（市政工程专业论文）世博园区白莲泾水质综合评价及灰色预测模型研究.pdf

中文摘要 中文摘要 白莲泾是除黄浦江外唯一一条上海世博园区内的天然景观河道，而随着社会 的发展，一些未经处理的工业废水、生活污水和初期雨水径流直接排入白莲泾， 使白莲泾的污染同益加剧，水质情况不容乐观。又因为上海世博会的特殊意义， 白莲泾的景观效应既是上海世博会的一大亮点，又是上海世博会“绿色、和谐 理念的生动体现。因此对白莲泾水质进行科学、客观的评价以及对其水质进行模 拟预测，是具有普遍意义的研究课题。 从2 0 0 7 年7 月起，查阅了大量国内外关于水质评价模型和预测模型的文献， 学习了建立模型的相关知识，为课题的研究打下了扎实的理论知识基础。2 0 0 7 年“月至2 0 0 8 年1 月，对世博园区的白莲泾进行了现场调研，通过对比研究，确 定了五个水质监测点，并获得了各闸门和泵站的相关信息，为课题的研究准备了 较详细的前期现场资料。2 0 0 8 年3 月至2 0 0 8 年1 0 月底，对白莲泾的周边河道和自 莲泾进行了频密的水质监测，获得了大量珍贵的现场水质信息。 根据研究课题的具体情况，掌握了研究区内云莲泵站的详细信息，通过频密 的监测工作掌握了研究区白莲泾的水质信息，对研究区白莲泾的水质和水文特征 有比较清楚的掌握。通过这些基础数据对研究区白莲泾进行了水质分析及监测指 标的相关性分析，用s p s s 软件分析可知，在统计学的意义上，c o d c ，、b o d 5 、t n 、 t p 这四个指标的相互的相关性比较好，有一定的关联性，其中c o d c ，和b o d 5 的 相关性最好，相关系数为0 8 1 5 ，又利用s p s s 的聚类分析得知，监测指标可分为 五类。 在水质评价中，涉及到大量的复杂现象和多种因素的相互作用，而且评价中 存在大量的模糊现象和模糊概念。本文运用综合污染指数法、模糊综合评价模型 及确定型模糊联立评判模型对研究区白莲泾水质进行了评价，详细介绍了各模型 应用于水质评价中的计算过程。评价结果表明研究区白莲泾的水质属于劣v 类， 有机污染严重，n 、p 等营养盐指标严重超标。本文也对三种评价模型的优缺点进 行了比较分析，对今后的水质评价具有借鉴意义。结果表明模糊综合评价模型及 确定型模糊联立评判模型具有系统、综合等特点，利用模型对研究区水质进行评 价，既可反映出各种因子共同作用下的水质状况，又能确定主要污染物和主要污 染类型。 本研究还利用灰色理论建立了g m ( 1 ，1 ) 空间预测和时间预测模型，利用该 模型对d o 、c o d e ，、b o d 5 、n h 3 n 、t p 水质指标进行了模拟预测，采用后验差法对 中文摘要 模型进行精度分析表明模型精度等级大都为2 级，在水质资料监测时间有限和水 质数据相对不完全，各水质指标变化趋势平缓条件下，灰色预测模型比较适合于 研究区水质的预测。 本论文的部分成果已经用于白莲泾的水污染防治措施中，本研究的成果对于 环保政策的制订、项目开发、发展经济以及污染防治措施的落实都具有一定的指 导性，为白莲泾水环境的管理与规划提供了必要的科学依据，对水污染趋势有预 警作用，为改善和调控白莲泾水环境，为制定或调整白莲泾的整治规划提供了科 学依据。 关键词：世博园区；白莲泾；水质评价；灰色模型；s p s s i l a b s t r a c t a b s t r a c t b a i l i a nj i n gi so n l yan a t u r a ll a n d s c a p er i v e ri ne x p o sp a r ke x c e p th u a n g p u r i v e r , b u ta st h es o c i e t yd e v e l o p m e n t ，s o m eu n t r e a t e di n d u s t r i a lw a s t ea n ds a n i t a r y s e w a g eh a v e b e e nd i r e c t l yd r a i n e di n t ob a i l i a nj i n g ，w h i c hh a v em a d et h ep o l l u t i o ni n t h er i v e rm o r ea n dm o r es e r i o u s ，a n db e c a u s es p e c i a ls i g n i f i c a n c eo f2 0 1 0s h a n g h a i e x p o ，l a n d s c a p ee f f e c to fb a i l i a nj i n gi sb r i g h ts p o to fs h a n g h a ie x p o ，i sa sw e l la s v i v i dr e f l e c t i o no ft h e “g r e e n ，h a r m o n y ”c o n c e p tf o rs h a n g h a ie x p o t oc