硕士论文：大顶子山工程建成后松花江哈尔滨段水质分析与污染控制.pdf

工程工程硕士学位论文硕士学位论文 大顶子山工程建成后松花江哈尔滨段水质分 析与污染控制 study on water quality analysis and pollution control in songhua river harbin section after dadingzishan project completed 李亚男李亚男 哈尔滨工业大学 2012 年年 7 月月 中图分类号 x321 学校代码 10213 udc 628 1 密级 公开 工程硕士学位论文工程硕士学位论文 大顶子山工程建成后松花江哈尔滨段水质分 析与污染控制 硕 士 研 究 生 李亚男 导 师 王 鹏 教授 副导师 白羽军 高级工程师 申请学位 工程硕士 工程领域 环境工程 所 在 单 位 哈尔滨市环境监测中心站 答 辩 日 期 2012 年 7 月 授予学位单位 哈尔滨工业大学 classified index x321 u d c 628 1 dissertation for the master s degree of engineering study on water quality analysis and pollution control in songhua river harbin section after dadingzishan project completed candidate li yanan supervisor prof wang peng deputy supervisor prof bai yujun academic degree applied for master of engineering speciality environmental engineering affiliation harbin environmental monitoring center date of defence july 2012 degree conferring institution harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 i 摘 要 松花江大顶子山航电枢纽工程 简称 大顶子山工程 是松花江干流上第 一座控制性水利工程 以改善松花江哈尔滨段水质和松花江上航运为主要目 标 工程竣工后在哈尔滨段部分水域发现有淤泥蓄积导致发生污染的潜在可 能 而松花江干流流经哈尔滨市区内 故对大顶子山工程建成后松花江哈尔滨 段水质的变化规律研究具有重要意义 本文主要研究大顶子山工程建成后松花江哈尔滨段水质现状 并初步探索 了基于动态水环境容量的水环境污染控制策略 本文首先对研究区域内六个监 测断面的水质数据进行分析 基于层次聚类分析方法将研究区域分为三大类 低 中和高污染区 分别包括朱顺屯和呼兰河口内断面 阿什河口下 呼兰河 口下和大顶子山断面 以及阿什河口内断面 之后选取每类中一个典型断面 朱顺屯 大顶子山 阿什河口内 进行后续研究 其次以大顶子山工程竣工为时间节点 对工程建立前后的三个典型断面进 行了水质分析 结果表明工程建立后的几年内三个典型断面的平均 do 有所上 升 codmn nh3 n tn 和 tp 均有所下降 同时使用传统的单因子评价法 对三个典型断面在大顶子山工程建成节点最远的 2005 和 2011 年年份进行了水 质比较 结果表明 2011 年整体来看水质污染程度比 2005 年略轻 但阿什河内 断面仍需要加大污染治理力度 本文研究建立了基于模糊神经网络进行了水质综合等级评价模型 对三个 典型断面在典型年份 2005 和 2011 年的各月水质进行了综合评价研究 结果表 明大顶子山工程建成之后 2011 年低污染区朱顺屯断面水质比 2005 年全面有所 好转 中污染区大顶子山断面除冰封期 1 2 月外 2011 年水质平均好于 2005 年 但阿什河口内断面 2011 年大多为劣v类水体 仍需要大污染治理力度 同时建立和验证了三个典型断面 5 个目标水质参数 nh3 n do codmn tn 和 tp 的 bp 神经网络水质预测模型用于预测评价 对 2011 年 10 月第二周的 预测评价结果表明除阿什河口内断面的其它区域水质是有持续好转的 模型预 测精度能基本满足环境应用要求 采用二维水质模型和段尾控制法对松花江哈尔滨段 cod 和 nh3 n 的理想 水环境容量进行了动态计算 结果得到朱顺屯 东江桥环境功能区 cod 和 nh3 n 的理想水环境容量分别为 46305t a 和 4299t a 东江桥 大顶子山环境功 能区的 cod 和 nh3 n 的理想水环境容量分别为 136112t a 和 6717t a 最后对 松花江哈尔滨段的 cod 和 nh3 n 的实际动态环境容量进行了核算 结果表明 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 ii 若要确保下游水质能满足该段生产和生活的需求 必须严格控制上游水质 主 要冰封期月份 nh3 n 实际水环境容量小于理想水环境容量并呈现负值 以 2009 年为例进行了案例分析得到了水体污染控制动态方案 大顶子山工程建 立后研究区域内非丰水期下的 nh3 n 控制需大力关注 关键词 关键词 水质评价 模糊神经网络 大顶子山工程 动态环境容量 污染动 态控制策略 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 