長江水質(zhì)的評價和推測

長江水質(zhì)的評價和推測一、摘要我們通過對水質(zhì)污染項目標(biāo)準(zhǔn)限值、站點距離、水流量以及水流速的分析,討論了長江水質(zhì)的評價和預(yù)測問題。針對模型一我們首先運用了數(shù)據(jù)的歸一化和綜合進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理得出模型一然后由假設(shè)1,構(gòu)造整個長江流域水質(zhì)綜合評價函數(shù)，再結(jié)合附件（3）的數(shù)據(jù)繪制出圖表進(jìn)行分析。針對模型二我們通過對長江干流上7個觀測點近一年多的基本數(shù)據(jù)（站點距離、水流量和水流速）以及降解系數(shù)等的分析討論得到了長江干流近一年多主要污染物（CoDMn）和（“日3—N）的污染源主要在哪些地區(qū)及其排序，請見表五.二3-1以及表五二3-2。關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn)限值數(shù)據(jù)歸一化綜合評價二、問題重述長江是我國第一、世界第三大河流，長江水質(zhì)的污染程度日趨嚴(yán)重，已引起了相關(guān)政府部門和專家們的高度重視。2004年10月，由全國政協(xié)與中國發(fā)展研究院聯(lián)合組成“保護(hù)長江萬里行”考察團(tuán)，從長江上游宜賓到下游上海，對沿線21個重點城市做了實地考察，揭示了一幅長江污染的真實畫面，其污染程度讓人觸目驚心。為此，專家們提出“若不及時拯救，長江生態(tài)10年內(nèi)將瀕臨崩潰”(附件1),并發(fā)出了“拿什么拯救癌變長江”的呼喚(附件2)。依據(jù)題中所給的關(guān)于長江問題的近期數(shù)據(jù)，對下屬幾個問題進(jìn)行分析：對長江近兩年多的水質(zhì)情況做出定量的綜合評價，并分析各地區(qū)水質(zhì)的污染狀況。研究、分析長江干流近一年多主要污染物高錳酸鹽指數(shù)和氨氮的污染源主要在哪些地區(qū)？本問題要求對近兩年多的水質(zhì)情況做出定量的綜合評價，并分析各地區(qū)水質(zhì)的污染狀況。三、模型的假設(shè)1、 水體中各污染物的降解系數(shù)都是相同的2、 一個觀測站代表一塊水域，且水質(zhì)均勻，17個觀測站代表的水域覆蓋了整個長江流域且不重復(fù)覆蓋；3、 干流相鄰兩個觀測站的水流橫截面積之差即為兩觀測站間所有支流水流橫截面積之和。四、符號說明符號表示的意義單位備注Li第i個觀測點與第一個站點四川攀枝花的距離KMi=1......7vi第i個觀測點的水流速度m/sNij第i個觀測點第j種污染物的濃度j=l,2分別為CODMn和NH3-Nmg/1N'(/第i個觀測點第j種污染物經(jīng)降解后在下一觀測點的濃度mg/1wij第i個觀測點第j種污染物的總量gVj第i個觀測點第j月的每秒的流量m3T降解系數(shù)1侮天0.1<t<0.5

ti(i+1)江水流過相鄰觀測點所消耗的時間天Pij水質(zhì)綜合指標(biāo)屮長江流域水質(zhì)綜合評價函數(shù)y..ij第i年第j類水所占百分比ak權(quán)重值Di對應(yīng)的水域長度Si對應(yīng)的水流橫截面積五、模型的分析本題問題是研究長江一年多的主要污染物高錳酸鹽指數(shù)和氨氮的污染地區(qū)。題目中講到：污染地點的主要污染只來自于本地的排污和上游的污水。據(jù)此可以假設(shè)上下兩觀測點間的支流水體以及各種污水都只在下觀測點處注入長江。計算從下面的觀測電注入的污染物應(yīng)該還要考慮下面觀測點的污染總量與上觀測點的污染物通過降解以后得到下觀測點的余值的差值。六、模型的建立與求解問題一1、模型建立：(1)數(shù)據(jù)的歸一化和綜合按照上述要求，根據(jù)附表中提供的項目標(biāo)準(zhǔn)限值，對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理;建立模型一:P=1ij為建立模型一:P=1ij為ax(P)kkm；x(P)kjij(P)<1(k=1,2,3,4)kij3k,(P)>1kij為akk=1另QR模型二：屮=i卞讓'昱Rii=12、模型的求解及數(shù)據(jù)分析