o m p l e t e t h e s et a s k s ，i ti se s s e n t i a la n dn e c e s s a r yt oa s s e s sa n dp r e d i c tt h ew a t e rq u a l i t yo f b a i l i a nj i n g f r o mj u l y2 0 0 7 ，ir e f e r e dt oal o to fh o m ea n da b r o a dl i t e r a t u r ea b o u tw a t e r q u a l i t y e v a l u a t i o na n d p r e d i c t i o nm o d e l s ，l e a r n e d r e l a t e d k n o w l e d g e o f m o d e l - b u i l d i n g , w h i c hh a sl a i ds o l i dt h e o r e t i c a ld o u n d a t i o nf o rs u b j e c tr e s e a r c h f r o m n o v e m b e r2 0 0 7t oj a n u a r y2 0 0 8 ，b a s e do nt h eo n s i t es u r v e y , b y c o m p a r a t i v es t u d y , i d e n t i f i e df i v ew a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n gp o i n t s ，a n da l l g a t e sa n dp u m p i n gs t a t i o n s r e l a t e di n f o r m a t i o n f r o mm a r c ht ot h ee n do fo c t o b e r2 0 0 8 ，f o rt h es u r r o u n d i n g r i v e r so fb a i l i n gj i n ga n db a i l i a nj i n gc o n d u c t e df r e q u e n t l yw a t e r q u a l i t ym o n i t o r i n g ， a c c e s st oal a r g en u m b e ro fv a l u b a lw a t e r q u a l i t yi n f o r m a t i o n a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i cc o n d i t i o n so ft h es t u d y , im a s t e rd e t a i li n f o r m a t i o no f y u nl i a np u m p i n gs t a t i o n ，b yf r e q u e n tm o n i t o r i n g ，im a s t e rw a t e rq u a l i t yi n f o r m a t i o n o fr e s e a r c hr e g i o n ，a n dt h e nc o n d u c t e dw a t e rq u a l i t y a n a l y s i s a n dm o n i t o r i n g i n d i c a t o r so fc o r r e l a t i o na n a l y s i s ，b ys p s s ，w ek n o wt h a tc o d e r 、b o d 5 、t n 、t pt h e s e f o u ri n d i c a t o r sh a v ec e r t a i nd e g r e eo fr e l e v a n c ei nt h es t a t i s t i c a l ，t h er e l e v a n c eo f c o d e r a n db o d 5i sb e s t ，c o r r e l a t i o nc o e d d i c i e n ti s0 8 1 5 ，b ys p s sd u s t e ra n a l y s i s ， w ek n o wt h a tm o n i t o r i n gi n d i c a t o r sc a nb ed i v i d e di n t of i v ec a t e g o r i e s w a t e rq u a l i t ya s s e s s m e n tc o n t a i n sl a r g eq u a n t i t i e so fc o m p l e xp h e n o m e n o na