iii abstract dadingzi dam project ddp is the first water conservancy project in mainstream of songhua river the main purposes of the ddp are improving the water environment of harbin city generating electricity transportation aquaculture and travelling some negative phenomenons of water happened after the ddp completed so the research of the water quality in songhua river harbin section after the ddp completed has the important meaning this study is focus on the water quality situation after the dadingzi dam project ddp completed and tries to find the pollution control strategy based on the water environmental capacity to begin with the data matrix collected from six monitoring sites of the songhua river harbin region was analyzed for divided them into three groups group a represents low polluted area including zhushuntun and hulaninner sections group b represents moderately polluted area including ashendown and hulandown and dadingzishan sections group c has only asheninner section then typical sections zhunshuntun s1 dadingzishan s2 and hulaninner s3 of each group were selected for the future research water quality data of three sections were analyzed before and after the ddp completed the results show that do is increasing and codmn ammonia tn and tp is desearsing in all three sections after ddp completed meanwhile the single factor method was applied for evalution of year 2005 and 2011 which are the most far away from the ddp completed point the result shows that the pollution level of 2011 is lower than 2005 but the pollution of s3 need to control seriously in both year secondly water quality rank assessment model was established based on fuzzy neural network fzz the water quality of three sections in year 2005 and 2011 were evaluated by using fzz the results are reasonable and show that the water quality of 2011 is better than 2005 and the water quality of study area is improved after ddp completed but the water quality rank of s3 is till class v in many months which need to control pollution in the future afterwards bp neural netwok models were trained and validated for forecasting the five water quality index including ammonia do codmn tn and tp then the assess result of october 2011 shows that water qualiy of study area is becoming better except s3 and the 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 