（环境工程专业论文）农业非点源污染年负荷量估算方法研究——以淮河淮南段为例.pdf

农业非点源污染年负荷量估算方法研究 一一以淮河淮南段为例 摘要 淮河流域近年来虽然加大了治污力度，加强了对工业污水排放的控制管理， 点源排污达标率不断上升，但是非点源污染作为污染控制薄弱环节已经成为淮 河水污染的主要影响因素。对于农业非点源污染年负荷量的量化是进行环境规 划与管理、制定流域可持续发展战略的重要基础工作之一。 论文结合国家自然科学基金“河流水质虚拟调控一一以淮河安徽段为例 ( 5 0 3 7 9 0 0 3 ) ”，针对目前淮河流域农业区非点源污染负荷量模拟计算基本空白 的现状，以淮河安徽淮南段为研究对象，探讨如何在现有的资料数据条件下对 农业非点源污染年负荷量进行模拟估算。 本文在对国内外非点源污染模型的研究进行较为全面的总结，分析存在的 问题和发展趋势的基础上，针对非点源污染数据资料稀缺，机理模型难以建立 而统计模型所需资料相对较易于获得，计算简便直观，并且在水环境规划管理 中对年负荷量预测、估算的指导意义要大于对某一时点、某一断面的负荷量的 模拟预测的情况，对非点源污染年负荷量估算时运用水文分析方法计算非点源 污染年负荷量，并对畜禽养殖带来的非点源污染进行量化区分。同时首次尝试 将综合了多元回归，主成分分析，典型相关分析的偏最小二乘回归分析方法用 于建立流域非点源污染年负荷量的模拟估算模型，经实例计算分析表明该模型 具有较强的实用性。此外，本文在对农业区非点源污染的性质、形成、迁移、 数量进行研究的基础上探讨如何将理论研究与实践应用相结合，就淮河流域非 点源污染现状提出了较为全面的管理控制对策。 关键词：淮河流域农业非点源污染水文分析法偏最小二乘法 e s t i m a t i o no ft h ea n n u a ll o a d o f a g r i c u l t u r a ln o n - p o i n t s o u r c ep o i i u t i o ni l i u s t r a t e dw i t hh u a i h er i v e ri nh u a i n a n a b s t r a c t a 1 t h o u g ht h em e a s u r e st oc o n t r o lt h ep o l l u t i o ni nh u a i h ev a 儿e ya r es t r o n g e r t h a n b e f o r e ， t h e m a n a g e m e n t s o ft h e d i a i n a g e o fj n d u s t r i a lw a s t e w a t e ra r e s t r e n g t h e n e d ， a n dt h e p o l l u t i o np e r c e n t su p t o p a r i s h i g h e r a n d h i g h e r ， b u t n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ( n s p ) i sb e c o m i n gam a i ni n n u e n c eo f w a t e r p o l l u t i o n i nh u a i l l er i v e rf o ri t sb e i n ga nu n s u b s t a n t i a lp a r ti np 0 1 1 u t i o nc o n t r 0 1 t oc a l c u l a t e t h ea n n u a ll o a do f a g “c u l t u t a ln o n - p o i n ts o u r c ep o u t i o ni s o n eo ft h eb a s i cw o r k s t o a c c o m p l i s ht h et a s k s a b o u tt h ee n v i r o n m e n ta n dt oi n s t i t u t et h es u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n ts t r a t a g e m a c c o r d i n gt o t h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d ，r i v e rw a t e r q u a l i t y s v i r t u a l r e g u l a t i o n & c o n t r o li l l u s t r a t e d w i t hh u a i h er i v e ri na n h u ip r o v i n c e ( 5 0 37 9 0 0 3 ) ，a n dt h ea c t u a l i t yo f n os i m u l a t i o no nt