题水质评价与预测模型

本文首先对各观测站（地区）的污染状况进行了评价，综合考虑了DO，的确定方法，基本思想是将支流并入到干流处理，支流与干流在各个观测点汇进行了分析，最终得到整个长江流域的各项水质评价指标的综合评估结果：近两年多的水质类型总体上表现为Ⅱ类CODMnNH3-N的排放量和自然降解因在预测分析未来十年长江的水质污染发展趋势时，先用逐步回归法研究时废水排放总量是唯一的对各类河长百分比影响显著的变量后，运用多项式拟合得到了未来十年每年的废水排放总量和长江总流量。最后，采用动态规划和排队论思想（见图十五利用平衡转移速率图流域水文年在200~2014年各类水河长百分比，其中205年Ⅰ类占0.7937%，Ⅱ类水占18.266%，Ⅲ类水占21.6882%，Ⅳ类水占在2005~2014年各类水河长百分比矩阵。运用矩阵迭代运算2005~2014年每年的污水处理可行性方案（具体数据见表七、八、九：时间滞后性、逐步回归法、动态规划、排队论、平衡转移速率基本情况

问题提了相关部门和专家们的高度重视。断提前，长江断流日益近；水质严重，危及沿江许多城市的饮用水，相关信息2：国标(GB3838-2002)4个主要项信息3：过去10长江流域在不同时段的水质情况需要解决的问101020%以内，且没有劣Ⅴ类水,那么每年需要处理多少污水？问题分、需要将已有的历史数据进行合理归类、修正，然后对长江的水质作出分析、问题一的分析2727个月获得的水质的各项指标，包括溶解氧，高锰酸盐浓度，氨氮浓度，PH值。712个月的水文资料，包括水流量，流速以及各观测这里采用国标(GB3838-2002)和指标评价原则作为对长江水质情况的2的分站处排入江河的污染物的数量可以假设就是在该观测站处检测算得的污染物的问题三的分10枯水季节全流域，干流，支流的水质状况（各类水的比例丰水季节全流域，干流，支流的水质状况（各类水的比例水文年全流域，干流，支流的水质状况（各类水的比例从附表3中我们发现，与各类水河长百分比可能相关的因素有时段、评问题四的分(1)长江在过去十年的水质状况问题五的分3、长江水质综合评价和各地区水质污染情况分1基本假设t3符号设定i:数据采样时所处的月份（200361j:（3k:各项水质指标的编号（PH1;DO2;CODMn:3;NH3-N4XijkjkikkWjj模型建立（3.4各地区水质总体指标的确对两年多来每个观测点的各个水质指标（PH,DO,CODMn,NH3-N的测Xjk1l

X

（其中的为当地水质的类别。例如：当某测试点两年来DO的均值是6.8（符合Ⅱ，CODMn，NH3-各水质指标的归类函数HjkGXjk，其中GXjk)H11为Ⅱ类。HjminHk长江水质综合评价函数根据《地表水环境质量标准其中两个指标CODMn和NH3-N的评价标准WHWT*H权重的确定3可以得到长江干流上每个观测点的水流量，结合各观测点两年来CODMnNH3-N浓度的数据，则污染物的浓度与水流量的积可以看作是单位 供水量V=V2-供水量V=V3- 这个假设可以避免我们对支流水质情况的讨论因为两观测点间的各支流模型求解为行文的方便起见这里仅给出了在运用计算平均值方法下采用水质评（：、各地区水质污染状况7个城市均达到了二级标准，V类型，特别差，查找程序运行时得出的数据可以4.6332mg/L，与国家标准对比表发现该值确实是严重。、对长江水质的定量综合评价1（DO=7.7340mg/L,（CODMn=2.4661氨氮（NH3-N）0.2144mg/L模型的进一步讨论分析研究长江干流主要污染源在哪些地补充假设如下有关符号的约定iijjVijijvijijmijijPjjMijijrT：单位时间（月Sj,j1：在第i个月时第j观测点到第j+1个观测点的距vij,j1：在第i个月时水流从第j观测点到第j+1个观测点的速tij,(j1)ijj+1Cijij模型的建ij（即Mij） 月的水流量V（m3s）与该观测点该月的污染物浓度C（mgL=g/m3 个月的时间T（30×24×3600s）

Vij*T

MijMij

下面来确定tijj1。我们假定水流速vij相邻观测点间的时间可由定积分S

ti

(s)dt确定。

(sLagrange 0 出水流经任意两相邻观测点间的时间tiijj+1vijj1 vijj1(vijvij1)/

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

综合以上四个式子可以得到在第ij

ij附表3有长江各干流观测点12个月各污染物的浓度，计算各观测各月份排对时间滞后性的研究时间间隔为1个月的话某月在上游观测点中得到的数据和相邻下游观测点得到的数据是不能够运用上述模型所获得的（5）式进行运用的，因为第i个过上游观测点的水流在第i+1个月才到达相邻下游观测点，而相邻下游观测点第i个月的水流是第i-1个过上游观测点的水流。因此（5）式应当作进一步改

