每年保留的IVV类的比例.docx
- 文档编号:6709062
- 上传时间:2023-01-09
- 格式:DOCX
- 页数:24
- 大小:173.16KB
每年保留的IVV类的比例.docx
《每年保留的IVV类的比例.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《每年保留的IVV类的比例.docx(24页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
每年保留的IVV类的比例
长江水质的预测和评价问题
摘要
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,我们应当予以足够的重视,行动起来,保护长江,使长江永葆青春.
以历年来长江流域的水质监测情况为依据,面对大量数据,我们首先利用概率论中的统计学理论对近两年多长江水域中三种污染物:
溶解氧、高锰酸盐类和氨氮的监测值进行了统计汇总,通过绘制直方图清楚的看出污染物总体分布符合正态分布规律,分析出在长江的总体水域中它们分别处于I、II、III类水质的水平,再根据环境评定的选择最低标准的原则,我们得出了长江流域的综合水平处于Ⅲ类的结论。
然后利用目前水质评价中较常用的综合指数法,引入权重系数以标志污染物超标倍数对河流水质的贡献率大小,综合指数中的整数部分代表水质类别、小数部分代表各污染指标的超标程度及其权重,在此基础上分析出长江流域17个地区的水质污染状况,并在正文中用图的形式给出了较为详细的表述。
其次,我们采用了较为简单且合理的一维水质模型来描述长江干流的水质状况,建立了直观的“节点——河段”的一维模型.首先假设相邻两河段间的污染物降解系数k不变,得出前一站点处污染物浓度对下一站点水质的影响程度;然后又在每一站点出引用了节点平衡方程(即节点前后污染物总量相等)。
综合考虑上一站点污染物浓度和两站点间排污点的影响,对节点处的污染物浓度进行了定量计算,得出了长江中下游段高锰酸盐和氨氮污染较严重的结论,并且通过定量比较,找到了两个需要重点治理的区域:
湖北宜昌-湖南岳阳城陵矶段及江西九江-安徽安庆段,这对长江水的治理工作有一定指导作用。
在前两个问题中,关于长江流域的水质情况我们着重从空间角度进行了分析。
在此基础上,我们又从时间角度,宏观的预测了长江水质污染的发展趋势。
用拟合函数的办法作出了能够较合理的评价长江水质的曲线,再结合河流的自身保护能力因素,预测了未来十年长江水质变化趋势:
长江将会逐渐失去自身调节能力;而且在目前污染程度不变的情况下,三年左右可饮用水将占不到总水量的50%,十年后仅剩下20%!
我们很痛心的看到:
如果对长江水不予及时和有效的治理、任其发展,后果将不堪设想,所以长江水治理工作刻不容缓且任重而道远。
在问题三的基础上,我们又对长江水中可饮用水百分比计算函数进行了参数修正,将修正后的公式直接运用到求解中,计算得出的结论是,只要在第一年(具体为04年末05年初)处理污水820亿吨,后续9年每年处理污水233亿吨,既可缓解长江的水质污染危机。
意识到长江水污染防治的紧迫性和重要性后,我们从点和面的角度进行了综合分析,并从化学、经济学、生态学出发,提出了一系列建议办法。
在文章最后,通过模型评价我们总结出了几方面的不足:
排污点过于简化,不能更准确地模拟现状;长江支流的水质状况分析不足;在长江水质未来预测模型中未能显示长江自身的调节能力。
所以我们认为模型有待于改进之处在于:
用概率分布模拟长江干流附近的排污口、取水口以及各支流的分布情况;在预测模型中再加入一个适当的自身调节因子,使其更好、更准确的预测长江水质的未来发展状况。
【关键字】概率统计综合指数法一维水质模型函数拟合降解系数
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。
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。
题目给出了长江沿线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,反映江河自然净化能力的指标称为降解系数,且长江干流的自然净化能力可以认为是近似均匀的。
题目还给出了“1995~2004年长江流域水质报告”的主要统计数据。
