07组长江水质评价及预测模型作业

1长江水质评价及预测模型摘要：随着经济的发展，长江的污染已日益严重，这已成为制约我国经济的瓶颈，给人们敲响了警钟，解决长江的污染问题已迫在眉睫。主要解决的问题：㈠、通过统计以往的测量数据，综合评价过去的情况；㈡、应用以往的数据预测未来的情形，并作出治理预案。问题一：已知单个因子污染的实测浓度及评价标准限值，只能得出单因子污染指数，并不能反映水质的全貌。综合考虑对水质有影响的多个因素，先求出单因子污染源对污染程度的指数，问题中只要考虑四个污染因素，将这四个因素的指数分别除以其5级水质的限值，由于溶解氧指标取大，而高锰酸盐指标和氨氮指标取小，根据度量标准一致性原则对溶解氧指标进行倒数变换，再除以5级水质的限值。再将四个指标的指数加权后与附表提供的综合评价等级求和，作为综合评价指数，反应河流的污染程度。各个指标的权值是由附表3中主要污染指标出现的概率决定的。利用附表所给数据对17个观测点28个月逐一求值，再求均值。通过附表结果我们总结出长江总体水质为Ⅱ、Ⅲ左右，总体状况良好。但某些支流如：江西南昌滁槎处的赣江，四川乐山岷江大桥处的岷江，污染严重。赣江评价指数达到6.38，岷江4.02。问题二：考虑到江水的流动性和自降解性，测点浓度不能与污染源等同起来，所以我们把每个监测值看作是由上游对它的影响和本地排放的污染物两部分组成的。所以我们考虑水流速度、干流两站之间的河段的长度，进而计算出一个测点对下一个测点的影响度，通过减去来自上游的影响进而求出每个观察点的本地排放污染物。这样就可以通过各个观察点排放污染物的多少，从而来找出主要污染源了。具体计算结果：①NH3-N的主要污染源是：湖南岳阳，湖北宜昌，江西九江、安徽安庆；②高锰酸盐的主要污染源是：湖南岳阳，江西九江，安徽安庆，江苏南京以及湖北宜昌。问题三：由于附件中提供的十年来各等级水质所占河长比例变化大，难以拟合，考虑到神经网络模型的自我学习能力以及分析能力，采用BP神经网络模型来预测长江各等级水质对应的河段长度的变化趋势。以当年河长，总流量，污水排放量作为输入，当年的各等级水所占河长比例作为输出，建立了一个3-15-6的三层神经网络。先根据近10年的河长，总流量，污水排放量数据，采用拟合的方法，预测未来十年的三个参数的值。再利用训练好的神经网络进行各等级水所占河长比例的预测。最后发现：1,2,3类水在波动中渐少，4,5，劣5类水渐增。问题四：我们发现，不同类型的水所占河长的比例与一年排污量存在一定的关系。利用EXCEL多项式拟合，求出4,5，劣5类水的拟合方程，令4,5类水拟合方程等于20，劣5类水拟合方程等于0，分别求根。得出未来十年在水文年需要处理的污水量大概在130-340亿吨范围内。问题五，主要针对减少大污染源及污水处理方面提出了几点建议。关键字：多因素加权求和；自降解；BP神经网络；多项式拟合2一、问题重述水是人类赖以生存的资源,长江作为我国的第一长河,早已成为我们赖以生存的生命线；然而随着人们生产生活的不断发展其水质的污染程度正日趋严重，保护长江已刻不容缓。对沿江地区进行实地考察，利用长江沿线17个观测站（地区）近两年多主要水质指标的检测数据、干流上７个观测站近一年多的基本数据（站点距离、水流量和水流速）、“1995～2004年长江流域水质报告”给出的主要统计数据以及国标(GB3838-2002)给出的《地表水环境质量标准》，对长江的水质进行评价和预测。根据题意本文要解决的问题有：（1）对长江近两年多的水质情况做出定量的综合评价，并分析各地区水质的污染状况。（2）研究、分析长江干流近一年多主要污染物高锰酸盐指数和氨氮的污染源主要在哪些地区?（3）假如不采取更有效的治理措施，依照过去10年的主要统计数据，对长江未来水质污染的发展趋势做出预测分析，比如研究未来10年的情况。（4）根据你的预测分析，如果未来10年内每年都要求长江干流的Ⅳ类和Ⅴ类水的比例控制在20%以内，且没有劣Ⅴ类水,那么每年需要处理多少污水？