长江水质的评价和预测

长江水质的评价和预测摘要本文在充分分析数据的基础上，运用了主成分分析法对长江的水质做出了定量的综合评价，并运用灰色预测和BP网络模型对长江未来的水质状况进行了预测分析，并求得要控制污染每年所要处理的污水量，最后针对现实情况对如何解决长江水质污染问题提出了建议。问题一：由于《地表水环境质量标准》里面对水质的评断标准已经是综合的分析，我们就根据二十多个月来，根据此标准得到的数据进行一个累加对17个观测点近两年水质状况进行评价，得出综合质量等级和综合质量系数，并据此进行排名，得出水质最好的两个地区是江苏南京林山和湖北丹江口胡家岭，水质最差的两个地区是江西南昌滁槎和四川乐山岷江大桥。并根据综合评价表格（见正文）分析了主要污染地区的主要污染指标问题二：由7个干流观测点，可分为6个河段。以河段为对象进行分析。首先建立了一维水质模型得到污染物浓度随河段长度的变化规律，然后将每个河段的污染源等效为中央污染源，根据污染物质量守恒得到排污方程，据此解出每个河段的排污量，由此指标的大小确定长江干流排污量最大的区段,即可以确定主要污染源。代入数据计算，发现nCODM和的主要污染源都在第3个河段，即从湖北宜昌到湖南岳阳那一带。问题三：根据现有近十年的数据，由于数字有太多未知，所以采用了灰色预测GM(1,1)与BP网络预测相互补充的方法，经过检验，确认得到了较为精确的未来十年发展情况。问题四：根据问题三中，得到的干流未来十年各类水质的百分比，排污量等数据，由于一年分为三个时间段，我们假设排污量在各个时期是相同的，将劣V水比例乘上排污量加上多于20%的V，IV水量，进行处理，累加起来就是一年需要的排污量。关键字：GM(1,1)、BP网络模型。一、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。请你们研究下列问题：（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---9二、符号说明iC表示第1i监测站近13个月的平均排污量(单位时间内流过横截面的污染物的质量)；iL表示第1i监测站高锰酸盐或者氨氮质量；ih表示第i个监测站与i+1个结点监测站的距离；it表示从i监测站到i+1监测点所用的时间（单位:天）iv表示第i个结点与i+1个结点之间水的平均流速；k表示降解系数；三、模型的假设1.长江自身的净化能为不因地区和污染程度的不同而改变，降解系数k取0.2。2.各观测站的污染物是瞬间均匀扩散的；3．总污水在长江的各个地方是均匀分布的；4.未来10年内不会出现严重的自然灾害现象。（如超大洪水灾害和百年难遇的干旱等）；5.在预测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时，假设干流上两观测点间的支流的污染排放量压缩到下游观测点；6.雨水对长江的稀释作用可以忽略不记；四、问题的分析问题一分析：长江流域主要城市水质检测报告给出的近两年长江水质污染情况，在各项主要监测项目中比较清楚，但要对长江近两年的水质情况做出综合评价，必需在此基础之上制定合理的综合评价指标，进而判断各地区的水质污染状况，我们以《地表水环境质量标准》中的分类为基准，由此判定各个站点的综合污染情况。问题二分析：要判断主要污染物高锰酸盐的指数和氨氮的污染源主要所在地，需要考虑观测点得污染来源与江河自身净化能力。观测点污染来源主要有两方面：一方面是上游流入，一方面是自身制造。结合观测数据，计算得出各观测点在近一年多自然降解的情况下高锰酸盐的指数和氨氮的浓度，对比观测数据，通过浓度的差距推出各个观测点较为准确的排污量，根据排污量的多少，就可确定主要污染源所在地区。问题三分析：要预测未来十年的水质情况，需要对前十年的数据进行分析，从中找出关系，由于已知数据过少，直接的拟合误差过大，采用灰色预测，与BP网络预测法，可以测得较为精准的数据。问题四分析：依据得到的未来十年各种水质的比例，与排污量，可以计算确定。问题五分析：根据以上的结论，参考相关文献发出呼吁。五、模型的建立和求解一、水质的综合评价由于《地表水环境质量标准》为国家环境质量标准，是对各类污染物一个综合的评断标准且数据具有权威性，所以可以作为综合分析的依据。将水质Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类、劣Ⅴ类分别记为1~6分。对17个监测点，27个月的数据进行一个累加，分数越少，说明水质越好。表1监测点123456789得分5564596654565510170101112131415161780369272671386965表2水质类别分数段数量监测点Ⅰ类≤280无Ⅱ类≤5651、5、6、7、11Ⅲ类≤8492、3、4、9、10、13、14、16、17非饮用水＞8438、12、15根据以上结果做出图1。