并在下面的附表中对PH值、溶解氧、高锰酸盐类以及氨氮四种主要项目标准进行了限制(标准采用了国标(GB3838-2002)给出的《地表水环境质量标准》),将水质分为六类,并规定其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类为可饮用水。
现有问题如下:
1.定量的综合评价长江近两年多的水质情况,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.分析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.解决长江水质污染问题切实可行的方法。
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%)
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
二.变量说明
E(m)评价指标m的概率期望(mg/L)
Ijj断面m项污染评价的综合指数值;
Cijj断面第i项污染参数的监测浓度值;(mg/L)
Si第i项污染参数的评价标准值;(mg/L)
qjj断面综合水质类别的影响系数。
ρ经验系数
Wi第i项污染物的权重
Cij前j断面邻近上流第i项污染物的浓度值(mg/L)
Cij排j断面邻近上流排污口处第i项污染物的浓度值(mg/L)
u水的流速(m/s)
L长江干流上相邻两站点间的河段长(km)
Q水流量(m3/s)
k污染物的降解系数(1/天)
w污染系数(表征单位时间内被污染的长江水的增加比例)(1/天)
K长江水质变化趋势系数(1/天)
Mt自2004年t年后的污水处理量(亿吨)
Vchj长江年平均流量(亿立方米)
每年保留的IV,V类的比例
U(t)污水排放量(亿吨)
Nj单位时间内流过j断面的污染物质量增加量(mg/s)
三.假设
1.j与j+1站点间的排污点、引水点均位于j站点的邻近上游,且两站点间只有一个排污点
2.水的流速u和流量Q是在每个站点处发生突变
3.第j个站点所测出的污染物浓度即为它邻近下游的污染物浓度
4.降解系数k是恒定的
5.不考虑站点处污水排放的混合时间
6.污水的治理时间在每年的年末
7.每年的污水排放时间随时间均匀分布
8.经过治理后每年没有劣V类的水排入长江
9.长江的水流量在一定范围内为均衡值
四.问题分析
对于问题一,通过题目我们已经具备了详细的数据,所以就是要找的合适的方法对数据进行处理、分析,使问题能够简单明了化。
在这里,我们决定用概率论知识统计出长江的综合水质水平,然后采用水污染研究领域中应用较为广泛的综合加权法,该法将综合指数和水质类别统一起来便于分析,优点在于其整数部分代表了水质的类别,小数部分考虑了各污染指标的超标程度及其权重。
而且由于溶解氧与其它水质参数有所不同,所以我们还考虑将其分离出来,单独计算后加到综合指数中。
另外,PH值的大小基本上在6-9范围内,对于整体水质级别的评定没有影响,所以在计算污染指数的时候不予考虑。
这样就可以评价各地区(即各断面)每月的水质污染状况,综合考虑之后利用概率论对长江近两年多的水质情况做出定量的综合评价。
问题二中,我们依照附录3所给的一年左右的数据,试图用水质评价中的一维水质模型,将长江干流上7个观测点简化为节点,而两站点间的河段也进行了必要的简化,比如忽略水流速度和流量的变化,其它外界条件对水质的影响等等,虽然数据会有一定的误差,但是经过对比仍然可以达到该问题的目标——哪一干流段上的污染更为严重。
问题三不同于问题二,它是从时间上考虑长江综合水质的发展趋势,而问题二是在空间上分析污染状况,一个是细节,一个是宏观。
这样可以省略细节问题、将实际进行简化,用数学中的数据拟合方法建立模型,预测长江未来十年的情况。
问题四是在问题三的基础上,通过分析从2004年之后每年的排污量及长江本身的自净能力,用数学中数据拟合的方法预测出长江以后十年每年需治理的污水量,已达到问题要求的水质标准。
五.模型的建立与求解
5.1问题一的模型建立与求解
要对长江流域进行综合评估,17个观测点的28个月的数据量很大,很难靠人工方法来分析数值的分布走向,所以采取统计学原理对大量数据进行归类汇总,以直方图的形式表示出来,这样可以清楚的看出污染物总体分布规律。
在一定的时空范围内,环境质量是随机分布的。
根据概率论中的期望理论,离散随机变量X的概率函数为:
P(X=ai)=pi,(i=1,2…)
当级数
收敛时,我们用E(X)表示随机变量X的数学期望。
即
E(X)=
(5-1-1)