n d i n t e r a c t i o n ；m o r e o v e r , t h e r ea r em u c hf u z z yp h e n o m e n o na n dc o n c e p t i o n t h i sa r t i c l e g i v e st h es u r f a c ew a t e rq u a l i t ye v a l u a t i o no ft h es t u d ya r e ab yt h es y n t h e t i cp o l l u t i o n i n d e xm e t h o d ，t h ef u z z y s y n t h e t i ce v a l u a t i n gm o d e la n dt h ed e t e r m i n a t ef u z z y i i i a b s t r a c t c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o d ，t h ec a l c u l a t i n gp r o c e s so fe v a l u a t i n gw a s i n t r o d u c e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ew a t e rq u a l i t yo fs t u d ya r e ao fb a i l i a nj i n gi s i n f e r i o rv c l a s s ，o r g a n i cp o l l u t i o ni ss e r i o u s ，n 、pa n do t h e rn u t r i e n ti n d i c a t o r si s s e v e r ee x c e s s i v e i nt h i sp a p e r , t h r e et y p e so fe v a l u a t i o nm o d e lo ft h ea d v a n t a g e sa n d d i a a d v a n t a g e sw e r ec o m p a r a t i v e l ya n a l i e d ，w h i c hi sr e f e r e n c es i g n i f i c a n c ef o rf u t u r e w a t e rq u a l i t ya s s e s s m e n t t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef u z z ys y n t h e t i ce v a l u a t i n g m o d e la n dt h ed e t e r m i n a t ef u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o dc o u l d n to n l y g i v eu st h es y n t h e t i ca s s e s s i n gr e s u l to ft h ew a t e rq u a l i t yb u ta l s oi d e n t i f i e dt h em a i n c o n t a m i n a t i o n sa n dt h o s es u p p l i e ds c i e n t i f i ce v i d e n c ef o rm a n a g i n ga n dp l a n n i n gt h e b a i l i a nj i n g f o c u s e do nt h e s eu n c e r t a i n t yq u e s t i o n s ，g r e ys p a c ea n dt i m ep r e d i c t i o nm o d e l w e r ee s t a b l i s h e di nt h i sp a p e ra c c o r d i n gt og r e ys y s t e mt h e o r y m o d e l sw a sa p p l i e dt o p r e d i c ts u c ha sd o ，c o d e r ，b o d s ，n h 3 一n ，t pw a t e rq u a l i t yp a r a m e t e ro ft h es t u d y a r e af o rb a i l i a nj i n g t h ep r e c i s i o no ft h i sm o d e la n dt h er e a u l t so fp r e d i c t i n gw e r e v e r yw e l la c c o r d i n gt h ea n a l y s