（环境工程专业论文）长江供水水源地水质预测及突发事故环境风险评价.pdf

a b s t r a c t w r a t e ri sak i n do fr e s o u r c ef o rt h ed e v e l o p m e n to fh u m a ns o c i e t y ，a i l dt h e c o n d i t i o no fw a t e rq u a l i t ) ，d i r e c t l yr e l a t e dt os o c i a ld e v e l o p m e m 锄dh 啪锄h e a l t h w a t e rq u a l i t ya u c c i d e n th 印p e n e d 厅e q u e n t l ya tw a t e rs o u r c ea r e ai no u rc o 咖仃yt h e s e y e a r sw l l i c hh a da 铲e a ti n f l u e n c et os o c i a ls 切b i l i z a t i o na n de c o n o m i c a ld e v e l o p m e n t b e c a u s eo fs e v e r a lf a c t o r sl i k ep r o d u c t i o na c c i d e n t ，m e s ko fi n d u s t 巧d i s t r i b u t i o n 觚dt r a n s p o r t a t i o na c c i d e n t h e n c e ，i ti so f 铲e a ti m p o r t a ! l c et os t u d yt 1 1 es a f e t yo f w a t e rq u a l i t yi nw a t e rr e s o u r c ea r e a t 1 1 ei n 僦( eo fz h a i l 舀i a g a n gs e c t i o ni nc h a l l 西i a i l g 硒v e rw a su s e da st h es t u d y o b j e c t t h et r e n do fw a t e rq u a l i t ) ，a r o u n di n t a k ew a sp r e d i c t e da n da n a l y z e dw h i c h c a nb eu s e da st h es c i e n t i f i cr e f e r e n c et oe n s u r et h es a f e t yo fw a t e rq u a l i 够a r o u n d t h ei n t a k eo f z h a i l 西i a g a n gs e c t i o ni nc h a n 西i a n gr i v e r e r i r o m e n t a lr i s ka s s e s s m e n ti so n eo ft h ei m p o n 锄ts u b j e c ti nr e c e n t e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o nj o b t h ec o n t o u rd i s t r i b u t i o no fs p i l l e d o i lf 硒mt h e p e t r o c h e m i c a lp o r tu p s t r e 锄t h ei n t a k eo fn o 3a i l dn o 4w a t e r w o r k sw a s s t u d i e d u n d e rau n e x p e c t e da c c i d e n t t h ec o n c e m r a t i o no fp e t r o l e u mf r o mt h ea c c i d e n 翻 d i s c h a r g ew a ss i m u l a t e di nw a t e rt op r o v i d et h ed e c i s i o n m a k ep r o o fa n dt e c h n i c a l s u p p o r tf o rr e l a t e dd e p a n m e n tt oe n s u r et h es a f e t yo fw a t e rq u a l i t yi nw a t e rs o u r c e a r e a k e y w o r d s ：w a t e rs o u r c ea r e a ；g r e yt h e o d ，g m ( 1 ，1 ) m o d e l ；w a t e rq u a l i t yp r e d i c t i o n ； e n v i r o n m e n t a lr i s ka s s e s s m e n t 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师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。