以一個觀測點某一時刻為例，依次記四個項目指標(biāo)的實際測量值為P，歸一化的水質(zhì)指標(biāo)值p（k=1,2,3,4）。k k對于溶解氧（DO），定義P=—1P1對于高錳酸鉀指數(shù)（CODMn），定義P=p26對于氨氮（NH3-N）,定義P二旦3 1.0對于PH值，因為PH值在6-9之間，假設(shè)當(dāng)PH=7時，水質(zhì)是最好的，所1X1X(p-7)247—P4p>74p>74記P..為第i個觀測點第j個月的水質(zhì)綜合指標(biāo)值，（P）為第i個觀測點第jij kij個月歸一化后的水質(zhì)指標(biāo)值（i二1,2,...,17;j二1,2,...28;k二1,2,3,4）,,考慮不同項目指標(biāo)對水質(zhì)影響程度的不同，將四個項目的權(quán)重設(shè)為a（k=1,2,3,4）。建立模型kP=1ij工ax(P)kkijm；x(P)kk可(P)<1(k=1,2,3,4)kij3k,(P)>1kij工a=1]k=1k丿單個觀測點水質(zhì)的評估向量和長江水流域的綜合評價。知道了一個觀測點28個月份的水質(zhì)綜合指標(biāo)值，可構(gòu)造各個觀測點水質(zhì)綜合指標(biāo)向量Q=[Q,Q],其中i i1i2Q.=纟fPj=1為第i個觀測站水質(zhì)的綜合量值，Q為第i個觀測站水質(zhì)為不可飲用水的i2月份個數(shù)。由假設(shè)1,構(gòu)造整個長江流域水質(zhì)綜合評價函數(shù)為昱QRiii屮二弋—昱Rii=13、水質(zhì)等級標(biāo)準(zhǔn)的確定根據(jù)上述對數(shù)據(jù)的處理方法，計算附表中四個主要項目標(biāo)準(zhǔn)限值對應(yīng)的指標(biāo)值，為了便于以后的計算，將PH值按照氨氮的指標(biāo)嚴(yán)格分類,，四個項目的權(quán)重系數(shù)分別取a=0.2,a=a=0.35,a=0.1，根據(jù)p可以得到四個項目標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的1 2 3 4 ij綜合指標(biāo)值，同時考慮水質(zhì)污染月份的個數(shù)，將其分別對于優(yōu)質(zhì)，良好，輕微污染，污染和嚴(yán)重污染，則得到水質(zhì)等級的劃分見下表：表五.一.3-1：水質(zhì)綜合指標(biāo)分類限值分類I類II類III類W類V類劣V類水質(zhì)輕微嚴(yán)重強(qiáng)嚴(yán)優(yōu)質(zhì)良好污染類別污染污染重污染Q<0.310.621.66i112.510074955005674、長江水質(zhì)的綜合評價根據(jù)前面的定義式對28個月的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到P，然后計算水質(zhì)綜ij合指標(biāo)向量Q=[Q,Q 結(jié)合表1的水質(zhì)綜合指標(biāo)分類限值，即可對各觀測點i i1i2水質(zhì)情況給出相應(yīng)的評價：主要污染的為四川樂山岷江大橋和江西南昌滁槎，主要污染物為氨氮。表一四川攀枝花水域的DO物質(zhì)含量額濃度在6?14之間波動但在2004年的8月份為一個頂峰值，其他時間段的波動比較穩(wěn)定。CODMN物質(zhì)含量濃度在0?6之間總體變化幅度較大。NH3-N物質(zhì)濃度基本上變化不大。基本上在2004年8月到10月的各物質(zhì)變化最大，為此我們得出各物質(zhì)在豐水期內(nèi)的污染較大。表二重慶朱沱水域DO物質(zhì)在2003-10到2004-4和2004-12到2005-4這兩個時間段的變化較大。表二湖北宜昌南京關(guān)水域CONMN物質(zhì)含量總體呈下降狀態(tài)而DO物質(zhì)含量的濃度在2003年10月達(dá)到最高值總體來看DO濃度在2003年6月到2004年6月這個時間段內(nèi)的起伏變化最大。從圖中可以反映出湖北宜昌南京關(guān)在2003年10月和2004年2月到4月的CODMN污染最嚴(yán)重。表四湖南岳陽城陵磯水域DO濃度在2004年4月到6月呈最高狀態(tài)NH3-N總體呈不變狀態(tài)。表五江西九江河西水廠水域NH3-N含量總體呈不變狀態(tài)，但DO含量在2004-12到2005-4這個時間段內(nèi)的變化幅度較大。表六安徽慶皖河口水域各種PH變化幅度不大,DO和CODMN的變化卻比較大,DO在2004年10月到2005年相6月變化卻很大，對其他地方的水質(zhì)情況而言,變化不是那么明顯，但受到的污染還是比較重。表七江西南京淋山水域的Codmd的物質(zhì)濃度1到3之間，發(fā)展趨勢變化不大，濃度

