（环境工程专业论文）未确知数学在沙河水环境容量计算中的应用研究.pdf

蘸瘸炎遗丈学矮士磷究生擎位论文繁l l 爽 a _ b s 重r a e 重 e n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yi sab a s i ct 1 1 e o r yt oe n v i r o n m e n t a ls c i e n c ea n d e n v i r o n m o n l 越m a n a 髀n e n t e n v r o n m o n t a le a p a c yg 锨d i e st h el a wo f e o 箍镪l 建i n a 圭i o 蠢s 数黼f e r e l 搀嚣氇珏d 毅建麴薛l 鑫蛀。珏a l 堪瓣e 珏联瞄a | i 强1 l 越s o r e n e c t st h er e c e i v i n gc a 秘a e i 蜉o fac e r a i nk j 丑do fe n v i r o n m e n t e n v 主粒唾l 珏e n t & lc 鑫辩e i t v 至s 壤eb 鑫s i o 堍e o r y 救撵m 矗妓琏鏊# 赢i x 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 二十世纪以来，随着科学技术的进步和社会生产力的极大提高，人 类创造了前所未有的物质财富，推动人类社会文明不断向前发展。与此 同时，人口剧增、资源过度消耗、生态环境恶化等情况曰益突出，成为 全球性的重大问题，严重地阻碍了经济的发展和人类生活质量的提高。 人类在大规模发展经济的同时，必然会向自然界不断地索取资源，这种 索取旦超过自然系统可承受能力，开发将导致地区性或全球性的损 害，并可能发展为恶性循环，继而严重制约全人类的生存和发展。 1 9 8 7 年，联合国环境与发展委员会在我们共同的未来的报告 中，明确的提出了“可持续发展”问题。发展的可持续性是指人类在社 会经济发展和能源开发中，以确保活目前的需要而不破坏未来发展需求 的能力。1 9 9 2 年6 月，在巴西里约热内卢联合国召开的“世界环境与 发展大会”上，通过了2 1 世纪议程文件，可持续发展又一次被提 到十分重要的地位。 我国是世界上人口最多的国家，以占世界陆地面积7 的土地养育 着占世界2 2 的人口。尽管我国河流众多，流域面积在1 0 0 0 平方公里 以上的就有1 5 0 0 多条，全国总径流量达2 7 1 1 5 亿m 3 ，几乎与欧洲的径 流总量相等。但是由于人口众多，人均径流占有量很少。目前我国人口 已经超过1 3 亿，平均每人占有的径流量仅为2 l1 2 m 3 ，比世界平均值的 l 4 还要低。然而随着社会经济的高速发展、城市化和人口的增加，全 国用水量却在大幅度上升。建国初期全国总用水仅为1 0 3 1 亿d ，1 9 8 0 年改革开放初期达到了4 ，4 3 7 亿i n 3 ，比1 9 4 9 年增长了4 3 倍。而在国 民经济不断腾飞，改革开放更加深入的2 0 0 4 年，全国总用水量激增到 5 5 4 8 亿i n 3 ，为建国初期的5 4 倍。中国工程院发布的中国可持续发 展水资源战略研究指出：到2 0 3 0 年前后，我国人口将增至1 6 亿，人 均水资源量将由现在的2 2 0 0m 3 降至1 7 6 0m 3 。按照国际上一般承认的 标准，人均水资源量少于1 7 0 0m 3 的即为用水紧张国家。用水总量更是 将达到每年7 0 0 0 亿至8 0 0 0 亿m 3 ，而我国实际可利用的水资源量约为 8 0 0 0 亿至9 5 0 0 亿m 3 ，需水量己接近可利用水量的极限。 由以上论述可看出，我国的水资源形势非常严峻。而同时，日益 严重的水质污染问题更加剧了这一危机。根据中国的环境公报，在七大 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 水系的7 5 2 个重点断面中，符合地表水环境i - i i i 类标准的仅占2 9 5 i v 类站1 7 7 ，v 类和劣v 类达5 2 8 。在地下水方面，在有监测的6 9 个城市中，只有l o 个城市符合i i 类水质标准，2 2 个城市符合i i i 类水 质标准，3 7 个城市为i v 、v 类水。综观国内外水污染的发生，可以看 出：对环境容量的不合理利用是导致水体污染的根本原因。 我国是发展中国家，经济基础还较为薄弱，如果全部采用修建人工 二级污水处理厂的方法来净化污水，耗资巨大，此非我国现阶段的经济 发展水平所能够负担。因此，我国在相当一段时间内，还是要走污水人 工处理与自然净化相结合的道路，既要逐步兴建污水处理厂，提高污水 人工处理的能力，又要利用一部分自然净化能力，即合理利用水环境容 量。 沙河和府河、南河是流经成都市区的主要河道，被称为成都市的“三 河”，属岷江水系，是成都市内的重要水体。近年来，由于沿岸经济的 迅速发展和排水设旌的相对滞后，在上游区域主干流主要是水质指标己 出现超标现象，严重制约了该区域的经济发展和居民生活水平的提高。 因此，对沙河流域水环境的污染分析和水环境容量的模拟将为沙河的治 理提供理论依据，促进该地区的可持续发展。 