与我一同工作的同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 2 。8 年( 月日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部 分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 8 年6 月 f b 日 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 我国江河湖泊众多，分布广泛，水量丰富，是附近城镇重要的饮用水水源 地。但江河湖泊具有开放性的特点，在提供饮用水的同时，还兼有排污、航运、 灌溉、观光等功能，这些都对水源地水质安全构成了潜在的威胁。 近年来，受沿岸生产事故、企业违规排放、水陆交通运输事故等因素影响， 全国主要江河湖泊遭受重大突发性水污染事故屡有发生【1 9 9 4 年和1 9 9 5 年，淮河干流接连发生水污染事故，引起淮南、蚌埠、盱眙等市县上百万人一 段时间内没有水喝；2 0 0 4 年四川某化肥厂氨氮严重超标的污染物排放入沱江， 导致内江8 0 万人2 0 余曰不能饮用自来水；2 0 0 5 年中石油吉化分公司双苯厂爆 炸，造成了我国多年来最为严重的松花江水污染事故，导致哈尔滨市为期4 天 的大停水；2 0 0 6 年新年伊始，黄河遭受油污染，山东被迫关闭6 2 个耿水口； 2 0 0 7 年6 月太湖蓝藻暴发，导致水源水质恶化等。这些突发环境事故导致水体 严重污染，破坏了水域环境，更使饮用水水质遭受不同程度污染。因此，水源 地水质安全的科学预测及突发性水质污染事故的环境风险评价，已成为当前重 要研究内容。 长江是我国的第一大河，干流源远流长，水量丰富，且冬季没有冰封和流冰 现象，十分有利于修建取水工程。资料显示，长江沿线重要城镇及地区大都以长 江作为主要饮用水水源地1 2 1 。但近年来，长江暴露出很多污染隐患，如船舶污染 事故、工业污染企业超标排放和岸边生活垃圾随意堆放等，这一系列的污染问题 已经威胁到长江供水水源地的安全p j 。 本文以张家港长江水源地为研究对象，该区域位于河口段，河口是一个复杂 而开放的系统，影响水质发展变化的因素有很多，如水文、水动力因素、地区经 济情况、天气情况及人为因素等，其中有些因素是我们无法确知的，有些因素虽 可确知却往往难以获得较为完整的统计数据，这表明水环境具有“部分信息已知， 部分信息未知，信息不完全”的狄色特性，因此，本文将长江张家港段水环境视 为灰色系统，采用灰色理论预测张家港水源地的水质变化趋势，然后从突发事故 风险角度，采用：二维水流水质数学模，型，预测突发事故埘水源地的影响，可为相 河海人学硕上毕业论文 关管理部门制定政策法规提供科学依据和技术支持，对保证张家港饮用水安全， 切实协调经济增长、社会进步与环境保护的关系，和维护张家港的可持续发展具 有重要意义。 1 2 水质预测研究动态 随着人口增长与社会发展，水源地保护与经济发展矛盾日趋突出，水源地的 水质状况不容乐观。与此同时，公众对水源水质的要求却日益提高，进一步加强 水源地的研究和保护迫在眉睫。鉴于水源地水质的重要性，国内外已经有越来越 多的学者投入到水环境预测和环境风险评价的研究中来【4 l 。 根据研究问题的方法和角度的不同，可将水质预测方法分为两大类，一类 是目前使用得最为广泛的数学模型法，另一类是不确定性方法。 1 2 1 数学模型法 随着计算机技术和数值计算方法的迅速发展，数值模拟己成为环境、水利、 水运、海洋等t 程的重要模拟方法之一【5 】。 ( 1 ) 水动力数学模型研究进展 水动力数学模犁总体上可分为一维、二维和三维模式。 自然界中，河道或河网的水流或洪水激流运动、峡口或潮汐通道的潮波运 动、三角洲网河口的潮波顶托等由于水域狭窄，沿流向方向上的尺度远大于其 它两方向上的尺度，均可以采用一维数学模型进行模拟。自1 8 7 1 年圣维南( s a i n t v e n a n t ) 根据b o u s s i n e s q 提出的缓变流定义而建立的非恒定流方程( 即圣维南水 力方程组) 以后，众多学者围绕一维非恒定流计算做了大量的研究们，使一维 模式发展得相当成熟，并广泛地应用于工程实际中1 1 1 】。 