iv accuary of the predicted model can meet the needs of the application in environtment field thirdly the 2 d water quality model and end section approach were used to dynamically calculate the water environmental capacity of cod and ammonia in songhua river harbin region the results show that the ideal water environmental capacity of cod and ammonia were 46305t a and 4299t a in zhunshuntun dongjiangqiao functional area but were 136112t a and 6717t a in dongjiangqiao dadingzishan functional area finally the actual water environmental capacity were recaluated throuth considering the upstream water quality and the influence of tributaries the results show that the upstream water quality should be controlled seriously if it is want to assure that the downstream water environmental capacity can meet the need of people healthy the actual water environmental capacity of ammonia is below 0 and it is smaller than the ideal one in icebound months then the dynamical water pollution control strategies of 2009yr were obtained by considering the actural pollution situation of each outlet the ammonia still should be controlled seriously in study area in the winter after ddp completed keywords water quality assessment fuzzy neural network dadingzishan project dynamic environmental capacity pollution control strategy 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 v 目 录 摘摘 要要 i abstract iii 第第 1 章章 绪绪 论论 1 1 1 课题来源及研究目的和意义 1 1 1 1 课题来源 1 1 1 2 研究目的和意义 1 1 2 松花江大顶子山航电枢纽工程概况 2 1 2 1 松花江流域及哈尔滨段概况 2 1 2 2 大顶子山航电枢纽工程概况 4 1 3 国内外水质预测评价研究现状 5 1 3 1 水环境预测研究现状 5 1 3 2 水环境评价研究现状 8 1 4 水环境容量计算方法研究现状 9 1 4 1 水环境容量模型选择 9 1 4 2 分段计算方法 11 1 5 研究内容与技术路线 12 1 5 1 主要研究内容 12 1 5 2 研究技术路线 13 第第 2 章章 松花江哈尔滨段水质监测与数据处理方法松花江哈尔滨段水质监测与数据处理方法 14 2 1 研究区域监测断面与采样 14 2 2 研究区域排污口数据来源 16 2 3 数据处理与研究方法 18 2 3 1 层次聚类分析 18 2 3 2 人工神经网络 18 第第 3 章章 大顶子山工程建成后松花江哈尔滨段水质分析与评价大顶子山工程建成后松花江哈尔滨段水质分析与评价 22 3 1 监测区域水质空间分类及其特征分析 22 3 2 大顶子山工程建成前后松花江哈尔滨段水质分析 24 3 2 1 大顶子山工程建成前后朱顺屯断面水质分析 24 3 2 2 大顶子山工程建成前后大顶子山断面水质分析 31 3 2 3 大顶子山工程建成前后阿什河口内断面水质分析 38 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 vi 3 2 4 大顶子山工程建成前后三类断面水质对比分析 44 3 3 大顶子山工程建成前后松花江哈尔滨段水质评价 48 3 3 1 大顶子山工程建成前 2005 年三类区域水质评价 48 3 3 2 大顶子山工程建成后 2011 年三类区域水质评价 50 3 4 本章小结 53 第第 4 章章 基于神经网络的水质综合特征评价与分析方法研究基于神经网络的水质综合特征评价与分析方法研究 54 4 1 基于模糊神经网络的水质综合评价方法研究 54 4 1 1 模糊神经网络水质综合评价研究设计 54 4 1 2 模糊神经网络水质综合评价与分析 