某河段水质时空变异特征分析.docx
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某河段水质时空变异特征分析
西南交通大学
本科毕业论文
某河段水质时空变异特征分析
Analysisofspatialandtemporalvariabilityofwaterquality
年级:
2009级
学号:
20094644
姓名:
曹丰华
专业:
环境工程
指导老师:
刘颖
2013年6月
院系环境科学与工程学院专业环境工程
年级2009级姓名曹丰华
题目某河段水质时空变异特征分析
指导教师
评语
指导教师(签章)
评阅人
评语
评阅人(签章)
成绩
答辩委员会主任(签章)
年月
毕业论文任务书
班级2009级环境三班学生姓名曹丰华学号20094644
发题日期:
2012年11月30日完成日期:
月日
题目某河段水质时空变异特征分析
1、本论文的目的、意义
水质现状评价是根据水质现状监测资料进行的,目的是对水体的水质现状有一个明确的了解。
水体现状评价可以反映出水体污染程度及主要污染类别。
因此水质现状评价是进行水质管理的基础,是进一步研究水质模拟以及水污染控制规划的主要依据之一。
本课题旨在根据某流域的近年水质监测数据进行统计分析,探讨了流域内水体污染物浓度变化的时空变异特征,为流域水污染治理、水环境保护以及生态修复提供依据,分析水体污染物浓度的时间变化规律及流域范围内水体污染物浓度变化趋势。
2、学生应完成的任务
针对该毕业设计选题,学生应完成的任务包括以下方面:
1)外文翻译
2)文献资料收集、阅读
3)根据某流域的水质监测数据,评价流域水质现状
4)进行水质污染指标间的相关性研究
5)分析流域水体污染物浓度变化趋势
6)分析水体污染物浓度变化的影响因素
7)
3、论文各部分内容及时间分配:
(共16周)
第一部分外文翻译、研究目的及意义(2周)
第二部分流域水质现状评价(2周)
第三部分水质污染指标间的相关性研究(3周)
第四部分流域水体污染物浓度变化趋势分析(4周)
第五部分水体污染物浓度变化的影响因素分析(3周)
评阅及答辩(1周)
备注
指导教师:
刘颖2008年12月24日
审批人:
年月日
目录
摘要VI
AbstractVII
第一章绪论1
1.1课题的背景1
1.2国外水环境质量评价发展情况2
1.3国内水环境质量评价发展情况4
1.4研究内容4
第二章评价方法的选择5
2.1常用的水质评价方法5
2.1.1普通指数法5
2.1.2主成分分析法6
2.1.3模糊综合评价方法7
2.1.4灰色系统评价法8
2.1.5内梅罗指数法9
2.2评价方法的优缺点比较9
第三章长江宜宾段水质评价11
3.1流域概况11
3.2水质监测数据12
3.3水环境质量评价15
3.3.1污染物浓度变化简单分析15
3.3.2污染物浓度随空间变化分析20
3.3.3单因子指数法22
3.3.4改进内梅罗指数法26
3.3.5主成分分析法31
3.3.6本章小结36
3.4水体富营养化以及治理措施36
第四章水质指标间的相关性研究38
4.1水体中水质指标的统计特征39
4.2相关系数分析42
4.3基于曲线估计的相关性分析43
4.3.1酸碱度与石油类物质间的曲线估计44
4.3.2溶解氧与氨氮的回归分析46
4.3.3小结47
结语49
参考文献51
致谢53
摘要
本文以长江宜宾段为研究对象,探讨流域内水体污染物浓度变化的时空变异特征。
根据长江宜宾段近年水质监测数据,采用不同的水质评价方法,分析水中污染物浓度的时间变化规律以及流域范围内水体污染物浓度变化趋势和影响因素,并对水质指标间的相关性进行了研究。
在水质评价方面,首先在2004年、2008年和2012年三年水质监测数据的基础上,采用了以单因子指数评价法为基础,然后再以改进内梅罗指数法和主成分分析法进行综合评价的评价方法,既对单个水质指标做了评价,也从整体上对长江宜宾段水质情况做了一个综合的评价,分析了各个水质指标随时间的变化趋势。
在对于各个水质指标间的相关性研究时,主要采用相关系数法和曲线回归估计法确定指标间的相关性,通过分析水质指标间的相关系数和曲线估计的方法分析水质指标间的相关性,并结合回归系数建立估计方程,确定水质指标间的相关性。
根据所建立的回归方程,预测相关指标的取值范围和判定监测值是否离群,以便于更加有效合理的预防水体污染以及对已造成污染的流域采取有效的治理措施。
关键字:
水质评价相关性分析主成分分析相关系数法曲线估计
Abstract
Watershedpollutionandwaterqualitycharacteristicsaswellasthemostrecentyearforwaterqualitymonitoringdatatoexplorethespatialandtemporalvariabilityofbasinwaterpollutantconcentrationtodeterminetheappropriatewaterqualityevaluationmethod,whilefocusingonthecorrelationbetweentheindicatorsofwaterpollutionandanalysiswaterpollutantconcentrationtimevariationandbasin-widewaterpollutantconcentrationtrendsandinfluencingfactors.