在海岸、河口、湖泊、大型水库等广阔水域地区，水平尺度远大于垂向尺 度，水力参数( 如流速、水深等) 在垂向方向上变化要小于水平方向上的变化， 其流态可用沿水深的平均流动量来表示，因此可采j h 平面二维水动力数值模拟 技术。2 0 世纪8 0 年代以来，二维水动力数学模型的研究得到迅猛的发展，并 被广泛地应用i 二河道、河口、海湾等的流场计算1 1 8 2 9 啪环境工程1 3 0 3 1 l 等方面。 河 j 和海岸坷：境中的流动具有叫显的空川三维特性，随着计算机和数值模 第一章绪论 拟技术的发展，三维模式近年来也逐步发展起来3 2 4 0 1 。尽管已有一些成功的河 口三维流动数值模拟系统，但三维模型的结构复杂，计算工作量巨增，要求模 型必须有较高的效率，而时间步长既要受表面浅水重力波快速传播的限制又要 受垂向扩散项的制约。 ( 2 ) 水质数学模型研究进展 水质数学模型是指用来描述物质在水体中的混合、迁移过程的数学方程， 其实质是用数学方法来描述水体中污染物与时间、空间的定量关系m 】。污染物 质在水体中的运动变化包括平流输移、分散作用输移、反应衰减等【4 3 】。 地表水水质数学模型的发展可分为5 个阶段【删： 第一阶段( 1 9 2 5 1 9 6 0 ) ，以s t r e e t e r p h e l p s 水质数学模型( 即s p 模型) 为 代表。该模型假定河流的自净过程存在耗氧和复氧两个相反的过程，最终水中溶 解氧达到平衡，这实际上是氧平衡模型的最初形式。后人在其基础上成功地发展 了b o d d o 耦合模型，并应用于水质预测等方面。 第二阶段( 1 9 6 0 1 9 6 5 ) ，从s p 模型出发，引入空间变量、物理的、动力 学系数，温度作为状态变量也被引入到一维河流和水库( 湖泊) 模型，同时考虑 空气与水表面的热交换，并将其用于比较复杂的系统。 第三阶段( 1 9 6 5 1 9 7 0 ) ，将不连续的一维模型扩展到其他输入源和漏源的 研究，其他输入源和漏源包括氮化合物好氧( n o d ) 、光合作用、藻类的呼吸以 及沉降、再悬浮等等。 第四阶段( 1 9 7 0 1 9 7 5 ) ，水质数学模型已发展成相互作用的线性化体系， 生态水质模型的研究也初见端倪，有限元模璎应用于两维体系，有限差分技术也 应用到水质数学模型的计算中。 第五阶段( 近2 0 年) ，在此阶段研究重心已经逐渐地转移到改善模型的可靠 性和评价能力上来。 水质数学模型最基本的应用是模拟和预测污染物在水体中的迁移转化舰律。 污染物在迁移过程中由于物理、化学和：卜物作用的综合效应，其行为的变化是卜 分复杂的，用水质数学模型对水体中污染物的变化进行模拟和预测，给出全面而 清晰的变化规律及发展趋势，省时又经济。 ( 3 ) 模型求解方法 河海大学硕t 毕业论文 早期水流水质数学模型研究中仅考虑少数参数变量之间的线性关系，故多 采用解析解的形式进行计算。随着数学模型的不断更新，模型系统的结构变得 十分复杂，传统的解析方法受自身条件所限往往只能求解一些流量相对稳定、 边界比较规则的理想状况，对于流量和边界比较复杂的实际情况，需采用数值 计算方法。 目前较为流行的计算方法有：有限差分法( f d m ) 、特征线法( m o c ) 、有 限单元法( f e m ) 、有限体积法( f v m ) 等1 4 5 4 6 1 。 有限差分法( f d m ) 有限差分法是最早被应用于数值计算领域的，f d m 以泰勒级数展开为工 具，原理是将微分方程中的微分项以差商代替离散，从而建立代数方程来求解。 其特点是采用矩形网格概化计算域，各计算变量布置在网格节点上。f d m 法简 单且易为人们接受，处理效率较高，至今在一维浅水流计算中仍得到广泛使用。 特征线法( m 0 c ) m o c 把时间离散和空间离散一起处理，能反映问题中信息沿特征传播的性 质，符合水流运动的物理机制，稳定性好，计算精度高。由于该方法是沿时间 推进求解，故较适于双曲型和抛物型问题，对于求解像涌潮这类周期短、变化 急剧的问题比较适宜。推广到二维问题，由于二维问题中对应于一维问题的特 征线是两族特征曲面，表现为一个特征锥面，目前一般是对特征锥面选用几条 特征母线，沿对应的特征关系式积分来近似求解特征量。 有限单元法( f e m ) 有限单元法是一种用积分求解微分方程的近似解法。有限单元法的基础是 极值原理和剖分插值，它吸收了有限差分中离散处理思想，同时采用了变分计 算中选择逼近函数及对任意形状( 三角形或四边形) 的许多微小单元进行积分 处理的合理方法。在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点， 将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的捅值函数组 成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。 