长江水质评测.doc

长江水质评价和预测班级：计算机科学与技术 学院：信息工程学院 姓名：夏清 学号：200800800340 上课时间：星期一一、 问题提出长江是我国第一、世界第三大河流，长江水质的污染程度日趋严重。如何分析各地区水质的污染？如何判断污染源的位置？对长江未来水质污染的发展趋势做出预测分析？如何对污染进行控制？以及自己的相关建议等等都是我们亟待解决的问题。二、 问题分析问题一：水质的评价是对水中各种物质的浓度进行测定，分析是否超过某个标准的过程。本题给出4种物质作为评价标准。我们在这里先用模糊评价法作出评价，然后用比较简单常用的指数评价法进行验证。问题二：污染源是指污染的源头，即污染物的排放点。一般认为观测站的污染源主要来源于上游污水和本地区污染。判断一检测点的主要污染源主要看各测点本地污染物的浓度。上游污染物对下游的影响主要看两测点间距离、水流速度及污染物降解与上游污染物影响度之间的关系。问题三：对水质污染的预测需要有历史数据的支持，我们可以进行预测。分析六类水的水质即可说明问题。问题四：6 类水的比例是我们的控制目标，污水量是我们的控制点我们采用多元回归对污水排放比例和6 类水的比例进行逐步回归分析，即排污比例与6 类水比例之间的回归方程。通过它我们就可以在给定控制标准下的污水排放上限，然后跟我们预测的不加控制的排污量比较就得到了需要处理的污水量。三、 设模型假（1）假设溶解氧浓度越高水质越好，不考虑过含氧情况。对于溶解氧(DO)，定义：。（2）假设各监测指标之间无相互作用。（3）假设我们研究的长江是一条平直的河流。（4）假设所给数据真实可靠。（5）假设水质只与题目所给的4个项目有关，与其他影响因素无关。四、模型的建立与求解1、长江水质的综合评价（1）模型综合评判模型我们把水污染监测浓度看成是一个离散的随机变量，用概率统计法进行统计可以得到水域属于某个标准的概率。拟定不同的水域标准，评价参数集为U=u1,u2,u3,水质分级集为v1,v2,v3,v4,v5,v6。对于高锰酸钾指数(CODMn)，定义： 。对于氨氮(NH3一N)，定义：。对于PH值来讲，由于PH值在69之间均为可饮用水。假设当PH值=7时，水质是最好的。作如下定义： 其中u1,u2,u3 分别表示为溶解氧，高锰酸盐指数，氨氮（NH3-N），因为PH 值对水域影响不大，所以对其不予考虑，v1- v6 分别表示为类到劣类，设i 参数污染物监测值共有Li 个，其中介于Ai,j-1 到Ai,j 之间的监测值有li,j 个。高锰酸盐指数，氨氮（NH3-N），的监测值为(i=2,3)： 溶解氧的监测值为(i=1)： 那么，对于i 参数而言，介于到之间的监测值发生在Ai,j-1下或下的概率为。我们用隶属度来刻画水质分级界限：已知水质等级标准为，参数污染物监测值介于和之间的个监测值的平均值为，为第i 个参数污染物位于与之间的监测值的第k 个。则对i 参数而言，对第j 级水质和j-1 级水质的隶属度和，可由下列各式求得(其中i=2,3)，即： 而 i=1 时对于溶解氧的隶属度的求法与上面方法相反对于评价参数的权重的确定：对于溶解氧权重按如下确定，而高锰酸盐指数，氨氮的权重分别为。其中第i 种污染物的实测浓度算术平均值，溶解氧在某条件下的饱和浓度（标准浓度），第i 种污染物各级标准的算术平均值。对其进行归一化处理得3 个参数构成权重矩阵即为A=（a1,a2,a3）三个指标的权重（见表1）：表1指标溶解氧高锰酸盐指数氨氮a0.25230.68540.053i 参数发生各级水质的模糊概率为，则模糊概率关系矩阵为，于是每个单指标模糊概率评价矩阵为，其中，即为水域水体出现j 级水质的模糊综合概率，并按最大隶属原则求得判断属于第几个级别。在我们已知条件中我们对 28 个月中17 个长江流域主要城市的水质监测项目求出平均值按以上说明做出模糊综合评判，由matlab 程序求出17 个城市28 个月的平均水质情况，得到长江沿岸17 个观测点近两年多的水质平均情况（见表2）：表2测点1234567891011121314151617水质等级劣（2）综合指数模型为了验证我们评价的客观性，我们现在用综合指数评价模型对模糊综合评价模型进行验证。 首先求分指数K4 个指标的K 分别为：；其中选取第三类等级水的4 项标准为评价标准。