1 2 水环境容量理论的发展历程 1 2 1 国外环境容量理论的发展历程 环境容量的概念首先是由日本学者提出来的【1 1 。六十年代末，日本 为了改善水和大气的环境质量状况，提出污染物排放总量控制的问题。 即把一定区域内的大气或水体中的污染物总量控制在一定的允许限度 内。这个允许限度就是以日本学者1 9 6 8 年提出的环境容量为依据的。 之后，日本环境厅委托日本卫生工学小组提出1 9 7 5 年环境容量计量 化调查研究报告，环境容量的应用逐渐推广，成为污染物总量控制的 理论基础。 欧美国家的学者较少使用环境容量这一术语，而是用同化容量【2 1 、 最大容许排污量【3 】和水体容许污染水平等概念。 国外学者对环境容量概念的描述，经历如下过程 1 ，4 】： 1 环境容量的概念，最初来源于类比电工学中的电容量，认为环境 容量是污染物允许排放总量与环境中污染物浓度的比值。 2 环境容量是环境对污染物的自净同化能力。即环境容量( 自净能 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 力) 是污染物允许排放总量与该污染物在环境中降解速率的比值。 3 环境容量是最大允许纳污量。日本学者吉川博在环境工学的系 统化中提出：“环境容量是由自然还原能力、人工处理设施和人们对 环境的意见等所规定的整个生活圈内所允许的活动容量”；日本学者矢 野雄幸还提出：“环境容量是按环境质量标准确定的一定范围的环境所 能承纳的最大污染物负荷总量”。 1 2 2 我国水环境容量理论的发展历程 我国水环境容量理论的研究，大体上经历了初创、探索、初步实践 和进一步深化四个阶段，现在正迈向新阶段。 1 初创阶段为1 9 7 5 年至1 9 8 1 年，我国环境科学工作者在北京东南 郊环境质量评价、黄河兰州段、图们江、第一、二松花江、漓江以及渤 海、黄海环境质量评价等项目中分别探讨了水污染自净规律、水质模型、 水质排放标准制定等数学方法，从不同角度、提出和应用了水环境容量 的概念p j 。如，王华东等人在把环境容量定义为“环境单元所允许承纳 污染物质的最大数量”的基础上，把水环境容量分为两部分：即分为环 境标准与环境本底之差确定的基本环境容量和由该环境单元的自净能 力确定的变动环境容量( 同化容量) 。 这一时期我国学者对环境容量的认识主要体现在对国外先进理论 的吸收和沉淀，主要研究了b o d 和c o d 在水体中的降解规律以及零 维、一维和二维水质模型，例如s 仃e c t e r p h e l p s 水质模型、b o d d o 水质耦合模型、0 u a l 系列综合水质模型掣l8 ，”。综合这些研究成果， 很多学者提出了许多环境容量的定义i l | 4 】，并开展了各方面的研究工作。 这些定义可大致分为以下几类：环境容量是污染物容许排放总量与相 应的环境标准浓度的比值：环境容量是环境的自净同化能力，是自净 系数与总体积的乘积；环境容量是指由不危害环境本底值确定基本环 境容量和由自净同化能力确定的变动环境容量之和；环境容量就是污 染源释放某种有害物质于环境中，由于环境作用而不造成环境危害的最 大允许释放频率。 2 探索阶段为1 9 8 2 年至1 9 8 5 年。“六五”国家环境保护科学技 术攻关项目的展开，有力地推动了我国水环境容量的研究。中国环境科 学研究院与中国科学院、高等院校等联合攻关，开展了主要污染物水 环境容量研究。根据我国水体的水文特征和沿岸经济发展特点，选择 典型河流和河口海湾区，分别进行了“沱江有机物的水环境容量研究”、 “湘江重金属的水环境容量研究”和“深圳河有机物水环境容量研究”。 综合这些研究成果，提出了科学、全面、简明的水环境容量定义： 西南交通大学硕士研究生学位论义第6 烫 。毒存在瓣问题翻可虢的发展方向 1 4 1 存畿的问题 综上掰述，强凌容量静诗舞方法繇究近年寒敬褥了缓多藏裁，莠奁 实筏孛褥戮了缀好豹痤蒡i 。毽嗣辩也应看到，承繇嫒容量磅究涉及承环 境科学的许多基本理论问题和水污染控制的许多实簖问题，受水环境科 学发展水平和数学手段在环境科学领域应用程度的限制，现有的计算模 式还有着许多不足之处，水环境容量问题还需作进一步研究和探讨。 如1 3 所述，目前，水环境辫量的计算方法主鼹肖解析法、模型试 错法、概率穗释法和系统优化法。其中，解拆法概念熹双，篱单实用， 毽它哭戆诗簿藏菜一设计条转下戆承繇壤容量，无法爱浃拳嚣凌容量蘧 漉量、流速、污染物浓度等水环境要素丽产生时空燮亿；模型试错法计 算效率低，赞时费力，一般只适用于单一河道水环境容量的计算，对河 段较多的复杂河网比较困难；概率稀释法将河水流爨、河水污染物浓度、 污水排放爨及其浓度假设为两两不相关的随机变量，并服从对数正态分 布，这显然与实际情况不符；同融，概率稀释法没肖考虑河流的自净容 量，对一些爨冷枣量较丈夔溪滚不逶覆；系统毯纯漩将线性趣翔模型瘦 霜于环麓容激静计算孛，对j # 线毪阔题翔无麓为力。 1 4 2 可能的发展方向 l 。4 2 1 数学模型的进一步发展 痰矮数攀模型是送行拳嚣凌签藿嚣篓懿基疆，窳蒺数学攘鍪! 壤确稔 度壹接影璃诗算结果静准确瞧。瓣藏，越来蘧多戆糗登囱生态动力学方 向发展，使之更好地描述水体中备种物质之间的关系。但生态系统的运 行机理十分簸杂，其影响因素也很多，而且是非线性的。