最高的是在2005年7月、屬于高峰期，降水量很高。PH看似變化不大，但是它

有酸堿之份，這里的物質(zhì)濃度變化還是蠻大的。DO的濃度在6到11之間，濃

度最高的在2005年1月降水量少.表八四川樂山岷江大橋水域各物質(zhì)的濃度總體集中在4到10之間，的物質(zhì)濃CODMN度0到10之間，發(fā)展趨勢變化大，高峰期，降水量很少。PH看似變化

不大，但是它有酸堿之份，這里的物質(zhì)濃度變化還是蠻大的。DO的濃度變化的

趨勢很大表九四川宜賓涼姜勾水域的水的PH值呈堿性狀態(tài)，CODMN物質(zhì)濃度在2003年10月后變化幅度不大，濃度最高的是在2003年7月、屬于高峰期，降水量很高。PH看似變化不大，但是它有酸堿之份，這里的物質(zhì)濃度變化還是蠻大的。DO的濃度在6到14之間，濃度最高的在2005年1月降水量少.表十四川瀘州沱江二橋水域的各物質(zhì)濃度總體變化幅度偏大，Codmd的物質(zhì)濃

度0到6.5之間，發(fā)展趨勢變化大，濃度最高的是在2003年7月、屬于高峰期,

降水量很高。PH的物質(zhì)濃度變化還是蠻大的。DO濃度最高的在2005年1月降

水量少.表^一湖北丹江胡家?guī)X水域的DO濃度在2004-10到2005-4這個時間段內(nèi)的變化比較大，CODMD的物質(zhì)濃度1到3之間，發(fā)展趨勢變化不大，濃度最高的是在2003年7月。表十二該河水受的較嚴(yán)重污染物質(zhì)是DO,PH保持在7左右，受得污染還是比較輕，但是河水還是需要保護(hù)。表十二上圖中從整體上看，該河水受到的污染物質(zhì)雖然變化比較明顯，但是PH卻能保持在7左右，說明該河水的凈化能力還是很好的。表十四上圖中DO和CODMn濃度變化較明顯，起伏不定，說明河水受到的工廠排放的污染物較多，但PH卻能保持在堿性，說明污染比較嚴(yán)重。表十五上圖中數(shù)據(jù)在冬季時污染物濃度變化較大，說明在該時段工廠所排放的污染物較多。表十六上圖中DO、CODMnNH3-N濃度在相同時間內(nèi)變化速率很快，說明在該時間門內(nèi)，河水受到這幾種物質(zhì)的污染較嚴(yán)重。表十七上圖數(shù)據(jù)DO和NH3-N在不同的月份濃度起伏比較大，其他兩種基本保持不變，此時河流受這兩種物質(zhì)的污水污染比較嚴(yán)重。通過數(shù)據(jù)分析可得出結(jié)論，對對污染物進(jìn)行分類，則:問題二1、模型的建立本題問題是研究長江一年多的主要污染物高錳酸鹽指數(shù)和氨氮的污染地區(qū)。題目中講到：污染地點的主要污染只來自于本地的排污和上游的污水。據(jù)此可以假設(shè)上下兩觀測點間的支流水體以及各種污水都只在下觀測點處注入長江。計算從下面的觀測電注入的污染物應(yīng)該還要考慮下面觀測點的污染總量與上觀測點的污染物通過降解以后得到下觀測點的余值的差值。由此可知，計算江水流過相鄰上下觀測點所消耗的時間(L-L)x1000t= i±1 i-i(i+1) Vx3600x24iL表示第i個觀測點與第一個站點四川攀枝花的距離；vi表示第i個觀測點i 1的水流速度;[?(i+1)江水流過相鄰觀測點所消耗的時間。建立合理的污染物降解方程模型由于問題中已經(jīng)給出了江河的降解系數(shù)，綜合考慮并結(jié)合實際的情況假定污染物每一天的降解指標(biāo)為(1-T)，由于文章沒有考慮江水在豐水期與枯水期降解系數(shù)的不同所以本文取T的數(shù)值為0.2，以此建立污染物的降解模型為：N'=N?(1-T)ti(i+1)ij jN表示第i個觀測點第j種污染物的濃度，N'表示第i個觀測點第j種污j j染物經(jīng)降解后在下一觀測點的濃度。由觀測點注入的污染物量的數(shù)學(xué)模型關(guān)注污染源的時候，往往注重考察的是它釋放的污染量的絕對數(shù)量值而非相對于水體總量的相對值。因此，在每月的監(jiān)測中衡量污染物注入長江多少的模型可以簡化為各觀測點注入長江的污染物的總量的多少。建立污染的絕對值數(shù)學(xué)模型為：w=N?V-N'Vj ji i(i-1)jw..表示第i個觀測點第j種污染物的總量；表示V..第i個觀測點第j月j j的每秒的流量。本題目要求的是根據(jù)近一年多污染物的主要來源區(qū)，因此此模型稍加修改由一個月的計算擴(kuò)大到13個月的計算來建立本時段內(nèi)的污染物排放情況。即模型：w..=N..*V.-NV(j j j i(i-1).2、模型的求解根據(jù)模型由數(shù)學(xué)計算軟件MATLAB求解得出長江干流上七個觀測點從2004年4月至2005年4月每月中高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)和氨氮(NH3-N)在每點單位時間內(nèi)注入量的值。結(jié)果數(shù)據(jù)見下表(注觀測點1……7分別代表四川攀枝花、重慶朱沱、湖北宜昌、湖南岳陽、江西九江、安徽安慶、江蘇南京7個干流觀測點)，運算程序見附錄1。表五.二2-1高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)在各個觀測點每月單位時間注入量(單位g)觀測站點04年4月04年5月04年6月04年7月04年8月04年9月04年10月04年11月04年12月05年1月05年2月04年3月05年4月184871599610025111842169238308260842001521.6854.4640.8685.3706.22439272057837256479729826.61.86E+0524738146477825.44960.47048.18817.67080.5327647493916077750048662574409759850144651552973148169.89912.111592