55 4 2 基于人工神经网络的水质预测方法研究 63 4 2 1 神经网络水质预测设计 64 4 2 2 样本分析整理 65 4 2 3 网络训练与验证 66 4 2 4 神经网络水质预测评价 69 4 3 本章小结 69 第第 5 章章 松花江哈尔滨段动态环境容量计算与污染控制对策研究松花江哈尔滨段动态环境容量计算与污染控制对策研究 71 5 1 松花江哈尔滨段动态水环境容量计算 71 5 1 1 研究参数选取 72 5 1 2 计算单元与过渡区 74 5 1 3 理想动态水环境容量计算 76 5 1 4 实际动态水环境容量计算 78 5 2 排污现状分析与水体污染控制策略 82 5 2 1 松花江哈尔滨段实际排污情况 82 5 2 2 松花江哈尔滨段水体污染控制策略 84 5 3 本章小结 88 结结 论论 89 参考文献参考文献 90 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 94 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 94 致致 谢谢 95 个人简历个人简历 96 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 第1章 绪 论 1 1 课题来源及研究目的和意义 1 1 1 课题来源 课题来源于哈尔滨市环保局项目 大顶子山航电枢纽工程对松花江哈尔滨 段水质影响的研究 1 1 2 研究目的和意义 作为黑 吉两省的母亲河 松花江是两省的工农业用水和饮用水的主要来 源之一 松花江流域主要包括 24 个地市 99 个县 旗 市 流域总人口约 6265 万 多年来 大量如造纸化工 石化冶金 石油开采等行业的工业废水对松花 江造成了非常恶劣的环境影响 年废水排放量大于 1 亿吨的城市有哈尔滨市 长春市 齐齐哈尔市 吉林市 牡丹江市 大庆市和佳木斯市 而 2005 年 11 月中石油吉化双苯厂爆炸事故上百吨硝基苯泄露导致松花江发生了震惊中外的 松花江硝基苯污染事件 2007 年 5 月 10 日国家环保总局宣布松花江进入 为期 10 年的 休养期 以期恢复松花江生态水质 在此期间 黑龙江省采取 了各种措施 如退回 暂缓审批和否决重大建设项目 取缔关停或限期整改污 染企业 确保点源污水废水达标排放 大力兴建污水处理厂等等 现已经过了 五年 为了解松花江哈尔滨段水质改善情况 有必要对松花江进入休养生息前 后的几年水体水质情况予以分析 对松花江流域中对人民生活生产有重要影响 区段的研究具有长足深远的重要意义 大顶子山航电枢纽工程 以下均简称为 大顶子山工程 的位置如图 1 1 所示 呼兰区和宾县分别在其南北两侧 是松花江干流上第一座控制性水利工 程 大顶子山工程建成后松花江哈尔滨段成为河道型水库 这个水库也成为了 哈尔滨市最大 最主要的一个 肾 普通河流向河道型水库的转变 使松花江 哈尔滨段的水文要素发生较大变化 主要表现为水位显著抬高 河道明显变 宽 水流流速变缓 同时由于大顶子山工程建成导致的一系列例如水位和流速 的影响在哈尔滨段部分水域有发生潜在危险的可能 同时 由于上游污水的过 度排放也是对水质恶化起到作用的原因 松花江是哈尔滨市的工业废水和生活 污水的重要纳污水体 因此大顶子山工程竣工后对松花江哈尔滨段水质现状的 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 2 分析与评价研究关系到到哈尔滨市水质和生态环境等各方面可持续发展问题 图 1 1 大顶子山航电枢纽工程 本研究以大顶子山工程建成前后松花江哈尔滨区域的水质监测数据为基 础 对多维水质数据矩阵进行分析设计开展松花江水体水质监测数据分析与现 状评价研究 同时利用人工神经网络和模糊神经网络等技术对特征多目标污染 物浓度预测和综合评价 在动态水环境容量计算的基础上提出相应的污染控制 方案与对策 为松花江哈尔滨段水质的科学管理 保护哈尔滨母亲河 松花江 水质和水生态环境提供科学依据和技术支持 综上 本研究的结论对松花江哈 尔滨段水环境综合管理 保护水生生态环境具有重要意义 1 2 松花江大顶子山航电枢纽工程概况 1 2 1 松花江流域及哈尔滨段概况 松花江是我国第三大河 其流域覆盖黑龙江 吉林省和内蒙古自治区 在 汇入黑龙江之后经俄罗斯入太平洋 松花江全长 2214 3km 干流长度 939km 流域面积为 55 68 万 km2 包括 24 个地市 99 个县 旗 市 流域总人 口大约 6265 万 松花江有两源 正源第二松花江发源于长白山的白头山 全长 795km 流 域面积 7 818 万 km2 占松花江流域总面积的 14 33 流量占松花江干流的 39 第二松花江上游又有发源于白头山的头道江南源 二道江北源 另一源 嫩江发源于大兴安岭伊勒呼里山 自北向南流至三岔河 全长 1379km 流域 面积 28 3 万 km2 占松花江总流域面积的 51 9 流量占松花江干流的 31 1 两源在三岔河 属吉林扶余县 汇合以后为平时所称的松花江 沿途 又接纳了呼兰河 汤旺河 拉林河 牡丹江等众多支流 穿过小兴安岭南端谷 地 在同江附近注入黑龙江 全长 1045km 1 如图 1 1 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 3 图 1 1 松花江流域概况示意图 松花江干流主要污染物有三种 分别是高锰酸盐指数 codmn 氨氮 nh3 n 石油类 oils 