（水文学及水资源专业论文）济南市大明湖水质评价及水质模拟研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 湖泊是我国重要的淡水资源之一，为人们提供生活生产用水，是人民生活不 可缺少的宝贵资源。但是，随着我国经济和社会的发展，工业废水和生活污水排 放量日益增加，大量人类活动给诸多湖泊环境造成了不良影响。目前湖泊所面临 的环境问题主要是富营养化，城市湖泊尤其严重。济南市大明湖也一直被水质恶 化所困扰，水体总氮、总磷、透明度和大肠杆菌群污染较重，水体处于富营养状 态。为了研究防止、抑制和净化湖泊水污染的有效方法和措施，实现水资源的可 持续利用和良性循环，本文对湖泊现状条件下以及采取各种可能措施下的水质状 况进行模拟研究，并对模拟结果进行评价分析，为水质规划和环境质量管理提供 重要依据。 本文通过对大明湖2 0 0 1 - - - 2 0 0 5 年的水质运用人工神经网络模型进行水质评 价，在此基础之上运用s m s 软件进行水质模拟，可以直观的看出大明湖污染物 浓度分布情况，水流流动情况。然后运用情景分析法对大明湖进行水质模拟，通 过对结果的比较，可以直观的反应各个方案的好差情况，从而对大明湖进行水环 境规划提供简洁、优越、科学的方案。 关键词：大明湖；水环境；水质评价：s m s 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a k ei so n eo ft h ei m p o r t a n tf r e s h w a t e rr e s o u r c e s ，w h i c hp r o v i d i n gw a t e rt o p r o d u c i n ga n dl i v i n g h o w e v e r , 、析廿lt h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n ds o c i e t ya n d t h e i n c r e a s i n gd i s c h a r g eo f i n d u s t r i a lw a s t ew a t e ra n dd o m e s t i cs e w a g e ，al a r g en u m b e ro f h u m a na c t i v i t i e sh a v ed o n eh a r mt ot h el a k ee n v i r o n m e n t s a tp r e s e n t ，t h em a i n e n v i r o n m e n tp r o b l e mo fl a k e si st h ee u t r o p h i c a t i o n , e s p e c i a l l yu r b a nl a k e s d a m i n g l a k ei nj i n a nh a sb e e na l s op l a g u e db yw a t e rq u a l i t yd e t e r i o r a t i o n ，i n c l u d i n gt h e p o l l u t i o no ft h ew a t e rt o t a ln i t r o g e n ，t h et o t a lp h o s p h o r u s ，t h et r a n s p a r e n c ya n dt h e c o l i f o r ma n dt h ee u t r o p h i c a t i o n i no r d e rt os t u d yt h ee f f e c t i v em e t h o d sa n dm e a s u r e s t op r e v e n t ，s u p p r e s sa n dp u r i 母t h el a k ew a t e rp o l l u t i o na n da c h i e v et h es u s t a i n a b l e u s ea n dt h ev i r t u o u sc i r c l eo fw a t e rr e s o u r c e s ，t h i sp a p e rs t u d yt h ew a t e rq u a l i t y s i m u l a t i o no ft h el a k eo nt h ep r e s e n ts t a t u sa n du n d e rt h ec o n d i t i o n so ft a k i n ga l l p o s s i b l em e a s u r e s ，m a k ea n a l y s i se v a l u a t i o no f t h er e s u l t s ，a n dp r o v i d et h ei m p o r t a n t b a s i st ot h ew a t