h ea n n u a ll o a do fa g “c u l t u r a l n o n - p o i n t s o u r c ep o l l u t i o ni nh u a i h e v a l l e yn o w ，h o wt oe s t i m a t ea n df o r e c a 3 tt h e a n n u a ll o a di sd i s c u s s e du n d e rt h ec o n d i t i o no f e x i s t i n gd a t a ， 0 nt h eb a s i so ft h er o u n d l ys u m m i n g u po ft h er e s e a r c ho nn s pi n l a n d sa n d o v e r s e a s ， t h ee x i s t e d p r o b l e m s a n d d e v e l o p i n g t r e n d sa r e a n a l y z e d t h e i n s t r u c t i o n a lm e a n i n go fe s t i m a t i n gt h ea n n u a l l o a di s h i g h e rt h a nf o r e c a s t i n gt h e 1 0 a do fs o m e t i m eo rs o m es e c t i o n a i m i n ga tt h es c a r c i t yo fd a t aa n dt h ed i f n c u l t i e s i n b u i l d i n g m e c h a n i s mm o d e l ，h y d r o l o g i c a lm e t h o d sa r eu s e dt oc a l c u l a t et h e a n n u a ll o a do fn s pb e c a u s et h ed a t an e e d e di ns t a t i s t i cm e t h o d si sl e s s t h en s p b r o u g h tb yl i v e s t o c ka n dp o u i t r yi sa l s on u m b e r e da n dd i f f 色r e n t i a t e d a tt h es a m e t i m e ，t h ep a r t i a ll e a s ts q u a r er e g r e s s i v em e t h o di n t e g r a t i n gt h em u l t i - r e g r e s s i o n ，t h e p r i n c i p a ic o m p o n e n ta n a l y s i sa n dc a n o n i c a lc o r r e l a t i o na n a l y s i s ，i se x p e r i m e n t e d n r s t l yt ob u 订dt h em o d e le s t i m a t i n gt h ea n n u a ll o a do fn s pt h ew e l la b i l i t yi n a p p l i c a t i o n si ss h o w e da f t e ru s e di np r a c t i c e w h a t sm o r e ，h o wt oc o m b i n et h e t h e o r e t i c a l l yr e s e a r c ha n dp r a c t i c a lu s ei sd i s c u s s e do nt h eb a s eo f t h er e s e a r c ho n i t s c h a r a c t e r ，f o r m a t i o n ，t r a n s f e r e n c ea n dq u a n t i t y a l l s i d e dc o u n t e r m e a s u r e sa r e p u tf b r w a r da c c o r d i n gt ot h ea c t u a l i t yo f n s pi nh u a i h ev a l l e y k e yw o r d s ：h u a i h ev a l l e y ；a g r i c u l t u r a l ；n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ；h y d r o l o g i c a l m e t h o d s ；p a r t i a ll e a s ts q u a r e 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕士 学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 搞：般黻 委员： 良k 。