长江水质的评价和预测

..长江水质的评价和预测何晓李娜陈浪摘要：本文主要解决对长江水质的评价和预测问题。针对长江水质问题，我们首先用动态加权综合评价方法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。然后，我们采用平衡原理与机理模型对问题二进行求解：研究和分析出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是湖南岳阳城陵矶的污染物高锰酸盐指数的排污量最为严重，其次是江苏的南京林山、重庆朱沱。接着，我们运用时间序列预测法对长江未来水质污染的发展趋势做出预测分析。其次，我们根据第三问得出的对未来水质污染发展趋势的预测分析，我们计算出如果未来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，我们每年需要处理的污水量。最后，根据我们的模型求解结果我们提出了一些建议和意见。关键字：长江水质、动态加权综合评价、平衡原理与机理模型、时间序列预测法1、问题重述水是人类赖以生存的资源，保护水资源就是保护我们自己，对于我国大江大河水资源的保护和治理应是重中之重。专家们呼吁：“以人为本，建设文明和谐社会，改善人与自然的环境，减少污染。”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，已引起了相关政府部门和专家们的高度重视。2004年10月，由全国政协与中国发展研..究院联合组成“保护长江万里行”考察团，从长江上游宜宾到下游上海，对沿线21个重点城市做了实地考察，揭示了一幅长江污染的真实画面，其污染程度让人触目惊心。为此，专家们提出“若不及时拯救，长江生态10年内将濒临崩溃”（附件１），并发出了“拿什么拯救癌变长江”的呼唤（附件2）。附件3给出了长江沿线17个观测站（地区）近两年多主要水质指标的检测数据，以及干流上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）。通常认为一个观测站（地区）的水质污染主要来自于本地区的排污和上游的污水。一般说来，江河自身对污染物都有一定的自然净化能力，即污染物在水环境中通过物理降解、化学降解和生物降解等使水中污染物的浓度降低。反映江河自然净化能力的指标称为降解系数。事实上，长江干流的自然净化能力可以认为是近似均匀的，根据检测可知，主要污染物高锰酸盐指数和氨氮的降解系数通常介于0.1~0.5之间，比如可以考虑取0.2(单位：1/天)。附件4是“1995~2004年长江流域水质报告”给出的主要统计数据。下面的附表是国标(GB3838-2002)给出的《地表水环境质量标准》中4个主要项目标准限值，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类为可饮用水。问题的提出：（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。附表:《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）中4个主要项目标准限值单位：mg/L序号分类标准值项目Ⅰ类Ⅱ类Ⅲ类Ⅳ类Ⅴ类劣Ⅴ类1溶解氧(DO)≥7.5（或饱和率90%）653202高锰酸盐指数(CODMn)≤2461015∞3氨氮（NH3-N）≤0.150.51.01.52.0∞4PH值（无量纲）6---92、模型假设1、假设评价水质的各指标间相互作用关系忽略不计；2、假设长江的降解系数是均匀不变的；3、假设在预测模型中，假设未来十年没有发生重大自然突变；4、假设各干流站点之间的水流速是匀速；..5、假设每一个观测点的水质污染主要来自本地区的排污和上游的污水；6、假设某类型水所占河长百分比近似等于该类型水总量占总水流量的百分比。3、符号说明'1iC表示第i个干流站点的高锰酸盐指数或氨氮污染物经过自然净化物流到下一个站点的浓度；iC表示第i个站点的高锰酸盐指数或氨氮污染物的浓度；iM表示第i个站点的高锰酸盐指数或氨氮污染物的排量；iW表示第i个站点的高锰酸盐指数或氨氮污染物的总的检测量；iQ表示第i个站点的月水流量；iv表示第i个站点的月水流速；il表示第i个站点到第i+1个站点的距离；4、问题分析本题主要是对长江流域的水质进行评价和预测。首先，我们需要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。对问题经过分析我们可以知道，综合评价要考虑到评价指标的“质差”与“量差”，即在确定综合评价指标时，既要能体现不同类型指标之间的差异，又要能体现同类型指标的数量差异，这是一个较复杂的多因素多属性的综合评价问题。所以，我们可以考虑利用动态加权综合评价方法对其进行模型的建立与求解。..然后，我们需要研究和分析出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。在问题一中我们已经对17个站点进行了综合的分析，得到了各地区的污染状况。所以针对问题二，我们采用平衡原理与机理模型进行求解。接着，我们需要在不采取更有效的治理措施的情况下，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。所以，我们考虑利用时间序列预测法进行预测分析求解。然后，我们需要根据第三问的预测分析，计算出如果未来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，我们每年需要处理的污水量。最后再根据我们对前面四问的求解，我们提出了一些建议和意见。