e rq u a l i t yp l a n n i n ga n dt h ee n v i r o n m e n t a lq u a l i t ym a n a g e m e n t t h i sp a p e re v a l u a t e dt h ew a t e rq u a l i t yo fd a m i n gl a k ef r o m2 0 01t o2 0 0 5u s i n g a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r km o d e l o nt h i sb a s i s ，m a k ew a t e rq u a l i t ys i m u l a t i o nb ys m s s o f t w a r e ，w h i c hc a ni n t u i t i v e l ys h o wt h ed i s t r i b u t i o no fp o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o na n dt h e w a t e rf l o wo fd a m i n gl a k e t h e nm a k et h ew a t e rq u a l i t ys i m u l a t i o no fd a r n i n gl a k e u s i n gs c e n a r i oa n a l y s i s t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no fr e s u l t s ，t h ea d v a n t a g e so f e a c hp l a n c a nb ei n t u i t i v e l ys h o w ns oa st oc a r r yo u tt h es i m p l e ，e x c e l l e n ta n ds c i e n t i f i cp r o g r a m f o rt h ed a m i n gl a k ew a t e re n v i r o n m e n tp l a n n i n g k e yw o r d s ：d am i n gl a k e ；w a t e re n v i r o n m e n t ；w a t e rq u a l i t ya s s e s s m e n t 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：弛幽 日期：珥蚪 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) 论文作者签名：硷丑砬导师签名： 日期芈 山东大学硕士学位论文 1 1 基本情况 1 1 1 问题的提出 第一章绪论 纵观全球，几乎所有的湖泊都存在着大大小小的富营养化问题。湖泊富营养化 已成为当代许多国家的政府和公众最为关注的环境问题之一，也是当今世界面临的 最主要的水污染问题之一。我国在经济持续高速增长的同时，所带来的最大负效应 就是环境污染日益严重，大江、大河以及湖库水环境质量日益恶化。早在1 9 7 2 年， 美国水污染控制法就把湖泊富营养化当作污染的重要问题。在日本，最大的淡水湖 泊琵琶湖由于富营养化从1 9 7 7 年起开始发生淡水赤潮。另据联合国环境规划 署( u n e p ) 的一项调型1 1 ，在全球范围内3 0 - 4 0 的湖泊和水库遭受了不同程度 富营养化的影响。特别在气候干旱半干旱地区，水源以人工或半人工方式蓄积起来， 富营养化情况尤为严重。 我国是世界上湖泊众多的国家之一，约有2 万多个湖泊，占全世界天然湖泊的 1 1 1 0 ，总面积约8 万k m 2 ，其中大于l k m 2 的湖泊大约有2 3 0 0 个，湖泊总水域面积达7 万多k m 2 ，约占全国陆地总面积的0 8 2 1 。但近年来多数已受到不同程度的污染。目 前仍处于纯天然状态的湖泊以为数不多，湖泊地区原有的良好的生态系统已受到严 重干扰和破坏，约有6 3 6 的湖泊受到不同程度的富营养化和污染危害，而近1 0 的湖泊污染已达到相当严重的程度，湖区生态系统被破坏，生物资源的数量大大减 少。据统计，全国1 3 1 个大型湖泊中，达到富营养化程度的湖泊6 7 个，其中五大淡 水湖中的太湖、巢湖均已成为重富营养化湖泊。城市近郊水堤富营养化程度普遍偏 高，如杭州西湖、南京玄武湖、云南滇池、合肥巢湖及武汉东湖等均达到重富营养 化程度【3 】。 目前，济南市的主要湖泊污染也较为严重，由于泉水断流和水质污染，大明湖 水体总氮、总磷严重超标、透明度降低，水质处于富营养状态。近年虽然经过底泥 疏浚、环湖截污、引配水和药物喷洒等一系列综合整治措施，延缓了湖水富营养化 的进程，但大明湖水质改善仍十分缓慢，湖泊还处于富营养化状态。总氮、总磷等 依然超标，现状水质为劣v 类水平。水质污染、水环境质量的下降严重影响了济南 山东大学硕士学位论文 市的生活环境及市民的生活质量。 