饿芬忠 鹨名隧 幽，扩 挪：摊 表格清单 表1 1 ：水环境非点源污染与点源污染的主要特征比较 表1 2 ：国外非点源模型汇总表 表5 1 ：淮南主要气象要素情况 表5 2 ：淮河淮南段不同保证率下平均流量表， 表5 3 ：城镇生活污水排放情况 表5 4 ：化肥农药使用情况 表5 5 ：淮河淮南段年径流量的分割 表5 6 ：淮河流域安徽淮南段年总负荷量及其构成 表5 7 ：淮南市规模化畜牧养殖状况 表5 8 ：畜禽养殖非点源污染计算表 表5 9 ：偏最小二乘法标准化数据表 表5 1 0 ：多重相关性分析表 表5 一“：累计解释能力系数表 n i _巧”拍强诣弛强 图1 一l ： 图2 一l ： 图3 1 ： 图3 2 ： 图3 3 ： 图4 1 ： 插图清单 非点源模型结构图 淮河流域水系图 淮河淮南段0 2 一0 3 年雨量过程线 淮河淮南段0 2 0 3 年流量过程线 流量过程中地表、地下径流的组成 时间变化曲线图 i v 5 1 7 2 1 2 1 2 2 2 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆王些盘堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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谢意。 学位论文作者签字：互论2 泣字目期：捌年占月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金g b 王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关邵门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒月b 王些盘 兰一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：王捻奎、 导师签名： 签字日期：劢5 年6 月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 嘲 厂、 月 褫 字签 致谢 首先非常感谢我的导师孙世群副教授! 本论文得以圆满完成得益于孙老师 的精，心指导和悉心培养。导师在论文各阶段都倾注了大量的心血，并以渊博的 知识、严谨的治学态度和耐心的教诲使我终生受益! 特别要感谢汪家权教授在论文的完成期间给予的指导和帮助! 本论文还得到了环境教研室彭书传老师、钱家忠老师、吴开亚老师、葛晓 光老师、李如忠老师等许多老师的帮助，向他们表示衷心的谢意! 此外在学习期间，我的各位师兄、师姐，田丰、冯少茹、王宋辉、王晓辉 以及研2 0 班的同学们都给予我很多支持与帮助，在此一并表示感谢! 读硕的三年也是儿子帅宁和妈妈一起成长的三年，我的母亲、丈夫、二嫂 和我的哥、嫂们给予了我无尽的爱与支持，我无以为谢只希望自己尽力能不负 你们的殷殷期望! 感谢所有帮助过我的老师、同学、朋友们! 感谢论文评审委员和答辩委员会委员对论文的批评和指正! 王玲杰 二o o 五年五月 前言 水，作为一种有限的自然资源已经倍受人类关注，被认为是人类发展和进 步的不可缺少的部分。人类的文明_ 二是起源于许多河流流域。河流同时作为人 类的消费、工农业生产、工业需求、航运以及水力动力不可缺少的资源，正在 遭受着越来越严重的污染。问时水资源的必需性，不可替代性和稀缺性血决 定了作为水资源重要存储地的大、河流域成为永资源保护和开发利用的重要着眼 点。 淮河流域地处我国东部，区内人口密集，流域耕_ l l 而积1 2 4 7 7 1 1 0 4h m 2 ， 在全国经济发展中具有重要的战略地位。由于人口众多和水资源的长期低效率 利用，水源受到严e 重污染，“水缺，水脏”严重的影响着瀛域的经济发展和人民 生活质量的提高。近年来，虽然加大了治污力度，关停了一大批生产水平低、 技术落后、污染严重的工业企业，加强了对工业污水排放的控制管理，点源排 污达标率不断上升，取得了一些成效，但尾非点源污染作为污染拧制薄弱州、节 已经成为淮河水污染的主要影响因索，水污染形势依然非常严峻。针对目前淮 河流域农业区非点源污染负荷最计算基本空白的现状。奉文以淮河流域安徽濉 南段为研究对象，探讨如何在现有的资料数据条件下对农业区非点源污染年负 荷量进行模拟估算，进而为流域环境规划与管理，制定可持续发展策略提供依 据。论文运用水文分析方法，采纳平均浓度法对淮河流域非点源年负荷量进行 估算，同时首次尝试将偏最小= = _ 二乘回归分析法用于建立非点源污染年负荷量模 拟估算模型，具有一定的实际应用意义。 1 1 问题的提出 第一章绪论 非点源污染( n o n p o i n t s o u r c ep o l l u t i o n ) 是与点源污染相对而言的。