因此，如何进 一步完善生态动力学水质模型，使之更准确地描述 水质模型，使之更准确地描述水体中的生态变化，更好地 反映水体中污染物的迁移、转化和富积规律，仍是今后的研究方 向和重点。l 。4 。22承臻笺容量枣确定瞧磺究囊菲确定懂分横方自发震承体浮 絷过程是一个复杂的过程。废水或污染物进入水体后，在水体中的 稀释、扩散、分解或沉淀怒受水体的物理、化学、生物及其综合i 习素 影响的结果，使得水质变化既有某种确定性的黻势，又具有许多非 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 5 2 技术路线 技术路线图 8一。一。互 ，l 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 2 2 未确知有理数的定义 未确知有理数是最基本、最简单、应用最广泛、使用方便的未确知 数，它是实数的推广，它能精细地刻划和表达许许多多客观现实中的“未 确知量”，而避免只用一个实数来表示这些量产生的信息遗漏和失真的 缺陷。 设口为任意实数，o 口1 ，称 口，口 ，中( x ) 为一阶有理数， 其中 喇= 悟娄；急r 对于任意闭区间【口，6 】，口= - z ： h = 6 ，若函数西g ) 满足 巾协协菇扣1 2 ，川 且口。= 口，o 口 1 ，则称b ，6 】和西g ) 构成一个n 阶未确知有理数 l 一1 记作盼，6 l 中g ) 】，称a 、k ，6 】和中( x ) 分别为该未确知有理数的总可信度， 取值区间和可信度概率密度分布函数。 由分布密度函数o g ) 可知，真值取值区间k ，6 】中x ，的可信度为 口。q 。使( x ) 非零的x 的取值个数n 为该未确知有理数的阶数。n = l 时， 即为前面定义的一阶未确知有理数。当n = 1 且口= 1 时就是实数，因此， 可以这样说，未确知有理数是实数的推广，实数是未确知有理数的特例。 若m 次测量得到一个n 阶末确知有理数( n m ) 。那么，阶数越大，表 示对某量的测量次数越多，从而对该量的表示应该说越精细，同时也表 明该量的不确定程度高。用实数表示一个量，就是用可信度a = 1 的一 阶末确知有理数表示该量，因口= l ，可理解为：经无数次测量，每次 测量结果均是同一个实数显然，该实数就是欲知量的真值，说明该量 为确知量。阶数n 越小，不能说明测量次数少，但表明不确定程度越小； 由于实数简捷、好用，有时把未确知程度较低的量用一个实数近似表示， 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 啪) = 岳嚣皓1 2 ， 砷 o 口。 l ，f = 1 ，2 ，七，a = a ，l 。 称一阶未确知有理数 e c 一，= 吉粪_ 口，吉粪一口； ，中g ) 中b ) ：卜2 吉奢q l o ，其他 为未确知有理数a 的数学期望，也称e ( a ) 为未确知期望，简称期望 或均值。 未确知期望有如下性质： 1 e ( a + b ) = e ( a ) + e ( b ) 2 a 、b 为实数，e ( a a + b ) = a e ( a ) + b 3 当a 、b 独立取值时，e ( a b ) _ e ( a ) e ( b ) 对前面提到的未确知有理数a ，令 d o ) 2 吉蔷x ? 一砉( 蔷q t ) 2 ，称d ( a ) 为未确知有理数a 的未确知 方差。 未确知方差具有如下性质： 1 若a 为实数，d ( 鲥) = 口2 d 0 ) 2 当a 、b 取值相互独立时，有d 0 口) = d 0 ) + d p ) 2 4 未确知有理数的处理对象和利用其进行环境容量计 算的可行性分析 我们把客观世界中的事物分成两类，一类是已发生或已存在的事 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 物，在此显然不存在随机性，并且不管事物多么复杂，都具有确定性， 但是对决策者来说，掌握的资料却不一定能全面、完整地反映该确定的 事物的实际状态或真实的数量关系，因而产生主观的、认识上的不确定 性，即未确知性。决策者在处理这类事物时，显然不能把它看作是确定 的，而必须把它看作不确定性事物进行处理。这一类问题是未确知有理 数处理的对象。另一类是未发生的事物，如果所有可能的试验结果都是 已知的，那么这是随机试验。概率统计是研究随机试验、处理随机信息 的有力工具。但是，如果所有可能的试验结果不完全是己知的，那么它 不是概率论研究的对象。即便是随机现象，当统计规律不是很清楚，分 布函数难以确定的时候，用概率统计的方法处理也不一定能得到满意的 结果。而这些正是未确知有理数处理的对象。这种方法的最大特点是保 留所有己知信息直接参与定量运算，因而积累误差可减到最小。并且 除了原始数据外，没有人为的假设，最大限度地忠实于结定的数据。 作为一个开放的大系统，河流水环境系统中与水环境容量计算相关 的河水流速、流量、污染物浓度、扩散系数和衰减系数等参量信息都存 在着不确定性【2 9 】。这些信息的不确定性有些是客观存在的，有些是由实 测资料不完全造成的，也有些是由于人们对其内在作用机理、变化规律 认识不清引起的。但无论是何种原因带来的不确定性，都将导致决策者 对水环境系统主观认知上的不确定性，即未确知性。