松花江水污染防治问题已引起国家的高度重视 2007 年 5 月 10 日国家环保总局宣布松花江进入为期 10 年的 休养期 以期 恢复松花江生态水质 在此期间 黑龙江省采取了一系列措施控制再恶化的排 放措施 现已经过了五年 为了解松花江哈尔滨段水质改善情况 有必要对松 花江进入休养生息前后的几年水体水质情况予以分析 哈尔滨市为黑龙江省省会 是东北地区最大的中心城市 有 东方莫斯科 等美誉 哈尔滨市境内山河纵横 松嫩平原 小兴安岭山区 张广才岭余脉 松花江共同构成了哈尔滨的特殊地形地貌 2011 年哈尔滨实现生产总值 4243 4 亿元 至 2011 年已连续 9 年保持高于 12 的增长速率 哈尔滨地区四 大工业依次为食品 装备制造 石化 医药 其中国有企业占绝对主导 松花 江哈尔滨段从历年水质监测结果对比分析来看 水质污染程度近年有所减轻 但是一级支流阿什河的水质依然很差 需要加大治理力度 松花江哈尔滨段水系密布 但均来自于松花江与牡丹江水系 主要有松花 江 阿什河 呼兰河等 本研究中的松花江哈尔滨段西起哈尔滨上游朱顺屯断 面 流经阿什河口下断面 东至大顶子山工程 松花江干流哈尔滨段属于平原 型的宽浅河道 河道多分汊 沙洲和江心滩地 区段全长 447 km 畅流期干 流全段通航 是东北地区航运较为发达的地区 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 4 1 2 2 大顶子山航电枢纽工程概况 松花江大顶子山工程位于松花江哈尔滨市呼兰河汇合口下游 46 公里处 是松花江干流上第一座控制性水利工程 以改善松花江哈尔滨段水质和松花江 上航运为主要目标 也是松花江干流梯级渠化中的第二个梯级工程 松花江大 顶子山工程是我国平原封冻河流上建设的第一座低水头航电枢纽工程 该工程 总投资 28 78 亿元 于 2004 年 9 月开工 2008 年 9 月接线公路及坝顶公路 桥 全线通车 同年 12 月 6 台机组全部并网发电 此时大顶子山主体工程全部竣 工并开始投入使用 大顶子山工程在竣工开始在前段充分蓄水 松花江哈尔滨市区段水位常年 稳定在 116 米左右 图 1 2 中 2006 年影像对应松花江水位为 113 28m 2008 年竣工水位为 115 19m 比蓄水前提高了 3 至 5 米 形成了从肇源县涝 洲至大顶子山工程长达 128 公里的人工湖 湖区水域面积达到 240 km2 大顶 子山工程建立前后松花江两岸土地利用中的建设用地面积保持不变 但林地面 积减少 74 61km2 同时水域面积增加 86 92km2 与 2006 年相比 2008 年哈尔 滨市区段松花江两岸有 68 53km2的林地和 0 99km2的未利用土地转化为水域 详见表 1 1 和表 1 2 松花江两岸间大面积的行洪滩地被淹没 江水倒灌还 形成阿什湖湿地 呼兰河口湿地 以及松北湿地等多块大型湿地 这些湿地使 松花江沿岸景观生态明显改善 随着上述条件的改变形成 松花江哈尔滨段鱼 类的活动区域增大 产卵场所明显增多 并且自然繁殖能力有所提高 表现为 品种增多 数量增加 个体增大 鱼类资源的增加为野生鸟类提供了更多食 物 大型鸥类的数量显著增加 天高江阔 水鸟翔集 的原生态美景重新出 现 进而湿地植被得以自然恢复 生物多样性进一步发展 图 1 2 大顶子山工程建成前后航拍图片对比情况 2006 年年 大顶子山航电枢纽大顶子山航电枢纽 2008 年年 大顶子山航电枢纽大顶子山航电枢纽 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 5 表 1 1 大顶子山工程建成前后松花江两岸土地利用情况统计表 km2 年份 分类 2006 2008 耕地面积 2 64 林地面积 146 46 71 85 水域面积 75 39 162 31 建设用地面积 0 15 0 15 未利用地面积 124 72 115 52 两岸土地统计总面积 349 36 349 83 注 表示没有统计数据 表 1 2 大顶子山 2006 2008 年土地利用 覆盖 6 种一级类型转移矩阵 km2 2008 年 2006 年 耕地 林地 草地 水区 建设 未利 用地 合计 耕地 0 00 0 00 0 00 0 00 2 64 2 64 林地 0 00 0 00 68 53 0 00 0 17 68 7 草地 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 水区 0 00 0 00 0 00 0 00 0 50 0 50 建设 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 未利用地 0 00 0 00 0 00 0 99 0 00 0 99 合计 0 00 0 00 0 00 69 52 0 00 2 81 72 33 注 表示没有统计数据 1 3 国内外水质预测评价研究现状 1 3 1 水环境预测研究现状 水环境预测主要是指对水质指标未来的趋势进行估计 也就是利用相应的 经验或者数学模型等方法对已有历史监测数据计算环境指标和预测目标水质直 接的关系 这也是水污染综合管理的前提 国外首先开展了对水质预测方面的研究 所以他们对这方面的研究成功不 仅很丰富 而且很成熟 丰富是指模型和方法众多 包括 wasp qulik sms 和 mike11 等 当然它们也都非常的成熟并有商业化应用 1910 年美国 的 streeter 和 phelps 在为研究俄亥俄河流域时 为了分析其主要污染源的排污 