在这里以频率代替概率是符合概率统计的基本理论的。
在对样本(X1,…Xn)进行参数估计的过程中,对于未知参数θ,给定0<α<1,如果存在两个统计量θ(X1,…Xn)、
(X1,…Xn),使得P(θ(X1,…Xn)≤θ≤
(X1,…Xn))≥1-α,[θ,
]称为θ的双侧置信区间。
它表示此区间覆盖未知参数θ的概率至少为1-α。
用matlab进行数据模拟,编写程序1-1,可得图5-1-1
图5-1-1
个数/个
从图中我们可以看到三种污染物中溶解氧、高锰酸盐的图形与正态分布接近程度很高,可直接利用matlab进行参数估计,直接求得其期望值E(DO),E(CDPMn),同时保证在一定的置信区间内,这两种评价指标的概率的可信程度都可以达到0.95,这样的概率可以满足我们的求解要求,可信程度较高。
虽然氨氮的分布并不符合正态分布函数,但是经过观察可以看出,数据集中度很高,在大量数据中只有个别数据严重偏离,我们通过分析可知,偏离数据是由于可能有突发性污染源,而并非具有普遍性,所以我们仍运用相同的方法进行求解。
无论降解系数稳定还是排污的均衡性都使得长江水域的污染物含量可以在一定程度上趋近于正态分布函数。
利用matlab的程序1-1求得的各个污染物的期望和0.95置信区间如下
表5-1-1单位:
mg/L
期望(E(M))
0.95的置信区间
溶解氧(DO)
7.8292
[7.65828.0002]
高锰酸盐(CDOMn)
2.9730
[2.83443.1117]
氨氮(NH3-N)
0.6230
[0.46400.7820]
将各污染物的浓度期望值与其各自的标准值相比较可知:
溶解氧属于I类水平,高锰酸盐属于II水平,而氨氮属于III类污染。
根据环境评定的“选择最低标准”的原则,我们可以认定长江流域的综合水平处于III类。
另外,分析资料中给出的各种污染物超标次数,溶解氧、高锰酸盐、氨氮分别超标次数为28次,14次和47次,而长江流域的级别是最后由等级最差的氨氮确定,这样可以认定氨氮为首要污染物,需进行严格治理。
当然这只是对于长江流域进行概括性的评价,随着对各个观测站点的深入分析,我们可以进一步补充说明长江的水质状况。
接着我们要对17个观测站分别进行水质的断面分析,而各个断面要综合分析各个污染物监测指标对水质的影响,从而达到对各地区综合评定的效果。
现存的水质评价模型很多,整体来看综合指数法应用广泛,但权重的确定是难点也是重点。
我们为了突出各评价指标的影响程度不同,设定权重系数Wi,令Wi=SiI/SiV它标志着以污染物超标倍数对河流水质的贡献率大小,这种权重设置方式的主要思想是基于水环境质量评定因子I类标准,同样的超标倍数,若达到更差类别的水质标准,即说明此污染指标对河流水污染超标率献大,并且考虑综合指数与水质类别相一致,这在对区域水质综合评价中具有一定的可比性。
通过上述分析,我们可以初步确定模型与水质评价函数Ij与qi及
等相关。
qi必然是一个1到6正整数,当水质类别为I、II、III、IV、V、劣V类时分别对应1,2,3,4,5,6;而
则可以表示出各污染物对水质的影响程度。
但为了通过一个评价函数同时直观了解到水质等级和水质的污染程度,所以我们人为地添加一个经验系数ρ,从而保证ρ×
能够保证只影响小数部分。
为了满足上述要求,对应污染等级取定ρ值如下:
表5-1-2
I
II
III
IV
V
VI
1
0.47
0.45
0.41
0.18
0.17
经过上述分析,我们最终确立的对各观测点的水质评定模型为:
Ij=qj+ρ×
(5-1-2)
确立模型之后,我们可以利用matlab编写程序1-2和1-3求解出各个观测点近两年多的水质污染评价的综合指数矩阵I17×28,但可以看出这样一个矩阵数据量大,无法直观地看出各地区的污染级别以及其随时间的变化趋势,鉴于这种情况,运用matlab绘制以时间(月)为横坐标,以数组Ij(j地区的污染评价的综合指数集合)为纵坐标,编写程序1-4,1-5,1-6,绘制图线如下:
图5-1-2,5-1-3,5-1-4图例说明
*各地的水质污染评价的综合指数
--各级标准综合指数界限
图5-1-2
Cj/mg/L
t/天
图5-1-3
t/天
Cj/mg/L
图5-1-4
t/天
Cj/mg/L
分析图线可知,标准综合指数可以把坐标区划分成若干区域,各区域依次代表各个等级的范围(I-劣V)。
这样可以清楚的分析出各地的污染级别,我们从以下几个指标进行衡量:
最高污染级别、集中污染级别、备注(污染状况说明)
表5-1-3
地区╲项目
最高污染级别
集中污染级别
备注
四川攀枝花
III
II
没产生过污染,水质始终满足饮用标准
重庆朱沱
III
II
水质稳定,波动较小,始终满足饮用标准
湖北宜昌南津关
III
II
水质稳定,波动较小,始终满足饮用标准
湖南岳阳城陵矶
V
II
有一次性突发污染,总体水质平稳
江西九江河西水厂
III
II
水质稳定,波动较小,始终满足饮用标准
安徽安庆皖河口
III
II
水质稳定,波动较小,始终满足饮用标准
江苏南京林山
V
II
有一次性突发污染,总体水质平稳
四川乐山岷江大桥
V
IV
水质起伏较大,水质不大部分时间不符合饮用标准
四川宜宾凉姜沟
IV
II
水质阶段性污染,近期内水质平稳且良好
四川泸州沱江二桥
劣V
II
水质阶段性污染十分严重,近期内水质平稳且良好
湖北丹江口胡家岭
III
I
水质稳定,波动较小,始终满足饮用标准
湖南长沙新港
IV
III
水质起伏较大,半数时间不符合饮用标准
湖南岳阳岳阳楼
IV
II
突发性短期污染,其余时间在可饮用范围内起伏
湖北武汉宗关
IV
II
突发性短期污染,其余时间在可饮用范围内起伏
江西南昌滁槎
劣V
V
水质始终污染严重,亟待治理
江西九江蛤蟆石
IV
II
突发性短期污染,其余时间在可饮用范围内起伏
江苏扬州三江营
IV
II
突发性短期污染,其余时间在可饮用范围内起伏
注:
加重数据所对应的区域为重污染区
5.2问题二的模型建立与求解
实际中,一条河流的水质污染因素是相当复杂的,在此,我们首先对长江干流部分作了如下的简化:
(1)河流的简化
污染物进入河流后,允许不考虑混合过程而假定在排污口断面瞬时完成均匀混合,然后可按一维问题概化计算条件,建立水质模型。
模型由河段和节点两部分组成,其中的节点(即站点)定义为河流上排污口、取水口、干支流汇合口等造成河道流量发生突变的点,并且水量与污染物在节点前后满足物质平衡规律(忽略混合过程中物质变化的化学和生物影响);河段定义为河流被节点分成的若干段,每个河段内污染物的自净规律符合一阶反应规律(即题目中的k是不变的,而且这里我们把它取作0.2)。
对于长江干流,我们依照实际的站点数将节点j取为7。
在每个节点处,用节点均匀混合模型进行节点前后的物质守恒分析,由于已测得节点后的河段流量和污染物浓度,而以上一节点后污染物浓度为初始条件,按照一维降解规律计算到该节点前的污染物浓度,表达式如下:
k=(LnCij-1-LnCij前)u/L(5-2-1)
图5-2-1
(2)节点平衡方程
考虑干流、支流、取水口、排污口均在同一节点的最复杂情况,水量平衡方程为:
Q干流混合后=Q干流混合前+Q支流+Q排污口-Q取水口(5-2-2)
污染物平衡方程为(忽略混合过程的不均匀性):
C干流混合后=
(5-2-3)
在这里,我们作了进一步的简化,忽略取水点对干流污染物浓度的影响(认为取水是在排水混合完成后进行的),将支流和所有可能的排污点看作一个总的排污口,皆集中都位于下一节点的邻近上游处,尽管这样会造成计算出的排污量要比实际小(因为实际中排污点是有分布和距离的,并且在到达下一站点时伴随有污染物的降解),但这并不影响几条河段之间排污量的大小比较,所以仍能解决第二问所提出的问题。
(3)排污量多少的比较
综合
(1)与
(2)我们得到了如下的排污口污染物浓度计算式:
Cij排=
(5-2-4)
但该式存在的问题是,其中(Qij-Qij-1)表示站点j处水流量的变化,我们认为这种变化仅来自于污水的排放,这也是不实际的,所以它不能表示排污量的相对大小,这样我们就引入另一变量Nj=Cij排*(Qij-Qij-1),物理含义是由于排污行为造成单位时间内流过j断面的污染物质量增加量,单位取作mg/s,通过Matlab(程序2004-4-1至2005-4-1和程序2004-4-2至2005-4-2)计算,可以证实各河段间的Nj是具有可比性的。
Nj出现负值时,说明这一河段上的排污点起到了降低河水污染程度的作用(因为我们在模型中把它看作各个排污点及支流等的总和),是有利的。
根据题目给出的2004年4月到2005年4月的水质监测报告,我们计算得到了下面的两组数据(表5-2-1和表5-2-2),表中的数据代表了这一年来每月各个河段上的Nj值:
表5-2-1各河段高锰酸盐污染指数
时间\地区
攀枝花
重庆朱沱
宜昌
岳阳
九江
安庆
南京
04-11
4200.0
15140.0