因此，将河流水环 境系统参量信息视为未确知的，从未确知数学的角度研究河流水环境容 量是可行的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 第3 章沙河流域的水环境特征 3 1 社会经济概况 沙河流经的成都市是四川省省辖市，四川省省会。位于四川省中部， 成都平原中部。东北与德阳市、东南与内江市毗邻，西南与雅安地区相 接，西北与阿坝藏族羌族自治州接壤，南与眉山地区相连。东西最大横 距1 9 2 公里，南北最大纵距1 6 6 公里，辖区总面积1 2 4 万平方公里， 其中城市建成区面积9 2 2 平方公里。现辖成华区、武侯区、青羊区、 锦江区、金牛区、龙泉驿区、青白江区、新都县、双流县、郫县、温江 县、大邑县、金堂县、蒲江县、新津县等7 区8 县，代管都江堰市、彭 州市、崇州市、邛崃市。全市总人口1 0 5 9 7 万人。 成都自古为西南重镇，三国时为蜀汉国都，五代十国时为前蜀、后 蜀都城，文化遗存丰富，1 9 8 2 年被国务院公布为国家历史文化名城。 成都有2 3 0 0 多年建城史。秦汉以来，成都就以农业、手工业兴盛和文 化发达著称，历代都是中国西南地区的政治、经济、文化中心和长江流 域的重要城市。汉代成都与洛阳等并列为五大都会之一。唐代商贸繁荣， 与扬州齐名，称为”扬一益( 成都) 二”。宋代成都印刷的”交子”是世界上 最早使用的纸币。南方丝绸之路的起点城市就是成都。杜甫的著名诗句 ”窗含西岭千秋雪，门泊东吴万里船”，生动地描绘了成都当时作为长江 上游重镇和西南经济文化中心商贾如云、车水马龙的繁荣景象。成都生 物资源丰富，珍稀植物有银杏、珙桐等。珍稀动物有大熊猫、小熊猫、 金丝猴等。中药材有8 6 0 多种，川芎、川郁金、乌梅、黄莲等蜚声中外。 成都市旅游资源丰富，名胜古迹中外驰名。全市现有人文景观1 7 2 处， 其中尤以武侯祠、杜甫草堂、王建墓、都江堰、二王庙、青城山最具特 色。有全国重点文物保护单位和四川省文物保护单位1 9 处。有世界唯 一的大熊猫繁育研究基地。地处由剑门蜀道、九寨沟、峨嵋山、长江三 峡等地组成的四川旅游环和全国旅游环的联络点上，还是内地前往西藏 的主要通道，旅游地理位置十分优越。 2 0 0 4 年全市地区生产总值2 1 8 5 7 亿元，占全省地区生产总值 3 3 - 3 ，其中第一产业增加值1 6 8 亿元，第二产业增加值1 0 2 2 亿元，第 三产业增加值9 9 5 7 亿元，三次产业比例为7 7 ：4 6 8 ：4 5 5 。人均国内 生产总值为2 5 0 3 美元。地方财政收入1 4 2 4 亿元。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 3 2 自然地理概况 3 2 ：1 自然条件 成都市位于四川省中部，地处东经1 0 2 05 4 1 0 4 。5 3 ，北纬3 0 0 0 5 7 - 3 1 0 2 6 之间的内陆地带：东北与德阳市、东南与内江市毗邻，西南与 雅安地区、西北与阿坝藏族自治州接壤，南与眉山地区相连。市境内平 原占3 6 4 ，丘陵占3 0 4 ，低山占3 3 2 ，地势由西北向东南倾斜，市 区平均海拔高程为5 0 0 米。 沙河在城北洞子口府河闸分流绕东郊南流至市区东南下河心村归流 府河，集雨面积5 9 平方公里。沙河来水主要受洞子口府河闸节制，常年 水量比较稳定，但夏季暴雨也会形成区间洪水，并由于排水不畅，漫堤 造成内涝灾害。 3 2 2 气象 成都地区位于亚热带暖湿季风气候区，终年温暖湿润，四季分明。 气候特征春旱、夏热、秋雨、冬干，日照少，无霜期长，降雨多集中于 6 9 月( 占全年降水量的7 4 2 ) 。 据成都市气象资料，成都地区的气象指标如下： 多年平均气温 1 6 2 极端最高气温 3 8 3 极端最低气温 5 9 多年平均降水量9 4 7 o m m 最大日降水量1 9 5 2 m m 多年平均蒸发量1 0 2 0 5 m m 3 2 3 地层岩性 多年平均相对湿度 多年平均日照时间 主导风向 多年平均风速 最大风速 极大风速 沙河流经区域地表均为第四纪地层，河道深仅数米，河床底部仍为 第四系。自上而下为： ( 1 ) 表土层( q 4 “) 主要由原农业耕作层，建筑垃圾混粘性土和粘土层等组成，色杂、 潮湿，厚1 _ 1 _ 6 8 m ，广布于沿线地表。 孙 州叫叫 姒 抖邯似 蝴蚴e b n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 ( 2 ) 第四系全新统冲积层( 0 4 “) 一般具二元结构：上部为可塑粘土或粉质粘土、粉土，厚o 6 _ 4 1 m ， 北薄南厚，局部为潮湿粉、细砂土；下部为卵石土，饱和，稍密密实， 厚3 9 m 。卵石成分为岩浆岩质、变质岩质，呈圆形，亚圆形，多为微风 化，少为中等风化。卵石粒径一般为4 9 m ，部分大于1 2 c m ，含少量漂石。 充填中砂、砾石约l o 一3 0 。 ( 3 ) 第四系上更新统冰水流水沉积层( 0 3 f g l “) 当其上无全新统( q 4 “) 覆盖时，一般具二元结构：上部为可塑粘 土、粉质粘土，厚0 8 6 4 m ；下部为卵石土，饱和，一般中密密实，少 为稍密，厚7 1 5 m ，北段沙河附近厚度大于2 5 m 。