Intermsofwaterqualityevaluationonthebasisofwaterqualitymonitoringdatain2004,2008and2012,adoptedonthebasisofsinglefactorindexevaluationmethod,thentoimprovetheneimeiluoindexmethodandcomprehensiveevaluationontheprincipalcomponentanalysismethod,bothforsinglewaterqualityindicatorsforevaluation,alsoonthewholetotheYangtzeriveryibinsectionofthewaterqualitysituation,madeacomprehensiveevaluation,analyzedthewaterqualityindexwiththetrendofthetime.
Whenstudyingonthecorrelationbetweeneachwaterqualityindex, mainlyusingcorrelationcoefficientmethodandcurvilinearregressionestimationmethodtodeterminethecorrelationbetweenindicators,throughtheanalysisofwaterqualityindicatorsofthecorrelationcoefficientbetweenandcurveestimationmethodstoanalyzethecorrelationamongthewaterqualityindexes,andcombinedwiththeregressioncoefficientestimationequation,todeterminethecorrelationbetweenwaterqualityindicators.Accordingtotheestablishedregressionequation,forecaststhescopeofrelevantindicatorsanddeterminewhetherthemonitoringvaluefromthegroup,inordertomoreeffectiveandreasonableandthepreventionofwaterpollutionhascausedpollutionoftheriverbasintotakeeffectivecontrolmeasures.
keywords:
evaluationofWaterqualityCorrelationanalysisPrincipalcomponentanalysisThecorrelationcoefficientmethodCurveestimation
第一章绪论
1.1课题的背景
目前,国家环保部、审计署分别发布的水环境质量报告显示,我国环境保护虽然取得积极进展,但环境污染形势严峻的状况仍未改变。
在经济快速增长、资源能源消耗大幅度增加的情况下[32],我国污染排放强度大、负荷高,主要污染物排放量超过受纳水体的环境容量。
同时,我国人均拥有水资源量远低于国际平均水平,水资源短缺导致水污染加重,水污染又进一步加剧水资源供需矛盾。
长期严重的水污染问题影响着水资源利用和水生态系统的完整性,影响着人民群众身体健康,已经成为制约我国经济社会可持续发展的重大瓶颈。
我国主要河流污染未能得到有效遏制,污染负荷不断增加、污染治理进展艰难、水污染加剧的态势未能得到有效遏制。
湖泊水库富营养化问题严重,形成以氮、磷污染为基本特征的湖泊水环境问题,集中表现为湖泊水库富营养化严重。
河口地区和局部近岸海域污染严重,导致河口水环境质量退化。
饮用水安全受到威胁,饮用水源不仅受常规污染物污染,而且受新型有毒物质污染,饮用水的深度处理、输配送技术相对落后,已经威胁到城乡居民的饮用水安全。
此外,不合理的经济社会活动、水土资源的过度开发以及全球气候变化,生态用水被大量挤占,河流干枯、湿地退化、流经城市的河段受到严重污染,城市河流普遍发黑发臭,生物多样性减少,河流水生态系统受到严重破坏。