由于DO 是逆指标，PH 是非单调指标（不是值越大表示水质越好或越坏）。所以综合指标计算公式如下： （不加权的） 求权数权重的确定是参照附件3 中的数据，通过统计28 组数据中“主要污染指标中”各指标出现次数，依据次数越多，权重越大的思想计算各权重（见表3）表3PH1.1%25.9%16.5%56.5%1 +2 +3+4 （加权）因为有28 个月，这样我们就得到了一个1728 的综合指标矩阵，数据过于庞大，不便直观分析，所以我们按照原题附件4 中说明（3）的划分标准把28 个月划分为2003 年丰水期、2003 年平水期；2004 年枯水期、2004 年丰水期、2004 年平水期；2005年枯水期、2005 年丰水期、2005 年平水期。每个时期按所包含月份求平均，这样就大大缩小了数据量。把题目中分类标准中的前 5 类标准作为5 个样本，也按上述综合指标的计算方法计算的出6 个等级水质的量化标准（见表4）：表4劣0.030.060.10.160.220.22从图1 中不难看出各个测点在3 个时期的水质等级，比如：江西南昌滁槎的水质最差，在枯水期和平水期已经达到了劣类标准。在丰水期也已达到类标准。根据上表中的量化标准可以得出水质等级评价（见表5）表5测点1234567891011121314151617水质等级劣与以上可知，两种方法得出的结论基本一致，判断我们的模型客观有效。2、长江污染源的判定有题目知，因为支流互不干扰且不受干流影响，所以支流可以先分离出来单独考虑。将长江支流10 个测点从2004 年4 月到2005 年4 月13 个月中COD 和NH两项指标的监测数据求平均值得到每个支流的COD 和NH的监测值和。COD 和NH 在4 项指标中的权重为16.5%和56.5%，所以权重重新划分为0.23 和0.77。对和进行归一在加权得： 根据题意取W=0.05为标准可以看出污染较严重的测点依次是：测点8（江西南昌滁槎）、测点3（四川泸州沱江二桥）、测点1（四川乐山岷江大桥）、测点5（湖南长沙新港）、测点6（湖南岳阳楼）。因为各个支流之间是互不干扰的，所以我们可以初步判断这5 个地区为主要污染源。然后讨论干流上的污染源。假设同一个测点上的监测值在几天之内是不变的：（1） 对干流各个测点间降解天数（次数）m 的计算：各测点水流速度（13 个月平均）。（j=17）（单位由秒换算成天）。测点之间水流平均速度： （j=16）各测点间距离：；所以： （2） 根据表中数据算出干流各测点COD 和NH 13 个月的平均监测值和 因为没有数据，我们在这里不考虑第一个测点上游对它的影响，认为它的监测值就等于本地污染。从第2 点开始计算本地污染（降解）： 所以本地污染 COD 和NH 的综合评价指标Wj 为 因为干流水质整体情况优于支流，所以在确定干流污染源时不能用支流的比较=0.15。得出干流污染源为：测点4（湖南岳阳城陵矶）、测点2（重庆朱沱）。3、对长江水质污染的发展预测河流的水质情况由多种情况影响，系统存在强烈的不确定因素，我们采用灰色系统法对其进行分析预测。建立GM（1,1）模型:根据给定的原始时间资料列得GM(1，1)模型为：灰微分方程白化方程白化方程的时间响应式根据计算，劣类水在未来10 年中上升趋势很快，类水上升趋势较慢，其它类水成下降趋势。也就是说如果不加控制，长江水质污染将会越来越严重。4对长江水资源污染的控制分析在问题三中我们是对长江全流域的水质情况做的预测。现在我们用同样的方法用过去10 年长江干流的数据预测未来10 的6 类水的比例，以及总流量和废水排放量。然后我们重新把水分为3 大类：清洁水：I 类、类和类污染水：类和类劣质水：劣类各类比等于包含原类别的加和，所以3 类水的比例，以及总流量和废水排放量（见表6）表6年份清洁水 x1污染水 x2劣质水 x3总流量 