变化规律以及其对人们生活造成的影响时提出了初级氧平衡模型 2 这是水 质预测模型研究的开端 之后不久 stewart 和 bates 开展对洪泛区的研究 开 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 6 发除了一些污染物的迁移模型和分布模型 3 能够在洪水发生初期进行模拟预 测 减少经济损失 lung w s 等在相应研究的基础上建立了经验模型 4 5 用于 预测湖水中的污染物归趋并用于水环境管理 国内的研究开展起步时间晚 所以和国外有很大的差距 但经过这些年的 发展也取得了相当的成果 王国庆 6 利用采用灰色模型对某地的水质长期趋 势预测和评价进行了研究 模型显著性很好 应用方便 袁健和树锦 7 利用改 进的多元线性回归模型对如果提高水质预测准确性进行了研究 并以黄河干流 地区进行了验证 其方法效果良好 卢金锁和黄廷林 8 采用研究建立了一种水 质预测模型对天津引滦源地区作为案例开展了研究 结果预测准确率高达 85 的水质预测模型 可以满足水厂运行要求并广泛应用于水质预测 何丕文 9 利用一维水质模型建立了河流水质预测模型 并使用有限差分法进行求解 验证结果表示效果良好 宋华兵和张新政 10 研究探讨了混沌相空间模型对河 流水质的预测以及不确定性分析 可从宏观角度分析复杂的河流水环境系统 宋华兵和张新政 11 采用内嵌式的不确定神经网络模型对河流水质进行了预 测 结果比稳定 可以量化预测的不确定性 陈启明和陈华友 12 将马尔可夫 链和优化理论结合起来开发出相应的水质预测模型并应用于长江流域的水质预 测 表明结果有效 可行 也有其他研究者将混沌理论耦合神经网络 13 应用 到水质预测当中 人工神经网络 artificial neural networks ann 是通过模拟动物身体神 经网络行为特征而建立起来的算法 具有黑箱 分布并行处理信息等优点 由 于真实河流系统具有相当的复杂性和高度非线性 所以对其准确的预测并得出 可靠的预测值有一定的难度 传统的机理模型需要明晰其内部规律 难度较 大 而人工神经网络的黑箱性质可以很好地解决这个问题 虽然 ann 是黑箱 模型 但是它可以通过改变各层之间的权值来完成输入 输出的一一映射 在 工程上有很大的实际意义 14 当利用机理模型对水环境系统建立模型困难或 精度不高时 运用 ann 可以达到相应的要求 尤其是对复杂大型流域水体或 者收到多种因素影响的各类水体 ann 可以对非线性的复杂动力学系统进行模 型预测并取得不错的效果 15 神经网络最早来源于 1943 年数理学家 w pitts 和心理学家 w s mcculloch 首次建立的神经网络数学模型 20 世纪 60 年代末 m minsky 等通过数学推 导分析指出感知器不能解决高阶谓词问题 这个论点给神经网络的研究带来了 极大的负面影响 1982 hopfied 提出了 hopfied 网络模型 带动神经网络的研 究到了一个小高潮 20 世纪 90 年代后 ann 发展迅速 并发展出来很多种 类的人工神经网络并都取得了不错的实践应用 16 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 7 ann 模型主要种类有 bp ann rbf hopfield 等等 典型的 bp 神经网 络如图 1 3 所示 图中有 m 个输入节点 x1 x2 xm l 个输出节点 y1 y2 yl 网络的隐含层共有 q 个神经元 j k 输 入 模 式 i m l q 输入层 wij wki 隐含层 输出层 x1 x2 xm 输 出 模 式 y2 y1 yl 图 1 3 bp 神经网络结构图 ann 利用于在水环境预测方面是近十年的事 并在理论上取得了一定的 进展 目前国内对神经网络的研究应用绝大多数为前馈型为主 其中尤以 bp 反向传导的 ann 为最多 反馈性如 elman 等神经网络也有一定的研究 但是 没有 bpann 发展的迅速 13 16 20 我国对神经网络研究较早的为李柞泳 邓新民等人 1996 年他们利用 bp ann 构造了水质预测模型 并通过实际案例研究 预测结果与水质机理模型 等方法的结果基本一致 21 同年 魏文秋和孙春鹏也建立了神经网络水质预 测模型 在水质预测方面进行了又一次探索 22 1999 年邵东国 王忠静等建立 了人工神经网络用于干旱内陆河流的水质模拟和预测 结果满意 证明了神经 网络的广泛适用性 23 2001 年李莹等人建立了自适应神经网络并引入到水质 预测中来 并给出了自适应神经网络误差梯度的计算方法 24 2003 年万幼 川 谢鸿宇等结合 gis 研究建立了可自动分配权值的改性 bpann 结果表明 了 ann 的客观适用性等优点 25 次年 张志用人工神经网络对水质预测进行 了研究 结果证明了 ann 的优越性 在用于水质评价和预测时适应性更强 2 6 在国外 maier 等人基于 b 样条函数研究建立了用于预测墨累河水中的鱼腥 藻浓度的神经网络模型 并同其他模型的预测结果对比发现 虽然两者精度相 差不大 但 ann 所需参数更少更简单 27 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 8 人工神经网络具有处理高维非线性关系的能力 具有很好的自组织性和适 应性 学习能力强 可以很好的描述水环境系统中各个变量之间复杂的关系 在水质预测方面有很大的发展空间 14 所以本课题以 ann 为水质预测方法进 