469608572054613466168676991.10E+05422512651033315406402549528015199845613707480447406274063264231985122982590922905213053074422385286136292484594301299.77792.7566528939173376090.117696147604262129970716912254984309732137283111.03E+0540791254042444130227271252578122762表五.二.2-2氨氮（NH3-N）在各個觀測點每月單位時間注入量（單位g）觀測站點04年4月04年5月04年6月04年7月04年8月04年9月04年10月04年11月04年12月05年1月05年2月05年3月05年4月1553.5260.4160.4186.43740565.2260.89076.0849.84106.8161.9864.222612.83402.82470.52849.507266.63607.82169.633062155.32179.72515.12279.534556.84711.65920.22399.73867.8105042837.61777.9308.91436.73526.15709.68271.0444830.84900.54960.46923.46346.676265802.73727.63041.33309.13457.52880298656001.84993.71495.6651.924306100201130.32352.1923.741889.21007.71229.31884.261522.74039.22120.63760.8001653.933.741041.11210.11440.33995.61875.770245.5100000441.281048.62723.94064.303742.5由上述兩表的數(shù)值可以得到長江干流近一年來高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）和氨氮（NH3-N）污染情況的變化曲線見下圖。在下圖中可以得到長江在豐水期的9月份污染比較大，其次是在枯水期與豐水期交界的4、5月份也比較的大，而且兩種污染物的每月的增減趨勢大體吻合。6000005000004000003000006000005000004000003000002000001000000標(biāo)??月標(biāo)??坐-嚇、坐-嚇g4月3月戈月1月5---O年12月11月10月9月D□月F月B月04年45月月圖五?二2-32004年4月一2005年4月長江每月高錳酸鹽指數(shù)污染狀況變化曲線（單位g）圖五?二2-32004年4月一2005年4月長江每月氨氮污染狀況變化曲線（單位g）問題的結(jié)論在分析了長江的主要污染指標(biāo)的基礎(chǔ)上還要對長江的主要污染源作一個定量的判斷。并建立了各觀測點之間污染物總量多少的比較圖和數(shù)據(jù)表觀測點1……7分別代表四川攀枝花、重慶朱沱、湖北宜昌、湖南岳陽、江西九江、安徽安慶、江蘇南京7個干流觀測點，詳細(xì)請看附錄2.圖五.二.3-1各點高錳酸鹽指數(shù)2004年4月一2005年4月情況統(tǒng)計（單位g）