1 1 2 研究意义 对济南市大明湖进行水质评价和水质模拟，其目的就是针对湖泊水质污染的 成因机制、分布、发生、发展规律及治理开展了较多的研究。从防污、减污、防警、 减警的角度出发，减少污染和警情造成的损失，在污染和警情发生之前进行预报。 加强水资源保护工作，避免或减少水污染造成的各种直接或间接经济损失，为人民 群众的生命财产安全、社会的安全和经济建设的腾飞发挥不可估量的作用，是一项 利国利民、造福后代的开创性工作。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 水质评价概况 水质评价 4 1 就是根据水质评价标准和各水样的水质指标值，对水样的水质进行 分类和排序，为水环境的科学管理和污染防治提供科学的决策依据，对区域可持续 发展具有重要意义。几十年来，国内外学者先后提出了层次分析法隆1 0 1 、人工神经 网络法【l l 】、参数法、生物指标法、灰色聚类法和模糊综合评价法【1 3 1 等多种方法。 ( 1 ) 层次分析法 层次分析法( t h ea n a l y t i eh i e r a r c h yp r o c e s s ，简称a h p ) 是美国著名运筹学家。 t l s a a t y 教授于上世纪七十年代提出来的一种定性与定量相结合的决策方法，在社 会、政治、经济、军事、管理等等各个领域中得到了极为广泛的应用，也吸引了众 多的学者对该决策方法作深入的理论研究，是近年来极为活跃的决策理论研究领 域，新的研究成果不断涌现。 ( 2 ) 灰色聚类法 灰色系统理论用颜色的深浅来形容信息的多少，比如黑箱就表示系统内部结 构、参数和特征等一无所知，只能从系统的外部表象来研究这类系统，黑即表示信 息缺乏。如果一个系统的内部特性全部确知，便称这个系统是明明白白的，白表示 信息充足，介于白与黑之间，或者说部分信息已知，部分信息未知，这类系统便可 命名为灰色系统，区别白色系统与灰色系统的重要标志是系统各因素之间是否具有 确定性的关系。 2 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 模糊综合评价法 美国加利福尼亚大学著名的控制论专家l a z a d e k 教授于1 9 6 5 年首次提出了 模糊集合( f u z z ys e t ) 的概念，标志着- d 新学科模糊数学的诞生。在随后的 几十年时间里模糊数学理论得到了飞速的发展，在数学、信息系统、计算机科学、 社会学、经济学、生理学、语言学等众多领域都得到了广泛的应用。模糊综合评价 方法是以模糊数学为基础，应用模糊关系合成的原理，将一些边界不清、不易定量 的因素定量化进行综合评价，成为了解决多指标综合问题的一种有效武器。 ( 4 ) 人工神经网络 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。 贝叶斯概念( b ay 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。水质评价标准分为i 、i 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。其优点是：1 ) 高速计算能力； 2 ) 大容量记忆能力；3 ) 学习能力；4 ) 容错能力。同时对水体富营养化进行评价。 1 2 2 水质模拟概况 水质模型【1 4 l y 称为水质数学模型。描述污染物在水体中变化规律的数学表达 式。污染物进入水体后，随水流迁移，并在迁移过程中受水力学、水文、物理、化 学、生物、气候等因素作用，引起污染物的稀释和降解。建立水质模型就是确定这 些相关因素的定量关系，以便用于预报、预测水体的污染趋势，研究水体污染特征 以及水体环境的自然净化能力f 1 5 】。水质模型是污染物在水环境中变化规律及其影响 因素之间相互关系的数学描述，它既是水环境科学研究的内容之一，又是水环境研 究的重要工具。它的研究涉及到水环境科学的许多基本理论问题和水污染控制的许 多实际问题。建立水域系统的数学模型，是水环境规划的基础工作之一，在水污染 控制规划中占有重要的位置。 经过几十年的发展，越来越多的的模型应运而生了。主要有：( 1 ) 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 ，简记作鲇州s ) ，是对人类大脑系统的一阶特性 描述；它是一个并行、分布处理结构，它由处理单元及称为联接的无向信号通道互 3 山东大学硕士学位论文 连而成：它也是一个数学模型，可以用电子线路来实现，也可以用计算机程序来模 拟。它具有通过学习获取知识解决问题的能力，是人工智能的一种重要研究方法。 当前，利用人工神经网络对水质进行模拟已成为环境工作者的重要课题之一； ( 2 ) 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称为g i s ) 的概念是1 9 6 3 年由 r o g e rf t o m l i n s o n 提出，在2 0 世纪8 0 年代开始走向成熟。