非点 源污染自上世纪7 0 年代被提出和证实以来，它对水体污染所占的比重随着列点 源污染的大力治理而呈不断上升趋势。据资料研究，在美国，非点源污染对水 体污染的贡献比例一一2 0 世纪7 0 年代为“1 ：总悬浮固体的9 2 ，总氮的7 9 ， 总磷的5 3 ；8 0 年代为”1 ：生化需氧量的5 7 ，总氮的8 7 ，总磷的5 8 ， 总悬浮固体的9 8 ；9 0 年代。1 ：全球3 0 一5 0 的陆面受到非点源污染的 影响。丹麦2 7 0 条河流9 4 的氮负荷，5 2 的磷负荷是由非点源污染引起的”1 。 荷兰农业非点源提供的总氮、总磷分别占水环境污染总量的6 0 和4 0 一5 0 “3 。国内类似的研究比较少，而且多是在对湖泊、水库富营养化的研究中有 过少量的估算，如何将非点源污染与点源污染的影响加以量化区分是目前研究 中急需解决的一个重点和难点。 农业非点源污染是非点源污染的最主要组成部分。近年来农业区化肥、农 药的使用量逐年增多以力求保障农作物高产、稳产。由于施用数量过大，比例 严重失调，在土壤肥力逐年递减，化肥农药边际效应不断下降，资源浪费的同 时，也成为农业区非点源污染的主要影响因素。另一方面，林地、草地面积的 不断减少，不合理的土地耕作方式也加剧着水土流失的严重程度。 淮河流域作为一个重要的农业经济区和粮棉主产区，同时又是“跨世纪绿 色工程计划”中的重点治理对象“三河三湖”之一，在点源污染已经得到一定 控制的情况下，对非点源污染的控制治理正日益受到重视。而同时目前我国在 对非点源污染的研究与治理中还没有系统的、适应性强的方法。由于非点源具 有随机性强、污染物的来源和排放点不固定、污染负荷的时间空间变化幅度大 等特点，而且我国在此方面的研究起步较晚，研究经费不足，资料数据条件差， 因此目前国内针对此问题的研究成果较少，而且多是一些针对较小的流域面积， 不便推广：在非点源污染模型中研究性的模型多，应用性的模型少；并且目前 还没有针对淮河流域非点源污染提出的应用性定量分析预测模型。因此本论文 在现有的有限的资料数据条件下，对淮河流域安徽段农业区非点源污染建立年 负荷量预测估算模型，为进行流域水质模拟和规划管理，实现流域水污染控制 及可持续发展战略的制定提供依据。 1 2 非点源污染及模型综述 1 2 1 非点源污染 1 2 1 1 非点源 非点源是指时空上无法定点监测的，与大气水文、大气、土壤、植被、地 质、地貌、地形等环境条件和人类活动密切相关的，可随时随地发生的，直接 对大气、土壤、水构成污染的污染物来源。 1 2 1 2 非点源污染 美国清洁水法修正案定义非点源污染为：“污染物以广域的、分散的、微量 的形式进入地表及地下水体。” n o v o t n y v 认为非点源污染是指降雨径流冲刷地表的污染物，通过地表漫 流等水文循环过程进入各种水体，引起含水层、湖泊、河流、水库、海湾及滨 岸生态系统等的污染。”“7 1 李怀恩等指出：“非点源污染是指在降雨径流的淋溶和冲刷作用下，大气中、 地面和土壤中的污染物进入江河、湖泊、水库和海洋等水体而造成的水环境污 染。” 农业非点源污染是指由于人们在从事农业生产活动时，农田中的土粒、氮、 磷以及农药和一些无机物质在降雨过程中通过农田径流或地渗使大量污染物进 入地面水体或地下水体而造成水体污染。农业非点源污染涉及面积最广，数量 最大，污染最严重，是非点源污染最主要的原因之一。 1 2 1 3 非点源污染的分类 非点源污染是相对于点源污染而言的。它的成因有水土流失，农药化肥过 量使用，废弃物堆放等。 按照区域可将非点源污染划分为海洋非点源污染，地下水体非点源污染及 地表水体非点源污染。其中地表水非点源污染按区域一般分为城市和农村非点 源污染两大类。具体研究中常按土地利用方式或污染源特点进行细分。 按照来源划分，非点源污染包括大气环境的非点源污染，土壤环境的非点 源污染和水环境的非点源污染三类。水环境的非点源污染包括大气干湿沉降， 暴雨径流，底泥二次污染和生物污染等诸多方面0 1 。 典型的非点源污染发生方式通常指狭义的非点源污染，即由降雨径流产生 的污染。 1 2 1 4 非点源污染的特点“” ( 一) 发生具有随机性。因为非点源污染主要受水文循环过程( 产、汇流 过程) 的影响和支配，由于降水的随机性和其他影响因素的不确定性决定了非 点源污染也必然是具有较大的随机性。 ( 二) 污染物来源和排放点不固定，排放具有间歇性，而点源排放较有规 律( 如基本稳定，随作息制度变化等等) ( 三) 污染负荷的时间变化( 次降雨径流过程，年内不同季节及年际间) 和空间( 不同地点) 变化幅度大。 ( 四) 检测、控制和处理困难而复杂。 ( 五) 滞后性和长期性。农业施用化肥农药后，在降雨、产汇流的情况下 才形成非点源污染，这与农药化肥使用时间、旋用量、雨量雨强均相关，并且 通常一次农药化肥的施用所造成的非点源污染都将是长期的。 