（5）你对解决长江水质污染问题有什么切实可行的建议和意见。二、问题分析问题一：附表3中已经提供了每月所有观测点的水质类别，如果仅以此为评价指数，就难以区分同类水之间的差别，并且两类水质之间的模糊地带也不好区分。所以，我们利用4个指标分别打分，在加权求和，以达到精确评价的目的。问题二：观测站（地区）的水质污染的来源，主要来自本地区的排污部分和上游的污水。并且上游的污水算到本地区时应该要考虑到河流的自净化作用。我们可以将观测点每秒测得的污染物质量与上游每秒测得的污染物质量综合考虑作为污染源的评定指标。问题三：由于附件中提供的十年来各等级水质所占河长比例变化大，难以拟合，考虑到神经网络模型的自我学习能力以及分析能力，采用BP神经网络模型来预测长江各等级水质对应的河段长度的变化趋势。问题四：题目要求控制4,5类水所占河长比例在20%内，并且没有劣5类水。我们考虑，可以想方法求出如果要达到题目要求，排污量需要控制在什么水平，从而通过预测未来10年的排污量就可以算出每年需要处理的污水量。3三、模型的假设和符号系统1、模型的假设1、水中主要污染物的降解系数为确定的值；2、溶解氧的含量不会因为降解等原因而改变；3、长江河道的横截面的变化可以忽略不计，水流速只受地势的影响；4、长江中各污染物互不影响；5、每个月的测量数据是在同一时间测量得到的；6、主要污染源都在测量点所在的地区；7、两个测量点之间（上游到下游）水流速是均匀变化的；8、在一定时期内，长江年总流量不会有太大变化。2、符号系统'DOx溶解氧指标'CODMnx高锰酸盐指标'3NNHx氨氮指标'PHx酸碱度指标nM第n个观测站（地区）水流所含污染物的质量nm第n个观测站（地区）排放污染物的质量c污染物的浓度V水流的流量k污染物的降解系数v水流的流速x污染物流过的距离L干流长度Q总流量W污水排放总量4四、模型建立与求解4.1水质综合污染指数模型已知单个因子污染的实测浓度及评价标准限值，只能得出单因子污染指数，并不能反映水质的全貌。综合考虑对水质有影响的多个因素，先求出单因子污染源对污染程度的指数，问题中只要考虑四个污染因素，溶解氧(DO)、高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮（NH3-N）、PH值（无量纲）。题目中给出的数据具有不同的量纲和取值范围，为了保证各项指数的可计算性，需要进行数据的预处理，我们取第5类水四项指标为标准，进行归一处理。设附表3中提供的溶解氧指标为'DOx,高锰酸盐指数(CODMn)指标为'CODMnx、氨氮（NH3-N）指标为'3NNHx、PH值为'PHx。由于溶解氧指标取大，而高锰酸盐指标和氨氮指标取小，根据度量标准一致性原则对溶解氧指标进行倒数变换，再进行归一处理：'2DODOxx。由于酸碱性越偏酸性和越偏碱性都不好，指数应该越大，因此，我们取7.5为标准值，酸碱性指数为：5.732'PHPHxx。而其余两项指标处理后的指数分别为：15'CODMnCODMnxx；2'33NNHNNHxx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1）表1.1四项指标权重表指标DOCODMnNH3-NPH权重1.1%25.9%16.5%56.5%那么，每月各个观测点的综合评价指数为：'33xxxxxxPHPHNNHNNHCODMnCODMnDODO（'x为当月的水质类别）由该公式，我们可以得到各个断面（地区）每月（2004年6月-2005年9月）的综合水质指数，亦可求出每月长江流域总体的综合水质指数，表2给出了十七个地区二十八个月的平均综合水质指数:5表1.228个月17个观测点平均综合指数观测点断面情况综合指数四川攀枝花干流2.07087748重庆朱沱干流（川-渝省界）2.464104768湖北宜昌南津关干流（三峡水库出口）2.278215604湖南岳阳城陵矶干流2.555003156