有限体积法( f v m ) 有限体积法义称有限控制容积积分法，足7 0 年代由s p a l d i n g 和p a t a n k e r 等人提出和发展起来的一种离敞方法，其綮本思想足将计算区域划分成系列 4 第一章绪论 连续但互不重叠的控制体积，每个控制体积包围一个网格点，以网格点上的因 变量数值为未知数，假定各变量在网格点间的变化规律，将待解的微分方程对 每一个网格点积分，得出一组离散方程，结合边界条件和初始条件求得数值解。 f v m 与以上提到的三种方法相比，既能像f e m 一样适应于任意的不规则 网格，着眼于控制体上的逼近，具有守恒性，又能像m o c 一样具有以特征为 基础的逆风性，同时处理效率与f d m 接近。f v m 体现了f e m 的几何灵活性、 m o c 的精度和f d m 的效率和守恒性，很好将其他方法的优点与自身的精髓融 合到一起。因此，有限体积法在流体力学计算中得到了广泛的应用。本文亦采 用了有限体积法对水流水质数学模型中的方程进行离散计算。 1 2 2 不确定性方法 水源地水质的预测，通常是利用历史数据，通过不同的预测方法推求环境变 量( 预测指标以外的所有可能变量) 与待预测水质指标之间的非线形关系或待预 测水质指标本身随时问的变化规律。根据预测方法的数学理论基础和数据处理方 法的不同，可将用于水源地水质预测的不确定性方法大致分为数理统计预测法、 人工神经网络预测法，灰色系统预测法、水质数学模型预测法等【4 7 1 。 ( 1 ) 数理统计预测 数理统计预测，是根据已有水质数据资料预测水质的变化趋势，或从影响水 质状况的诸多影响因子出发，通过建立水质与影响因子之间的关系表达式，借助 影响因子的变化来间接反映水质的变化趋势4 9 1 。其特点是数学理论基础完善， 但实践困难，准确性差。 ( 2 ) 人工神经网络预测【5 0 ，5 1 】 人工神经网络( a n i 6 c a ln e u r a ln e t w o r k s ，简称a n n ) ，是一种受到人脑 和神经系统启发而创建的计算方法，由大量简单的人工神经元广泛连接而成的， 用于模拟人脑神经网络的复杂网络系统，具有较强的自适应能力。常用于水质 预测的神经网络模型是采用误差反阳传递的前馈网络，即b p 网络。其特点是 建模容易，预测精度高，但数学理论基础不完善。 ( 3 ) 灰色系统理论预测 灰色系统是“部分信息已矢i j ，部分信息未知，信息不完全”的系统。灰色系 河海人学硕上毕业论文 统预测实际上就是一种单因素趋势外推的预测方法【5 2 1 。其基本思想是把已知现在 和过去的、无明显规律的时间数据列( 原始数据列) 进行一系列加工，得到有规 律的时问数据列( 生成数据列) ，然后再用微分方程对生成数据序列进行拟和， 得到灰色系统动态预测模型g m ( n ，h ) 来进行预测1 5 3 ，5 4 1 。目前，在水质预测方面， 使用较多的是g m ( 1 ，1 ) 灰色模型【5 5 】。 在系统论中不确定性的研究主要围绕概率与数理统计、模糊理论和灰色系 统理论展开。灰色系统理论以灰色度来表示系统的不确定性；美国控制论专家 查德建立的模糊理论，以隶属度来表示系统的不确定性；随机理论是以概率论 和数理统计为基础，用概率分布来表示系统的不确定性1 5 引。 概率与数理统计可以解决样本量大、数据多但缺乏明显规律的问题，即“大 样本不确定性”问题；模糊数学可以处理人的经验与认知先验信息的不确定问 题，即“认知不确定性”问题；而灰色系统理论则是针对既无经验，数据又少的 不确定性问题，即“少数据不确定性问题提出的【5 7 1 。 灰色理论、数理统计及模糊数学的区别见下表1 1 。 表1 1灰色理论、数理统计及模糊数学区别 1 3 环境风险评价研究动态 环境风险评价兴起于2 0 世纪7 0 年代，主要是在发达的工业国家，特别是美国 的研究尤为突出。总体说来，环境风险评价大体可以分为以下三个阶段1 5 8 枷】： 第一阶段：2 0 世纪3 0 年代到6 0 年代，风险评价处于萌芽阶段，主要采用毒物 鉴定方法进行健康影响分析，以定性研究为t 。直到6 0 年代，毒理学家才丌发了 些定量的方法进行低浓度暴露条件下的健康风险评价。 第一章绪论 第二阶段：2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代，风险评价研究处于高峰期，评价体系基 本形成。事故风险评价最具代表性的评价体系是美国核管会1 9 7 5 年完成的核电 厂概率风险评价实施指南，亦即著名的w a s h 1 4 0 0 报告，该报告系统地建立 了概率风险评价方法。 第三阶段：2 0 世纪9 0 年代以后，风险评价处于不断发展和完善阶段。随着相 关基础学科的发展，风险评价技术也不断完善，美国对8 0 年代出台的一系列评价 技术指南进行了修订和补充，同时又出台了一些新的指南和手册。 我国的风险评价研究起步于2 0 世纪9 0 年代，主要以介绍和应用国外的研 究成果为主，但在一些部门的法规和管理制度中已经明确提出风险评价的内容。 