水环境非点源污染与点源污染的主要特征比较见下表1 ： 表1 1 ：水环境非点源污染与点源污染的主要特征比较 t a b l el lc o m p a r a t i o no fm a i nc h a r a c t e rb e t w e e nn o n p o i n ts o u r c ep 0 1 u t i o na n d p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni nw a t e re n v i r o n m e n t 非点源污染点源污染 高度动力学的，且具有随机性、间歇性、变较稳定的水流和水质 化范围常超过几个数量级 最严重的影响是在暴雨之中或之后，即洪水枯季低水期影响最严重 时期 入水口一般不能测量，不能在发生之处进行入水口能测量，以离散方式测 监测，真正的源头难以或无法追踪量。其影响可以真接评价 受雨量、雨强、降雨时间、降雨水质等水文与流域气候、水文关系不大，历 参数影响，历时一般有限时一般较长 受流域下垫面特征影响与流域下垫面特征基本无关 几乎所有的水体受非点源污染的影响一定范围的河段受到影响 污染物以扩散方式排放，时断时续污染物以连续方式排放 污染物种类几乎包括所有的污染物污染物种类不如非点源种类广 泛 污染发生在广阔的土地上发生地表径流的在连续使用的小单元土地上不 地区即为发生非点源污染的地区断发生 污染物的迁移转化很复杂。与人类的活动有污染物的迁移相对简单 直接关系 1 2 2 非点源模型 1 2 2 1 非点源模型 针对非点源污染建立数学模型，通过数学模拟的方式进行定量化研究是进 行非点源污染研究的重要途径。 非点源污染模型是采用以方程为主要形式的数学手段，模拟各种不同类型 的非点源污染在水文循环的作用下所表现出来的时间和空间特征，识别其主要 来源和迁移路径，预报对水体造成的污染负荷，并可评估土地利用变化及不同 的技术、管理措施对非点源污染负荷和水质的影响。非点源模型的基本框架通 常是水文模型与模拟污染物负荷模型的叠加。 利用数学模型可以有效的解决非点源污染的随机性和观测点的不确定性， 帮助我们分析其产生的时空特征，识别其主要来源，迁移路径，负荷及其影响。 从而为地表水资源的合理开发和利用提供决策依据，使保护措施的实施更加科 学化，定量化。正因如此，非点源污染数学模型的研究也一直是非点源污染研 究的核心内容之一。 1 2 2 2 非点源模型的组成结构 由于非点源污染主要是随着地表及地下径流经过复杂的迁移和转化过程而 产生的，与水文循环、气象条件密切相关。这种特性就决定了大部分模拟非点 源污染的模型都是与水文模型密切相关，大多是在对水文循环、产汇流过程的 研究基础上开发出来的。因此非点源污染模型通常都包含水文子模型。 非点源模型的一般结构如下图所示： 二塑型匹塑翌 图1 1 ：非点源模型结构图 f i g u r e1 - 1h i b e r a r c h yo fn o n - p o i n t s o u r c ep o l l u t i o nm o d e 1 2 2 3 非点源模型的分类 数学模型主要有机理模型与统计模型两大类“。机理模型属于白箱模型， 统计模型属于黑箱模型。有的模型既利用过程机理，又利用测试统计数据来建 立模型，这种模型为混合模型，属于灰箱模型。 非点源污染模型形式多样，对其分类，许多学者提出了各自的看法。郑一 “、王淑莹”等将非点源污染模型分为功能性模型和机制性模型。王伟武等“即 将其分为数据统计分析模型和仿真预测模型。胡艳等“”考虑了模型模拟的流 域尺度大小，将非点源污染分为回归模型，经验模型，和物理模型。不过，上 述所列的几种模型分类思路总的来看，它们具有一个共同的出发点，就是以模 型是否涉及污染的具体过程和机理来作为分类的主要指导思想。 1 2 2 4 非点源模型研究进程 2 0 世纪6 0 年代，发达国家逐渐对非点源污染有所认识并开始研究，但是 这一时期的研究多是局限于因果分析和定性分析，定量化的研究寥寥无几。 2 0 世纪7 0 年代，随着国外对非点源污染物理化学过程研究的深入和对非 点源污染过程的广泛监测，从简单的经验统计模型发展到了复杂的机理模型 ”。1 9 7 1 年，美国农业部在经过长达4 0 多年的现场观测、积累基础资料的基 础上，提出了经验方程一一通用土壤流失方程( u s l e u n i v e r s a ls o 订l o s s e q u a t i o n ) 。此后s w m m ，s t o r m ，c r e a m s ，h s p f ，a r m ，l a n d r u n 等模型相继问世， 最佳管理措旌b m p s ( b e s tm a n a g e m e n tp r a c t i c e s ) 也是在这一阶段发布的”。 2 0 世纪8 0 年代，这一时期非点源污染进一步受到重视，研究的重点主要 集中在如何把已有的模型应用到非点源污染的管理中去，以及开发新的实用模 型和含有经济评价或者优化内容的管理模型。提出的有代表性的模型有 a n s w e r s ，a g n p s ，s w a t 等，g i s 也开始普遍结合到非点源模型中，b m p s 发展更为 成熟。 9 0 年代以后，随着计算机技术的飞速发展和普及，一方面是对现有模型的 进一步改进与完善，另一方面3 s 技术( g i s ，r s ，g p s ) 开始在模型研究中得到利 用，使得模型在数据分析处理、模拟因子数量、计算能力、结果分析与显示方 面的能力大为提高，一些大的模型系统也相继问世。