图1可以看出15点江西南昌滁槎、12点湖南长沙新港、8四川乐山岷江大桥平均为非饮用水。11点湖北丹江口胡家岭的水质最好。二、污染分析某检测点的污水来源由本地排放与上游的污水组成。上游的污水到下一个监测点时会有部分被自动净化降解，每天降解度设为K=0.2.020406080100120140160123456789101112131415161718得分可饮用水该点排污量=该点检测量—上游降解后的污水量用字母表示为:11-kitiiiCLL（1）公式1速度我们取两点间的平均速度，根据iiihtv可以算出时间将单位换算为天，便于计算降解量。由于1点四川攀枝花上游再无检测点，所以无法计算该点排污量，下面数据都由2点开始算起。根据公式1，利用Excel进行计算。得到如下数据。表3监测点234567排污量97493451131043421178936532148022497109461837144235927.9（CODMn排污量单位：kg）根据表3绘制出图2。图2可以看出4点湖南岳阳城陵矶、5点江西九江河西水厂、7点江苏南京林山为CODMn排污严重的地区。用相同方法代入NH3-N数据得出表4。表4监测点234567排污量8095031.51087084916359855128608398588672.85585880.1（NH3-N排污量单位：kg）根据表4绘制图3。0200000004000000060000000800000001000000001200000001400000001600000001800000002000000001234567CODMn图3可以看出4点湖南岳阳城陵矶、5点江西九江河西水厂为NH3-N排污严重地区。0200000040000006000000800000010000000120000001400000016000000180000001234567NH3-N三、长江未来十年水质预测因为长江水质问题是一个复杂的非线性问题，不能直接通过简单的拟合得到预测结果，由于位置元素过多为一个灰色系统，所以这里采用了，灰色预测法。模型一：利用灰色理论建立GM（1,1）模型，记1995年为第一年，(1)ˆ()xN为第N年排污量。将已知数据代入(0)(0)(0)(0){(1),(2),,()}xxxxN通过累加得到(1)(1)(1)(1){(1),(2),,()}xxxxN相应的微分方程为(1)(1)dxaxudt+=通过最小二乘法求出a与u.a=-0.0624u=156.6162得到方程0.035941y=23855.818524852.5685ke代入数据得并描出图像表5年份总流量（亿m³）排污量（亿吨）20059611303.7120069541323.4420079472343.8320089403365.7820099334388.2920109266412.3420119199438.7920129132466.6520139065495.8620148999527.34（7.1）（7.2）（7.3）图4表6预测精度等级PC好0.950.35合格0.800.45勉强0.700.50不合格≤0.70≥0.65模型C=13.1513%，P=100%精度等级为好，说明可以用来模拟。模型二：在计算水质类别比例时，灰色预测模型的精准度太低，我们引入了BP网络模型，进行预测通过matlab工具箱，建立网络模型。通过程序100次模拟计算，取得平均值。得下表表7丰水期ⅠⅡⅢⅣⅤ劣Ⅴ20051.82%28.88%32.97%18.25%9.25%8.82%20061.41%28.16%30.59%19.31%10.66%9.87%20071.08%27.28%28.20%20.30%12.19%10.96%20080.82%26.24%25.82%21.18%13.85%12.09%20090.62%25.07%23.48%21.96%15.63%13.25%20100.47%23.79%21.20%22.61%17.51%14.42%20110.35%22.43%19.02%23.12%19.50%15.59%20120.26%21.00%16.95%23.49%21.56%16.74%20130.19%19.54%15.01%23.71%23.69%17.86%20140.14%18.06%13.20%23.79%25.87%18.94%表8枯水期ⅠⅡⅢⅣⅤ劣Ⅴ20051.21%34.58%29.97%12.68%4.64%16.93%20060.89%35.02%27.73%12.10%4.60%19.66%20070.65%35.21%25.46%11.47%4.54%22.67%20080.48%35.14%23.22%10.79%4.44%25.94%20090.34%34.80%21.01%1