1rtij1,

i1,j这仅仅是一个简单的讨论，因为水流流经两相邻地区的时间间隔不是固定安庆-4.16736.27675.01545.69941.69014.3096模型的求解我们求得12个月各观测点水速以及各观测点污染物浓度的期望，以此代表（1（2（3（4）测点排放污染物的数量，运用程序求解得到了所要求的主要污染物的（2）高锰酸盐污染源的主要分布地区氨氮污染源的主要分布地区说明：在用附件2求氨氮污染源的主要分布地区时，矩阵C应换成各观测点对长江未来水质污染发展趋势的预测分补充假设符号设定1x1

,x2

x3 2xx

xx

,x63、x7：该年长江总流量4、x8：该年废水排放总量模型的建逐步回归法研究各个自变量对各类水河长百分比的影我们认为所列各项因素 x8不一定每一项都对Ⅰ类河长的百分比有显百分比与各项因间的模型，这个模型应尽量简单和有效，并且由此能给长江（见文献[2]323-324）利用统计工具箱中的逐步回归命令stepwise，以某类河长百分比因变量，各项因素 x8为自变量，得到如图窗口图七、8StepwisePlotNextstep“Move

图八、仅含x8模型的Stepwise窗（5.3.3）预测未来十年每年的长江总流观察图九可以发现，1998得到剔除掉异常点后的拟合曲线（图十预测未来十年每年的废水排放总表三、未来十年每年的废水排放总量（单位：亿吨趋势，其中，200420051.9运用动态规划和排队论思想预测长江未来水质污染趋势一、选取过去十年水文年全流域各类河长百分比数据构造初始矩阵A，并A 3.13.41.64.1A Ai1995i5.36.810 再选取过去十年第i类水每相邻两年的变化率作为未来十年第i+1类水的每相邻页水水水水水从矩阵A的第一列元素可以看出在过去十年中Ⅰ类水从所占的25.8%1.2%，显然如果对废水排放总量不加控制的话，未来十年中Ⅰ类水从所水水水水水20041995百分比十分相似（19525.8%20426.9%102004年水体循环系统的状况：水水水水图十六、2004水水水2014年的水体循环系统状况B：A中第六列元素，因为劣Ⅴ类水不能够再向别的水类型转化，得A。 A' A'第二行的数据除以第一行的数据，得到各类水在未来一年所占总BA'BBA'（B4得到）得到转移矩阵BB=用初始条件矩阵T.*B（TB相应元素相乘，就可以得到未来十2005200620072008200920102011201220132014表四、200510年的Ⅱ~200521II表五、200510I22005~2014I1，我们利用归一化思想进行标准化处理。5%2005200620072008200920102011201220132014表六、2005105.4模型的进一步讨论6、给定控制条件下的对每年需要处理污水数量的分模型求1：2005200620072008200920102011201220132014以避免在求转移矩阵时出现除数为0的情形。2：（200520%2005~2014行性方案。20052005199620052006201520062006920052014从上面表格数据我们可以直接得到2005（数据的意义为劣Ⅴ类水占总河长的百分比00表七、2005之后，用处理后的2005年的数据作为转移矩阵中第一行元素去计算得到20060表八、20062007~201400000000000表九、2007~2014模型的评价和改进方向水水水V7、对解决长江水质污染的切实可行性建议和意养育4亿人，南水北调后便是8亿人。长江沿岸GDP占总量54%。长江是中国资源带、、产业带，长江就是我国经济脉[4]。但是长江现在却着前所未有的六大：森林覆盖率严重下降，泥沙含量增加，生态环境急剧；枯水期不断提前，长江断流日益近；水质严重恶化，危及沿江许多城市的饮用水，各种疾病肆虐沿江城乡；物种受到，珍稀根据预测：长江已陷入深度，若不及时拯救，10年之内，长江水系生态将濒临。解决长江水污染问题已经刻不容缓了。决长江的水质污染的最的问题就是要控制污染源。2的老路。针对此情况在当地群众当保教育是非常迫切的。只有从观念上堵住污染的，才可以彻底控制污染。相应的措施，将污染事故产生的降到最低。在长江沿岸建设场，防治洪水季节被冲入江中污染江水。对港口和船舶实行污染责任制，向江中排放污染物鼓励农民使用生物和有机肥这样可以减少和氨氮类化肥对将每个地区的环保改善状况列入当地的政绩挂钩使他们加大对[1]胡知能、运筹学（第二版，：科学，2004年月姜启源谢金星叶俊数学模型（第三版高等教育，2004年8雷功炎数学模型讲义，，2004年1周末报网“长江还有十年”htt 2005年9月18日附件：1：%各地区水质污染情况和长江水质综合评价的实现%其中矩阵Aii个月份各地区各水质指标的观测值，这里没有列出。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 岳阳 九江 安庆 乐山 宜宾 泸州沱江 丹江口水库 湘江 洞庭湖 汉江gtext('劣 赣江 鄱阳湖 2：%M2表示近一年多单位时间内流经第j个观测点的高锰酸盐污染物的平均质量，单位为g/s%V2表示近一年多单位时间内流经第j个观测点的高锰酸盐污染物的平均水流速单位为m/s%V3表示相邻两个观测点间的平均水流%M22表示近一年多在单位时间内由各观测点注入的高锰酸盐污染物的平均质%C表示一年多各个月份各观测点高锰酸盐的浓%U%v表示一年多各个月份各观测点高锰酸盐的水流C=[2.33.52.23.32.92.83322422222 951712612623642 951712612