它以具有地理位置的空 间数据为研究对象，空间数据库为核心，采用空间分析和建模的方法，适时提供多 种空间的和动态的资源与环境信息：( 3 ) “可视化是将一种抽象符号转换为几何图 形的计算方法，以便研究者能够观察其模拟与计算的过程和结果 。可视化技术是 在计算图形学的基础上发展的一门新兴学科，它融合了计算机图形技术、网络技术、 视频技术、计算机辅助设计与交互技术等。由于可视化技术的优越性，目前国内外 都积极将其引入到水质模拟和环境管理中。虚拟现实技术( v r ) 是对计算机仿真与 视觉技术的延伸，它自2 0 世纪8 0 年代后期兴起，可利用计算机技术生成逼真的三 维视觉、听觉、触觉等感觉形式的虚拟世界。从某种意义上可以认为v r 技术是一 种高级可视化技术，它可以实现人机真正的交互。 最早发展的水质模型是简单的氧平衡模型。1 9 2 5 年，美国的两位工程师 s t r e e t e r t l 6 】和p h e l p s 在对o h i o 河流污染源及其对生活污水造成的可度量影响的研究 中，提出了氧平衡模型的最初形式。一般通用的水质模型有：印第安纳州卫生部的 s t e e t e r p h e l p s 溶解氧模型；俄勒冈州加拿大水产研究部内陆中心的营养物参数预 算模型；纽约州美国环境保护局i i 区的河网稳态模型( s n s i m ) 和河口模型( e s 0 0 1 ) ： 新泽西州水科学公司的简化河流模型( s s m ) 及简化河口模型( s e m ) ；德克萨斯 州德克萨斯水开发部的溶解氧衰减模型( d o s a g 1 ) 和河流水质模型( q u a l 1 ) ； 加利福尼亚州系统控制公司的s c i 溶解氧衰减修改模型( c o s c i ) ；华盛顿特区美 国环境保护局的自动性水质模型( a u t o q u a l ) 和河口生态模型( e 2 c o m o d ) ； 纽约州曼哈顿学院土木工程系的浮游植物模型( l 舢旺1 ) ；美国国家环境保护局 提出的多参数综合水质模型( w r a s p ) ，加利福尼亚水资源工程咨询公司的河流水 质模型( q u a l i i ) 等等【1 7 1 9 1 。 目前国外有关河流水质模型的研究较多，1 9 9 8 年美国爱奥华州立大学的p r o f g u 利用水质模型研究季节水域污染物分配问题，1 9 9 9 年印度国家环境工程中心应 用水质模型研究污染物分配情况以解决海洋水质管理问题，2 0 世纪9 0 年代南非的 4 山东大学硕士学位论文 水质政策和规划管理就是建立在水质监测和水质模拟的基础上。 近年，国内上海苏州河的治理，就是利用丹麦水协会( d h i ) 开发的软件m i k e 进行了河流水质模拟，并根据模拟结果提供治理方案。除了河流水质模型外，国内 一些学者还利用湖泊水质模型为控制水体污染和富营养化提供有利的指导。甘肃农 业大学的杨具瑞副教授将三维问题“二维化的分层迭代计算方法引入滇池水质模 拟中，建立了二维分层水质模型，对滇池的流场和总氮浓度场分两层进行模拟。中 国科学院南京地理湖泊学分院的胡卫平教授和丹麦的学者在1 9 9 6 年建立水质模型 对太湖的富营养化问题进行了研究。 随着计算机技术的日趋成熟，出现了各种具有很强实用价值的水质模拟的通用 软件【2 0 - 2 2 。一维的有q u a l i i 、b l t m ( t h eb r a n c h e dl a g r a n g i a nt r a n s p o r tm o d e l ) 、 o t i s ( o n e d i m e n s i o n a lt r a n s p o r t 、 ，i t l li n s t r e a ms t o r a g e ) 、o t e q 、w a s p 、m d mll 、 c e q u a i r r i 、c e q u a l r i v ；二维的包括：f e s w m s o h ef i n i t ee l e m e n ts u r f a c e w a t e rm o d e l i n gs y s t e m ) 、m i k e 21 、砌儿嘘m 4 s e d 2 d 、c e - q u a l - w 2 ；三维 的有e f d c ( e n v i r o n m e n t a lf l u i dd y n a m i c sc o d e ) 髓m 3 d 、m i k e 3 、c e - q u a l i c m 、 m i k e s h e 、b a s i n s 等。 1 3s m s 软件介绍 s m s ( s u r f a c ew a t e rm o d e l i n gs y s t e m ) 是地表水环境模拟系统软件。它是由 美国b r i g h a m 大学下的环境模型研究室( e m r l ) 和美国陆军水道试验站 ( u s a c e w e s ) 共同开发研制的口仉2 1 l 。该软件可用于模拟和分析地表水的运动规 律，并包括前后处理软件。它包含一、二维有限单元模型、有限差分模型，以及三 维水动力学模型。