ) 的评价表明，尽管蓄水后库首水质污染较之蓄水前有 明显降低，但仍呈中营养化水平。与国内其他大型水库比较，结果显示t p 、n 0 3 一n 都远远高于被比较水库。 1 4 本文研究内容与技术路线 1 4 1 本文研究内容 三峡水库成库后，水库的水质是影响三峡电站安全运行的重要保证，也关系 到三峡水库综合效益的发挥。三峡工程自2 0 0 3 年6 月首次蓄水，运行时间超过 8 山东大学硕十学位论文 3 年，在这三年里，三峡蓄水对三峡水库水体环境变化的影响应该有部分的呈现， 分析水库运行期间水环境的变化趋势可给后期蓄水的水库水质保护提供帮助。因 此，本文结合实测水质资料及现有研究成果，对蓄水后三年的三峡水库水环境进 行分析评价。本文主要研究内容如下： ( 1 ) 根据三峡水库实测水文水质资料，分析各断面水质参数蓄水前后变化趋 势，并简要分析1 3 5 m 和1 5 6 m 蓄水对坝下水质的影响以及干支流水环境质 量现状。 ( 2 ) 结合已有的人工神经网络理论的研究成果，构建基于人工神经网络技术而 适用于水体质量评价的b r n n 水质评价模型，为避免因资料过少而使网络 陷入局部最小值，从而引入贝叶斯规则化方法改进网络的自适应能力，使 模型更具合理性、可靠性及实用性。 ( 3 ) 选取三峡库区黄陵庙断面2 0 0 4 年的水质资料分别采用传统方法与贝叶斯 法以及b r n n 评价模型进行评价，并结合单项评价结果及实测资料对本文 采用的两种评价模型进行分析比较，阐述其评价结果的合理性与可靠性。 ( 4 ) 结合三峡库区实测资料，运用本文建立的水质评价模型，分别从综合因子、 氧平衡因子、毒物因子、营养盐因子等方面进行评价分析。 1 4 2 技术路线 9 山东大学硕士学位论文 1 0 图1 2 三峡水库水环境质量现状分析技术路线 山东大学硕+ 学位论文 第二章三峡库区概况及主要污染源 2 1 三峡库区自然地理概况 三峡库区涉及湖北省、重庆市的2 0 个县( 区) ：湖北省夷陵区、秭归、兴山、 巴东4 区县，重庆市的巫山县、巫溪县、奉节县、云阳县、万州三区、开县、忠 县、石柱县、丰都县、涪陵二区( 原涪陵市改为枳城、李渡两个区) 、武隆县、长 寿区、渝北区、巴南区、重庆市主城七区( 渝中、南岸、江北、沙坪坝、北碚、 大渡口、九龙坡) 和江津市等共计2 6 个区县市。库区地处东经1 0 5 0 4 4 1 1 1 0 3 9 ， 北纬2 8 0 3 2 3 1 0 4 4 7 ，东南、东北与鄂西交界，西南与川黔接壤，西北与川陕相邻。 重庆市近郊七区和江津市主要受汛后影响，为了更准确地反映库区的情况，在分 析和研究区域社会经济指标时，对汛前回水和汛后库区范围分别进行分析。汛期 回水涉及1 8 个县。据1 9 9 2 年统计资料，1 8 个县总面积5 2 4 0 4 k f f ，总人口1 4 3 2 0 4 万人( 其中农业人口1 2 8 2 1 2 万人，占总人口的8 9 5 ) ，国民生产总值1 4 9 2 0 亿 元，工农业总产值2 3 4 8 6 亿元；汛后库区范围包括2 0 个县，其总面积为5 6 6 5 0 k m 2 ， 总人口1 8 4 8 4 3 万人( 其中农业人口1 4 5 9 0 2 万人，占总人口的7 8 9 3 ) ，国民生 产总值3 6 1 8 3 亿元，工农业总产值5 7 7 7 2 亿元。 2 1 1 自然条件 库区位于长江上游段尾端，辖区内江南属武陵山区、江北跨秦巴山区，全 国地貌区划为板内隆升蚀余中低山地，地处我国地势第二级阶梯的东缘，总体地 势西高东低。库区内除长江干流外，主要支流有嘉陵江、御临河、乌江、渠溪河、 龙河、小江、磨刀溪、汤溪河、梅溪河、大宁河、神农溪和香溪。沿江地势自西 向东分为西东两段，西段从江津至奉节为四川盆地，主要为砂岩、泥岩组成的川 东侵蚀低山丘陵区；东段从奉节至南津关为著名的长江三峡河段，属川鄂褶皱山 地，主要为碳酸岩组成的侵蚀中低山峡谷区。 库区以奉节为界，分为东西两大地貌单元。