題水質(zhì)評價(jià)與預(yù)測模型

本文首先對各觀測站（地區(qū)）的污染狀況進(jìn)行了評價(jià)，綜合考慮了DO，的確定方法，基本思想是將支流并入到干流處理，支流與干流在各個(gè)觀測點(diǎn)匯進(jìn)行了分析，最終得到整個(gè)長江流域的各項(xiàng)水質(zhì)評價(jià)指標(biāo)的綜合評估結(jié)果：近兩年多的水質(zhì)類型總體上表現(xiàn)為Ⅱ類CODMnNH3-N的排放量和自然降解因在預(yù)測分析未來十年長江的水質(zhì)污染發(fā)展趨勢時(shí)，先用逐步回歸法研究時(shí)廢水排放總量是唯一的對各類河長百分比影響顯著的變量后，運(yùn)用多項(xiàng)式擬合得到了未來十年每年的廢水排放總量和長江總流量。最后，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃和排隊(duì)論思想（見圖十五利用平衡轉(zhuǎn)移速率圖流域水文年在200~2014年各類水河長百分比，其中205年Ⅰ類占0.7937%，Ⅱ類水占18.266%，Ⅲ類水占21.6882%，Ⅳ類水占在2005~2014年各類水河長百分比矩陣。運(yùn)用矩陣迭代運(yùn)算2005~2014年每年的污水處理可行性方案（具體數(shù)據(jù)見表七、八、九：時(shí)間滯后性、逐步回歸法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、排隊(duì)論、平衡轉(zhuǎn)移速率基本情況

問題提了相關(guān)部門和專家們的高度重視。斷提前，長江斷流日益近；水質(zhì)嚴(yán)重，危及沿江許多城市的飲用水，相關(guān)信息2：國標(biāo)(GB3838-2002)4個(gè)主要項(xiàng)信息3：過去10長江流域在不同時(shí)段的水質(zhì)情況需要解決的問101020%以內(nèi)，且沒有劣Ⅴ類水,那么每年需要處理多少污水？問題分、需要將已有的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行合理歸類、修正，然后對長江的水質(zhì)作出分析、問題一的分析2727個(gè)月獲得的水質(zhì)的各項(xiàng)指標(biāo)，包括溶解氧，高錳酸鹽濃度，氨氮濃度，PH值。712個(gè)月的水文資料，包括水流量，流速以及各觀測這里采用國標(biāo)(GB3838-2002)和指標(biāo)評價(jià)原則作為對長江水質(zhì)情況的2的分站處排入江河的污染物的數(shù)量可以假設(shè)就是在該觀測站處檢測算得的污染物的問題三的分10枯水季節(jié)全流域，干流，支流的水質(zhì)狀況（各類水的比例豐水季節(jié)全流域，干流，支流的水質(zhì)狀況（各類水的比例水文年全流域，干流，支流的水質(zhì)狀況（各類水的比例從附表3中我們發(fā)現(xiàn)，與各類水河長百分比可能相關(guān)的因素有時(shí)段、評問題四的分(1)長江在過去十年的水質(zhì)狀況問題五的分3、長江水質(zhì)綜合評價(jià)和各地區(qū)水質(zhì)污染情況分1基本假設(shè)t3符號設(shè)定i:數(shù)據(jù)采樣時(shí)所處的月份（200361j:（3k:各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的編號（PH1;DO2;CODMn:3;NH3-N4XijkjkikkWjj模型建立（3.4各地區(qū)水質(zhì)總體指標(biāo)的確對兩年多來每個(gè)觀測點(diǎn)的各個(gè)水質(zhì)指標(biāo)（PH,DO,CODMn,NH3-N的測Xjk1l

