長江水質的量化評價與預測分析建模-文庫吧
2025-06-14 05:34 本頁面
【正文】 評價[1]。模糊綜合評價是由給出的評價標準和實測值,經(jīng)過模糊變換,對待評價對象給出總的評價的一種方法。水質污染程度是一個模糊概念，在進行評價時很難給出確切的表達，應用模糊理論處理問題，評價結果比較合理、更加接近客觀實際。下面建立模糊綜合評價模型來解決兩年多的水質綜合評價問題。記模糊評判矩陣為，其中表示在第i個觀測站測得的處于第j級污染程度的隸屬度，隸屬度是通過對隸屬函數(shù)的計算來確定的，隸屬函數(shù)一般采用“降半梯形”的函數(shù)。由于劣Ⅴ類污染物指標較極端，我們根據(jù)標準將水質分成5級。以溶解氧（DO）為例，即溶解氧應有對應于5個級別的隸屬函數(shù)。以DO的監(jiān)測值為自變量x,對第j級別的隸屬度為（水質標準見附錄8） 將各監(jiān)測斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)代入前面確定的隸屬函數(shù)中，就可以計算其隸屬度，進而建立每個斷面的單因子模糊評價矩陣（程序見附錄2）。當對多個（m個）目標進行綜合模糊評價時，還要對各個目標分別加權。權重是衡量因子集中某一因子對水質污染程度影響相對大小的量,權重系數(shù)越大,則該因子對水質的影響程度越大。設第i個目標權系數(shù)為Wi，則可得權系數(shù)向量A=(W1,W2,…,Wm)，滿足。這里僅需要考慮DO、CODMn，NH3N這三種污染物對水質的影響，對它們賦予不同的權重Wi。我們以污染物的超標情況決定權重，各因素的監(jiān)測值相對于水質標準的超標越大,對污染的貢獻越大,從而權重越大，可用下面的公式求權重系數(shù)：①對于CODMn和NH3N指標：②對于DO指標，因為于DO與其它因素性質相反,實測DO濃度大,說明水質污染不嚴重,水質好。所以DO的權重賦值取C i/ Si的倒數(shù)，即其中，Ii （i =1,2,3）表示第i種污染物的權重；Ci 表示第i種污染物的濃度實測均值；Si為第i種污染物的六個級別濃度標準限值的均值。為了進行模糊復合運算，還必須對各因子權重進行歸一化處理,即:根據(jù)各觀測站中三種污染因素的實測濃度Ci 和平均濃度Si ，得到了因素權重分配集X的歸一處理化結果（程序見附錄3）,如下表： 表1：三種因素權重的的歸一化結果觀測站溶解氧DO高錳酸鹽指數(shù)CODMn氨氮NH3N1234567891011121314151617 利用矩陣的模糊乘法得到模糊綜合評判矩陣B ：經(jīng)過歸一化處理后得：同理可以得出剩余16個觀測站水質數(shù)據(jù)經(jīng)歸一化處理后所得的模糊綜合評判矩陣B2—B17（程序見附件4），見下表：表2：17個觀測站的歸一化處理結果 1類2類3類45所屬類別四川攀枝花（干流）01重慶朱沱 （干流）001湖北宜昌（干流）002湖南岳陽（干流）002江西九江（干流）0002安徽安慶（干流）002江蘇南京（干流）002四川樂山（支流）4四川宜賓（支流）2四川瀘州（支流）2湖北丹江口（支流）0001湖南長沙（支流）03湖南岳陽（支流）03湖北武漢（支流）03江西南昌（支流）5江西九江（支流）02江蘇揚州（支流）03注：類別中的1—5級分別表示水質標準中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類 圖1：長江全流域水質比例 表3：長江全流域水質 1類2類3類4類5類水質比例%%%%% （一）問題二由問題分析，污染源地區(qū)的確定分兩步走：1．