岩浆岩质、变质岩质卵 石呈圆形，亚圆形，多为微风化，少为中等风化。具弱泥质、微钙质胶 结。卵石粒径一般为5 8 c m ，部分大于1 5 c m ，含少量漂石。充填粘性土、 中砂、砾石等约1 5 2 5 ( 局部达3 5 ) ，全线皆有分布。 3 3 水环境特征 沙河、府河和南河是流经成都市区的主要河道，称为成都“三河”， 属岷江水系。府河南流至成都北郊与走 马河的另一分支相汇，至洞子口节制 闸，分流出沙河。 沙河北起洞子口进水闸，经双水碾 节制闸后进入东郊工业区，在市区东南 下河心村附近归流府河，全长2 2 2 2 3 千米，河道断砸最宽处为5 5 米，最窄 处仅1 8 5 8 米，河道深2 5 6 7 米，平 均水深为4 米，多年平均进水量为4 9 亿立方米，年平均流量为1 5 5 4 立方米 秒，沿河建有1 0 座水闸、3 座跌水和 3 座村办小水电厂。沙河流量由洞子口 进水闸控制，和一般的自然河流相比， 流量较稳定，没有明显的枯、平、丰期。 2 0 世纪五十年代，第一个五年计 划中一批大型现代工厂选定在沙河流 经的成都东郊兴建。为满足新兴工业区的大量用水需要，国家决定将沙 河从农灌天然河道改扩建为城市工业区供水专渠。1 9 5 7 年竣工后沙河就 成了为确保成都市部分城区生活用水和东郊工业区工矿企业用水及防 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 汛，集供水、排洪合一的专门河道。当时成都市区工业和生活用水总量 的9 0 都由沙河供给，是当之无愧的成都“生命河”。 3 4 沙河水环境质量现状 3 4 1 水质评价 根据既往资料，采用地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 类 水域质量标准限值评价表明，沙河源头水质良好，随着流程的增加，在 主干流主要水质指标出现超标现象：b o d ；、c o d 。只有个别断面不超标， 其余断面全部超标，总大肠菌群全部超标。 表3 12 0 0 2 年4 月1 6 至4 月1 8 日沙河水质监测结果 断面 i 断面i i 断面i i i 断面 项目 高桥水五厂水二厂 水温( )1 2 1 41 2 1 41 2 1 4 流量( 一s )1 5 3 2 1 21 1 8 1 7 8 1 0 4 1 6 2 p h7 2 9 7 8 97 0 3 7 8 77 2 9 7 8 0 b o ds ( g 1 ) 2 1 2 55 5 6 13 ，9 5 3 c 0 ( m g 1 )7 6 3 1 6 82 1 2 2 61 8 3 2 2 7 总磷( m g 1 )o 1 4 7 0 1 8 50 1 8 2 o 2 1 0 0 1 5 7 0 1 9 0 氨氮( m g 1 )o 4 4 0 5 3 31 0 5 1 3 41 1 5 1 - 5 8 总大肠菌群( 个1 )2 4 0 0 0 2 4 0 0 02 4 0 0 0 p b ( 1 g 1 )未检出未检出未检出 c d ( 1 g 1 ) 未检出0 0 0 0 6未检出0 0 0 0 2未检出o o 0 0 4 c r ( g 1 )未检出o 0 0 50 0 0 6 o 0 0 8o 0 0 6 z n ( m g 1 )未检出0 0 0 1 2未检出o 0 0 1 3未检出0 0 0 0 6 表3 22 0 0 2 年4 月1 6 至4 月1 8 日沙河水质评价结果 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 断面高桥 ii断面 项目 水五厂 i i i 断面p h o 1 9 0 5 9 o 0 2 0 5 8 水二厂 总磷( m g 1 )1 4 7 1 8 5 1_82210 1 2 2 1 5 1 o 1 9 0 5 3 氨氮(mg1) o7o83 1 5 7 1 9 0 c o d c ，( m g 1 ) 088107 1 8 3 2 0 31 3 0 1 7 7 o 5 1 1 1 2l - 4 1 l _ 7 3 总大肠菌群(个1) 2 1 0 2 6 82 3 0 3 1 6 cd(mg1) 2 424 2 4 cr(mg1)一o12 012o16 一o 0 5 3 4 2 污染原因分析 1污染沙河的主要污染物是：生活污水、工业废水、热电厂粉煤灰和生活垃圾。 沙河由漏子口府河进水闸分流，入口水质较好，可作为集中生活饮 用水源，但由于沙河两岸长期处于城乡结合部，是大量外来暂住人口聚 居区域。据了解，有的村社暂住人口已超过常住人口。区域内城市基础 设施差，沿河污水未截流，沿岸固体垃圾未集中清运，致使大量的工业 废水、废渣、垃圾、生活污水排入河道，沙河已成为城区东部的排污河 道。根据沙河综合治理可研报告，沙河沿线有排污口250个，年接纳 污水3788万吨，其中生活污水334万吨，工业污水3454万吨。此外，沙 河支流凤凰河年排入沙河污水72万吨，其中工业污水38万吨，生活污水 34万吨。二环路以内河段，两岸住宅区生活污水直接进入二环路污水管网，其余9 0 的河段，两岸住宅区生活污水经化粪池处理后或未经处理直接排入沙河。河水由入口仅流经几于米即由清变浊，到沙河中段已降为 i v 类水域，只能作为一般工业用水区和人体非直接接触的娱乐用水区， 至下游则鱼虾绝迹，水质更差。 