该模型通过求解二维完全圣维南方程组，求解出计算时间内整个 研究区域的水位、流量及二维x 、y 方向的水流速度。模型采用隐式差分别式，具 有计算稳定性好、精度高的特点。每种模块都可以计算特定类型的水动力学问题， 软件包含的模块可计算以下范围水动力学问题：计算水位、流速等的模块；计算污 染物运移的模块；计算波浪要素( 如波高、波向等) 的模块：计算急变流的模块； 计算泥沙的模块。这些模块中既有恒定流模块也有非恒定流模块。该模型在北美地 区广泛应用，是国际上流行的水力学商业化软件之一。 s m s 模型软件前处理功能很强大，主要表现在它的地形网格生成技术，其网格 生成主要有两种方式：直接利用导入数据点生成网格和自动生成网格，并用实测数 山东大学硕士学位论文 据点插值网格节点。它的后处理能方便的展示计算结果( 流带、水位和水深) ，结 果数据的提取并不局限在网格节点，可以提取模型范围内任何一个点的计算数据。 而且，软件能进行流场动态演示及动画制作、断面流量计算、不同方案的比较等。 自进入国内以来，以其可视化程度高、界面友好、软件价格相对便宜越来越多地吸 引了国内相关研究人员的瞩目。s m s 软件是基于w i n d o w s 界面的一个水环境模 拟软件，克服了传统的水环境模拟软件平台低、操作复杂、适合条件有限等缺点。 s m s 支持大量水环境模型，其中包括【2 2 】： 二维河流河口循环模型r m a 2 ，h i v e l 2 d 和f 1 0 2 d h ； 三维河湔口循环模型r m a l 0 和c h 3 d ； 海洋循环模型a d c i r c 和m 2 d ： 定相分解波模型c g w a v e 和b o u s s 2 d ； 非定相分解波模型s t w a v e ； 运输传送模型r m a 4 和s e d 2 d w e s ： 一维河流模型h e c r a s 。 既可进行水动力学模拟，也可进行水质模拟，是一较为成熟的水环境模拟件。 而且可以根据不同的水环境模拟条件选择不同的模型进行模拟，这也是s m s 的一 大优点。 s m s 中使用最为频繁的模型是t a b s m d 模型，它包括g f g e n ，r m a 2 ， r m a 4 ，s e d 2 d w e s 等。t a b s m d 模型的组织构造图见图1 1 。 6 山东大学硕士学位论文 1 4 研究目的和内容 图1 - 1t a b s m d 模型组织结构图 ( 1 ) 对大明湖水质进行评价。通过水质现状的评价，了解大明湖的水质状况， 确定大明湖的主要污染物质和主要污染来源。 ( 2 ) 在对s m s 系统中r m a 2 和r m a 4 模型进行理解掌握的基础上，对大明 湖进行水动力学模拟和水质模拟，通过不断的将模拟值与测量值进行比较，确定水 质模型中的扩散系数，干湿单元，降解系数等重要参数，从而得出一个有效的大明 湖污染物迁移扩散模型。 ( 3 ) 根据大明湖污染来源及自身的生态资源特点，提出一些污染控制的方法 和手段，并利用s m s 对控制方法实施前后的大明湖水环境进行水动力和水质模拟， 比较控制前后的大明湖水质差别。 7 山东大学硕士学位论文 1 5 本文技术路线 8 山东大学硕士学位论文 第二章大明湖水质现状评价 2 1 水质现状评价的标准 城市湖泊的水质评价等级参考地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) ，其基本 项目的标准限值见表2 1 。 表2 - 1地表水质量标准基本项目标准限值 序号水质指标i 类i i 类i 类类v 类 1p h 值( 无量纲)6 - - 9 2溶解氧27 56532 3 高锰酸盐指数s 2461 01 5 4 化学需氧量( c o d ) s 1 51 52 03 04 0 五日生化需氧量 533461 0 ( b o d ) s 6 氨氮( n h 3 - n ) s 0 1 5o 5 1 o1 52 o 7 总氮( 以n 计) 5 0 20 51 o1 52 o 0 0 2o 1o 20 3o 4 8 总磷( 以p 计) s ( 湖库0 0 1 )( 湖库o 0 匹)( 湖库q d 5 )瞄i 痒q 1 )( 浩睥0 2 ) 9挥发酚s0 0 0 20 0 0 20 0 0 50 0 10 1 湖泊水体富营养化是反映湖泊水体环境质量的一个重要标准，本文评价分级标 准参照水利部水电规划设计总院提出的地表水富营养化控制标准( 2 0 0 2 ) ，见表 2 2 。 表2 2湖泊水体富营养化标准 9 山东大学硕士学位论文 2 2 水质评价的目的和意义 水质现状评价是在污染源的调查分析和水质监测的基础上进行的以直观地对 水环境或水体的质量进行定性或定量的估计删。水体现状评价可以反映出水体污染 的程度、主要污染物的类别以及其变化的趋势，并可对各河段的综合污染程度进行 排序，或对同一河段中不同污染物的污染程度进行排序，以找出优先控制河段或优 先控制指标；找出近年水质变化趋势，为进一步控制水污染提供科学依据。 2 3 研究区域概况 ( i ) 地理位置与环境 大明湖位于济南城北部，是泰山北侧山前的一个泉水汇成的天然小湖泊。