i so fe r r o r ，m o s to fw h i c hi sc l a s s i nt h ew a t e r e n v i r o n m e n ts u c ha sb a i l i a nj i n gw h e r ew a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n gt i m ei sl i m i t e da n d t h ed a t ao fw a t e rq u a l i t yi s r e l a t i v e l yi n c o m p l e t e ，t h ec h a n g eo fw a t e rq u a l i t y p a r a m e t e ri sg e n t l y ，g r e ym o d e lc a nb ea p p l i e dc o m p a t i b l y i nt h i sp a p e r , s o m er e s u l t sh a v eb e e nu s e df o rw a t e rp o l l u t i o nc o n t r o lm e a s u r e s o fb a i l i a nj i n g a n dt h er e s e a r c hh a st h ep r e w a r n i n gf u n c t i o n ，a l s op r o v i d e st h e s c i e n t i f i cf o u n d a t i o n sf o r i m p r o v i n ga n dr e g u l a t i n g t h ew a t e re n v i r o n m e n t ，f o r m a k i n go ra d j u s t i n gt h eb a i l i a nj i n gc o n s t r u c t i n gp l a n ，f o rt h ed e l i m i t i n go f a g r o e c o n o m i c sz o n e sa n df o rm a k i n gt h ep l a n so fs o c i a le c o n o m yc o n t i n u a n c e d e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：e x p op a r k ；b a i l i a nj i n g ；w a t e rq u a l i t ya s s e s s m e n t ；g r e ym o d e l ；s p s s i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：支l j 守 m 7 年害月哆e l 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年 月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 言l 】亍 弦7 年弓月 第1 章绪论 1 1 选题依据及研究意义 第1 章绪论 上海地处长江口，位于太湖流域下游，属平原感潮型河网地区。境内大小河 道纵横，水资源十分丰富。除长江口外，全市水域面积为6 8 7 7 k m 2 ，占土地面积 的1 1 1 。约有河流3 0 0 0 多条，总长度约3 3 万l ( i i i ，其中，骨干河道4 5 6 条，总长 度约3 3 0 0 k m 1 1 。 半个多世纪前，上海湖河港洪，交错密布，河道密度为6 - 7 k m k m 2 ，河水清 澈，河道洁净，绿木扶疏，鱼虾戏嬉，呈现一派江南水乡的秀丽景色和自然风貌。 然而，曾几何时，随着城市规模扩大，人口剧增，工业生产迅速发展，排入水域 的各种化学污染物以及垃圾等年复一年，总量巨大，全市水环境质量迅速恶化， 水污染日甚。 目前，上海市部分河道水质黑臭，除个别河段外，已难以寻觅符合国家地表 水i i i 类水质标准的饮用水源河道。据市环境监测中心对上海市主要的7 5 条河流 1 3 6 个断面、1 5 0 多个点位的水质分析，水质在v 类及v 类以下污染及严重污染的 占8 2 4 ，其余均为类水。没有一个断面达到国家规定的集中式取水口水源地 i 类水质的要求。黄浦江干流中、下游近2 3 江段的水质为一v 类水，市区江段 的主要支流水质全部低于v 类水【2 j 。 目前，除长江口水域水质绝大部分指标都可达到地面水i i 类标准，是上海市 最好质地的水体外，上海地表水水环境质量普遍低于环境功能区水质标准i 一 类，污染状况令人堪优，形势严峻。 浦东新区地处黄浦江下游和长江入海口南侧，是一个水网地区，全区镇级以 上河道5 6 7 条。