2 各段污染特点为：上段羊子山闸以上，为水源保护区，供自来水 二、五厂和成铁水厂取水。洞子口乡至青龙乡沿岸，农房多，又有大量 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 形式存在。非离子氨是指水体中游离态的氨，而氨氮是指水溶液中以非 离子氨和离子氨等形式存在的氮含量，两者在水体中可以相互转化。氨 在水中发生的主要电离平衡为： n h 3 + h p n h j + o h h p h + o h 一 用k b 表示氨的电离常数k 。表示水的离子积，则氨在水中电离平衡可 以表示 。= 吲掣，牛阱陋一】 两式啦得转换娥眦圳= 茜半+ ， 蚓 表4 1不同温度下的k b 、k 。值及两者的商 温度 05l o1 52 0 2 5 3 04 05 0 世6 1 0 - 5 13 7 41 4 7 2l _ 5 71 6 41 7 1l7 41 _ 8 2i8 6 2l8 9 2 芷。1 0 1 5 1 1 3 820 2 82 9 1 748 6 368 0 8l o0 91 9 6 32 91 75 4 7 k k 。1 0 9 1 20 7 4 72 j 85 3 8 2 33 7 22 ；i 217 2 409 2 706 3 803 4 6 根据上面的公式和表格就可将非离子氨浓度转化为氨氮浓度。 4 2 污染物指标和水质标准的确定 根据以往资料表明，沙河现阶段主要受到沿途生活污水的污染，过 本文选择c o d 。和n h 3 - n 为污染指标进行环境容量的计算。 沙河的水体功能决定了沙河水质要达到地表水环境质量标准 ( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) i i i 类水域质量标准的要求，具体指标如表4 2 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 4 2地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) ii v p h6 9 c o d 。，246 1 0 1 5 n h 3 - n o 1 5o 51 o1 52 o 4 3 水环境容量的计算 4 3 1 降解系数的计算方法 本文采用c o d 。和n h 3 - n 为污染指标进行环境容量的计算，故需 要计算c o d 。和n h 3 n 的降解系数k c 和k n ，计算方法如下： ( 1 ) k c 的计算 美国科学家w r i g h t 和m c d o r l n e l l 认为k c 值是流量的函数，他们用 大量的河流数据推导出下面的经验公式： 足，= 1 0 - 3 d _ o 4 9 式中，口流量，铲s 。 该表达式适用的流量范围为1 0 8 0 0 舻s 。沙河年平均流量为 1 5 5 m 3 s ，约合5 4 7 7 舻，s ，符合公式的应用条件。 ( 2 ) 的计算 英国科学家k n a o l e s 等人在讨论硝化过程时，提出如下经验公式： 芷、，= 扩0 2 5 5 7 + o 舰 式中，t 河流的水温，o c 。 4 3 2 水环境容量的计算 对沙河的水环境容量采用下式进行计算： = s s 4 ( c 。一c ) q + 髓。( 劫q 式中：w 一河段内污染物的环境容量( k g d ) ； c s 一与水域功能相应的水质标准( m g l ) c 一控制断面的污染物浓度( m 舡) ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 q 一河段内的流量( m 3 s ) ； k 一污染物降解系数( 1 d ) ； 卜河段长度( k m ) ； u - 一流速( 耐s ) ； 公式共含有c s 、c 、q 、k 、l 和u 共计6 个变量，其中l 、c s 可 视为可信度为1 的确定性变量，将c 、q 、u 看作未确知变量，由4 3 可知，k c 、k n 分别是q 和t 的函数，而q 、t 是未确知量，故k c 、 k - n 也可看作未确知变量。按照4 1 中的方法，将它们分别表示为1 0 阶 的未确知有理数( 其中记c o d 浓度为c ，n h 3 n 浓度为n ) ，如下所示： c = 1 8 8 ，1 4 1 2 l 龙g ) 】，其中屯g ) 用表格表示为： 可能值 其他 可信度 = 匹o 2 2 5 3 ，2 8 5 9 6 l “g ) 】，其中“g ) 用表格表示为： 可能 其 值 他 可信 度 q = 皿3 2 7 6 5 ，2 0 5 9 3 5 l 九g ) | ，其中九g ) 用表格表示为 可能其 值 他 可信 度 u = 0 ，8 7 4 0 ，1 3 0 6 0 l 九g ) 】，其中丸g ) 用表格表示为 可能 其 值 他 可信 度 r = 噼o 0 0 0 0 ，2 8 0 0 0 0 l 办g ) 】，其中办g ) 用表格表示为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 可能 值 可信 度 可能 值 可信 度 可能 值 可信 度 可能 值 可信 度 可能 值 