济南 市位于鲁中南山地北部与华北平原的交接带上，北面有黄河流过，黄河以南岗丘起 伏；南面紧泰山的前山带。所以它实际上处于一个凹陷中，太明湖正居于凹地的底 部。 ( 2 ) 湖泊面貌 图2 1 大明湖景色 大明湖是一个城市小型浅水湖泊，呈东西长、南北狭的扁矩形，南面紧邻济南 市中心区。湖周长4 余k m ，面积约4 6 1 0 5 m 2 ，占济南旧城的四分之一。其平均水 深2 m 左右，最深处约4 m ，雨季与枯水季水位差约1 5 c m ，总蓄水量为1 1 5 万m 3 。 山东大学硕士学住论文 湖内散布几处小岛，致使湖面变化和深遥之致。沿湖点缀者许多名胜古迹，现 在辟为公园。湖水源主要南侧山的泉水补给和西护城河水补给。以前济南的名泉如 趵突泉、黑虎泉、珍珠泉、五龙潭泉四大泉群的水都直接或间接汇入湖中，今多数 泉已不与湖相通，仅有珍珠泉、芙蓉泉、泮池、王府池诸泉经河道由南门汇入大明 湖，西护城河水由西南门两个入口分别进入湖区见图2 - 2 湖水从东北隅汇波门出口。 汇合沪城河水，流入北面的小清河，注于渤海。 图2 - 2大明湖概况图 ( 3 ) 大明湖基本水质概况 大明湖湖底为火成岩岩床，为不透水层，故原始的大明湖营养元素少，湖水清 澈，营养化过程缓慢。由于大明湖是泉水补给湖，园此其水质情况随泉水涌流情况 而发生变化，泉涌量大时水质好转，清污水比倒也随之变化。资料显示，1 9 6 3 年注 入大明湖的泉水多于污水3 2 倍，1 9 7 6 年以后，减少到0 5 5 ：l ，1 9 8 0 年进行截污， 清、污比例为17 5 ：1 。近年来，由于泉水停喷和西护城河水质恶化致使大明湖 水质也遭到严重污染。主要污染源为地面径流、降尘、农药、旅游和未能截污的生 活污水。 据调查数据显示，大明湖水体透明度较低，由于污染源大部分是生活污水，其 中富古大量的n 、p ，湖底淤泥量较大，平均深1 m 左右，大明湖己呈现富营养化现 山东大学硕士学位论文 象。 ( 4 ) 污染源情况 大明湖的污水来源主要是济南市老城区的生活污水，由于老城区下水道没有 改建，所以老城区居民的生活污水都随着泉水的汇集到达了大明湖，老城区的泉水 是大明湖的主要补给源，同时也是大明湖污染物的主要来源。王府池子、百花洲聚 集了老城区的生活污水。我们在几次实地调研走访中，发现人们在用泉水洗衣服、 涮拖把等，王府池子也是济南市的一个公共游泳场所，所以给大明湖带来的p 、n 等有机物含量明显增大，作为大明湖截污的主要工程，老城区下水道的改建工程必 不可少。 2 4 水质评价方法 2 4 1 印人工神经网络模型陉绷 近几十年来，国内外许多学者相继提出来多种水质评价方法。目前常用的水质 量评价方法有单指数法、综合指数法、主分量分析法、分类评价法、数理统计法、 层次决策法、模糊综合评判、灰色聚类分析、物元可拓法、b p 人工神经网络、集对 分析法、遗传优化法、投影寻踪分析法等评价方法。水质量评价方法应能真实反映 水环境的特点、本质和各要素之间的内在联系及其动态过程，其评价结果的合理性、 可靠性、完备性取决于可靠的基础资料。 水质综合评价就是根据各水质指标值，对某水体的水质等级进行综合评判，为 水体的科学管理和污染防治提供决策依据。水质综合评价实际工作则常常是把研究 水体各水质指标值与相应的水质评价标准或其它水体的水质指标样本系列逐个进 行相似比较来进行的。根据水质评价标准可以随机生成足够完备的样本系列，研究 水体的水质综合评价过程，实质上就是根据该样本系列，内插出对应于研究水体水 质指标值的水质等级值。 人工神经网络对水环境质量评价和污染预测有很强的吸引力，用此模型研究我 国典型湖泊的富营养化状态充分体现了水质富营养化不同等级之间的模糊性，正确 的反映了水质富营养化作用的内部机理。 前向多层神经的反传学习理论( b a c k p r o p a g a t i o n ，缩写为b p ) 是由韦伯斯 1 2 山东大学硕士学位论文 ( w e r b o s ) 在1 9 8 4 年提出来的，鲁梅尔哈特( r u m e l h a r t ) 等于1 9 8 5 年发展了反传学 习算法，实现了明斯基( m i n s k y ) 的多层网络设想。b p 神经网络是具有输入层、1 个或多个隐含层和输出层结构的前向多层神经网络，同层各神经元互不连接，相邻 层的神经元通过权连接。考虑到项目综合评价的特性，本文建立3 层b p 神经网络作 为项目综合评价网络模型。网络的输入层设置了m 个神经元节点，与项目评价递阶 层次结构指标层的指标数目相等。隐含层有1 个神经元节点，输出层仅有1 个输出节 点，相邻层的神经元通过权连接。输入层信号从输入层经隐含层单元逐层处理，并 传向输出层，每一层神经元的状态只影响下一层神经元的状态。如果输出层不能得 到期望的输出，则转入反向传播，使输出信号的误差沿原来的连接通路返回。通过 修改各层神经元的权值，使得误差最小( 收敛) 。 人工神经网络是由大量的神经元连接而成的复杂网络系统。作为神经网络的基 本处理单元，神经元一般由输入、处理、输出3 个部分构成。神经元可以接受其他 神经元输出的信号或系统外部引入的信号作为它的输入内容，将这些信号经过一定 处理后得到一个结果，再以信号的形式输出到其他神经元或系统外部。