奉节以东为三峡侵蚀溶蚀中低 山峡谷区，山顶高程都在1 0 0 0 - - - 2 0 0 0 m ，奉节以西为川东侵蚀剥蚀低山丘陵平行 山东大学硕士学位论文 岭谷区，两岸岸坡低缓，河谷较为开阔。 库区主要跨越两个二级构造单元，奉节以西为四川台坳，以东则为上扬子 台褶带。断裂不太发育，且主要位于奉节以东地带，断裂规模较小，属于轻微至 基本不活动断裂。区域岩溶发育，奉节以西为川东岭脊岩溶发育区，主要发育于 梳状背斜轴部山脊，呈条带状展布；以东为鄂西岩溶区，呈大面积分布，岩溶形 态丰富多姿。 库区两岸为岩质岸坡，库岸总体稳定条件较好。在长期侵蚀、剥蚀等地质 作用下，两岸发育有崩塌、滑坡和危岩体，成为今后库岸变形的主要部位。部分 库岸如巫山至云阳库段的草堂河、梅溪河、朱衣河等支流发育有一些泥石流，在 支流或沟谷出口形成一些“滩或“碛”。 三峡工程库区为弱震环境，地震基本烈度属于度区范围。坝址以上1 7 3 0 k i n 和5 0 - - - , 1l o k m 处，有秭归一渔洋关和黔江一兴山两个小地震带穿越库区。 库区主要位于亚热带季风区，冬夏季风交替明显，夏季炎热，雨水充沛， 空气湿润：冬季寒冷，雨水较少。年平均气温1 4 1 9 ，无霜期2 8 5 - - 3 5 0 天，年 降水量9 0 0 一- - 2 0 0 0 m m ，除6 , - - , 8 月蒸发量较大外，大多数时间降水基本能满足作物 需要。但由于降水时空分布不均，山洪与伏旱等自然灾害时有发生，主要表现 在夏秋暴雨成灾，伏旱常有发生。 一 2 1 2 社会经济状况 三峡库区汛期淹没涉及1 8 个县辖7 0 2 个乡( 镇、街道) 1 2 5 3 3 村、1 0 6 2 1 2 村民 小组( 居民小组) ，总人口1 4 3 2 0 4 万人，其中农业人口1 2 8 2 1 2 万人，占总人口的 8 9 5 ，非农业人口1 4 9 9 1 万人，占1 0 5 ，居住在5 2 4 0 4 k m 2 的土地上，区域内 人口密度为2 7 3 人k m 2 ；汛后库区范围包括2 0 个县，辖8 5 6 个乡( 镇) ，1 5 0 7 1 个村 ( 居委会) ，1 1 3 7 5 4 个村民小组( 居民小组) ，总人口1 8 4 8 4 3 万人，其中农业人口 1 4 5 9 0 2 万人，占总人口的7 8 9 3 ，非农业人口1 8 9 3 8 万人，占2 1 0 7 ，居住 在5 6 6 5 0 k m 2 的土地上，区域内人口密度为3 2 6 人l ( i 2 。三峡库区居住着汉、土家、 蒙古、回、布衣、朝鲜等民族。 据统计，1 9 9 2 年汛期及汛后淹没涉及县国民生产总值为1 4 9 2 0 , - 一3 6 1 8 3 亿 元。工农业总产值2 3 4 8 6 - 5 7 7 7 2 亿元，其中农业产值9 4 8 1 1 1 4 2 亿元，占工 1 2 山东大学硕十学位论文 农业总产值4 0 4 - 1 9 7 6 ：工业产值1 4 0 0 5 - 4 6 3 5 2 亿元，占5 9 6 - 9 7 5 4 。从比例来看，工业在国民经济中占有较大比重，但主要集中在万县市三区， 涪陵市二区和重庆市郊的长寿、渝北、巴南以及重庆市区等县，大多数县仍以农 业为主，相当一部分县是靠国家财政补贴的贫困地区。 库区农业生产以粮食为基础，柑桔、烤烟、茶叶、榨菜为龙头，粮、油、 猪、柑、茶并举。1 9 9 2 年粮食总产量约5 3 3 万t ，人均占有量3 7 2 k g ，基本上能自 给。农民经济收入以粮食、柑桔、油料、茶叶、烤烟和牲猪为主要来源，农村人 口人均纯收入5 6 6 元。综观库区农业生产现状，基础较差，实力薄弱，商品经济 不发达，因此制约了二、三产业的发展。 库区工业以食品、轻纺、化工、建材、机械、煤炭为主，1 9 9 2 年工业总产 值1 4 0 0 5 亿元，占工农业总产值的5 9 6 ，但基础薄弱，拳头产品和出口创汇产 品不多。三峡工程的兴建，为库区建材、矿产开采和化工工业的发展提供了好的 机遇，建筑业发展迅速，将成为新的经济增长点。 