1 4 本文研究内容 本文以张家港水源地为研究对象。张家港市位于长江下游南岸，与南通、如 皋、靖江相望，张家港市生活用水大部分取自长江，长江岸线设有张家港第三、 四水厂取水口。随着张家港市及长江沿线地区经济的快速发展，张家港港口吞吐 量持续快速增长，与此同时，我们须要充分考虑和预防张家港港口发展建设可能 对水源地水质造成的负面影响。 在水环境系统中，影响水质变化既有已知的因素，又有许多未知的和并不 确定的因素，同时由于受实际监测资料的限制，河流水质系统信息并不完全， 具有灰色特性，灰色系统理论正好为复杂的系统预测提供了一种新的理论和方 法。由于上游石化码头的存在，长江张家港段第三、四水厂取水口存在水质安 全威胁，故本文应用灰色系统理论对张家港第三、四水厂长江取水口水质发展 趋势进行预测，并针对突发事故进行水源地环境风险评价。主要研究内容如下： ( 1 ) 对地表水水质预测研究进展和环境风险评价研究动态作了综述； ( 2 ) 收集整理研究区域的水文水质资料，分析研究区域水环境现状； ( 3 ) 应用灰色波形理论，建立灰色g m ( 17 1 ) 模型预测取水口水质变化趋势； ( 4 ) 从水源地环境风险评价的角度，建立水流水质耦合数学模型，模拟研 究区域在不同。f ：况。卜的水动力特征和污染物随时间和空f h j 的迁移变化。 河海人学硕 ：毕业论文 1 5 本文工作 本文第一章对水质预测研究进展和环境风险评价研究动态作了分析和总结， 并简要说明了本文的主要研究内容；第二章根据已有的监测资料，采用标准指数 法对研究区域水质现状进行了分析研究；第三章对灰色理论原理及其发展动态进 行了概述，并选取污染物因子，根据灰色波形理论分别建立灰色g m ( 1 ，1 ) 模型， 预测水质的未来变化趋势，从而得出取水口水质变化趋势；第四章建立了二维水 流水质数学模型，采用有限体积法对模型控制方程进行数值离散，然后从事故溢 油角度，根据收集到的长江张家港段水文、水质资料，确定研究范围，应用二维 水流水质耦合模型模拟了不同工况下石油类在时间和空间上的迁移变化；第五章 对本文的工作进行了简要的总结，并指出了今后有待进一步研究的工作。 8 第二章长江张家港段概况及水质现状分析 第二章长江张家港段概况及水质现状分析 2 1 研究区域概况 2 1 1 地理位置 长江张家港段位于长江下游江苏省境内，地处北纬3 1 。4 37 3 2 。0 27 ，东经 1 2 0 0 2 l7 1 2 0 。5 27 ，距上游南京段2 3 0 公里，距下游长江入海口1 5 0 公里。北岸 为泰州市和南通市；南岸为张家港市区，长江水域2 1 2 9 3 平方公里，占全市总面 积的2 1 3 3 。张家港港区与无锡、苏州相邻；东连常熟、太仓；西接江阴、常州， 是沿海和长江两大经济开发带交汇处的掰型港口。 2 1 2 社会经济 图2 1张家港地理位置图 张家港市位于中国沿海和长江两大经济盯发带交汇处，是长江下游南岸新型 的中等港口工业城市，也是我国著名的卫! l 城和环保模范城。上海、南京、苏州、 无锡等大中城市环列周围。全市总面积9 9 9 k m 2 ，2 0 0 5 年末人口8 7 9 0 万。在圈家 统计局公布的2 0 0 5 年度中国县域经济综合发腱指数卣强县( 市) 中，张家港市名 列第3 位。城市发展同新月异，经济增长迅猛，是我网最具发展潜力的城市之一。 9 河海人学硕上 # 业论文 2 1 3 河道概况 张家港段位于长江近河口段，上起巫山港下至浏河口，河道长约1 2 0 l 锄。河 段上承澄通河段的江阴水道，下接河口南支下段宝山水道，其间有福姜沙汊道、 如皋沙群汊道、通州沙水道。因江面宽阔，江中多潜洲心滩，发育有福姜沙、如 皋沙群、通州沙等。见下图2 2 。 2 1 4 水文及泥沙 图2 2 长江张家港段河势图 张家港所在河段处r f 长江河口潮流界以内，水流既受内陆径流的影响，又受 外海潮汐侵入的影响，凶此，双向水流运动是本河段的特征。 安徽大通站为长江二f 流最下游一个水文站，其径流资料可以代表本河段的径 流特征。据大通站1 9 5 0 2 0 0 3 年的实测资料统计，汛期( 5 1 0 月) 水量和输沙 量分别占全年总水量的7 1 0 6 ，表明汛期水量和沙量比较集中，且沙量的集中 程度大于水量的集中程度，其水、沙特征值见下表2 1 。 表2 1长江火通站水量沙量参数 历年最人洪峰流量 9 2 6 0 0 m 3 s ( 1 9 5 4 年) 历年最小枯水流餐4 6 2 0 m 3 s ( 1 9 7 9 年) 多年平均流量 2 8 7 0 0 m s 多年甲均含沙帑 o 4 7 4 k m 多年，f 均q i 输沙缱4 3 2 亿m 3 1 0 第二章长江张家港段概况及水质现状分析 2 1 5 水位 张家港段位于长江河口段，属感潮河段。潮汐类型为非正规半日浅海潮，潮 位每日两涨两落，日潮不等现象比较强。年最高潮位通常出现在台风、天文潮和 大径流三者或其中两者遭遇之时，其中台风影响较大，可使长江水位壅高近1 m 。 