29834.0
58331.0
57446.0
69141.0
65503.0
04-12
1522.0
8230.0
31258.0
62452.0
54535.0
46264.0
57772.0
平水期
2861.0
11685.0
30546.0
60391.5
55990.5
57702.5
61637.5
05-1
8540.0
5297.0
14835.0
65035.0
45775.0
60289.0
66697.0
05-2
551.0
7036.0
15286.0
39965.0
56643.0
64757.0
6214.0
05-3
685.0
9504.0
19881.0
50091.0
38359.0
96352.0
77129.0
05-4
706.0
7878.0
20191.0
36653.0
44672.0
81175.0
63349.0
枯水期
2620.5
7428.8
17548.3
47936.0
46362.3
75643.3
53347.3
04-5
16000.0
21010.0
89480.0
143300.0
138090.0
202390.0
118650.0
04-6
10030.0
44610.0
109290.0
137180.0
104710.0
90740.0
115210.0
04-7
11180.0
58310.0
93810.0
177150.0
17680.0
97260.0
103970.0
04-8
21690.0
6990.0
103470.0
188960.0
56410.0
119350.0
47500.0
04-10
2610.0
28530.0
116880.0
91410.0
59960.0
103800.0
120190.0
丰水期
12302.0
31890.0
102586.0
147600.0
75370.0
122708.0
101104.0
可见,在一年多的时间里,平水期、枯水期和丰水期内高锰酸盐指数主要在三个区域出现较大值。
这三个区域分别是:
湖北到湖南段、江西到安徽段、安徽到江苏段。
表5-2-2各河段氨氮污染指数
时间\地区
攀枝花
重庆朱沱
宜昌
岳阳
九江
安庆
南京
04-11
90
2520.9
3534.3
8085.1
5703.1
3754.4
1809.5
04-12
76.1
3749.4
1219.5
5576
2829.2
3814.4
2881.2
平水期
83.05
3135.15
2376.9
6830.55
4266.15
3784.4
2345.35
05-1
49.8
2505.4
11187
5355.9
4005.5
4637.2
5869.9
05-2
91.8
2226.4
1162.9
5370.4
2373
4318.2
8926.3
05-3
162
2734
1611.4
5131.5
2342
8208.7
850.2
05-4
64.2
2639.8
664
5308.7
3126.5
5294
8453.4
枯水期
91.95
2526.4
3656.325
5291.63
2961.75
5614.53
6024.95
04-5
260
4281
7991
12737
9480
15828
5801
04-6
160
3117
10206
13803
4720
10120
2218
04-7
186
3604
4321
15954
-2197
13315
1663
04-8
3740
-1302
7280
15718
7516
9801
-2237
04-9
57
806
2345
1197
-12996
4822
-37078
04-10
261
4215
6091
12117
5035
8363
1836
丰水期
777.3333
2453.5
6372.33
11921
1926.3333
10374.8
-4632.833
注:
加重数据表示污染严重
从上表也可以看出,一年范围内,三种水期当中,氨氮污染较严重的区域集中在两个河段:
湖北到湖南段和江西到安徽段。
而且在另外几个河段,如安徽到南京段也在某些月份有较重的污染。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 每年 保留 IVV 比例
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)