典型的人工 神经元模型是一个有n 个不同输入，m 个相同输出的非线性单元结构。 将神经元按功能分为输入、处理和输出3 个分区，它可以接受多个输入信号，并 输出一个信号，这一信号可以同时引向多个去处，神经元接受的信号可以是连续量、 离散量或者模糊量。输入区的功能是将所有输入神经元的信号以一定规则综合成一 个总输入值p i ，综合规则可以形式化地用某种输入函数来表达。最常见的输入函数 是“加权和”形式： p ，( f ) = 一( 形，x ) = wuz ， 式中：形一连接强度，表示输入信号x 对神经元的作用强度； 输入层与中间层的连接权。 ( 2 - 1 ) 处理区的功能是根据总输入另( ，) 和该神经元原来在t l 时刻的状态q ( ，一1 ) ，计 算它在目前t 时刻的状态口j ( r ) ，也称活化态( s t a t eo f a c t i v a t i o n ) ，并定量地用活化 值q ( f ) 表示，处理规则也称为活化规则，或形式化地用某种活化函数蜀描述。活化 函数的一般表达式为： 山东大学硕士学位论文 q 0 ) = 蜀【b o ) ，a ，( t - 1 ) ，a 。( t - 2 ) ，q ( 1 ) 】 ( 2 - 2 ) 输出区的功能是根据当前的活化值q ( ，) 确定该神经元的输出值y j ( t ) ，这种转换规则 的形式化表示可称为输出函数l l i ，它将活化值映射为一个输出信号乃，即： y j = 曩【q ( ，) 】 ( 2 3 ) 2 4 2b p 网络学习规则 b p 神经网络由4 个过程组成：输入模式由输入层经中间层向输出层的“模式顺 传播过程；网络的希望输出与网络实际输出之差的误差信号由输出层经隐含层向 输入层逐步修正连接权的“误差逆转播”过程；由“模式顺传播”与“误差逆传 播”反复交零星进行的网络“记忆训练”过程；网络趋向收敛，即网络的全局误 差趋向极小值的“学习收敛 过程。 b p 学习算法的一般步骤如下： ( 1 ) 模式顺传播。这一过程是由输入模式提供给网络的输入层开始的，输入层 各个单元对应于输入模式向量的各个元素。设输入模式向量为： 五= ( 五，而 而) ( k = 1 ，2 ，m ) ( 2 - 4 ) 式中：m 一学习模式对个数； n 一输入层单元个数。 对应输入模式的希望输出向量为： 五= ( m ，ma 均) ( 2 - 5 ) 式中：q 一输出层单元个数。 根据神经元模式原理，中间隐含层各单元的输入为： 邑= 而一够 ( 2 - 6 ) l = l 式中：口，一中间层单元的阈值； p _ 中间层单元个数。 为了模拟生物神经元的非线性特性，以s ，作为s 函数( s i g m o i d i 函数) 的自变量，计 算中间隐含层单元的输出。s 函数接近于生物神经元的信号输出形式，所以，选用s 1 4 山东大学硕士学位论文 函数作为b p 网络的输出函数。把中间隐含层的输入代入s 函数得： 旷删2 雨1 = 忑而1 ( 2 7 ) 输出层各单元的输入、输出由下式求出： 厶= 艺- r , ( 户l 2 ，q ) ( 2 8 ) c f = 厂( 厶) ( 仁l 2 ，q ) ( 2 9 ) 式中：一中间层单元与输出层单元连接权； ，：输出层单元阈值； 一s 函数。 这样，一个输入模式就完成了一个顺传播过程。 ( 2 ) 误差逆传播。首先，进行误差计算。误差逆传播过程是由输出层的误差d ， 向中间层的误差乞传递的过程。输出层的校正误差由下式计算： 钟= ( - 4 ) f ( 厶) ( 卢l ，2 ，q ；l c = l ，2 ，m ) ( 2 1 0 ) e ：l 壹钟i 厂，( 马) ( 仁1 ，2 ，p ；k = 1 ，2 ，x a ) ( 2 1 1 ) lt s li 为完成误差向中间层的传递，需下式计算中间层各单元的校正误差：得到校正 误差钟与亏后，沿逆方向调整输出层与中间层、中间层与输入层之间的连接权，以 及各单元的输出阈值。其调整量按下列公式求出： 厶v j l = a d ：b ： 【a = 口d j j = l ，2 ，刃t = l ，2 ，q ；k = - l , 2 ，m ；o ( f l ( 1 ( 学习系数) ( 2 - 1 2 ) ( 3 ) 训练过程。这一过程是指反复学习的过程，也就是根据希望输出与网络实 际输出的误差调整连接权的过程。 ( 4 ) 收敛过程。训练的收敛过程就是网络全局误差趋向极小值的过程。全局误 差由下式计算： 1 5 山东大学硕士学位论文 e = 窆妻( y ? - c i 厶 式中：e 所有样本模式对的误差平方和，是检验网络收敛的误差标准； g 一输出单元个数； 肌一样本模式对个数。 b p 网络整个学习过程的一般步骤如下： ( 2 1 3 ) ( 1 ) 权值的阈值的初始化。给各连接权 、 及阈值 嘭 、赋予( - l ， + 1 ) 间的随机值。 ( 2 ) 随机选取一学写模式对五= ( 茸，x ：) ，砭= ( 计，以，y ：) 提供给 网络。 ( 3 ) 由输入模式五、连接权 嘞) 和阈值 巴) 计算隐含层各神经元的输入 岛 ； 然后用 马 通过s 函数计算隐含层各单元的输出 乞 ，即： 巴= 毛- o , ( j = i ，2 ，p ) 屯= 厂( q ) ( j = i ，2 ，p ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 4 ) 由中间层的输出 哆) 、中间层与输出层的连接权 和输出层的阈值 计算输出层各神经元的输入 厶 ，然后由 厶 通过s 函数计算输出层各单元的输出 q ，即： 厶：圭乞一，：( ，：1 2 “，留) q = s ( 4 ) ( f = 1 , 2 ，g ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 5 ) 用希望输出模式k = ( 计，虻，y ：) 和网络实际输出 q ，计算输出层各神 经元的一般化误差 群) ： 1 6 钟= ( 露- c , ) g ( 1 - g ) ( 2 - 1 8 ) ( 6 ) 用连接权 、输出层的一般化误差 钟) 和中间层的输出 q 计算中间 山东大学硕士学位论文 层各单元的一般化误差巧： 矽= ( ，壹钟h ( 1 一岛) ( ：1 ，2 ，p ) ( 2 - 1 9 ) ( 7 ) 用输出层各单元的一般化误差 钟) 和中间层各单元的输出 q 修正连接权 ) 和阈值 ) ： 踹v j t ( n + 1 ) + 1 ) = ，；( = v j , 鬻屯( j f = 1 2 川- 1 2 ，g ) ( 2 - 2 0 ) 式中：n 一学习次数。 ( 8 ) 用隐含层各单元的一般化误差 亏 和输入层各单元的输入 五= ( t ，砖，x ：) 修正隐含层与输入层的连接权 ) 和隐含层的阈值 已) ： 搿篙嬲名一川2 川 亿2 ， ( 9 ) 随机选取下一个学习模式提供网络，返回步骤( 3 ) 重复进行循环，直到 全部m 个模式对训练完毕。 2 5 水质评价及结果分析 ( 1 ) 根椐文献大明湖治理前后水环埔质量变化分析拟采用的水质量评价 原始资料见表2 5 。 年份高锰酸盐 b o d 5 c o d 总磷总氮 叶绿素( m g m 3 ) 2 0 0 11 4 8 8 9 1 7 1 7 70 3 2 95 7 12 2 9 8 2 0 0 29 7 5 15 4 4 5 5 6 2 0 2 3 6 3 5 8 21 9 8 2 0 0 39 6 49 1 56 4 3 5 0 1 6 64 3 4 2 6 3 8 2 0 0 43 9 2 5 9 7 3 6 5 3 0 1 0 34 9 41 18 8 2 0 0 53 2 76 2 32 6 1 2 0 0 6 6 6 2 5 7 9 0 4 ( 2 ) 由2 4 1 和2 4 2 的b p 人工神经网络模型计算可以得到大明湖2 0 0 1 - 2 0 0 5 年水质及富营养化情况见表2 - 6 和图2 3 。 1 7 山东大学硕士学位论文 表2 - 6大明湖2 0 0 1 2 0 0 5 年水质及富营养化评价结果 水质评价 亩营养化许价 2 0 0 1 年2 0 0 律 2 口口牟2 0 0 辉2 0 0 昨 e 亟亟 ) 至亟面 图2 - 3 大明湖水质及富营养化程度评价结果 置窿盲营荠化 富营莽化 中富营荠化 中曹葬化 茧营莽化 通过表2 - 6 及图2 - 3 可以看出，大明湖的水质日趋变好，尤其是2 0 0 3 年换水 后，大明湖的水质明显改善，基本上已经达到了i i i 类( 偏向类) 水标准，但是 大明湖的富营养化程度十分严重，一直处于富营养化附近徘徊富营养化主要成因 除污染物排入外，湖水流动性差也是一方面，因此，大明湖电需要引水使其流动性 增强，从而改善其富营养化程度。 山东大学硕士学位论文 第三章大明湖水动力学模型的建立 河流数学模型可以分为水动力模型和水质模型。借助质量守恒方程和动量守 恒方程可建立水动力模型，借助质量守恒方程可建立水质模型。一般建立模型的方 法是：将水体在空建上分格( 概化) ，使用差分法或其他数学方法将速度、水头、 各种水质组分浓度等值在时间和空间上离散，在用数值计算方法求解。 3 1s m s 中的水动力模型r m a 2 r m a 2 是美国陆军军团河道试验站从1 9 7 3 年开始开发的平面二维有限元水动 力学数值模拟【2 6 】。r m a 2 为紊流求解雷诺数形式的纳斯托克方程的有限单元解。它 的基本方程是质量守恒和x ，y 两个方向的动量守恒，其方程形式如下【2 0 2 2 】： 办o _ 钟u u + h uo - 砂e - u 巾o _ 砂e 一舡窘喁针的 警+ 卦 。) 等( “2 + 1 ，2 ) 一善圪2c o sy 一2 h ，ws i n = o 厅和扣争h e0 2 v 峨豺曲眵讣 、 粤( ”2 + 1 ，2 ) y 2 一孝圪2s i n y + 2 删s i n 矽= 0 一o h + f 丝+ 塑1 + 甜丝+ v 丝：o a l 缸砂 缸 砂 式中：| l 一水深( 所) 甜，1 ，一x 向和y 向流速( 形) x ，y 一坐标( 忉) ，一时间( j ) p 一流体密度( 够，) e 一涡动粘滞系数( 堙栅) ( 3 - 3 ) 1 9 山东大学硕士学位论文 g