潮波在上溯过程中，受河床边界阻力和径流阻滞作用，致使潮波在上溯过程中逐 渐变形，涨潮历时缩短，落潮历时延长，平均落潮历时是涨潮历时的2 倍左右。 长江河口段自上而下有江阴肖山、南通天生港、常熟徐六泾、太仓杨林口等 潮水位站。依据上述各站多年统计资料，主要潮位特征值见下表2 2 。 表2 2 各测站潮何特征值表 根据上述各站多年统计资料，推算出张家港港区设计水位，见下表2 3 。 表2 3 张家港港i 夭设计水位 2 1 6 水源地概况 张家港市生活用水大部分取自跃江，长江岸线设有张家港第三、四水厂取水 口，取水口上游约1 5 k m 处为张家港石化码头，取水口下游约7 0 0 m 处为一千河口。 取水口具体位置见卜图2 2 。 2 0 0 4 年张家港f j 在现有长江饮水水源保护区原三水，一处，新建第四向来水 河海犬学硕 j 毕业论文 厂，分二期工程实施，一期工程2 0 0 5 年新增供水能力2 0 万吨r ，二期工程2 0 1 0 年完工，新增供水能力4 0 力吨，供水能力提高到6 0 万吨日，水质目标执行i i 类 标准。 2 2 区域水环境质量现状 2 2 1 监测资料统计 收集整理长江张家港段的水质例行监测资料，监测断面布置见下表2 4 。 表2 4 水质监测断面表 监测断面具体位置见下图2 3 。 图2 3监测断面图 1 2 第_ 二章长江张家港段概况及水质现状分析 2 2 2 水质现状分析 根据地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) ，饮用水源保护区断面地表 水环境质量执行i i 类标准。本文采用标准指数法进行分析。 p c i 一一瓦 式中：p f 类污染物标准指数； c ，f 类污染物实测浓度值，m g l ； c 。f 类污染物的评价标准值，m l 。 其中p h 的标准指数为： 沁端( 以 7 。) _ jq p h 2 葫渊，g ) 式中：p 也地表水水质标准中规定的p h 值下限； 以。地表水水质标准中规定的p h 值上限。 经统计计算，结果见下表2 5 。 表2 5长江张家港段水质监测统计与分析结果表 ( 2 1 ) 浓度值范围8 j f 2 4 2 2 1 0 j 了 o 0 0 2 o 爱：_ 7 娄f；_ 断 超标牢( ) 0o o 3 3 3 3o1 6 6 70o 曲 均值8 0 72 1 820 6 60 0 0 200 4 37 1 6 70 1 6 【2 ) 污染指数 0 3 8o 3 6o 5 00 6 5o 4 0o 8 70 3 3o 7 9 超杯倍数 1 3 o 0 0 42 7 7 _ li o o l o o o 0 0 41 6 0 8 3 0 0 85 3 6 4 3 6 河海大学硕仁毕业论文 注：断面3 为张家港第二三、p q 水j 一水源地断面，采用地表水王l ：境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 中的儿类标准， 其它2 个断面采用1 1 i 类标准。 2 3 小结 通过对历史监测资料进行计算分析，可知研究区域内主要超标因子为s s ，原 因是长江水体的泥沙含量较高。断面1 处氨氮、总磷超标，原因是受该断面上游 来水影响；断面2 处氨氮、石油类超标，主要原因是该断面处于码头作业区，大 量船舶在此装卸货物导致石油类超标；断面3 为张家港第三、四水厂取水口所处 断面，该断面仅t p 略微超标，其他水质因子污染指数均小于l ，基本满足水质标 准要求。 根据江苏省长江水污染防治条例规定，在长江干流设置取水口的，以取 水口为中心半径五百米范围内为一级保护区，取水口上游二千米、下游一千米范 围内为二级保护区。张家港石化码头处于张家港第三、第四取水口二级保护区范 围。因此，为保证饮用水水质安全，防忠于未然，须对水源地水质未来变化趋势 作进一步研究。 1 4 第三章应用灰色理论预测水源地水质变化趋势 第三章应用灰色理论预测水源地水质变化趋势 3 1 引言 当前，我国正处于水污染控制的初期，大多数河流水系水质实测资料都还 较为匮乏，主要表现为水质监测次数少、监测频率低，甚至有些河流根本还没 有水质监测数据。从现有社会经济发展水平来看，这种状况在短期内可能还难 以改观，因而河流水质实测资料具有不充分性、不完全性，给科学、准确地预 测河流趋势带来了很大困难。 长江张家港段位于河口段，影响水质变化的因素众多且机理复杂，具有“部 分信息己知，部分信息未知，信息不完全”的灰色特性，故本章将长江张家港段 水环境视为灰色系统，以长江张家港取水口段近几年的监测数据为灰色因子， 应用灰色系统理论，建立预测模型，来研究取水口水质的变化趋势。 3 2 灰色理论概述 1 9 8 2 年，我国著名学者邓聚龙教授创立了灰色系统理论【6 1 】。它通过对“部分 已知信息”的生成、开发去了解、认识现实世界，实现对系统运行行为和演化规 律的正确把握和描述。