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长江水质评价
长江水质的评价与预测
摘要
本文研究的是长江水质的污染状况及预测分析的问题。
现长江水质污染问题十分严峻,为了综合评价长江近两年多的水质情况,并且查找出污染源、预测长江未来水质污染的发展趋势,我们分别建立了三个模型。
对于问题一:
以溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮、PH值四个指标,我们建立了内梅罗指数模型,得到长江流域17个测量站在28个月中的内梅罗指数,根据内梅罗指数得出整个长江流域2003年和2004年的水质综合污染指数:
2003年为2.986,2004年为3.279。
这说明整个长江流域两年内水质综合污染指数升高,长江总体水质在逐渐变坏。
然后根据28个月中内梅罗指数大于1.0的月份个数分析各地区水质的污染状况。
分类
Ⅰ类
Ⅱ类
Ⅲ类
Ⅳ类
Ⅴ类
劣Ⅴ类
水质类别
优质
良好
轻微污染
污染
严重污染
强严重污染
测量站点
6、7、11、14
3、5、10
1、2、4、13
8、9、17
12、16
15
对于问题二:
我们将七个干流站点组成的主干流流域划分为六段,每一个站点检测的污染物浓度等于上一站点污染物降解后的浓度与这段流域内新投入的污染物降解后的浓度之和。
通过这种思想求出每月每段内新投入的污染物质量,并得出近13个月的平均量,分析得出在朱沱-宜昌和宜昌-岳阳这两段流域的污染物含量很高,并且进一步得出高锰酸盐和氨氮的污染源都在重庆、岳阳、宜昌周边的重工业区的结论。
对于问题三:
我们建立了灰色预测模型,预测未来10年6类水质所占比例,
模型通过了检验,并且对结果进行了分析:
十年之后第Ⅰ类水质将不存在,第Ⅱ类水质稍微降低,第Ⅲ类水质急剧减少,第Ⅳ类水质和第Ⅴ类水质所占比例不变,而第劣Ⅴ类水质急剧增加。
由此得出十年内可饮用水的比例大幅度减少,而严重污染的水质大幅度增加的结论。
对于问题四:
根据问题三的预测,,将B类、C类河长比例重新归一化,得到排出废物对B类、C类的影响比例,将B类中比例与允许的20%比较,分析B类中超出允许值的部分污水与C类的全部污水,建立模型,解的结果如下。
预测年份
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
处理污水量(亿吨)
132.6
149.2
179.4
204.1
231
257.2
290.3
325.48
361.5
398.25
对于问题五:
我们通过对以上问题的分析,得出相关结论,并对相关部门提出以下几条建议:
(1)提高公民环保意识;
(2)加强对污染源的治理;(3)改善长江沿岸的生态环境;(4)兴修水利,保护天然水库——湖泊;(5)完善法制,使治理长江有法可依。
关键词:
内梅罗指数、灰色预测、综合指标
1.问题重述
问题背景
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”,并发出了“拿什么拯救癌变长江”的呼唤。
相关水质检测信息
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。
附表:
《地表水环境质量标准》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
6
5
3
2
0
2
高锰酸盐指数(CODMn)≤
2
4
6
10
15
∞
3
氨氮(NH3-N)≤
0.15
0.5
1.0
1.5
2.0
∞
4
PH值(无量纲)
6---9
需要解决的问题
问题一:
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。
问题二:
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?
问题三:
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。
问题四:
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?