从1 9 9 3 年浦东改革开放以来，经济快速增长，人口急剧增加， 加之以前城市基础设施建设滞后、污水管线未形成网络、纳管率低致使大量工业、 农业、生活、航运废水排入河道，加之浦东河流均为潮汐性河流，地势平坦，流 速缓慢，河水回荡，不利于污染物的扩散，日积月累造成河道水质污染，一些中 小河道出现黑臭现象，自莲泾就是众多河道中的一个典型。 2 0 1 0 年世博会将在上海召开，目前正值世博园区建设如火如荼的时期，园区 的景观水是世博会的一大亮点，天然景观河道是园区景观水的重头戏，洁净、清 新、自然、健康的天然景观河道无疑是世博会成功召开的重要保障，而世博园区 现有水系水质状况不容乐观，水环境有机污染较为严重，水质未能达到国家景观 水标准；渠化的河道及重力式护岸影响了天然河道的自然生态功能，并且与世博 园区的景观和绿化生态要求不协调，因此在世博会召开之前对白莲泾水质进行分 1 第1 章绪论 析且据此建立水质预测模型，对世博会有一定的积极意义。 “和谐 是上海世博会的重要理念，世博会的场馆依水而建，水将是世博园 的灵魂载体，是成功举办世博的重要支撑。世博园区现有水系水质状况不容乐观， 水环境有机污染较为严重，水质未能达到国家景观水标准；世博会召开期间正值 上海的主汛期及高温期，容易造成景观水体的水质恶化，影响世博园区整体水环 境质量。 针对世博园区内主要天然景观河道的水体水质受到不同程度的有机污染，富 营养化严重，现有河道流动性及自净能力差的现状及局限性，根据上海世博会规 划区控制性详细规划，遵循水文学的规律，开展白莲泾水质的相关性分析和水质 模拟预测工作，有助于世博园区水环境质量的改善。 研究探讨天然景观河道水质预测模型和水质指标的相关性分析，不但是世博 园区天然景观河道的需要，而且对其它景观河道的水质预测有指导作用，对于补 充和提高水环境功能区划、水环境影响评价理论和方法具有重要的理论价值，对 于景观河流生态的恢复、水资源的合理开发利用及社会的可持续发展有着重要的 现实意义。 1 2 水质评价国内外研究进展 水质评价是景观河道评价的重要内容，它是根据水的使用功能，按照一定的 质量标准和评价方法，直观地对水环境或水体的质量进行定性或定量的估计，以 判断其污染程度、划分污染等级、确定污染类型，为进行流域的水源保护提供科 学的依据 3 1 。水质评价还是水质规划和水质科学管理的基本手段，也是人类科学 地认识水环境的重要途径【4 j 。 水质评价方法的类型有1 5 5 1 多种【5 】，其中按水体功能，可分为：饮用水质量 评价、渔业用水质量评价、工业用水质量评价、农业用水质量评价等，这些主要 用于特定使用目的的水体评价。按水体类型，水质评价可分为：河流水质评价、 湖泊( 水库) 水质评价、海洋水质评价、地下水质量评价等，适用于流域或区域性 的水体质量评价。按使用的学科手段进行分类，有物理学评价、化学评价、生物 学评价和数学评价等同。本研究采用的水质评价方法更加适用于河流水质评价， 对天然景观河道的水质评价有一定的借鉴意义。 1 2 1 水质评价的指数法 为了使种类繁多的污染物或污染源，能够在同一尺度上加以比较，必须采用 无量纲的标准化原则来对水质进行评价i d 。其主要特点是利用各种污染物的相对 2 第1 章绪论 污染值，进行数学上的归纳与统计，得到一个较简单的数值来表示水的污染程度， 并以此作为水污染分级和分类的依据【8 l 。通过对这个指数的运算，可将不同的污 染物、污染源加以分析对比，找出其中主要污染物和主要污染源，并可判断出污 染程度。常见的指数评价方法有以下几种 9 1 ： 1 单项污染物等标指数 它表示某种排放污染物超过标准的倍数，反映了污染物浓度与评价标准之间 的关系。计算公式如( 1 - 1 ) 所示。 ；蔓( 卜1 ) 。 置 式中：；为第f 种污染物的等标指数，c ，为第i 种污染物的实测浓度( r a g l ) ， s 为第i 种污染物的评价标准( m g l ) 2 等标污染负荷和污染负荷比 等标污染负荷表示污染物的绝对排放量与排放标准之比。 只2 妻q 1 0 - 6 ( 1 屯) 式中：只为第拜中污染物的等标污染负荷，q 为含有第i 种污染物的废水排 放量( t d ) ，其它参数含义同公式( 1 - 1 ) 。 污染负荷比是指某种污染物的等标污染负荷占所有污染物等标污染负荷总 和的百分比。 m ：；曼。土( 1 3 ) 己 薹弓 式中：肘，为第i 种污染物的污染负荷比，只为第i 种污染物的等标污染负荷， 己为污染物等标污染负荷总和，m 为污染物种类的总数。 利用单项污染物等标指数、等标污染负荷和污染负荷比进行排队分析就可以 找出主要污染物和污染源。 3 内梅罗指数 该水质指标不仅反映了各污染物的平均污染水平，而且还考虑污染最严重的 一种水质指标以及水的用途设计是否合理等要求，所以是一种比较常用的水质指 数评价方法【1 1 1 。 3 第1 章绪论 p il 一( 1 - 4 ) 式中：川，为第门咔水体用途下的内梅罗水质指数，一为污染物评价指数 中最大值，是污染物评价指数的均值，c ；为第f 种污染物的实测浓度( m g l ) ， s 打为为第f 种污染物的评价标准( r a g l ) ，歹表示水的用途。 