这一时期的模型主要有 b a s i n s w e e p 等。 1 3 国内外研究进展 2 0 世纪6 0 年代，发达国家开始关注非点源污染。7 0 年代开始进行系统的 研究，相关研究从概念、理论、研究方法，到非点源污染管理实践、新技术的 应用，文献较多，覆盖面较广。而国内相关研究起步较晚，始于8 0 年代的全国 的湖泊、水库富营养化和河流水质规划的研究，并且多是直接套用国外丌发的 模型或结合实际加以局部修正；或是建立统计估算模型；也有一些较为成功的 研究成果如建立单位线类模型“，非点源模型中的水文模型采用我国开发的新 安江模型与陕北模型等”。 1 3 1 国外非点源模型 目前国内非点源污染研究中所使用的非点源污染模型多是套用国外己开发 的模型。但是这些模型数量众多，对环境过程模拟、预测的详细程度、侧重点、 适用范围、特性、数据资料等的要求等方面都各有特色，使用者难以同时对所 有模型都比较熟悉，仅凭模型缩写名称难以选择出来满足自己使用要求的模型， 故此作者对目前国外开发的一些常用的非点源污染模型”“。”进行对比、汇总见 表1 2 ： 表i 一2 ：国外非点源模型汇总表 t a b l el 一2c o l i e c t i o no fn o n p o i n ts o u r c ep 0 1 l u t i o nm o d e l so v e r s e a s 蹄掣算 群詹磷讳 错加 窖型 窿蚵 搿 霎 蓍耋 避 * 程 剧 霞螭 斟删 班喇 赫簖 古 牲 矗 卜 i i 蚓叵 鼎罄君 龅最 姆檀 柴 磐 s 掣 * 娶 艘 窿叫 篚 囊 巳球酬 缝刈 牡 疆五璺 刊 辞 峰嚣岳 _ | | 萋 奢摊链 悱一船 牛艇删翟 皿 到霍张 襄 懵掣酶掣露 蝌 妊 崔 盘础茁犟件口旺路籽 。黛峭掣# 描酶蜊酗 璧 疆 麓 螂 巴逛 瑚警 州 矗砷秘刊矗 州 器 i 昔 豇_ i ! 蛾 雒 删 雷 热 制 i i 捂 譬 电 g * i i 嚣 拦 嗡 戢 鞋雕 窟 砸 骚 度爿 日畦 茄 螂 耵啡 o 疆 蓝基n彗 蜂 群岷 眯揣宙 刊 璐 懦舳 藿譬生鞋鞋琏鐾 嚣篁鞋世世蹬 啦世世 蒜刚却 善罄釜蔷篮釜盎鞋 旧霉 串(鲁崔臣督 创馨瞥 世 黩 鞋鞋鬟 鞋雀 耻 鞋地 眭 鐾 娃堪鞋胜琏 世世 嫩普 蠕鞋 量：世世柱嫩艟 世 髓褫 概数世 世搋 世世 晦橙 晦喀榉碡喜譬碡诺酶壤晦 糕晦鬻癣璩镨 制$ 髓 h 蜡嚣蜷嚣 鏊塾 嚣簟 瓣 蕊璐癌饕 碟鼍懈 堆黯嚣甓 耀鲁 精掘甓磊蛙培 蚜 1 时为多变量 偏最小二乘回归模型。下面仅给出p l s l 的建模过程“。 设有单因变量y 和p 个自变量 x 。x ：，x 。) ，观测样本点n 个。 1 数据标准化处理。标准化的目的是使样本点的集合重心与坐标原点重合。 记f o 是因变量y 的标准化变量，有： f o i = 竺! ，i ：1 ，2 ，n 印 y 一y 的均值 s y 一一y 的标准差 记e o 是自变量集合x 的标准化矩阵，有： e i j = 掣，i = l ，2 ，n ；j ：1 ，2 ，p 叫 彤一一第j 个自变量的均值 两一一第j 个自变量的标准差 2 第一成分的提取 首先从f o 中提取一个成分u 1 ， u 1 = f o c l 式中c 1 为f o 的第一个轴，| | c 10 = 1 ； 从e o 中提取一个成分t l ， t 1 = e o w l 式中w 1 为e o 的第一个轴，l jw 11 1 = 1 ； t 1 是标准化变量x l ，x 2 + ，x 。的线性组合。根据主成分分析原理与典型 的相关分析的思路，即是要求t 1 与u 1 的协方差最大，有： ie ：f o 贰e o w 】= 乡：w 1 i 兵凰e f o c i = 所c l 式中o1 为优化问题的目标函数；w 1 为赢f o 成风的特征向量，o1 2 为对应 的特征值。c 1 为对应于矩阵残凰赢凡最大特征值ol2 的单位特征向量。可得： w 1 2e ；凡一 网一南陛： j 夏而面l 、l 1 = e 。w l 。7 南。x l ，y 8 。l + r 1 2 ，y 5 。2 + + 。x m ，y 8 。h 3 从t 1 中可以看出t 1 不仅与x 有关而且和y 有关，若x i 与y 的相关程度 求得轴w 1 后可得成分t 1 。分别求f o ，e o 对t l 的回归方程为 式中：p 1 = e 0 1 t l 圳t 。l l2 ，r 1 = f 。t ，川t “2 ，为回归系数：e 1 ，f 1 分别为回 以e l 取代e o ，f l 取代f o ，用上面的方法求第二个轴w 2 和第二个成分t 2 ， 一高= 赢l 篡习 t 2 = e l w 2 式中c o v ( ) 表示协方差。 由e 1 ，f 1 对t 2 的回归可得： e l = t 2 p 21 + e 2 f 1 = t 2 r 2 + f 2 式中p 2 = e 1 7 t 2 圳t ：| | 2 ，r 2 = f 1t 。