確定七個觀測站之間受污染最嚴重的江段① 穩(wěn)態(tài)一維河流水質模型由于江河自身對污染物都有一定的自然凈化能力，所以污染物在江河中遷移時，隨著遷移距離的增大，濃度會不斷下降。其次水流速度對污染物的濃度也有明顯的影響。例如：水流速度很大時，許多污染物到下游時還不及降解，濃度變化緩慢?；谏鲜龇治觯衫梦廴疚镔|在河流中運動變化的基本模型——“穩(wěn)態(tài)一維對流擴散模型” [2]：其中，c為整個斷面的平均濃度u為流速，E為離散系數(shù) x為河道長度t為時間ss2分別反映內部降解變化和外部影響 由于長江水流狀態(tài)一般為穩(wěn)定、均勻流動狀態(tài)，與江長相比，水面寬度很小，可認為污染物濃度在橫斷面上分布比較均勻，即對同一地點進行水質采樣在無外界環(huán)境的影響下，可認為污染物濃度不隨時間變化。其次，因為長江水流狀態(tài)穩(wěn)定、均勻，可認為污染物濃度隨遷移距離線性變化，且不受外部影響。s1與江水的自然降解和污染物濃度有關。所以一維對流擴散的水質模型可簡化得到這里的穩(wěn)定一維河流水質模型：其中x為河段長度 u為河段平均流速 c為污染物濃度 k為降解解數(shù)對（2）式分離變量積分得：其中c0為初始位置的污染物濃度。 ② 利用（3）式，建立反映六江段污染物總量的模型考查干流上相鄰兩點間的污染情況，即在考慮自然降解的情況下這段流域上支流和干流的污染狀況。干流上各江段污染物總量可以表達為：其中，表示干流上第i+1個觀察站（地區(qū)）的污染量，表示水流量，為污染物濃度。表示干流第i個觀察站（地區(qū)）的污染經(jīng)過自然降解到下一個觀測站（地區(qū)）時的剩余污染量。 ② 模型求解由于所給數(shù)據(jù)為13個月的各觀測點（干流上）的離散數(shù)據(jù)，考慮用13個月的污染物總合來表征各江段的污染狀況。利用（4）式分別對高錳酸鹽指數(shù)和氨氮進行計算（程序見附件5），計算結果：表4：長江六個江段的污染總量（單位：萬噸）江段122334455667CODMn江段122334455667NH3N由上表的數(shù)據(jù)可知：對于高錳酸鹽（CODMn）和氨氮（NH3N）兩種污染，湖北宜昌南津關至湖南岳陽城陵磯江段的污染最嚴重，其次為重慶朱沱至湖北宜昌南津關，和四川攀枝花重慶朱沱。2．縮小范圍確定污染源上文已經(jīng)確定了長江上高錳酸鹽（CODMn）和氨氮（NH3N）兩種污染最嚴重的江段。為了確定具體的污染源地區(qū)，我們采用作圖法：① 兩湖區(qū)進出口處污染比較CODMn濃度比較：圖2：兩湖進出口CODMn污染濃度比較結論：a. 洞庭湖出口處CODMn濃度增大，從Ⅱ類水變成了Ⅲ類水。但比照《地表水環(huán)境質量標準》（GB38382002）可知，其仍屬于可飲用水范圍?？梢姸赐ズ瞎S對洞庭湖水質中的CODMn指標有清度污染。由上文結果可分析得知——污染最嚴重的湖北宜昌南津關至湖南岳陽城陵磯江段的CODMn主要污染源為該江段沿岸地區(qū)，而不是洞庭湖。b. 鄱陽湖出入口的水質按照國家質量標準，均屬于Ⅱ類，為可飲用水。即鄱陽湖湖畔基本無CODMn污染。 NH3N濃度比較：圖3：兩湖進出口NH3N污染濃度比較 結論：a. 洞庭湖出口處NH3N濃度減小，從Ⅲ類水變成了Ⅱ類水。但比照《地表水環(huán)境質量標準》（GB38382002）可知，其仍屬于可飲用水范圍?？梢姸赐ズ瞎S對洞庭湖水質基本沒有NH3N污染，湖水湖畔入口流域的NH3N污染起到了凈化作用。由上文結果可分析得知——污染最嚴重的湖北宜昌南津關至湖南岳陽城陵磯江段的NH3N主要污染源仍為該江段沿岸地區(qū)，而不是洞庭湖。b.
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