X

（其中的為當(dāng)?shù)厮|(zhì)的類別。例如：當(dāng)某測試點(diǎn)兩年來DO的均值是6.8（符合Ⅱ，CODMn，NH3-各水質(zhì)指標(biāo)的歸類函數(shù)HjkGXjk，其中GXjk)H11為Ⅱ類。HjminHk長江水質(zhì)綜合評價(jià)函數(shù)根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)其中兩個(gè)指標(biāo)CODMn和NH3-N的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)WHWT*H權(quán)重的確定3可以得到長江干流上每個(gè)觀測點(diǎn)的水流量，結(jié)合各觀測點(diǎn)兩年來CODMnNH3-N濃度的數(shù)據(jù)，則污染物的濃度與水流量的積可以看作是單位 供水量V=V2-供水量V=V3- 這個(gè)假設(shè)可以避免我們對支流水質(zhì)情況的討論因?yàn)閮捎^測點(diǎn)間的各支流模型求解為行文的方便起見這里僅給出了在運(yùn)用計(jì)算平均值方法下采用水質(zhì)評（：、各地區(qū)水質(zhì)污染狀況7個(gè)城市均達(dá)到了二級標(biāo)準(zhǔn)，V類型，特別差，查找程序運(yùn)行時(shí)得出的數(shù)據(jù)可以4.6332mg/L，與國家標(biāo)準(zhǔn)對比表發(fā)現(xiàn)該值確實(shí)是嚴(yán)重。、對長江水質(zhì)的定量綜合評價(jià)1（DO=7.7340mg/L,（CODMn=2.4661氨氮（NH3-N）0.2144mg/L模型的進(jìn)一步討論分析研究長江干流主要污染源在哪些地補(bǔ)充假設(shè)如下有關(guān)符號的約定iijjVijijvijijmijijPjjMijijrT：單位時(shí)間（月Sj,j1：在第i個(gè)月時(shí)第j觀測點(diǎn)到第j+1個(gè)觀測點(diǎn)的距vij,j1：在第i個(gè)月時(shí)水流從第j觀測點(diǎn)到第j+1個(gè)觀測點(diǎn)的速tij,(j1)ijj+1Cijij模型的建ij（即Mij） 月的水流量V（m3s）與該觀測點(diǎn)該月的污染物濃度C（mgL=g/m3 個(gè)月的時(shí)間T（30×24×3600s）

Vij*T

MijMij

下面來確定tijj1。我們假定水流速vij相鄰觀測點(diǎn)間的時(shí)間可由定積分S

ti

(s)dt確定。

(sLagrange 0 出水流經(jīng)任意兩相鄰觀測點(diǎn)間的時(shí)間tiijj+1vijj1 vijj1(vijvij1)/

tij,(j1)=Sj,j1/[(vijvij1)/

綜合以上四個(gè)式子可以得到在第ij

ij附表3有長江各干流觀測點(diǎn)12個(gè)月各污染物的濃度，計(jì)算各觀測各月份排對時(shí)間滯后性的研究時(shí)間間隔為1個(gè)月的話某月在上游觀測點(diǎn)中得到的數(shù)據(jù)和相鄰下游觀測點(diǎn)得到的數(shù)據(jù)是不能夠運(yùn)用上述模型所獲得的（5）式進(jìn)行運(yùn)用的，因?yàn)榈趇個(gè)過上游觀測點(diǎn)的水流在第i+1個(gè)月才到達(dá)相鄰下游觀測點(diǎn)，而相鄰下游觀測點(diǎn)第i個(gè)月的水流是第i-1個(gè)過上游觀測點(diǎn)的水流。因此（5）式應(yīng)當(dāng)作進(jìn)一步改