问题五:
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。
2.模型假设与符号说明
2.1模型假设
假设一:
水质评价仅采用四项指标:
溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮指数和PH,不考虑其他评价指标;
假设二:
把I类、Ⅱ类、Ⅲ类水归为第一种用途水(人可直接接触使用的),IV类水设为第二种用途水(人可间接接触使用的),V类和劣V类水设为第三种用途水(人不可接触使用的);把Ⅳ类、V类和劣V类水都看作污水;
假设三:
长江干流的自然净化能力是近似均匀的;
假设四:
一个观测站的水质污染主要来自本地区的排污和上游的污水;
假设五:
长江在未来的10年中的水量来源基本保持稳定,不存在极端的天气现象,如数十年乃至百年不遇的洪涝灾害或干旱;
假设六:
长江沿岸各个排污点排污速率是定常的,污染物在水中的扩散是稳定;
假设七:
长江的流速足以使某点的污染物浓度或其他指标仅受到该点的污染排
放和上游的污染排放的影响,其下游的污染物扩散作用则忽略。
2.2符号说明
符号
符号说明
表示第i种单因子评价指标的实测值
表示第i种评价指标的第j类的水的标准值;
第m个观测站第n个月的水质污染状况的总污染指数
表示第k段流域的河长所占的总干流河长的比例
表示第n个月整个长江干流的总污染指数
表示第n个月整个长江支流的总污染指数
表示第i个观测站测量的水流速
表示第i个观测站测量的水流量
表示第i个观测站的某种污染物的测量浓度
表示第k段流域投入的某种污染物的质量
i=1、2、3、4;j=1、2、3、4、5、6;
m=1、2、……、17;n=1、2、……、28;k=1、2、3、4、5、6
3.问题分析
本题研究的是长江水质的评价和预测问题,在附件3中给出了从2003年6月到2005年9月这28个月的长江流域17个主要观测城市的水质检测报告和长江干流主要观测站点的基本数据,报告中详细的列出了长江流域不同观测点的各种污染物的浓度值,通过分析这些数据可以得到长江流域各个监测站个月的水质情况,通过对这些观测点的水质变化进行分析可以得到各个地区的水质污情况。
针对问题一:
由于衡量水质状况的指标很多,而内梅罗指数是一种兼顾极值或称突出最大值的计权型多因子环境质量指数。
首先,建立内梅罗指数模型,得到长江流域17个测量站在28个月中的内梅罗指数,根据28个月中内梅罗指数大于1.0的月份个数分析各地区水质的污染状况。
然后,根据根据28个月中17个观测站的内梅罗指数求出整个长江流域干流和支流的综合污染指数。
最后,作出2003年与2004年干流的污染状况走势图,比较两年中长江干流的污染情况;作出2004年支流和干流的污染状况走势图,比较支流和干流的污染情况。
针对问题二:
以2004年四月至2005年四月长江干流主要观测站点的基本数据为依据,对污染物高锰酸盐指数和氨氮进行分析,将七个干流站点组成的主干流流域划分为六段,每一个站点检测的污染物浓度受上一个站点污染物与这段内新投入的污染物的影响,即检测污染物浓度等于上一站降解后浓度与这段内污染物(投入质量与段内平均流量比值)降解后的浓度之和,通过这种思想求出每月每段内新投入的污染物质量,并得出近13个月的平均量,找出哪一段污染物质量较大,即污染源在哪段。
针对问题三:
预测长江未来水质污染的发展趋势,我们可以建立灰色预测模型,预测未来10年6类水质所占比例,并且作出未来10年6类水质所占比例的走势图,分析长江未来水质污染的发展趋势。
针对问题四:
根据问题三的预测,将将I、II、III类水合为A类,IV、V类水合为B类,VI为C类,并得出各自的比例,在江水污染时,可以将排除的污染物看成只对B类、C类水构成污染,将B类、C类河长比例重新归一化,得到排出废物对B类、C类的影响比例,将B类中比例与允许的20%比较,分析B类中超出允许值的部分污水与C类的全部污水。
即需要处理的污水量。
针对问题五:
通过以上四个问题的分析,我们可以得到长江水质的相关结论,并且向相关部门提出保护长江的建议。
4.问题一的解答
针对问题一:
由于衡量水质状况的指标很多,任何一个具体的环境问题都不是单因子问题,当参与评价的因子数超过1时,就需要采用多因子综合质量指数来表述环境质量状况。
内梅罗指数是一种兼顾极值或称突出最大值的计权型多因子环境质量指数,可以综合评价各地区水质的污染状况,针对问题一我们建立了内梅罗指数模型。
4.1模型一的建立
4.1.1数据的归一化处理
对于地表水环境质量标准的四个主要项目指标来讲,原始数据的量纲各不相同,根据附表中提供的项目标准限值,对数据归一化处理:
以一个观测点某一时刻为例,分别记四个主要项目指标为
、
、
、
,
(1)对于氨氮(NH3-N)的单因子评判指标定义为:
(2)对于高锰酸盐指数(CODMn)的单因子评判指标定义为:
(3)对于溶解氧(DO)来讲,当实测值等于标准值(
)时,
;当
(饱和溶解氧)时,
,所以应该适当提高
区间相对污染值。
溶解氧(DO)的单因子评判指标定义为:
注:
为正整数,根据实际情况,在这里
取2
(4)对于PH值来讲,从表中可以看出,对于6—9之间的PH值来讲,均为可饮用水,假设当PH值=7时,水质是最好的,因此PH值的单因子评判指标定义为:
4.1.2单个观测点水质的评价函数
内梅罗指数特别考虑了污染最严重的因子,内梅罗环境质量指数在加权过程中避免了权系数中主观因素的影响,是目前仍然应用较多的一种环境质量指数。
评价第m个观测点第n个月的水质污染状况的总污染指数表达式为:
式中:
表示第i种指标的实测值;
表示第j种用途的水的标准值;
为各单因子环境质量指数中最大者,
为各单因子环境质量指数的平均值。
内梅罗环境指数评价法判断环境质量与评价标准之间的关系:
一般来说,
>1时,说明环境质量已不能满足评价标准的要求;
=1时,说明环境质量处于临界状态;
<1时,说明环境质量较评价标准的要好。
4.1.3长江流域水质的综合评价函数
假设一个观测站代表一块水域,这样17个观测站代表的水域覆盖了整个长江流域且不重复覆盖。
整个长江干流水域水质的综合评价应等于长江干流7个观测站总污染指数的线性加权和,权值为,即:
式中:
表示第k段流域的河长所占的总干流河长的比例
由于长江支流水域的观测站之间的距离近似均匀,则整个长江支流水域水质的综合评价应等于长江干流7个观测站总污染指数的平均值,即:
支流水质的综合评价应等于长江支流10个观测站的污染指数平均值,即:
4.2模型一的求解
使用内梅罗指数法得到长江流域17个测量站在28个月中的内梅罗指数见附录一。
表4.1:
水质综合指标分类限值
分类
Ⅰ类
Ⅱ类
Ⅲ类
Ⅳ类
Ⅴ类
劣Ⅴ类
水质类别
优质
良好
轻微污染
污染
严重污染
强严重污染
指数平均值<=
0.8
0.9
1.2
1.5
2.0
-
28个月中指数大于1.0的月份个数<=
1
3
5
7
12
28
表4.2:
各地区水质的污染状况评价
序号
点位名称
断面情况
指数平均值
28个月中指数大于1.0的月份个数
污染状况评价
1
四川攀枝花
干流
0.8594
4
轻微污染
2
重庆朱沱
干流(川-渝省界)
0.7473
5
轻微污染
3
湖北宜昌南津关
干流(三峡水库出口)
0.6529
2
良好
4
湖南岳阳城陵矶
干流
0.7960
5
轻微污染
5
江西九江河西水厂
干流(鄂-赣省界)
0.5567
2
良好
6
安徽安庆皖河口
干流
0.5600
0
优质
7
江苏南京林山
干流(皖-苏省界)
0.5382
1
优质
8
四川乐山岷江大桥
岷江(与大渡河汇合前)
1.0171
7
污染
9
四川宜宾凉姜沟
岷江(入长江前)
1.4355
7
污染
10
四川泸州沱江二桥
沱江(入长江前)
0.8513
3
良好
11
湖北丹江口胡家岭
丹江口水库(库体)
0.7251
1
优质
12
湖南长沙新港
湘江(洞庭湖入口)
1.1151
11
严重污染
13
湖南岳阳岳阳楼
洞庭湖出口
1.0161
4
轻微污染
14
湖北武汉宗关
汉江(入长江前)
0.6176
1
优质
15
江西南昌滁槎
赣江(鄱阳湖入口)
1.8278
18
强严重污染
16
江西九江蛤蟆石
鄱阳湖出口
0.9207
8
严重污染
17
江苏扬州三江营
夹江(南水北调取水口)
0.7319
7
污染
4.3结果分析
4.3.1对长江近两年多的水质情况定量综合评价
对表4.2中数据用长江流域水质的综合评价函数求解得结果如下:
整个长江流域2003年和2004年的水质综合等级评价如下表所示:
2003年
2004年
水质综合污染指数
2.986
3.279
从表中得知:
整个长江流域两年内水质综合污染指数升高,说明长江总体水质在逐渐变坏,如不采取有效措施,长江总体水质将继续呈恶化趋势。
4.3.2分析各地区水质的污染状况
干流和支流内梅罗指数的比较
选取干流上的湖南岳阳城陵矶和支流上的江西南昌滁槎
注:
兰线为湖南岳阳城陵矶红线为江西南昌滁槎
由上图可知:
干流水域的污染指数明显低于支流水域,这主要是因为干流水域水流量大,降解能力强,而支流水域水流量小,降解能力弱;支流水域28个月的污染指数变化很大,这主要是因为周边重工业区投入大量污染物。
2003年和2004年干流内梅罗指数的比较
注:
兰线为2003年干流水域污染状况红线为2004年干流水域污染状况
由上图可知:
2004年长江干流水域的污染情况比2003年长江干流水域的污染情况更严重。
5.问题二的解答
针对问题二:
需要确定产生污染物高锰酸盐指数和氨氮的污染源。
5.1模型前的准备
降解系数:
由题意知,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。
由于长江干流的自然净化能力可以认为是近似均匀的,而主要污染物是高锰酸盐和氨氮,因此可以认为主要污染物高锰酸盐指数和氨氮的降解系数在整个长江流域是近似不变的。
降解函数:
由于江河自身对污染物有一定的净化能力,因此污染物投入干流后,在干流的流动过程中,其污染物浓度会不断降低,降解函数是指以e为底,以-kt为降解因子的衰减函数,即
,污染物以
的速率进行降解。
5.2模型二的建立
将主干流上7个测量站之间的流域分为6段,通过计算每段投入的污染物质量来确定污染源的位置。
5.2.1相关数据的计算
由于每段主干流流域的流速和流量近似均匀,故可根据每段流域的前后两个测量站的测量流量和测量流速求出这段流域的平均流速和平均流量。
第k段流域的平均流速为:
(k=1、2、……、6i=1、2、……、6)
第k段流域的平均流量为:
(k=1、2、……、6i=1、2、……、6)
由于长江干流上第i个测量点的污染物的测量浓度是由前一个站点的污染物经过降解过程流到该测量点的污染物浓度和第k段投入的污染物经过降解过程流到该测量点的污染物浓度共同作用的结果。
第i个测量点的污染物经过降解过程流到第i+1个测量点的污染物浓度为:
i=1、2、……、6
第k段投入的污染物经过降解过程流到该测量点的污染物浓度为:
k=1、2、……、6
第i+1个测量点的某一种污染物的测量浓度为:
i=1、2、……、6
5.2.2目标函数的确定
第k段流域投入的某一种污染物质量为:
k=1、2、……、6
5.3模型二的求解
由matlab软件求解出主干流上六段干流的高锰酸盐指数和氨氮指数,结果如表6.1和表6.2所示。
表6.1主干流上六段干流的高锰酸盐质量
攀枝花-朱沱
朱沱-宜昌
宜昌-岳阳
岳阳-九江
九江-安庆
安庆-南京
2004.04
503.441163
748.787595
1038.341091
408.1211748
78.85504183
30.15153644
2004.05
660.0249296
1278.86144
1578.639299
496.1093418
105.1873125
47.27521577
2004.06
526.3448254
770.931632
561.0254376
239.7486737
78.53439413
78.21442259
2004.07
399.0950359
546.004645
391.8574112
140.6364377
55.1216046
56.04045998
2004.08
396.8812457
595.243905
396.8289386
157.4833579
64.42098994
44.44674288
2004.09
323.4762564
259.254549
387.7281387
152.3893107
153.9656256
120.6251017
2004.10
786.3991285
611.63514
328.1673448
150.1686338
77.74559774
46.86744556
2004.11
1080.032786
956.566129
1691.319159
476.4312028
104.5579658
61.77256359
2004.12
669.9567678
1802.04024
1802.040163
507.7189748
123.0860551
77.95763937
2005.01
3381.007172
2352.29347
5358.471108
1119.496143
189.3304592
105.0470953
2005.02
3895.994447
7978.83997
8015.477657
1069.494498
163.5440969
99.80928828
2005.03
4288.768398
8754.21721
5416.386233
776.4895373
145.9658362
78.69468813
2005.04
3048.519085
3946.71244
7315.676715
1179.603133
156.6138755
72.82867908
表6.2主干流上六段干流的氨氮质量
攀枝花-
朱沱
朱沱-宜昌
宜昌-岳阳
岳阳-九江
九江-安庆
安庆-南京
2004.04
4.71431217
6.4231679
7.7316145
0
0
0
2004.05
35.7721965
60.135072
74.859465
20.955467
3.1696156
0
2004.06
16.4397698
20.999449
10.796563
0.3692102
0.1024318
0
2004.07
11.5761066
13.024712
8.9364836
0
0
0
2004.08
0
14.966791
8.7512041
0
0
0
2004.09
16.5830176
8.5702452
1.9367396
0
0
0
2004.1
15.2401922
7.5171082
2.5357599
0
0
0
2004.11
30.1884663
23.59372
44.154032
8.6873112
0.1873879
0.6382379
2004.12
33.4978384
85.329387
89.656008
23.657949
6.0840528
3.100382
2005.01
297.797625
203.08205
471.04465
98.840957
16.67626
9.6286244
2005.02
524.886862
1072.5343
1081.2252
144.16431
25.698291
16.100904
2005.03
44.9121883
90.461258
57.958736
3.2843393
0.0108426
0
2005.04
406.999858
521.55041
978.03606
156.79142
23.23785
13.023991
由上表可知:
在朱沱-宜昌、宜昌-岳阳这两段流域高锰酸盐质量很高,在攀枝花-朱沱这段流域高锰酸盐质量较高;在朱沱-宜昌、宜昌-岳阳这两段流域氨氮质量很高,在攀枝花-朱沱这段流域氨氮指数较高。
5.3结果分析
2004年四月至2005年四月长江干流上7个测量站的污染物平均测量值
攀枝花-
朱沱
朱沱-宜昌
宜昌-岳阳
岳阳-九江
九江-安庆
安庆-南京
高锰酸盐量
1535.380095
2353.95295
2637.073746
528.7608014
115.1483735
70.74852913
氨氮量
110.662187
163.70674
218.27865
35.134689
5.782056
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