狄色系统理论对试验观测数据及其分布没有特殊的要求 和限制，是一种十分简便的新理论，广泛应用于各个领域1 6 列。 灰色系统理论经过2 0 年的发展，己基本建立起一门新兴学科的结构体系。 目前，灰理论的主要内容有：灰哲学、厌生成、灰分析、灰建模、灰预测、灰 决策、灰控制、灰评估、灰数学等。 灰观念：如认识无穷尽公理，灰性不灭原理，层次无限可分原理，自性 相对原理，解的非唯一性，信息可补充性等。 灰生成：如层次转换，互补规律引用，内涵显露与转化、量化。 灰关联：建立整体比较机制，克服两两比较的局限性。吸收距离空问的 量化特性，吸收点集拓扑空间的整体比较内涵，升华成为次关联空问。在狄关 联空间中，可辨别系统因子的权重，确定凶子的序化关系，划分系统主行为。 狄建模：在序列的基础上，建立近似狄色微分方程模型。冈为微分方程 河海人学硕。j ：毕业论文 是以连续可微函数为背景的，作为序列不可能“连续”、“可微”。为此灰色系统 理论从序列角度剖析一般微分方程的构成条件，然后对那些近似地满足上述条 件的序列，建立近似的微分方程模型，即灰模型，记为g m 。 灰预测：以灰色模型g m ( 1 ，1 ) 为基础，对事物的时问分布、数值分布进 行顶测。灰预测包括：数列预测，即一般的数列预测，是灰色预测的一种通用 方法；灾变预测，即异常值时间分布规律的预测，如涝灾、旱灾等；季节灾变 预测，是对发生在特定时区内的异常值，做时间分布的预测；波形预测，是对 一个离乱的，非单调变化波形，按不同拓扑基确定阀点进行预测；系统预测， 指在多种因子作用下，对系统的发展变化进行预测。 灰决策：灰决策一般指测度空间的决策，测度空间是目标极性一致化的 空间。测度是目标样本的抽象，在测度空间，测度大，可以代表效益好也可以 代表损耗小，可以代表“样本”适中。所以测度的转换，是多目标到单目标的转 换。灰决策一般可分为灰局势决策，灰层次决策等。 3 3 灰色理论研究动态 目前，许多国家( 如英国、美国、德国，中国等) 及联合国等国际组织也 有许多学者从事灰色系统的研究和应用。据不完全统计，s c i ( 科学引文索引) 、 e i ( 工程索引) 、i s t p ( 科技学术索引) 、m r ( 美国数学评论) 、s a ( 英国科学 文献) ，m a ( 德国数学文献) 等图际权威性检索机构跟踪、摘引我国学者的灰 色系统论著3 0 0 0 多次，国内外有1 6 0 多项灰色系统成果获得国家或省部级奖励， 有6 0 余种灰色系统学术著作出版问世，有3 0 0 余种学术期刊接受并刊登灰色系 统论文，有1 0 0 多所大学丌设了灰色系统理论课程，有很多高校招收灰色系统 专业方向的博士研究生，有数千名博士、硕士研究生运用灰色系统的思想方法 开展科学研究，撰写学位论文。同时，每年都有一大批灰色系统理论或应用研 究项目获得各类基金资助，灰色系统理论自创建以来，己经在许多领域得到了 应f f j l 6 3 石7 1 。 3 4 灰色g m ( 1 ，1 ) 建模原理 灰色系统理论的核心是狄笆模型。趴色系统预测足一种单吲素趋势外推顾 1 6 第三章应用灰色理论预测水源地水质变化趋势 测方法。建立灰色系统预测模型的基本思想是把己知现在的和过去的、无明显 规律的时间数据列( 原始数据列) 进行一系列加工，得到有规律的时间数据列 ( 生成数据列) ，然后以微分方程对生成数据列进行拟合，得到灰色系统动态预 测模型进行预测。 在水环境研究中，应用灰色理论进行建模预测时最常用的是灰色g m ( 1 ，1 ) 模型【6 8 1 ， g m ( 1 ，1 ) 符号的含义如下： f下f g r e ym o d e l l 阶方程1 个变量 ( 灰色) ( 模型) 图3 1 g m ( 1 ，1 ) 的含义图 灰色g m ( 1 ，1 ) 建模过程大致可以归纳如下： ( 1 ) 对于给定等间隔的原始时间序列x o = ( x o ( 1 ) ，x o ( 2 ) ，x o ( 胛) ) ，将其累加 七 生成新的数据系列x ”= ( x 1 ( 1 ) ，x 1 ( 2 ) ，x 1 ( 门) ) ，其中x 1 ( 七) = x 。( f ) 。 - l ( 2 ) z 1 ( 后) 的序列z = ( z 1 ( 2 ) ，z 1 ( 3 ) ，z 1 ( n ) ) 称为白化背景值序列，其中 z 1 ( 七) = 0 5 _ f ( 七) + o 5 x 1 ( j j 一1 ) 。基于每个白化背景值z 1 ( 足) 都是x 1 ( 后) 与 x 1 ( 七一1 ) 的平均值( z ”= m e a n x 1 ) ，均值的概念是从平均的观念对事物发展 进行分析。称 x o ( 七) + 舷1 ( 后) = 6 ( 3 1 ) 为g m ( 1 ，1 ) 模型的基本形式。 其中口，6 为待辨识参数，三：( 口，6 ) 7 为参数列，由最小二乘估计法解得 a = ( b 7 b ) 。