内梅罗指数法选取温度、颜色、透明度、p h 、大肠杆菌、总溶解固体、总氮、 碱度、氯、铁和锰、硫酸盐、溶解氧等作为计算水质指标的参数，并将水的用途 划分为三类：人类接触使用的( 丹，) 、人类间接接触使用的( 用，) 、不接触使用的 ( h ，) ，再依据所要计算水体在不同用途下所占的份额，w j ，得到最终 的内梅罗水质指数p i ，见公式( 1 - 5 ) 。 3 p i = ，- w , e i l + w 2 e i 2 + w s p l 3 ( 1 5 ) j - j 4 有机污染综合评价a 值法 1 9 7 6 _ 1 9 7 7 年，鉴于上海黄浦江等河流中有机污染较为突出的实际情况，我 国学者提出了用有机污染指标来评价水质状况，其定义为： a ；旦堕_ 垡堕l n h s - n i 一一o o , i - 4 - ( 1 6 )g = - 一i j b o d o c o d on h 3 一n od o o 式中：b d d f 、c 、n h 3 一n i 、d q 为实测值，b o d o 、c o d o 、n i l 3 - n o 、 d o 。均为标准值，对应的评价分级标准如表1 1 所示。 表1 1 水质质量评价分级标准 有机污染综合评价值( a )污染程度分级 水质质量评价 45 严重污染 采用以上四种指数评价水质的方法简单明了，易于使用。但经过加工后的指 4 第1 章绪论 数也丢失了监测数据的不少信息，而且水质指数中所选定的污染物标准具有一定 的局限性，不能全面反映出某一水域的水质情况。加之水环境本身是一个受多因 素影响的复杂动态系统，既有确定可循的变化规律，又有不确定性和随机性。 1 2 2 水质模糊评价方法 人们对环境质量的认识也具有精确和模糊的两重性，所以在水环境质量评价 中引入隶属度概念和模糊运算既是客观事物的需要，也是主观认识能力的发展 d 3 1 。目前，国内外己有许多专家从事相关的研究并取得了较好的成果，如徐恒 振的模糊贴近度方法【10 1 、陈守煜的环境系统模糊集评价方法】和李祚泳提出的 b p 网络水质综合评价法【12 】等。 1 利用隶属度划分水质的划分水质的分级界限 在模糊集理论中，运用隶属度来描述客观事物中大量的模糊界限，而在水质 评价中，“污染程度 就是一个模糊概念，因此作为评价污染程度的分级标准也 应是模糊的【1 3 1 。例如，现在有的地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 - 2 0 0 2 ) 将i 类水 体的溶解氧( d 0 ) 规定为8 o m g l ，若实际情况是8 1 m g l 则算i 类水体，而7 9 m g l 则为非i 类水体，8 1 与7 9 相差很小，所以这样分级并不科学。而引入模糊集， 用隶属度来重新定义分级界限，例如：将d o 为8 1 m g l 时对应于i 类水体的隶属 度为1 0 0 ，而7 9 m g l 时隶属于i 类水体的程度为9 5 ，显然这样的划分更加符合 客观实际情况。 一般按公式( 1 - 7 ) 将水质分界线写成隶属度函数： “b ) ： o 三1 b z 。) x z 。 s x z 0 石， ( 1 7 ) 1 石芑 式中“b ) 为参数x 对应于某i 类水质的隶属度：、_ 为该项参数在相邻的 两级水质中的标准值。 2 对单项指标分别进行评价 取u 为污染物各单项指标的集合，v 为水体分级的集合，则有： 。终j a z ：，a mj 1 ( 1 - 8 ) 1 v 一钕水，2 级水，胛级水) u 驯 式中a 为单项指标、m 为单项监测指标数目、n 为水质分级的个数。 通过隶属度函数求出m 个单项指标分别对应于n 类水的隶属度，则得到一个 第1 章绪论 聊n 阶矩阵r ，见公式( 卜9 ) 。 尺； u a t ( 缎水) ，ua l ( 2 级水) ，u a l ( 咒级水) u a 2 ( 1 级水) ，o a 2 ( 2 级水) 9 t wo b 9 u a 2 ( ，l 级水) u a = ( 墩水) ，u a ( 2 级水) ，u a _ ( ，l 级水) ( 1 - 9 ) 3 计算权重 由于引起水质污染的物质很多，而且这些物质的浓度和影响各不相同。所以 要根据水污染的实际情况对各单项污染物等标指数进行加权处理，超标越多，加 权越大，权重值为： 形：鱼；l( 卜1 0 ) s t ! 号s ； 万箭 式中：c j 为第i 种污染物的实测浓度( m g l ) ，s ；为第i 种污染物各级评价 标准的算术均值( m g l ) ，j 表示水的用途，n 为水的分级个数。 要注意的是，由于d o 不是污染物，其值越大说明水质越好，所以计算权重时 应取倒数。 为了进行模糊运算，各单项权重值应进行归一化处理。 两。l ； g 坐 ( 卜11 ) 蹇蹇( c 足瓦) 若选取m 个单项监测指标，则对应的权重矩阵为：b ；i 瓦瓦，瓦j 4 利用模糊综合运算求出水质状况 进行单项评价并配置权重后，得到两个模糊矩阵：权重模糊矩阵b 和关系模 糊矩阵r 。再利用模糊复合运算( 类似于矩阵运算，只是将矩阵运算中的“x 号 改为“a ”，表示两数中取小，将“十”改为“v ”，意为两数中取大。求出模糊 综合评价指数并判断出水体所属的等级或污染状况。 