库区交通运输以长江水运为主，公路为辅，邮电通信、商业外贸、旅游事 业基础较差，但随着三峡工程建设的开展，近几年发展较快，商品流通渠道己渐 趋通畅，社会发展明显，适龄儿童入学率达9 8 ，医疗条件逐步改善，1 9 9 2 年社 会商品零售总额达7 0 亿元。 2 2 库区主要生态与环境问题 三峡大坝的修建，库区将淹没土地6 3 2 k m 2 ，其中耕地2 5 7 0 0 h a ，果园4 9 6 0h a ， 且都是低海拔农业精华地。最终将迁移人口1 2 0 万人，其中大部分农村人口将依 山后靠，但仍在库区内安置。这将使原本超载的库区人粮、人地关系更加紧张， 如不设法解决，垦荒开田和自然资源的掠夺开发将愈演愈烈，这将造成库区生态 环境更严重破坏和人民生活更加贫困的恶性循环。库区主要生态与环境问题包 括： 森林覆盖率低，水土流失严重。目前除鄂西三县外，其他各县森林覆盖率仅 为7 5 - - 1 3 6 ，沿江地带仅5 左右。现存森林林种单一，防护林所占比例小； 林木结构简单，多为纯林，马尾松占7 0 ，且幼林居多。库区内大于2 5 度的坡耕 地占耕地总面积的1 7 6 ，占早地的2 5 。水土流失面积已占土地总面积的5 8 2 山东大学硕十学位论文 。植被处于逆向演替状态，即由森林一灌丛一草丛一草坡一裸岩方向退化。 自然灾害严重，生态系统抗逆力减弱。库区为著名的伏旱区，伏旱频率高达 8 0 一9 0 。库区又是暴雨区，经常遭受洪水、山洪袭击，山地灾害严重，山崩、 滑坡等灾害频繁，造成严重伤亡或碍航事件。库首地区山大坡陡，降水多且强度 大，具有发生水土流失的潜在条件；易风化的岩层出露多，断层多，为水土流失 提供了丰富的物质来源；加之长期垦种坡地，乱砍滥伐森林资源和在开发性生产 中不注重水土保持，使水土流失不断加剧，生态系统严重失调，土地资源不断丧 失，加速了库首地区的水土流失。 环境污染严重。重庆、涪陵等地带是我国酸雨严重污染区之一，长江在重庆、 涪陵、万县和宜昌等江段已形成较严重的岸边污染带，并有继续扩展趋势。此外， 乌江流域高汞背景区对水体和沉积物的影响、长江沿江固体液弃物的污染等，也 都是潜在的环境问题。水土流失以及所导致的土壤养分流失已成为库区农业可持 续发展所面临的一个重大问题。水土流失不仅降低土地生产力，而且大量泥沙和 污染物质将直接进入三峡水库，对三峡水库水质保护将产生重大的影响。 三峡库区人口数量迅速增加，人类活动强度大，造成资源环境压力不断增大。 人类不合理利用土地资源的过度垦殖，土地垦殖系数在相当多的区域已超5 0 。 人类长期垦种坡地，库区陡坡耕地占坡耕地的比重达3 4 。三峡工程移民安置与 生产，城镇、道路等基本建设的大量增加，将导致土地利用覆盖变化，由此可能 产生新的严重的水土流失问题。 2 3 库区主要污染源 三峡库区的污染源主要有以下几个方面：上游水土流失导致大量泥沙入库， 造成非点源污染；库区沿岸城镇工业废水和生活污水直接或间接排入长江，以及 库区搬迁集镇和企业污染：不合理施肥造成库区化肥面源污染；农田及地表径流 将农药及固体废弃物带入长江；畜禽养殖业发展迅速，畜禽粪便利用不好也会造 成污染；船舶等流动载体在库区水域运行过程中将油类或其它污染物排入长江。 ( 1 ) 水土流失造成的非点源污染 1 4 山东大学硕士学位论文 量量曼皇曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼量曼曼i i i - i 曼曼曼曼皇曼曼皇璺曼曼曼鼍曼曼鼍 目前，非点源污染的氮、磷总量已占长江上游水体氮、磷总量的近5 0 ，仅 三峡库区每年入江泥沙所带的氮、磷总量近4 8 1 0 6 吨。由水土流失导致的非点 源污染一般只能通过控制水土流失、采用科学合理的施肥耕作体系来加以解决， 这涉及广大农村的千家万户，因此其治理难度相对更大。随着对城镇和工业污染 的防治，非点源污染在三峡水库水污染防治中的地位将日益突出。 ( 2 ) 工业废水及生活污染源 据调查，三峡库区从湖北宜