5、模型的建立及求解5.1问题一的模型建立与求解对于问题一，由于考虑到评价指标的“质差”与“量差”，在确定综合评价指标时，既要能体现不同类型指标之间的差异，也要能体现同类型指标的数量差异，这是一个较复杂的多因素多属性的综合评价问题。所以，我们利用动态加权综合评价方法对其进行模型的建立与求解。5.1.1对各评价指标做标准化处理：1）溶解氧的（DO）的标准化处理..从附表中我们可以知道，溶解氧（DO）为极大型指标，所以我们先对其进行极小化处理，利用变换111'xx可以得到相应的分类标准区间：11111111110,,,,,,7.57.566553322；再进行极差变换(1)iiiiixmximMm其中min{},max{}iiiimxMx所以进行极差变换11'12xx得其标准型：[0，0.2667]（0.2667，0.3333]（0.3333，0.4]（0.4，0.6667]（0.6667，1]（1，）2）高锰酸盐指数（CODMn）的标准化处理：从附表中我们可以知道，高锰酸盐指数（CODMn）本身就是极小型指标，所以我们只需要对其进行极差变换22'15xx化为标准型：[0，0.1333]（0.1333，0.2667]（0.2667，0.4]（0.4，0.6667]（0.6667，1]（1，）3）氨氮（NH3-N）的标准化处理：从附表中我们可以知道，氨氮（NH3-N）本身就是极小型指标，所以所以我们只需要对其进行极差变换33'2xx化为标准型：[0，0.075]（0.075，0.25]（0.25，0.5]（0.5，0.75]（0.75，1]（1，）4）PH值的处理PH值的大小是反映出水质呈酸碱性的程度指标，通常的水生物都适应于中性水质，即酸碱度的平衡值（PH值略大于７），我们不妨取正常值的中值7.5。..当PH7.5时水质偏酸性，当PH7.5时偏碱性，而偏离值越大水质就越坏，所以我们可以认为PH值属于中间型指标。为此，对所有的PH值指标数据作均值差处理，即447.5'7.5xx将其数据标准化。5.1.2根据各属性的特性构造动态加权函数；针对实际问题我们不妨取动态加权函数为偏大型正态分布函数，即20,()1,iiixiixwxex当时,当时,其中i在这里取指标ix的Ⅰ类水标准区间的中值，即()()11()/2iiiba，i由)3,2,1(9.0)()(4iawii确定。由实际数据经计算可得0375.0,0667.0,1333.0321，1230.1757,0.2197,0.3048，则代入上式可以得到DO、CODMn和NH3-N三项指标的动态加权函数。5.1.3构建问题的综合评价模型，并做出评价；考虑到对实际评价效果影响差异较大的是前三项指标，以及指标PH值的特殊性，这里取前三项指标的综合影响权值为0.8，而PH值的影响权值取0.2。因此，根据综合评价模型，某城市某一时间的水质综合评价指标定义为4312.0)(8.0xxxwXiiii根据17个城市的28组实际检测数据，经计算可得各城市的水质综合评价指标值，即可得到一个1728阶的综合评价矩阵1728()ijX。..由17个城市28个月的水质综合评价指标(1,2,,17;1,2,,28)ijXij，根据其大小（即污染的程度）进行排序，数值越大说明水质越差。由此可得反映17个城市水质污染程度的28个排序结果，根据Borda数的计算方法则得到第iS个城市(被评价对象)的Borda数为281()()(1,2,,17)ijijBSBSi。经计算可得到各城市的Borda数及总排序结果如下表所示。城市排序1S2S3S4S5S6S7S8S9S10S11S12S13S14S15S16S17SBorda数20313614323410613913837823227160357277264438214217总排序1115127161314285173461109由上表可以看出，各观测城市所在的江段的水质污染的情况：水质最差的观测城市是15S，即是江西南昌赣江鄱阳湖入口地区；其次是观测城市8S，即四川乐山泯江与大渡河的汇合地区；第三位的是12S，即湖南长沙湘江洞庭湖地区；干流水质最差的是湖南岳阳段（4S），干流水质最好的区段是江西九江(鄂赣交界)段（5S），支流水质最好的是湖北丹江口水库（11S）。5.2问题二的模型与求解：在问题1中我们已经对17个站点进行了综合的分析，得到了各地区的污染状况。针对问题2，我们采用平衡原理与机理模型进行求解。通常我们认为一个观测站（地区）的水质污染主要来自于本地区的排污和上游的污水。一般说来，江河自身对污染物都有一定的自然净化能力，即污染物在水环境中通过物理降解、化学降解和生物降解等使水中污染物的浓度降低。反映..江河自然净化能力的指标称为降解系数（近似均匀），这里取0.2(单位：1/天)。因此，我们对问题2还要考虑长江的自然净化能力、长江各支流的排污量对各干流水质的影响。由降解系数取0.2，长江水质的污染物浓度降低的模型公式为：'11,2,..7iiklviiCCei再通过平衡原理与机理模型，可以对问题2进行以下求解：'111*iiiiiiiMWQCWCQ运用EXCEL对模型进行求解，可得到如下结果：一年多各干流污染物高锰酸盐指数排量-2000000050000003000000055000000800000001050000001300000001550000001800000002050000002004.042004.052004.062004.072004.082004.092004.102004.112004.122005.012005.022005.032005.04月份排量（单位：mg）四川攀枝花龙洞重庆朱沱 湖北宜昌南津关 湖南岳阳城陵矶 江西九江河西水厂 安徽安庆皖河口 江苏南京林山 图5.2.1一年多各干流污染物高锰酸盐指数排量图..站点号站点名高锰酸盐平均排量综合排名1四川攀枝花龙洞8986023.07772重庆朱沱31971147.7633湖北宜昌南津关315