1 3 机理性水质模型研究综述 6 第1 章绪论 水质模拟可以分为定性模拟和定量模拟两种，目前主要采用数学模型、物理 模型2 种方法进行水质定量模拟【1 4 1 。对于湖泊水质而言，采用缩小比例的物理模 拟往往耗费较多的人力、物力、财力，同时由于受到方法本身的局限性模拟效果 也并不理想【15 】。数学模型不需要专门的设备，同时由于引入计算机可以通过不 断完善模型达到较高的模拟精度，因此被广泛采用【16 】。水质模拟预测机理性模 型由于考虑了物理、化学和生物过程对水体中污染物随空间和时间迁移变化规律 的影响，往往能够比较全面地描述水质变化，但同时这些模型大都也比较复杂 【17 1 。而非机理性的随机性模型则只通过输入输出之间的关系建立，虽然没有考 虑内部机理，但是由于是针对己知模拟预测范围往往也可以取得较好的模拟预测 效果，因此被大量使用。近年来，随着不确定性分析方法、人工神经网络、地理 信息系统以及虚拟现实等方法技术的不断发展及与水质模型的进一步结合，也将 极大地促进水质模拟预测和水环境管理技术的先进性和现代化【18 】。 1 3 1 机理性水质模型研究的发展阶段 世界上第一个水质模型是1 9 2 5 年由美国工程i ) f i s t r e e t e r 和p h e l p s 提出的氧 平衡水质模型，即经典的s p 水质模型1 1 9 】。自1 9 2 5 年以来，水质模型己被研究了 8 0 多年，许多学者对水质模型的发展阶段给出了不同的分类方法，表1 2 综合现 有的文献，对水质模型的发展阶段划分进行了简要介绍。 表1 2 水质模型发展阶段划分 研究者阶段内容特点 1 9 2 5 1 9 6 0 年：s - p 模型的应用； a p r o f1 9 6 0 - 1 9 7 0 年：计算机模拟；1 9 7 0 - 1 9 7 7以主要研究问题、污染 4 s j e y a s e e l a n 2 0 1 年：生态模型究；1 9 7 7 至今：有毒物质研物为基础划分。 究。 1 9 2 5 1 9 5 5 年：b o d - d o 双线性系统模型 的开发；1 9 5 5 - 1 9 7 0 年：六线性水质模型以水质组分相互作用 傅国伟等胁1 4 系统的开发；1 9 7 0 - 1 9 7 5 年：非线性水质为基础划分、并考虑相 模型系统的开发；1 9 7 5 至今：涉及有毒关计算方法 物质等多种相互作用系统的模型发展。 简单的氧平衡模型；形态模型；多按模型的复杂程度划 叶常明等3 介质环境综合生态模型分 1 9 2 5 - 1 9 6 0 年：s - p 水质模型的提出；以水质组分及被纳入 谢永明等1 5 1 9 6 0 - 1 9 6 5 年：引入空自j 变量、动力学系模型的相关冈素为基 7 第1 章绪论 统；1 9 6 5 1 9 7 0 年：由一维模型扩展到其 础划分。 他输入源与漏源；1 9 7 0 - 1 9 7 5 年：发展为 相互作用的线性化体系；1 9 7 5 至今：多 组分、综合性模型的发展。 1 9 2 5 1 9 8 0 年：研究对象仅为水体水质 本身，开始研究受点源污染严重的河流系 统，面源污染仅作为背景负荷； 1 9 8 0 1 9 9 5 年：水质组分数量有所增长、水以模型面向的对象为 徐祖信等心钉3 动力模型被纳入多维系统，面源污染源被基础划分。 连入初始输入；1 9 9 5 至今：增加了大气 污染模型，同时将边界条件连接到了水体 外部负荷。 1 3 2 机理眭水质模型概述 水质模型是依据物质质量守衡和能量守衡原理，通过流体力学中的连续方 程、运动方程、能量方程推导得出，若考虑水质组分间的相互作用及其自身生化 作用影响，可以得出更加全面、综合的水质模型。以下分体系对目前比较流行的 水质模型作简要介绍。 1 s t r e e t e r - p h e l p s 模型圈【2 3 】阎 s t r e e t e r p h e l p s 模型是最早的水质模型，其主要假设为：d 0 浓度仅取 决于b o d 反应与复氧过程，并认为有厌氧微生物参与的b o d 衰变反应符合一级反应 动力学；水中溶解氧的减少是由于含碳有机物在b o d 反应中的细菌分解引起， 与b o d 降解有相同速率；由于氧亏和湍流而引起复氧，复氧速率与水中氧亏成 正比。由以上假设得出b o 卜d o 耦合模型方程： 丝+ 丝；d 1 0 2 l k ， o t 觑缸2 1 ( 卜1 2 ) 百a c + 篆= d 等一k t l + k ：( c s - c ) 式中，l 为水体中的b o d 值，【m l - 3j ；t 为时间， t ；x 为所考察的距离， l ； u 为水断面的平均流速，k t 一1 j ；d 为弥散系数，k 2 丁一1j ；c 为水体中的溶解氧 浓度值，上3j ；c s 为水体中饱和溶解氧浓度值，i m f 3j ；k 。为水体中的b o d 8 第1 章绪论 值耗氧速度常数留一1j ；k 2 为水体复氧速度常数k 一1j 。 