江西九江河西水厂干流（鄂-赣省界）2.07087748安徽安庆皖河口干流2.164845915江苏南京林山干流（皖-苏省界）2.096528775四川乐山岷江大桥岷江（与大渡河汇合前）4.024473939四川宜宾凉姜沟岷江（入长江前）2.715897857四川泸州沱江二桥沱江（入长江前）3.209035105湖北丹江口胡家岭丹江口水库（库体）1.393652922湖南长沙新港湘江（洞庭湖入口）3.651395144湖南岳阳岳阳楼洞庭湖出口2.794099235湖北武汉宗关汉江（入长江前）2.561194036江西南昌滁槎赣江（鄱阳湖入口）6.380109784江西九江蛤蟆石鄱阳湖出口2.656526104江苏扬州三江营夹江（南水北调取水口）2.506695207长江综合得分2.801636251通过附表结果我们总结出长江总体水质为2,3级左右，总体状况良好。但某些支流如：江西南昌滁槎处的赣江，四川乐山岷江大桥处的岷江，污染严重。赣江评价指数达到6.38，岷江4.02。4.2确定污染源模型考虑到江水的流动性和自降解性，测点浓度不能与污染源等同起来，所以我们把每个监测值看作是由上游对它的影响和本地排放的污染物两部分组成的。我们考虑水流速度、干流两站之间的河段的长度，进而计算出一个测点对下一个测点的影响度，通过减去来自上游的影响进而求出每个观察点的本地排放污染物。这样就可以通过各个观察点排放污染物的多少，从而来找出主要污染源了。通过分析干流近一年多的基本数据来计算出各地区主要污染物的排放质量，可以确定高锰酸盐指数和氨氮的主要污染源。观察站的污染物主要来自本地区的排污部分和上游的污水。那么就可以把本地区的污染物质量表示为：nnnmMM*1nM表示本地区的污染物排放质量；*1nM表示上游带到本地区的污染物排放质量；nm表示本地区污染物排放量；6由一维河流的稳态水质模型可以知道：vkxnneMM/1*1*k表示污染物降解系数；x表示流域河长；v表示水流速度；nnnVCMC表示污染物浓度；V表示水流体积；所以，本地区的污染物质量的求解公式为：vkxnnnnnnneVCVCMMm/11*1考察单位时间内观测点测得的污染物质量，则V带入观测点处的流量。由此公式可以求得每年各地区污染物的排放量（具体请见附录1）。为了方便观察我们取13个月的平均值来判断，下面是13个月的平均污染源的值：表2.1NH3—N平均排放量四川攀枝花重庆朱沱湖北宜昌湖南岳阳江西九江安徽安庆江苏南京0.481578463.0496124.1694926.3882925.0473085.0276152.479385下面为平均指数的柱状图：平均ＮＨ３－Ｎ指数01234567四川攀枝花重庆朱沱湖北宜昌湖南岳阳江西九江安徽安庆江苏南京地区指数系列1图2.1NH3-N评价指数图从图中我们可以清晰的看到湖南岳阳排放高锰酸铜盐指数是最高的，其次还有湖北宜昌，江西九江，安徽安庆都是主要污染源地区。7下面是氨氮的污染源平均污染指数：表2.2平均高锰酸铜排放指数四川攀枝花重庆朱沱湖北宜昌湖南岳阳江西九江安徽安庆江苏南京8.9856384637.1829550.9139270.4526958.2346259.9115458.25923下面是平均指数的柱状图：平均高锰酸铜盐指数01020304050607080四川攀枝花重庆朱沱湖北宜昌湖南岳阳江西九江安徽安庆江苏南京地区指数系列1图2.2平均高锰酸盐指数图从图中我们可以清楚的看到湖南岳阳指数最高，其次还有湖北宜昌，江西九江，安徽安庆，江苏南京都是主要的污染源地区。4.3未来十年长江水质预测模型对长江水质的预测就是以1995年到2004年这10年来长江上各个水质观测站对于长江水质的检测数据为依据，建立相应的预测模型来预测如果不对长江流域的污染源采取相应的人为措施，长江水质的变化趋势。基于附件4中的长江在1995年到2004年这10年中，各等级水质对应的河段长度的比例，可以找出长江水质在这十年来各