行水质预测探索研究 1 3 2 水环境评价研究现状 水质评价主要是为了辨别水质好坏程度并进行定量的分析 一般是需要 对照国家的水质标 评价方法和监测数据进行评价 国外水环境质量评价始于 1910 年 德国科学家 kirk chavez 和 moson 等 采用生物方法对水质评价分类开展了研究 之后英国科学家又采用化学指标分 类方法对河流水质进行了分类研究 之后环境质量评价在 20 世纪 70 年代有了 蓬勃的发展 在美国 日本 西欧及包括前苏联在内的东欧国家都进行了相关 的研究 并取得了一定的效果 28 国内的水环境质量评价研究起步很 到目前为止已经发展了接近 40 年 了 在各方面理论研究和实践应用上都取得了一定的进步 国内外目前用到的 水质评价的方法有如下三大类 1 单因子评价法 代表方法为单因子指数法 其优点是方便简单 但无 法说明水质综合情况 是我国大部分地区和部分仍然在使用的方法之一 2 多因子综合评价法 此类方法的优点也是简单 对多数污染指标都进 行了考虑 但是也存在一些缺陷 要么在评价过程中带有很大主观性 要么把 所有污染因子的影响视为相同 亦或由污染较重的因子决定整体污染水平 3 数学模型计算方法 此类方法主要包括灰色关联分析法 概率统计 法 模糊数学和神经网络法等等 其中神经网络方法的评价结果不依赖主观因 素 相对准确可靠 当有足够数据样本时效果将会非常理想 本研究将主要介 绍模糊神经网络 模糊神经网络 fnn 是模糊系统和人工神经网络的有机结合 不仅具有 神经网络的特点可以解决复杂的高度非线性问题 也具有模糊理论适于处理连 续的模糊数据的特点 它是人工神经网络与模糊系统优缺点互补而构造的一种 优于单纯模糊系统与神经网络的模型方法 29 不同于传统普通的人工神经网 络 fnn 是按照模糊规则建立的 其中例如节点和层次等所有部件元素都不 是黑箱模型 所以可以通过实际情况来分析确定初始值并迭代训练收敛 和 ann 相比有很多优点 同普通的模糊系统相比更容易迭代和收敛 因为具有 类似 ann 的并行学习反馈机制 30 33 如图 1 4 所示为一个标准模型的模糊神经网络结构图 34 包括从模糊化到 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 9 模糊推理 然后再清晰化的过程 模糊 化 模糊 推理 清晰化 模糊规则 库 xy 图 1 4 基于标准模型的模糊系统的原理图 模糊神经网络 fuzzy neural network 简称 fnn 的蓬勃发展始于 1988 年美国 nasa 的 ann 与模糊系统 fs 的全国大会 之后 在总结前人研 究的基础上 美国 日本等西方发达国家率先开展研究并发展起来 取得了很 多成果 所以近年来 fnn 成为了自动化和智能控制方向的一个研究热点 ieee 在 1992 年主办了一个专题国际会议 此专题会议的主题是模糊神经网 络 所以会议将模糊神经网络的研究更推进了一步 模糊神经网络的研究热潮 方兴未艾 更具研究潜力 它比传统 ann 具有一定的优势 例如 b kosko 提 出神经网络和模糊逻辑控制的组合动态智能机器学习方法 该模型可以自组织 和监督学习方案相结合 学习速度和逻辑性效果十分好 29 国内的研究在水 环境上的研究也是近几年才发展起来 并有一批研究人员开展了实际工程应 用 牛红惠和尚艳玲 35 对 fnn 在水资源利用与保护应用 水质评价和预测 以及污水处理等方面综合分析了 fnn 的研究现状和发展趋势 并通过实例研 究得到结论 fnn 比单纯 ann 和模糊系统适用性更强更优越 应用于水质预 测与评价等方面效果很好 秦晓倩结合模糊数学和神经网络构建了 fnn 并 对洪泽湖的水质进行了评价研究 模型选取了 12 个水质指标 结果表明该方 法评价结果合理 能够有效的进行水质评价 36 周燕和王里奥也研究建立了 fnn 模型并应用在水质评价的实例研究中 结果表明 fnn 方法在水质综合评 价上是有很多优势的 37 所以 本研究将研究建立模糊神经网络 fnn 模 型 根据研究区域内的特征来选取相应的综合指标来进行水质综合评价研究 1 4 水环境容量计算方法研究现状 1 4 1 水环境容量模型选择 本研究采用传统水环境容量的计算方法来开展水环境容量动态管理研究 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 10 一般采用环境数学模型来实现 河流水质模型按维度最高为三维 三维模型需 要的参数较多 所以很精确 因此它能够模拟分子在的各向浓度的分布 但也 正是因此其需要的参数很多难于获得 并且计算过程较复杂 因此在实际应用 中通常采用其他三种参数获取相对简单的模型 当需要计算的水域长宽比很小 的时候 通常假设污染物分子扩散是二维的 43 此时河流水环境容量的计算 应选择二维水环境容量计算方程 根据研究区域的时间情况 本研究采用二维 水环境模型对松花江哈尔滨段水环境容量进行计算 常用的二维模型有以下两种 43 岸边排放 22 1 2 exp exp exp 8640044 pp h yy y c q xuyuby c x ykc um xm xhm xu 1 1 中心排放模型 222 2 22 exp expexp 444 pp h yyy y c q uyuayubay c x yc m xm xm xhm xu 1 2 式中 由式 1 1 和 1 2 可计算得到相应的环境容量计算模型 岸边排放 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 