1rtij1,

i1,j這僅僅是一個(gè)簡單的討論，因?yàn)樗髁鹘?jīng)兩相鄰地區(qū)的時(shí)間間隔不是固定安慶-4.16736.27675.01545.69941.69014.3096模型的求解我們求得12個(gè)月各觀測點(diǎn)水速以及各觀測點(diǎn)污染物濃度的期望，以此代表（1（2（3（4）測點(diǎn)排放污染物的數(shù)量，運(yùn)用程序求解得到了所要求的主要污染物的（2）高錳酸鹽污染源的主要分布地區(qū)氨氮污染源的主要分布地區(qū)說明：在用附件2求氨氮污染源的主要分布地區(qū)時(shí)，矩陣C應(yīng)換成各觀測點(diǎn)對長江未來水質(zhì)污染發(fā)展趨勢的預(yù)測分補(bǔ)充假設(shè)符號設(shè)定1x1

,x2

x3 2xx

xx

,x63、x7：該年長江總流量4、x8：該年廢水排放總量模型的建逐步回歸法研究各個(gè)自變量對各類水河長百分比的影我們認(rèn)為所列各項(xiàng)因素 x8不一定每一項(xiàng)都對Ⅰ類河長的百分比有顯百分比與各項(xiàng)因間的模型，這個(gè)模型應(yīng)盡量簡單和有效，并且由此能給長江（見文獻(xiàn)[2]323-324）利用統(tǒng)計(jì)工具箱中的逐步回歸命令stepwise，以某類河長百分比因變量，各項(xiàng)因素 x8為自變量，得到如圖窗口圖七、8StepwisePlotNextstep“Move

圖八、僅含x8模型的Stepwise窗（5.3.3）預(yù)測未來十年每年的長江總流觀察圖九可以發(fā)現(xiàn)，1998得到剔除掉異常點(diǎn)后的擬合曲線（圖十預(yù)測未來十年每年的廢水排放總表三、未來十年每年的廢水排放總量（單位：億噸趨勢，其中，200420051.9運(yùn)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃和排隊(duì)論思想預(yù)測長江未來水質(zhì)污染趨勢一、選取過去十年水文年全流域各類河長百分比數(shù)據(jù)構(gòu)造初始矩陣A，并A 3.13.41.64.1A Ai1995i5.36.810 再選取過去十年第i類水每相鄰兩年的變化率作為未來十年第i+1類水的每相鄰頁水水水水水從矩陣A的第一列元素可以看出在過去十年中Ⅰ類水從所占的25.8%1.2%，顯然如果對廢水排放總量不加控制的話，未來十年中Ⅰ類水從所水水水水水20041995百分比十分相似（19525.8%20426.9%102004年水體循環(huán)系統(tǒng)的狀況：水水水水圖十六、2004水水水2014年的水體循環(huán)系統(tǒng)狀況B：A中第六列元素，因?yàn)榱英躅愃荒軌蛟傧騽e的水類型轉(zhuǎn)化，得A。 A' A'第二行的數(shù)據(jù)除以第一行的數(shù)據(jù)，得到各類水在未來一年所占總BA'BBA'（B4得到）得到轉(zhuǎn)移矩陣BB=用初始條件矩陣T.*B（TB相應(yīng)元素相乘，就可以得到未來十2005200620072008200920102011201220132014表四、200510年的Ⅱ~200521II表五、200510I22005~2014I1，我們利用歸一化思想進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。5%2005200620072008200920102011201220132014表六、2005105.4模型的進(jìn)一步討論6、給定控制條件下的對每年需要處理污水?dāng)?shù)量的分模型求1：2005200620072008200920102011201220132014以避免在求轉(zhuǎn)移矩陣時(shí)出現(xiàn)除數(shù)為0的情形。2：（200520%2005~2014行性方案。20052005199620052006201520062006920052014從上面表格數(shù)據(jù)我們可以直接得到2005（數(shù)據(jù)的意義為劣Ⅴ類水占總河長的百分比00表七、2005之后，用處理后的2005年的數(shù)據(jù)作為轉(zhuǎn)移矩陣中第一行元素去計(jì)算得到20060表八、20062007~201400000000000表九、2007~2014模型的評價(jià)和改進(jìn)方向水水水V7、對解決長江水質(zhì)污染的切實(shí)可行性建議和意養(yǎng)育4億人，南水北調(diào)后便是8億人。長江沿岸GDP占總量54%。長江是中國資源帶、、產(chǎn)業(yè)帶，長江就是我國經(jīng)濟(jì)脈[4]。但是長江現(xiàn)在卻著前所未有的六大：森林覆蓋率嚴(yán)重下降，泥沙含量增加，生態(tài)環(huán)境急劇；枯水期不斷提前，長江斷流日益近；水質(zhì)嚴(yán)重惡化，危及沿江許多城市的飲用水，各種疾病肆虐沿江城鄉(xiāng)；物種受到，珍稀根據(jù)預(yù)測：長江已陷入深度，若不及時(shí)拯救，10年之內(nèi)，長江水系生態(tài)將瀕臨。解決長江水污染問題已經(jīng)刻不容緩了。決長江的水質(zhì)污染的最的問題就是要控制污染源。2的老路。針對此情況在當(dāng)?shù)厝罕姰?dāng)保教育是非常迫切的。只有從觀念上堵住污染的，才可以徹底控制污染。相應(yīng)的措施，將污染事故產(chǎn)生的降到最低。在長江沿岸建設(shè)場，防治洪水季節(jié)被沖入江中污染江水。對港口和船舶實(shí)行污染責(zé)任制，向江中排放污染物鼓勵(lì)農(nóng)民使用生物和有機(jī)肥這樣可以減少和氨氮類化肥對將每個(gè)地區(qū)的環(huán)保改善狀況列入當(dāng)?shù)氐恼儝煦^使他們加大對[1]胡知能、運(yùn)籌學(xué)（第二版，：科學(xué)，2004年月姜啟源謝金星葉俊數(shù)學(xué)模型（第三版高等教育，2004年8雷功炎數(shù)學(xué)模型講義，，2004年1周末報(bào)網(wǎng)“長江還有十年”htt 2005年9月18日附件：1：%各地區(qū)水質(zhì)污染情況和長江水質(zhì)綜合評價(jià)的實(shí)現(xiàn)%其中矩陣Aii個(gè)月份各地區(qū)各水質(zhì)指標(biāo)的觀測值，這里沒有列出。fori=1:17if(A(i,1)>=6&&A(i,1)<=9)elseB(i,1)=0;if(A(i,2)>=7.5)elseif(A(i,2)>=6)elseif(A(i,2)>=5)elseif(A(i,2)>=3)elseif(A(i,2)>=2)elseif(A(i,2)>=0)B(i,2)=0;