2 q u a l 模型体系 2 2 1 d o l 美国环保局( u s e p a ) 于1 9 7 0 年推出q u a y i 水质综合模型，1 9 7 3 年开发出 q u a l - i i 模型，其后经过多次修订和增强，推出了q u a l m ，q u a l 2 e u n c a s ，q u a l m 版本。q u a l 模型可按用户所希望的任意组合方式模拟1 5 种水质成分，模型假设在 水体中的物质主要迁移方式是平移和弥散，且认为这种迁移只发生在水体的纵轴 方向上，因此是一维水质综合模型。q u a l 模型体系的基本方程是一个平移一弥散 质量迁移方程，同时考虑了水质组分间的相互作用以及组分外部源和汇对组分浓 度的影响。对任意的水质变量，方程均可写为如下形式( 方程右边的4 项分别代表 扩散、平流、组分反应和组分外部源汇项) ： 堂。j o ( a z d lo r ) 出一捌出+ ，出) 堕+ s ( 卜1 3 ) 出 o x o x “ 出 式中，m 为所考察的物质质量， m ；c 为组分浓度，i m 三。f ；x 为所考察的 距离， l ；t 为时间， t ；4 为距离x 处的河流段面积，k 2 j ；d l 为纵向弥散 系数k 2 z 一1 j ；二为平均流速，k t 一1 j ；s 为组分外部的源和汇，r 一1j 。 3 w a s p 模型体系 w a s p ( w a t e rq u a l i t ya n a l y s i ss i m u l a t i o np r o g r a m ) 是美国环保局提出的 水质模型系统，可用于对河流、湖泊、河口、水库、海岸的水质进行模拟。w a s p 最原始的版本于1 9 8 3 年发布f 3 ，之后历经几次修订，例h h w a s p 4 d 2 i ，w a s p 5 ：站l ， w a s p 6 3 4 l 及w a s p 7 t 3 5 】等。w a s p 包括两个独立的计算程序：水动力学程序d y n h y d 和水 质程序w a s p ，它们可以联合运行，也可以独立运行。此外，用来分析传统水质指 标的e u t r o 子模型和用来模拟固体类物质、有毒物质污染的t o m 子模型均可以装入 水质程序中。w a s p 在其基本程序中反映了对流、弥散、点杂质负荷与扩散负荷以 及边界的交换等随时间变化的过程。经简化后的w a s p 常用如( 1 - 1 4 ) 模型： 昙c ) ；去( - u x a c + e x a 詈) + 彳慨+ s b ) + a s 置 ( 1 _ 1 4 ) 式中，c 为组分浓度，l 肜l - s j ；t 为时间，i t ；a 为横截面积，k 2j ；u ；为 纵向速度，k t 一1 j ；e x 为纵向弥散系数，k 2 z 一1 j ；、& 、s k ：直接与弥散 负荷率、边界负荷率、总动力输移率，l m 。3 2 1l 。 9 第1 章绪论 目前，w a s p 水质模型已经被广泛地应用于对水质进行模拟预测的各项研究工 作中嗍f 3 8 】。 4 b a s i n s 模型体系【3 9 l b a s i n s ( b e t t e ra s s e s s m e n ts c i e n c ei ni n t e g r a t i n gp o i n ta n dn o n p o i n t s o u r c e s ) 是由美国环保局开发的一个基于g i s 环境的多目标环境分析系统，可以 对水系和水质进行模拟。它最初用h s p f ( h y d r o l o g i c a ls i m u l a t i o n p r o g r a m f o r r t a n ，即水文模拟f o r t r a n 程序作为水动力和水质模型) ，后来集成 了河流水质模型q u a l m 和其他模型，同时使用了土壤水质评价工具w e a t 和a r c v i e w 界面，可使用g i s 从数据库中抽取数据。该系统由六个相互关联的能对水系和河 流进行水质分析、评价的组件构成，它们分别是国家环境数据库、评价模块、工 具、水系特性报表、河流水质模型、非点源模型和后处理模块。 5 q t i s 模型体系【4 0 j o t i s 是由u s g s 开发的可用于对河流中的溶解物质的输移进行模拟的一维水 质模型，带有内部调蓄节点，状态变量是痕迹金属。次模型能模拟河流的调蓄作 用，还可以用于模拟示踪剂实验。它只研究用户自定义水质组分，还提供了参数 优化器。目前，o t i s 模型己被广泛应用于水质模拟【4 1 】【4 2 】。q t i s 模型如( 卜1 5 ) ： 堕。垒罢+ 三f ，仰罢1 + 堑( q c ) + 口( c ，一c ) ， o ta 缸a i缸a 一 一 7 ( 1 1 5 ) 一o c s 。口丛( c c 。) 以 以 式中，a 、以分别为主要渠道横截面积、储蓄区横截面积，i 2i ；x 为所考察 的距离， l ；c 、c 。、c s 分别为渠道溶解物浓度、侧向入流溶解物浓度、储蓄 区溶解物浓度，k l - 3j ；d 为弥散系数，k 2 r 一1j ；q 为流量率，i ：矿r 1j ；t 为时 间， t ；a 为储蓄区交换系数