T废水量F废水比例f20050.5920220.2242060.18377296113030.03152620060.5309740.232870.23615795413220.03374920070.466020.2373250.29665494713430.03621620080.399430.2369260.36364394023650.03882220090.3339420.2314850.43457394023880.04156820100.2723030.2213630.50633492664130.04457220110.2167790.2074080.57581391984400.04783620120.168810.1907790.64041291314680.05125420130.12891080.1727050.69838490654990.05504720140.09680980.1542910.7489089995310.059007然后根据废水比例f 对三类水比例x1、x2、x3 进行逐步回归分析，得出逐步回归方程（见表9 第2 列）。按照题意，如果要控制污染水的比例在0.2 以下，劣质水为0，所以将x1=0.8、x2=0.2、x3=0 代入回归方程可计算出废水允许最大排放量F*（见表9 第4 列）。那么需要处理的废水量 ，（见表9 第5 列）。表9年份逐步回归方程（亿吨）（亿吨）2005f=-0.0273x1+0.04518p0.0203223.628779.371252006f=-0.0304x1+0.04785p0.0035224.499797.500272007f=-0.03245x1+0.04962p0.0005224.0839118.91612008f=-0.03391x1+0.05086p0.0001223.1283141.87172009f=-0.03498x1+0.05176p0.0001221.9252166.07482010f=-0.03589x1+0.0525p0.0001220.4196192.58042011f=-0.02214x1+0.02032x3+0.04040p0.0004208.6842231.31582012f=-0.02174x1+0.02115x3+0.04003p0.0002206.7076261.29242013f=-0.02073x1+0.02304x3+0.03911p0.0001204.1982294.80182014f=-0.01884x2+0.04511x3+0.01856p0.0001200.9297330.07035、一些建议和意见（1）资源的开发和利用要坚持开源节流并举的方针大力开展节水活动，采取有效措施，减少水消耗。有组织地推行节水、高效的农灌技术；完善科学的农业用水管理措施，尽快改变农业生产大量耗水的局面。制定单位产品用水定额和水重复利用率考核指标，建立工业用水考核制度；明确规定冷却水及工艺用水等工业废水必须循环利用和再生利用；大力发展水的闭路循环使用，最大限度地减少废水排放量。(2)建立和完善资源有偿使用制度和价格体系国家有关部门应抓紧组织开展资源定价研究，有计划地对关系国计民生的重要资源和国家稀缺资源制定分类指导的价格政策，尽快改变“资源无价”，资源产品低价的不合理状况，使水资源价格体现资源价值、资源利用和污染防治费用。同时，积极推进水资源资产化管理进程，加强资源核算体系的研究，为逐步将水资源核算纳入国民经济核算体系创造条件。 (3) 完善环境经济政策抓紧制定有利于环境保护的环境经济政策，进一步强化市场经济体制下的环境经济手段。尽快提高排污费标准，使之高于污染治理成本；制定水污染防治相关政策，建立资源更新的补偿机制；全面实现“污染者付费”的原则，在用水收费中，普遍增加污水处理费，作为城市污水处理厂运行费用；环境保护作为“市场失效”的领域，特别是环境科技研究与开发、环境保护基础设施建设等，国家应加强产业政策支持。同时，鼓励和推动环境保护基础设施建设和管理的企业化。 积极建立环境税收制度。扩大资源税的征收范围，对地下水等稀缺资源征收资源税；对新建污染项目征收固定资产投资方向调节税，控制结构型污染；对现行排污费与费改税进行利弊分析，探索征收污染附加税；对从事城市污水处理的企业实行零税率；对生产再生资源和利用再生资源生产的产品，应给予税收减免的优惠。 (4) 大力推行清洁生产工业部门要加快产业结构调整，合理调整工业布局，推动资源消耗小、效益高的高新技术产业发展。结合技术改造推行以清洁原料、清洁生产过程和清洁产品为主要内容的清洁生产。要把清洁生产当作在可持续发展战略指导下的一次工业企业的全面改造，在全国所有工业企业推行清洁生产。通过加强环境管理审计，建立科学的管理体制，促进我国工业向新的