elseif(A(i,3)<=4)elseif(A(i,3)<=6)elseif(A(i,3)<=10)elseif(A(i,3)<=15)

if(A(i,4)<=0.15)elseif(A(i,4)<=0.5)elseif(A(i,4)<=1)elseif(A(i,4)<=1.5)elseif(A(i,4)<=2)

fori=1:17forif(B(i,j)<C(i,1)) 攀枝花 朱沱 宜昌 岳陽 九江 安慶 樂山 宜賓 瀘州沱江 丹江口水庫 湘江 洞庭湖 漢江gtext('劣 贛江 鄱陽湖 2：%M2表示近一年多單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)第j個(gè)觀測點(diǎn)的高錳酸鹽污染物的平均質(zhì)量，單位為g/s%V2表示近一年多單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)第j個(gè)觀測點(diǎn)的高錳酸鹽污染物的平均水流速單位為m/s%V3表示相鄰兩個(gè)觀測點(diǎn)間的平均水流%M22表示近一年多在單位時(shí)間內(nèi)由各觀測點(diǎn)注入的高錳酸鹽污染物的平均質(zhì)%C表示一年多各個(gè)月份各觀測點(diǎn)高錳酸鹽的濃%U%v表示一年多各個(gè)月份各觀測點(diǎn)高錳酸鹽的水流C=[2.33.52.23.32.92.83322422222 951712612623642 951712612