11 1 0 22 exp 86400 2 expexp 44 y s yy hm xu k x wcqcc uuyuby m xm x 1 3 河流中心排放 0 222 2 22 exp expexp 444 sy yyy cc hm xu wcq uyuayubay m xm xm x 1 4 1 4 2 分段计算方法 在河流中一般采用分段的方法来计算各个小段的环境容量 然后将容量相 加得到整个区段的环境容量 各个小段的分界点一般是支流汇入口或者分叉 口 亦或是排污口注入 也可以人为根据距离设置 这些点都应该有污染物浓 度发生突变的特征 并且假设在相应的小区段内降解系数基本保持不变 满足 守恒定律 38 分段情况如图 1 5 所示 如果研究的功能区段有 i 个分界点 河流被分成 i 1 个小段 然后再对这些小段整体求和 图 1 5 功能区各小段的划分情况 分段之后的计算方法还有三种 分别是功能区段段末 段首和段尾控制法 三种 39 本研究对松花江哈尔滨段动态水环境容量的计算采用段尾控制法 断尾控制法虽然功能区全段可能会低于水质要求 但在可操作性上较好 因为 实际环境监测过程中总是在断尾的断面进行环境监测 同时 在计算过程中 一般降解能力低 而且各小段较短一般超标不太高 具体如图 1 6 所示 再 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 12 者断尾法可以让水质在环境功能区监测位置达到相应的要求 使用这种方法目 的在于控制污染 图 1 6 段尾控制法示意图 分段以后 求和如式 1 5 不考虑反射 w n i 1 iy iy i s xm ub uxmhc u kx c 2 0 exp 86400 exp 1 5 其中 w 功能区段水环境容量 m i 功能区内分段个数 其他变量意义同式 1 1 1 5 研究内容与技术路线 1 5 1 主要研究内容 本文以水质评价分析以及水质短期预测后评价为目标 对松花江哈尔滨段 的水体开展研究 最后结合环境容量的动态计算方法研究给出相应的水体污染 控制污染方案和对策 研究内容主要包括如下几个部分 1 基于环境监测的松花江哈尔滨段水质现状分析与评价 在研究区域 历史监测数据的基础上 对研究区域内的监测断面进行空间聚类分析 通过对 各个污染类别区域内水质变化规律进行研究和分析初步确定该区域在大顶子山 工程建成后的污染特征和水质现状 2 基于神经网络的松花江哈尔滨段水质综合特征评价与分析 研究建 立基于模糊神经网络的水质综合评价模型并对大顶子山工程建立后典型年份的 水质等级进行评价 同时利用层次聚类分析法科学的确定各类区域的水质预测 输入段水质变量 建立基于 bp 神经网络的水质预测模型对松花江哈尔滨段水 质变化趋势进行预测 给流域管理部门的进一步工作提供了技术支持 3 松花江哈尔滨段动态环境容量与污染控制对策研究 主要研究大顶 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 13 子山工程竣工后松花江哈尔滨段的动态水环境容量 并通过调查研究区域内排 污口排放规律并对真实环境进行概念化后 得到动态的污染控制排放对策 1 5 2 研究技术路线 本文的技术路线如图 1 7 基基于环境监测的水质现状分析与评价于环境监测的水质现状分析与评价 数据分析整理 各类典型断面 水质变化分析 传统单因子指 标水质评价 基于神经网络的水质综合特征评价与分析 bp神经网络 水质预测 模糊神经网络 水质综合评价 短期预测评 价水质状态 松花江哈尔滨段动态环境容量与污染控制对策研究 研究区域内水环境容量 动态计算 排污现状分析与水体污 染控制策略 监测区域空间 聚类分析 图 1 7 本文技术路线示意图 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 14 第2章 松花江哈尔滨段水质监测与数据处理方法 2 1 研究区域监测断面与采样 松花江哈尔滨段在大顶子山大坝前的区域内主要包括六个常规监测断面 朱顺屯 阿什河口内 阿什河口下 呼兰河口内 呼兰河口下 大顶子山 监 测断面 5 10 月数据为乘船江调获得 1 2 月数据为乘车至松花江上凿冰江调获 得 以及 3 个城区排污口 何家沟 松北和太平 排污口浓度数据由哈尔滨市 环境监测中心站获得 位置如图 2 1 图 2 1 研究区域示意图 在本研究区域内 有六个监测断面 2005 2011 年的水质指标月监测数据 其中朱顺屯断面 2005 2009 年为每年 12 组月的数据 2010 和 2011 每年有 8 组月数据 其余五个断面 2005 2011 年均为每年 8 组月监测数据 所有断面缺 少的四个月份为 3 月 4 月 11 月和 12 月 这是由于冰封过渡期江面采样比 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 15 较危险 冰封期采样如图 2 2 水质采样方法见表 2 1 监测断面信息和监测 方法见表 2 2 表2 1 样品采集标准列表 水质采样标准名称编号 水质采样标准名称编号 hj t91 2002 地表水和污水监测技术规范 hj t91 2002 hj 493 2009 水质采样 样品的保存和管理技术规定 hj 493 2009 hj 494 2009 水质采样技术指导 hj 494 2009 hj495 2009 水质 采样方案设计技术规定 hj495 2009 gb t14581 1993 水