水环境的现实状况与经济社会发展对水环境的需求之间存在着尖锐矛盾。
长期以来缺乏系统性、协同性和创新性[33]的科学研究水污染问题,水污染控制的技术支撑比较薄弱。
水污染依然严重的态势尚未得到根本扭转。
未来5~15年,甚至更长时间内,伴随我国经济社会的高速发展,水资源与水环境质量仍然是制约与胁迫我国经济社会发展的重大瓶颈。
就目前环境现状而言,全国重点流域水环境总体达到轻度污染,其中海河为重度污染,重金属超标现象严重,黄河流域的水污染防治,虽然干流总体水质为优,但是主要支流总体水质为重度污染。
环保部日前发布的2011年上半年中国重点流域水环境质量报告显示,2011年上半年,重点流域水环境质量总体为轻度污染。
据统计,重点流域主要污染指标为氨氮、高锰酸钾指数和五日生化需氧量,Ⅰ~Ⅲ类水质断面占48.8%,劣Ⅴ类水质断面占15.9%。
与上年同期相比,Ⅰ~Ⅲ类水质断面比例提高0.2个百分点,劣Ⅴ类水质断面比例降低3.5个百分点。
上半年,全国地表水有13项指标出现超标现象(不计化学需氧量)。
其中,总磷、氨氮、五日生化需氧量和高锰酸盐指数超标较为严重,超标断面占断面总数的20%以上。
七大水系水质总体为轻度污染,主要污染指标为高锰酸盐指数、氨氮和五日生化需氧量。
Ⅰ~Ⅲ类水质断面占53.9%,劣Ⅴ类占17.6%。
与上年同期相比,Ⅰ~Ⅲ类水质断面比例提高1.9个百分点,劣Ⅴ类水质断面比例降低4.4个百分点。
总体来说,我国当前的水环境形势依然不容乐观。
水环境质量评价是对某一水环境区域进行环境要素分析按照一定的评价标准、评价参数和评价方法,对水域的水质或水域综合体的质量进行定性或定量的评定。
通过环境质量评价,弄清区域环境质量变化发展的规律,分析水体污染物浓度的时间变化规律以及流域范围内水体污染物浓度变化趋势和影响因素,为区域环境系统的污染控制规划及制定区域环境系统工程方案提供依据,因此只有在环境质量评价的基础上才能进一步搞好环境区划和环境规划工作。
所以区域环境质量评价是区域环境污染综合防治的基础,是改善区域水环境质量目前迫切需要解决的问题。
对水环境进行质量评价及预测研究,为水环境管理决策提供科学依据,是水环境质量评价的目的。
1.2国外水环境质量评价发展情况
一直以来,环境质量评价一直都是各国环保部门及学者关心的课题,国外在60年代中期开始出现,到70年代发展已较成熟。
美国是比较早开展水质评价的国家。
在1965年,Horton提出将质量指标法用于水质评价;然后Brownd提出了水质质量指数,Nemerow和Ross分别提出了内梅罗法和Ross利用生化需氧量、氨氮、悬浮物以及溶解氧4项指标评价水质。
目前,水质环境评价不仅考虑物理和化学指标,还加入了生物指标,使得水质现状评价更加全面、科学。
从环境评价的发展来看,有由单目标向多目标,由单环境要素向多环境要素,由单纯的自然环境系统向自然环境与社会环境的综合系统,由静态分析向动态分析发展的趋势。
自从20世纪60年代Jacobs和Horton等提出水体质量评价的水质指数的概念和公式以来,国内外就不断有文献讨论水质评价方法,但至今仍无一种统一的评价模式,就现有的研究成果来看,水质评价方法大致可以归纳为如下几大类:
综合指数法、分级评价法、数理统计法、模糊数学法、灰色系统理论法、人工神经网络法、主成分分析法以及因子分析法等,其中综合指数法属于较为简单的一类评价方法,在20世纪60、70年代研究较多,国内外已提出几十种不同模式,比较典型的有由NemevowNL在其《河流污染的科学分析》中提出的一种指数计算方法,并且对纽约州的一些地表水污染情况进行了指数计算。
在东欧,前苏联等国家在这一时期也都相应地提出了各种评价模式,并在伏尔加河、顿河以及莫斯科河建立了河流污染平衡模式,取得了一定的效果。
美国在1969年确定了《国家环境政策法》,并提出了“战略环评”的概念。
在该法案中提出“在对人类环境具有重大影响的每一项建议或立法建议报告和其它重大联邦行动中,均应由负责官员提供关于该行动可能产生的环境影响说明”。