| | t ：i | 2 4 第h 成分的提取 同理可以求得第h 成分t h 。h 值用交叉有效性原则进行识别，h 的值小于x 的秩。 5 求偏最小二乘回归模型 f o 关于t l ，t 2 ，t h 的最小二乘回归方程为 人 f 。= 2 r i t l + r 2 t 2 + + r h t h 由：t i = e i 1 w i = e o w i ( i = l ，2 ，m ) ，式中w 一2 兀( ，一慨p ：) 惭可得： 二= r i e ow i + r 2 e ow 2 + + r h e ow h + = e o ( r 1w i + r 2w 2 + + r h w h + ) 0 还原为标准化变量的回归方程为 = 口，x 1 + 口2 x 2 + + 口m x m y 口i = 腿w “+ ，i 2 l ，2 ，m 进一步还原为原始变量的偏最小二乘回归方程为： ：钿一；| ；岱) + 口，詈埘+ 锄羔x m 6 交叉有效性原则 在偏最小二乘回归建模时应该选取成分的数量可通过考察在增加一个新的 成分后能否对模型的预测功能有明显的改进来考虑。在交叉有效性原则中，记 y i 为原始数据，t l ，t 2 ，t 。是在偏最小二乘回归过程中提取的成分。一h 。是使用 全部样本点并取t l ，t 2 ，t h 个成分建模后第i 个样本点的拟合值。，是在 建模时删去样本i ，取t 1 ，t 2 ，t h 个成分回归建模后，再用此模型讦算的y 的 拟合值。记 h 2 8 8 n 5 善( 一劝 n 2 喜( y f 一鲦， q n 2 = 1 一熹 s s h 是用全部样本点拟合的具有h 个成分的方程的扰动误差。当q h 2 0 0 0 9 5 时，引进新的成分会对模型的预测能力有明显的改善作用，否则不能。 有限资料条件下的流域非点源污染营养物年负荷量的估算方法研究，对于 流域水污染控制规划和地表水资源的有效保护，具有非常重要的现实意义。本 文中提出的将偏最小二乘分析法用于非点源污染年负荷量估算提供了一种新的 估算途径。 偏最小二乘回归分析实现了多元回归、主成分分析和典型相关分析的结合， 能较好的处理变量之间的多重相关性问题，给非点源污染受降雨、泥沙、径流 等多种相关因素影响的问题提供了一个很好的解决途径。 针对在非点源污染研究中监测数据样本系列普遍较少的情况，偏最小二乘 回归分析具有很大的优越性。 但是本次尝试将偏最小二乘回归分析用于非点源污染年负荷量估算时还没 有将变量之间的一些非线性特性纳入模型中，精度仍然不理想，今后如何在建 模时考虑非线性因素将是下步需要研究的问题。 5 1 淮河淮南段概况 5 1 ，l 地形地貌 第五章实例应用及分析 淮南地处安徽省北部，地形比较复杂，l b 丘、岗地、平原、湖洼均有，淮 河干流由西向东贯穿全境，使城市分跨两岸。南有舜耕山脉，西有八公山脉， 东北风阳山区，中部地势低洼平坦，地形标高自南向北呈阶梯状递减。总地势 为两高东低，南高北低。淮河在淮南境内长7 1 3 公里，是区内排污的主要纳污 水域。 5 1 ，2 气候气象 淮南地处亚热带与温暖带的过渡带，属暖温半湿润大陆性季风气候区。基 本特征是春暖、夏热、秋凉、冬冷四季分明，气候温和，光照充足，热量丰 沛，季风显著，雨热同季。全区降水年季变化大，季节分配不均匀，冬季干冷， 夏热多雨。年内5 9 月为雨季，其中：6 7 月为梅雨期，6 8 月为汛期。 表5 1 ：淮南主要气象要素情况 t 曲i e5 一lb a s i cs t a t u so f 伯ew e a t h e ri nh u a i n a n 年份气压( m b )气温( )相对湿度( ) 降水量( m ) 1 9 9 81 0 1 2 7 1 6 36 71 1 3 6 5 1 9 9 9 1 0 1 4 015 27 67 8 5 5 2 0 0 01 0 1 3 9 】5 97 59 1 9 4 2 0 0 11 0 1 3 21 7 37 91 0 3 1 5 2 0 0 21 0 1 3 4 1 6 67 61 0 6 8 9 2 0 0 31 0 1 2 11 6 57 31 3 9 3 3 5 1 ，3 水文特征 淮河水系是由雨水补给的河流，河流的径流量受降水的支配。流域处于半 湿润带，受东南季风的影响，气候半湿润半干旱，降水的年际分配和年内分配 不均匀。一年之中仅7 月可出现降水量大于蒸发量，8 、9 月份等于蒸发量，其 余各月降水量均小于蒸发量，导致淮河淮南段的径流量年限、年内的变化幅度 较降水量更大。有统计资料表明，该河段正常年份枯水期( 1 3 月) 的径流量 不足年总量的8 。 