可信 度 可能 值 可信 度 可能 其他 值 可信 度 单位：讹 阡2 ：= 6 7 9 9 ，2 0 2 2 5 0 l 惋：0 ) j ，其中慨：g ) 如下表所示： 可能 0 6 7 9 90 6 9 8 10 7 9 5 908 9 5 20 9 9 5 7l0 9 4 2 l1 9 2 9 l2 9 1 91 0 41 4 9 2 7 值 可信 0 0 0 叭o 0 0 2 8o 0 3 3 00 1 0 0 70 1 6 6 50 1 2 2 1o0 4 2 9o0 1 1 200 0 3 2o0 0 0 5 度 可能 i5 9 5 93 5 0 2 936 9 0 338 1 6 939 1 6 340 1 5 84 1 1 5 242 1 4 743 1 4 14 4 1 3 6 值 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 可信 0 0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 200 0 0 20 0 0 0 4o0 0 0 60 0 0 1 60 0 0 1 2o 0 0 1 40 0 0 2 l 度 可能 45 1 3 046 1 2 547 1 0 948 1 2 049 1 8 150 3 3 85 1 3 8 35 2 4 2 053 4 舛54 7 5 7 值 可信 0 0 0 4 0 o 0 0 3 30 0 0 2 2o0 0 6 50 0 0 8 7o 0 0 6 70 0 0 5 200 c 啦00 0 6 300 1 0 8 度 可能 55 7 8 856 7 7 l57 7 7 45 9 0 1 760 0 5 46 1 6 0 36 2 6 2 86 3 6 3 064 7 5 565 9 6 3 值 可信 0 0 1 0 soo 。2 l0 0 1 3 0 o o l 2 7o0 0 9 20o o b 20 0 0 2 000 0 3 3 o 0 0 3 8 0 0 0 1 9 度 可能 6 6 9 4 668 0 8 6 69 3 2 9 70 4 3 5 7 1 9 3 373 8 0 77 5 6 6 77 7 4 1 2 78 6 3 9 b 1 6 值 可信 o0 0 0 300 0 1 4o0 0 l l0o d 0 90 0 0 o0 0 l l0 。0 0 900 0 2 40 0 d 0 90 0 0 2 8 度 可能 b 1 3 0 482 3 84 2 9 386 2 8 287 3 6 689 1 5 790 2 6 09 1 2 6 l9 2 2 4 993 3 酊 值 可信 o0 0 0 20 0 0 7 6o0 0 6 20 0 0 4 200 0 4 20 7 30 0 0 1 000 1 6 70 0 0 0 30 0 1 7 7 度 可能 9 “6 996 5 靶97 5 7 29b 8 5 3l 0 0 0 8 91 0 1 2 1 91 0 2 7 6 7l o3 7 4 9 1 05 0 8 8l o6 1 9 7 值 可信 00 0 4 7o0 1 9 10 0 0 3 400 1 7 500 0 2 700 1 2 20 0 0 7 20 0 0 6 100 0 6 90 0 0 1 8 度 可能 1 07 8 9 91 0 钟喇1 1 1 0 9 31 12 7 5 6l l3 7 3 9i l5 5 4 9l i7 3 9 ll l8 8 3 21 2 0 2 9 81 2 1 5 1 0 值 可信 00 0 6 300 0 1 300 0 2 50 0 0 1 900 0 1 60 0 0 2 80 0 0 2 8o 0 0 1 20 0 0 4 40 0 0 0 4 度 可能 1 23 2 0 51 24 1 8 71 26 1 1 21 27 4 2 51 29 0 1 91 30 3 8 91 3 1 9 2 61 33 7 3 61 34 8 3 31 36 8 9 2 值 可信 0 0 0 8 6o0 0 1 50 6 000 0 1 800 0 1 900 0 “0 0 0 2 200 0 8 800 0 1 3o0 2 0 0 度 可能 1 38 3 7 41 40 0 4 71 4 1 0 3 21 4 3 2 0 31 4 4 3 6 01 4 6 3 5 81 47 5 4 31 50 1 3 41 5 1 3 8 71 54 1 5 0 值 可信 00 0 0 400 0 1 lo0 2 们o 0 0 0 6o 。2 8 0o0 0 0 l0 0 2 5 0o 0 0 2 30 0 1 5 60 0 0 0 8 度 瓣潦交通大学硕士舔究黧攀位论文第3 0 页 可能 1 5 记3 l1 56 5 始1 58 1 6 71 59 2 9 61 6 0 7 s 81 62 1 8 31 6 9 4 61 66 1 9 91 6 7 3 6 51 69 1 3 5 德 研德 o o l s l 0 0 0 。lo 胂8 20 0 。2 lo 0 1o 7 s0 0 2n 3 60 d 。o l0 j o o o s 壤 1_， 辑靛 1 7 龆1 6l t l 嚣61 7 3 强31 7 辩5 21 7 础6l ? 