1 b r 式中b 为累加生成矩阵，为数据向量 ( 3 2 ) 河海人学硕 ：毕业论文 从而解得 b = 一z f j ) ( 2 ) 一z 1 ( 3 ) 一z f l ) ( ，? ) ，k = ，( 2 ) x o ( 3 ) ( 门) ( 3 3 ) 扛者【荟( 啪口f 恸 疗一击驴( 后) 矽( 炉f 慨。诹) 。4 荟( ”( 纠2 一击( f ) ) 2 离散时间响应函数得g m ( 1 ，1 ) 模型为 ( f + 1 ) ：( x ( 1 ) 一鱼) p 一讲+ 鱼 ( 3 5 ) 口口 还原值。( ，+ 1 ) ：( f + 1 ) 一三1 ( f ) 。 其中一口为发展系数，6 为灰色作用量。一口反映了三1 及；。的发展态势。 一般情况下，系统作用量应是外，皇的或者前定的，而g m ( 1 ，1 ) 是单序列建模， 只用到系统的行为序列( 或称输出序列、背景值) ，而无外作用序列( 或称输入 序列、驱动量) 。6 是从背景值挖掘出来的数据，它反映数据变化的关系，其确 切内涵是灰的。灰色作用量是内涵外延化的具体体现。 灰色g m ( 1 ，1 ) 模型预测精度随时间延长而降低| 6 9 1 ： 1 ) 当一口o 3 时，g m ( 1 ，1 ) 模型可用于中长期预测； 2 ) 当0 - 3 一口o 5 时，g m ( 1 ，1 ) 模型可用于短期预测，中长期预测慎用； 3 ) 当0 5 疗时，称；( 七) 为模型预测值。 本文将陔改进模型成1 n ：c o d m 。颅测，取原始数列 河海人学硕 j 毕业论文 x o = ( 2 2 ，2 4 ，2 2 ，2 1 ，2 1 ，2 4 ，1 9 ，2 3 ，2 4 ，2 4 ) 根据公式( 3 9 ) 建立模型，x 1 ( 门) = 2 2 4 2 2 4 ，得模型 累减还原得 三( 七+ 1 ) ：3 7 3 8 3 7 5 p o 0 0 6 1 7 2 ( 一”一3 5 1 4 3 7 5x 一( 七+ 1 ) = 3 7 3 8 3 7 5 p o 0 0 6 1 7 2 ( 2 一引一3 5 1 4 3 7 5 ；o ( 七+ 1 ) ：2 3 0 0 2 1 9 p o0 0 6 1 7 2 ( ) 石一( 七+ 1 ) = 2 3 0 0 2 1 9 p ”“叫 预测结果及精度见下表3 2 和图3 2 。 表3 2 模型结果表 第三章应用灰色理论预测水源地水质变化趋势 啪厶：严弋：一 彭z 影嬲z 罗萨萨扩。萨。妒扩。扩扩扩萨。萨梦梦。 + 实测值 + 模拟值 一颓测值 图3 2 预测结果图 将预测结果与实测值进行对比可知，该改进模型所得的预测值呈单调增加 趋势，这与实测值不符。文献7 9 对公式( 3 9 ) 进行检验的实例是单调增加序 列，由此得出的结论，在对非单调增加序列的水质预测应用中并不合理，得出 的结果呈发散趋势，并不能真实反映和预测水质因子变化趋势。 3 6 灰色g m ( 1 ，1 ) 预测模型应用 以灰色g m ( 1 ，1 ) 模型为基础，可对事物的时间分布、数值分布进行顶测。 预测，就是借助于对过去的探讨去推测、了解未来。灰色预测通过对原始数据 的处理和灰色模型的建立，去发现、掌握系统的发展规律，对系统的未来状态 做出科学的定量预测1 8 0 1 。 预测水环境时应选择在河流水体中起主导作用，对环境、生物、人体及社 会经济危害较大且反映灵敏的参数为对象。本文以张家港长江取水门断面高锰 酸盐指数( c o d m 。) 和石油类作为水质预测因子，应用灰色区间预测模型和波 形预测模型进行预测，根据各模型预测结果进行对比验证，综合分析，最终得 出水质未来变化基本趋势。 张家港长江取水口c o d m 。和石油类例行监测值见下图3 3 。 2 l 一一扯量一c=(iou 河海大学硕士毕业论文 力杉一一夕图3 32 0 0 3 2 0 0 6 年取水口断面c o d 和石油类例行监测变化图 3 6 1 灰色g m ( 1 ，1 ) 区间预测原理及应用 卜c n d n - - 秭油类 ( 1 ) g m ( 1 ，1 ) 区间坝测原理如f ： 1 设义( ，) 为序列折线，六( f ) 和六( ，) 为光滑连续曲线。若对任意，恒有 无( ，) x ( ，) ，( ，) 则称工( ，) 为x ( ，) 的下界函数，( f ) 为x ( ，) 的上界函数，并称 s = ( ，x ( i x ( f ) 【丘( ，) ，六( f ) 】) ( 3 1 0 ) 为x ( ，) 的取值带。 2 设xc o 为原始数据序列，取x o 中所个不同的数据序列可建立脚个不同 的g m ( 1 ，1 ) 模型，对应参数为匆= q ，匆】7 ，f = l ，2 ，肌。令 一口。2 琶豸 一口，) ，一口m 洒5 器骈一口，) 掣( 后+ 1 ) ：f ( 1 ) 一生1 e x p ( _ 。后) + 监 l口m i n 口m i “ 曼乳后+ 1 ) ：fx 乳1 ) 一监1 e x p ( - 。尼