在70年代初期,美国运筹学家匹茨堡大学教授萨蒂在为美国国防部研究"根据各个工业部门对国家福利的贡献大小而进行电力分配"课题时,应用网络系统理论和多目标综合评价方法,提出了针对于水环境质量评价的层次分析法,层次分析法(AHP)是将决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次,在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法。
这种方法的特点是在对复杂的决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进行深入分析的基础上,利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化,从而为多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决策方法。
上世纪70年代中期,欧美其他国家开始将环境影响评价的应用扩展到战略层次。
80年代末,战略环评开始被全世界广泛接受,作用于战略实施全过程(政策-计划-规划-项目),新的环境影响评价体系逐渐形成。
如今,美国、加拿大、英国、荷兰、丹麦、瑞典、日本等许多国家都建立了环评战略系统。
1.3国内水环境质量评价发展情况
环境影响评价制度在我国经过了30年左右的发展,在评价理论、评价方法方面均取得了较大发展。
我国的水环境质量评价工作开始于1973年,大体上经历了4个阶段:
初步尝试阶段、广泛探索阶段、全面发展阶段和环境影响评价阶段。
在20世纪60、70年代以来,人们提出了一系列的关于水环境的评价方法,以准确定量地反应水环境质量的真实情况,综合指数法逐渐应用于水质评价,综合指数法主要是将大量经过统计的方法处理后求得其代表值,除以各个指标的水质标准值,算得各个指标的分指数,带入指定公式后得到的一个无量纲常数,以定量和客观地评价水质情况。
综合指数法是一种较古老的评价方法,算是我国水质综合评价方法的起步。
20世纪90年代,各种数学方法和模型的广泛应用使得水质评价方法得到进一步扩展。
常见的有神经网络法、投影寻踪方法、灰色指数法、物元分析法等。
现在,水质评价几乎成为所有综合环境质量评价中不可缺少的重要内容。
1.4研究内容
城市河流是一个多因子的复杂系统,对其评价时评价因子较多,本文以长江宜宾段为研究对象,分别采用以单因子指数评价法进行水质评价,然后再以改进内梅罗指数法和主成分分析法进行水质综合评价。
最后通过分析水质指标间的相关系数和曲线估计的方法分析水质指标间的相关性,并结合回归系数建立估计方程,确定水质指标间的相关性。
根据所建立的回归方程,预测相关指标的取值范围和判定监测值是否离群。
第二章评价方法的选择
2.1常用的水质评价方法
水质综合评价实际上是[1]一种依据水质标准进行水质等级划分的典型的模式识别问题。
国内外用于水质综合评价的方法主要有单因子指数法、主成分分析法、灰色聚类法、模糊综合评价法等,就目前运用较多,评价结果较准确的三种方法:
即主成分分析法、灰色系统关联法和模糊综合评价法进行探讨,试图找出其在水质综合评价中的优缺点,旨在为水质评价方法的改进和应用研究积累资料。
2.1.1普通指数法
单因子污染指数法是将某种污[2]染物实测浓度与该种污染物的评价标准进行比较以确定水质类别的方法。
即将每个水质监测参数与《国家地面水环境质量标准》(GB3838—2002)进行比较,确定水质类别,最后选择其中最差级别作为该区域的水质状况类别。
通常以实测值C与标准值
的比值作为其数值:
。
单因子指数法的评价可分析该环境因子的达标(
)或超标(
)及其程度。
显然,
值越小越好,越大越坏。
在各单因子的影响评价已经完成的基础上,为求所有因子的综合评价,可引入综合指数,所用方法称为综合指数法,综合过程可以分层次进行,如先综合得出大气环境影响分指数、水体环境影响分指数、土壤环境影响分指数
然后在综合得出总的环境影响综合指数:
(2-1)
式中:
表示第
个环境要素;
表示环境要素总数;
表示第
环境要素中的第
环境因子;
表示第
环境要素中的环境因子总数。
以上综合方法是等权综合,即各影响因子的权重完全相等。
各影响因子权重不同的综合方法可采用如下公式:
(2-2)
式中:
表示权重因子,根据有关专门研究或专家咨询确定。
值求得后,又可以根据其数据与健康、生态影响之间的关系进行分级,转化为健康、生态影响的综合评价。
2.1.2主成分分析法
主成分分析是一种数学变换方法,它把给定的一组相关变量通过线性变换转换成另一组不相关的变量,这些新的变量按照方差依次递减的顺序排列。
在数学变换中保持变量的总方差不变,使第一个变量具有最大方差,称为第一主成分,第二个变量的方差次大,并和第一个变量不相关,称为第二主成分,依此类推,最后一个主成分方差最小,且与此前的主成分不相关。
根据主成分分析的基本原理,可以把主成分分析的计算步骤归纳如下:
(1)为排除量纲和数量级的不同,首先要对原始数据进
行标准化处理
(i=1,2,,,p;j=1,2,,,p);(2-3)
式中,
为第i个指标第j监控点的原始数据;
和
分别为第i个指标的样本均值和标准差。
(2)根据标准化数据表
,计算相关系数矩阵
;其中
(2-4)
(3)计算特征值与特征向量,根据特征方程|
|=0,求出特征值
(i=1、2、、、p)并使其按大小顺序排列。
(4)计算主成分
贡献率
和累计贡献率
,一般取累计贡献率大于80%的特征值
所对应的第1、第2,,,第m个主成分。
(5)计算主成分负荷:
主成分载荷表征的是主成分
与原始变量
之间的相关系数,用
)表示。
主成分载荷的大小表明主成分能解释原始变量的程度。
。
求解L的问题转化为求X的协方差矩阵的特征向量问题,X经过标准差标准化后再求协方差矩阵,相当于直接求原始数据的相关系数矩阵,也等价于对标准差标准化后的数据求相关系数矩阵。
2.1.3模糊综合评价方法
1965年,查德提出模糊集合的概念,并把模糊(Fuzzy)一词引入技术文献当中。
水质评价涉及到许多模糊概念,1991年陈守煜等提出了模糊模式识别理论模型并将其应用于水质评价,该法利用模糊数学的[39]理论和方法解决模式识别问题。
随着模糊理论的不断完善和发展,改进的模糊模式识别模型[5]相继出现,其主要的计算步骤如下。
(1)标准矩阵Y和样本矩阵X规范化。
对于BOD、COD等数值愈大污染愈严重的指标,采用下列2式进行Y、X矩阵元素的变换:
(2-5)
(2-6)
对于DO等数值愈大污染程度愈轻的指标,采用下列变换公式:
(2-7)
(2-8)
将矩阵X、Y变为相应的实测指标相对隶属度矩阵[13]R和指标标准相对隶属度矩S。
(2)计算样本j对于h级水质标准的最优相对隶属度
公式为:
(2-9)
式中,指标权向量
(2-10)
(3)根据最大隶属度原则确定水质等级:
(2-11)
2.1.4灰色系统评价法
灰色评价法[7]是用灰色系统的方法来评价河流水质。
研究者认为,由于在水环境质量评价中所获得的数据总是在有限的时间和空间范围内监测得到的,所提供的信息不完全或不确切,因此说水环境是一个灰色系统,即部分信息已知、部分信息未知或不确切的系统,可以用灰色系统的原理来进行水质综合评价。
用灰色系统理论进行水质评价的基本方法是计算断面水质中各因子的实测浓度与各级水质标准的关联度,然后根据关联度大小确定断面水质的级别,根据同类水体与该类标准水体的关联度大小还可以进行优劣的比较。
应用于水质综合评价的灰色系统方法有灰色聚类法、灰色贴近度分析法、灰色关联评价方法等。
灰色聚类法是通过建立与隶属函数相似的白化函数(或称功效函数),进行灰色聚类,确定所有断面综合水质的级别;灰色贴近度分析法是对灰色聚类法的改进,将聚类函数的确定由分段、分斜率计算改为分段共斜率计算,并用共斜率的方法来确定聚类元素与其理想子集的贴近程度,从而确定其所属类别;灰色关联评价方法是以断面水质中各因子的实浓度组成实际序列,各因子的标准浓度组成理想序列,不同标准级别组成的不同理想序列,使用灰色关联度分析法计算实际序列与各理想序列的关联度,最后按照关联度的大小确定断面综合水质的级别,此为单断面水质综合评价的灰关联评价法;把灰色关联度评价法应用于研究具有多断面的区域水环境质量评价问题,就得到了区域水质综合评价的灰关联分析法。
如果将待评价样本作为事件,水质级别作
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