表5 2 ：淮河淮南段不同保证率下平均流量表 l 保证率( ) 52 05 0 7 59 09 5 1 年均径流量( m 3 s ) i 1 7 1 01 1 6 0 1 3 04 8 03 0 0 1 9 0 晟枯月平均流量 1l8 01 0 98 51 7 ， ( m 3 s ) 5 i d 农业非点源污染现状 淮南的生活以及农业非点源污染现状：( 以下表中数据均为2 0 0 2 年统计数 据) 【5 6 】 表5 3 ：城镇生活污水排放情况 区域污水城镇生城镇 城镇城镇生处理城镇 处理活污水生活生活活污水生活 生活 厂排放系污水污水中氨氮污水污水 ( 座)数( 千克排放 i 妇 排放量量( 万处理 ，人日)量( 万 c o d ( 吨)吨) 塞 吨) 排放( ) 量 ( 吨) 淮南 11 8 06 3 6 01 1 8 6 52 4 7 3 23 5 0 05 5 0 3 表5 4 ：化肥农药使用情况 i 化肥使用情况农药使用情况 氮肥使氮肥使氮肥磷肥使磷肥使磷肥农药其中高农药使用农药 区 用总量用面积使用用总量用面积使用使用毒农药面积( 亩)使用 l 域 (折 ( 亩)水平 ( 折 ( 亩)水平总量使用量水平 纯、吨)( 公纯、吨)( 公( 折( 吨)( 公 斤 开 纯、民| 亩)田j吨)亩) 淮 6 2 3 0 08 9 0 0 0 07 0 o3 0 4 0 07 6 0 0 0 04 0 o 3 4 55 71 3 8 0 0 0 0o 3 南 5 1 5 小结 由于淮河干流贯穿淮南市全境，并且是淮南的主要纳污水域：整个淮南山 区面积较大，四周均被山区环绕，中部地势低洼平坦：全区降水年内变化幅度 大；汛期径流量占年总量的绝大部分且主要以暴雨形式产生；淮南地区径流系 数局部可达o 。6 以上，为淮河流域内最大值；淮河淮南段有四个国控端面，且 水质多次超过i v 类，另一方面淮南的农业和畜牧业规模都比较大。因此综合考 虑上述因素，本次非点源污染负荷量研究选取淮河安徽淮南段为例具有一定的 代表意义。 5 2 淮河淮南段非点源污染年负荷量的水文估算 5 。2 。1 总负荷量及其构成 以淮河安徽淮南段大涧沟为例，选取污染物计算因子为生化需氧量和氨 氮。数据源自水情年报、中国泥沙公告、淮河流域水质月报，计算结 果如下： 根据流量过程线、年径流量和月径流量的数值，求得淮河淮南段年径流 量的分割结果如下： 表5 5 ：淮河淮南段年径流量的分割 单位：亿立方米 t a b l e5 - 5p a r t i t i o no ft h ey e a r sf l u j nh u a i h eh u a i n a n 年径流量枯季径流地表径枯季径流比例 量流量( ) 2 0 0 2 1 9 7 s6 3 5 3 1 3 4 2 73 2 o ( 平) 2 0 0 3 4 6 9 9 29 2 6 2 3 7 7 31 9 7 ( 丰) 表5 6 ：淮河流域安徽淮南段年总负荷量及其构成 单位：1 0 2 吨 1 1 a b l e5 6t h et o t a ll o a da n dt h ec o m d o s i t i o no fh u a i h eh u a i n a n 点源年负非点源年负年总负荷非点源所占 荷量荷量量比例 2 0 0 2 生化需 2 6 0 4 了32 0 0 44 6 0 8 74 3 ，4 氧量 焦 氨氮 1 6 i f3 71 2 9 42 9 0 7 74 4 5 2 0 0 3 生化需 3 5 6 5 81 6 4 3 3 91 9 9 9 9 88 2 氧量 芷 氨氮 2 3 8 0 32 9 9 0 95 3 7 1 25 5 7 5 2 2 畜禽养殖非点源污染年负荷量估算 农业非点源污染的管理首先应该认识到这里所指的农业包括农、林、牧、 副、渔。其中农业和畜牧业是最重要的两大产业。在发展中国家农业占的比重 很大，因此其非点源污染治理核心是搞好土壤养分的管理，平衡养分的投入和 产出，减少农田径流流失量。目前从总体上看，由于畜禽养殖已经随着我国人 民生活水平的提高数量大幅增长，同时相应的污染管理却不能及时到位，从而 成为一个较大的非点源污染源。6 0 年代，日本用“畜产公害”概念高度概况了 这一问题的严重性。专家认为，饲养一头猪、一头羊、一只鸡，每年所产生的 粪尿、污水、臭气的污染负荷，其人口当量分别为8 1 0 人、3 0 4 0 人、5 7 人。淮河流域目前还没有关于量化畜禽养殖带来的非点源污染的程度的报道， 本文在对汛期地表径流产生的非点源污染负荷进行估算的基础上，进而对畜禽 养殖营养物流失造成的非点源污染影响进行初步的量化区分。 以淮河流域淮南段为例，分析了区域内畜牧业的养殖情况，在收集研究区 内畜禽饲养量的基础上，根据上海市环保局九十年代对畜禽养殖污染大量普查、 研究的结果和日本公害手册推荐的畜禽污染物排泄系数，综合分析了上海郊区、 长江三角洲、太湖流域、重庆等多个地区的实例应用，用单个动物的粪尿排泄 系数对畜禽污染产生量和流失量进行估算。 畜禽的粪便排泄系数是指单个动物每天排出粪便的数量，它与动物的种类、 品种、性别、生长期、喂养等诸多因素有关。为估算方便，将不同生长期、不 同种类的畜禽，转换为已知排泄系数动物的相应量，进行畜禽粪尿产生量推算， 根据全年畜禽饲养总量、畜禽粪尿及其污染物排泄系数得出本区畜禽粪便污染 物的年产生量。 淮南2 0 0 2 年畜禽养殖统计数量由安徽年鉴查出，其中规模化畜牧养殖数量 碉，下表： 表5 7 ：淮南市规模化畜牧养殖状况 区规模化畜禽养殖规模化畜禽养殖数( 头、只) 域场数( 个) 猪 出 鸡鸭猪牛鸡鸭鹅 鹅 淮 1 82 42 23 93 0 0 02 0 0 02 4 0 0 0 0 0