圖五.二.3-2各點氨氮2004年4月一2005年4月情況統(tǒng)計（單位g）表五.二.2-3各點2004年4月一2005年4月注入高錳酸鹽指數(shù)總量排序表觀測點污染物總量（單位g）湖南岳陽城陵磯633024江蘇南京林山445326江西九江河西水廠439772湖北宜昌南津關(guān)425048.9重慶朱沱420436.6安徽安慶皖河口247361.5四川攀枝花116908.3表五.二.2.4各點2004年4月一2005年4月注入氨氮總量排序表觀測點污染物總量（單位g）湖南岳陽城陵磯60791.9湖北宜昌南津關(guān)38828.11江西九江河西水廠37885.56重慶朱沱36815.2安徽安慶皖河口22693.74江蘇南京林山12266.09四川攀枝7328.9由問題的模型及求解的結(jié)果和分析可知，在這一年多的時間內(nèi)長江干流：高錳酸鹽的指數(shù)主要污染：來自于觀測點4湖南岳陽城陵磯、觀測點7江蘇南京林山、觀測點5江西九江河西水廠、觀測點3湖北宜昌南津關(guān)、觀測點2重慶朱沱。氨氮主要污染：來自于觀測點4湖南岳陽城陵磯、觀測點3湖北宜昌南津關(guān)觀測點5江西九江河西水廠、觀測點2重慶朱沱。問題三1.建立模型由問題中得附件4我們得知長江在過去十年每年的污水排放量的具體數(shù)據(jù)，如下表一所示：表年份1995199619971998199920002001200220032004污水排放量（噸）174179183189207234220.5256270285我們利用matlab軟件算出了x年份和y排放量的關(guān)系的函數(shù):y二0.8352x2+3.6761xi+167.3750在得出式子之后我們算出了未來十年污水排放量的數(shù)據(jù)如表二所示表二年份2005200620072008200920102011201220132014污水308.87331.75356.31382.539410.4365440.00471.24504.149538.72573.97排放量（噸）1370316381568170污水排放-污水排放-污水排放OOOOOOOOooooooO7654321為了更直觀的表達(dá)我們畫出了未來十年污水排放的折線圖（如上圖所示），由此我們可以得出未來十年排放量呈上升狀態(tài)，可見水污染程度越來越嚴(yán)重，若不及時處理長江未來十年生態(tài)將面臨崩潰。問題四1.建立模型根據(jù)水文年中干流的各類水所占河長的比例列出下表3、類別年份IV+V類水劣V類水是否合格19959.6%0%是19960.8%0%是199713.3%0%是19980%0%是199912.8%0%是200025.4%0%否200126.5%5.8%否200222.5%8.7%否20036.1%0%是200423.5%9.0%否可知排房總量與是否超標(biāo)存在響應(yīng)關(guān)系，既排污總量應(yīng)該介于1999年與2000年排污總量之間，也就是說207-234之間，去其中間值得220億噸。

聯(lián)系各年份的污水排放總量，比較排放量對各年水質(zhì)污染的影響程度。綜合過去十年的數(shù)據(jù)，得出以下方程：y二149+12.8636x計算出今后十年中每年污水排放總量如下表4年份2005200620072008200920102011201220132014放量億排總<勵290.5303.36316.22329341.9354.8367.6380.5393.4406.2那么，在今后十年中，每年需要處理的污水如下表5所示:年 份2005200620072008200920102011201220132014處理的污水總量70.583.3696.22109121.9134.8147.6160.5173.4186.2（單位：億噸）圖表如下:處理的污水量1?首先是要意識到并重視母親河的污染問題。我們不怕做不到就怕想不到，讓所有人都去思考、都去在意我們的母親河所面臨的危機(jī)，再與實際行動配合，就會達(dá)到事半功倍的效果。我們提倡在提高人口素質(zhì)的基礎(chǔ)上增強(qiáng)人們的環(huán)保意識，要治本而不是治表。2?加強(qiáng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是重中之重。對于生產(chǎn)污染比較嚴(yán)重的產(chǎn)品，可以研究先進(jìn)、清潔的生產(chǎn)技術(shù)，投入到生產(chǎn)中去，推進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)；另外研究先進(jìn)的污水處理技