長江水質的量化評價與預測分析建模-在線瀏覽
2024-08-09 05:34本頁面
【正文】 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。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。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。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。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。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。 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。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。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。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。即鄱陽湖湖畔基本無CODMn污染。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。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。分析可知鄱陽湖入口——江西南昌滁槎河段為NH3N的主要污染源。NH3N濃度比較：圖5：四川樂山與四川宜賓NH3N污染濃度比較注：“交匯前”指四川樂山觀測站，“交匯后”指四川宜賓觀測站結論：近一年中，四川樂山的NH3N污染濃度普遍高于四川宜賓，且第11月這四個月份均屬于污染狀態(tài)。（二）問題三對未來進行水質預測，是治理長江的迫切需要。然而，由于只有過去十年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，信息不完整，故用曲線擬合法、多元回歸模型等皆不能得到令人滿意的結果，所以用對信息質量要求不高的灰色系統(tǒng)分析法[3]來作預測，建立GM（1，1）模型。記其中表示第i年長江流域水文年可飲用水（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類）的河長比例。圖6：可飲用水河長比例預測值進行殘差檢驗，結果如下：表5：長江全流域可飲用水的河長比例實測值與預測值比較（單位：%）年份1995199619971998199920002001200220032004預測實測747768殘差0相對誤差0從上表可以看出，除1998年因為長江發(fā)生罕見自然災害，預測值誤差較大外。表6：對長江流域未來十年可飲用水河長比例的預測（單位：%）年份2005200620072008200920102011201220132014比例 由上表分析得出：未來十年內(nèi)，長江流域可飲用水的河長比例逐年下降。污染如此嚴重，長江生態(tài)瀕臨崩潰。利用解決問題三的方法，基于過去10年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分別預測未來10年（2005=i=2014）內(nèi)的：1. 每年污水年均排放量Pi；2. 每年全流域非飲用水類的河長比例qi；3. 每年干流Ⅳ、Ⅴ類水和劣Ⅴ類水的河長比例ri、ti。在假定干流和支流的污染河段上，單位長度河段的污水含量大致相同的前提下，利用簡單的比例關系可粗略地預測未來10年內(nèi)每年的污水處理量。由此解得每年需要處理的污水量見下表：（程序見附件7）表7：每年需要處理的污水量（單位：億噸） 20052006200720082009污水年處理量 20102011201220132014污水年處理量六、模型評價與改進 優(yōu)點：1．為了對長江近兩年多的水質情況進行定量的綜合評價，運用模糊綜合評價模型，針對主要影響水污染的三個指標（溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮），對兩年來17個觀測站（地區(qū)）的水污染狀況進行了定量分析。2．長江水質的污染程度日趨嚴重，為了能有效地治理長江的污水，必須對其主要污染源進行治理。在此基礎上結合圖形，進一步確定了污染物的主要污染源。用對信息質量要求不高的灰色系統(tǒng)分析法來作預測，建立GM（1，1）模型。為了檢驗預測值的精確性，對過去10年的數(shù)據(jù)自身預測的情況下，進行了殘方檢驗，結果再次證明了利用灰色理論——GM（1，1）模型進行預測的科學性。結果符合：長江水體污染越來越嚴重的情況下，每年的污水處理量遞增的規(guī)律。模型改進方向：可以考慮建立與自然降解有關的連續(xù)微分方程模型。 模型改進方向：可以考慮時間因素，建立二階偏微分方程模型。特別是對湖北宜昌至湖南岳陽江段沿岸、重慶朱沱至湖北宜昌江段沿岸，以及岷江流域的四川樂山地區(qū)應增加觀測、監(jiān)測密度,增加監(jiān)測斷面。2． 加強長江水污染治理?？偟囊笫歉魇∈刑岣邚U水處理率,降低廢水排放總量。進而是沿江湖泊、二級支流治理。3． 加大工業(yè)廢水污染治理和監(jiān)
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