、7 s 1 21 9 0 醛7 l s 1 7 1 9 4 嬲l g 站辨 镀 瓤镑 o 2 50 0 0 0 2o o 。l ， 。0 0 7o o s0 1 3 o 0 0 1 【0 0 o so 艘 可瓣 1 8 掌l 龉i 9 3 5 l 争7 8 嚣92 。2 2 5 0 萁袍 魏 | 警 0 。o 融0 瞄0 0 0 0 2疆啪0 憋位：“d = ，+ ：= 卜o 0 0 8 4 ，2 0 6 叭6 l 幢刨，其中惋g ) 如_ f 表所 拼 掰戴 一拽描羚- | 3 。4 9 7，l i 卿l- 1 2 l 据- l 1 1 4 ll ls 啦7 毽 霹偿 n 删吡 “驰o l 魔 硝能 - n 就孽9。i o3 8 颤 母瓣拍 - 2 s 谗 氆 霹德 0 1 6 1 4 & 0 0 0 t 魔 可能 ，8 i b 帅7 鲋5 6“77 5 5 24 1 帅b 值 可倍 o 。0 1 70 1 0 0 0 4 魔 w 能 矗8 择 - 6 酷，7# 钳s e 毽 霹僖 m 。1 30o 。钟啦o ln 0 8 魔 珂熊 4 3 。5 7 j ，靠l 餐 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 可能 值 可信 度 可能 值 可信 度 可能 值 可信 o 0 0 6 6 度 可能 值 可信 度 可能 值 可倍 0 0 0 0 i 度 可能 值 可信 o 0 0 0 l 度 可能 其他 值 可信 度 单位：t ，d 将、k l 、w 、每个可能值对应的可信度向前累计，可分别求 得其分布函数表示法，计算过程略，以累计可信度为纵轴、可能值为横 轴对其作图，如下所示： 西南交通太雯硕土针嚣毫掌僖谁襄嚣；静 蜜塞 避爰瞢熏税频率分耍国萤矍誓秀缝。貂辨褫觥箱_ _ 新矩 西南交通大学颟士研究嫩学位论文露3 4 爨 图4 3c o d 环境容量累积频率分布图 图中滂f 6 地表示出了环境褰量的变化祁对应的保证率之阅的关累。 镶鲡，对强3 焉言，9 0 保谖察对应懿强凌骞量为0 ，7 l 稍，谈鞠涉澎 e o d 蜜鬣溅接近辍疆，对容爨豹零j 灞要以缣护为主；同时，图中环境 容量在送闻 o 8 ，2 0 上曲线斜率大，裳示该区间的容量可倍度较高。 对圈l 到图3 进行比较可发墩，在总容窿小、保证率赢豹区阏，稀释窭 蟹对憩容爨懿贡献较大，慈在戆容量犬、繇诞枣较诋懿区瀛，鑫净客篷 囊辩大，怒烹簧 乍覆，说疆爨洚容量开发利麓鹣潜力是缀大豹。 ( 2 ) n h 3 埘环境容量的计算 将n 、q 、u 、k n 、c s 一1 m 叽、l 一2 2 2 2 3 k m 代入公式 ，、，、 玢= 8 6 4 ( c s 一_ ) q + c s li 妞 “ 式中w n 表示n 玛- n 强凌客爨，其余符譬意义霹上。 授照与c o d 容量类似抟计算方法，将w n l 和w n 2 分剿记为n 琳 的稀释容鬣灏自净容量，计算结果如下： ；= 3 3 潞8 ，1 1 3 7 8 3 ；甄；白l ，箕中蛾，扛) 磐下表涨示： 西南交通大学颂士研究黧攀位论文嚣3 6 凝 珥糍 啦韩弘 0 釉嘶 i 弼 值 鳟信 n 。l00 髂j 震 可能 34 。3 035 8 8 7 值 可信 0 0 60 0 0 2 0 度 霹熊 4 獬t 6 s 值 可信 0 瑚3 20 弘 度 麓 55 l 5 9 3 76 始4$ 1 8 7 l67 3 3 l 毽 可信 0 0 【) 3 l0 舯7 so o 7 度 可能 0 9 6 4 7 靶 7 6 78 舶蚰ss 2 蚪 壤 霹壤 0 0 i 辩0 m 0 90 0 1 靳 度 可熊 s $ 59 铒蛇9 解3 6 毽 哥信 0 。0 1 s 度 可能 l o 州胛i m 4 1 2 21 06 l 舒 值 霹信 度 可能 1 2 0 船0 1 2 1 9 伸l 蝉驰 值 冒侮 0 铺0 潍l 。e 壮 菠 可能 1 32 3 7 61 3 ，6 - 1 4 i”7 8 0 01 44 2 值 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 8 页 可能 值 可信 度 可能 值 可信 度 可能 值 可信 度 可能 值 可信 度 可能 值 可信 度 可能 值 可信 度 可能 值 可信 度 可能 值 可信 度 可能 值 两南交通大学硕士讲究生学位论文第3 9 戮 哥信 0 粥戟“3e 9 ia 2 9# 粒5n 0 躲70 辨啦 缱 可能 1 4 ，$ 捧z1 4 甜嚣1 5 2 t 3 01 5 ，”8l i 辩转l s s # 鹳 值 w 信 n 曲2 70 船懈0 0 噼2o 0 n i l 鹱 可齄 辣 ；l ，1 62 搴 4蟮4 3 粥1 65 斡斌9 社：】，2 神l 置3 瓣| 傻 可信 o 3 0o0 0 00 0 2 100 0 2 5 度 可裁 1 75 捋07 弹列 辩1 8 挖1 8 0 甜l摧稚” 毽 霹信 a 粥辁0 。0 2 3a 0 l0 辩抬n l l 度 可能 撸9 0 碡l t t ，勰拧l 如t 5 8 了嚣2 0 m l 酷2 b 4 2 4 棱 可信 0 1 20 驰协n 鼬驰o 0 鸪0 0 0 0 0 n 。l n 0