长江水质的评价和预测

1长江水质的评价和预测的数学模型摘要一个社会主题的提出，必然有其原由。建设文明和谐社会是现今社会主题之一，而人类与自然的和谐正是建设和谐社会的一大内容。在本文中：针对问题一，对长江近两年多的水质情况利用P值法及改进的P值法（加权）进行综合评价，发现长江水的整体水质还算比较好，以Ⅱ、Ⅲ类水质水体为主。但观察各个测试点的P值和对加权P值法的一些分析，发现长江的某些地方已经受到了严重的污染，支流受到污染更为严重。尤其以江西南昌滁槎和四川乐山岷江最为突出。可见在长江两边的一些大城市对长江已经造成了很大的污染。针对问题二，用单因素方差分析法对两种主要污染物高锰酸盐指数和氨氮的污染源进行分析，将污染程度看成是试验指标，将CODMn，NH3-N的含量看成是影响试验指标的一个因素，各地区的CODMn、NH3-N的含量看成是实验水平，用MatLab的anova1()函数分析即可找到高锰酸盐的主要污染源是四川乐山岷江大桥和湖南岳阳岳阳楼等地。氨氮的主要污染源是江西南昌滁槎和四川乐山岷江大桥等地。针对问题三，如果不进行任何有效措施，分析过去10年的数据，通过直接观察和方差分析，数据拟合的方法，对长江未来各类水质所占比例进行预测分析，发现长江以后的几年中，Ⅰ、Ⅱ类水所占比例下降速度很快，而Ⅴ类和劣Ⅴ类水以惊人的速度增长。尤其在枯水期更让人担忧。最近的几年中，枯水期Ⅴ类和劣Ⅴ类的比重明显且迅速增加。排入长江的废水持续增加，而长江能容纳污水能力却是有限的。以此趋势发展，10年左右之后，长江将以Ⅴ类和劣Ⅴ类水为主，这必将严重影响长江的生态，给长江流域带来不可估量的影响，长江生态将濒临崩溃并不是危言耸听。针对问题四，对排入长江的废水进行处理和控制，以达到预期的目标。用易降解有机物环境容量计算模型先计算出在各类水占一定比例的情况下的环境容量。再根据以往多年环境容量与排废水量的关系确定以后10年长江在给定条件下能够容纳的废水量，进而得到需要处理的废水量。但因处理该问题的各种模型均有不同的缺点，而影响该问题的不确定因素太多，给控制带来了诸多困难。在衡量各种因素之后，并考虑保卫长江，处理污水，并不是某些人的事，而是整个长江流域及其流域里所有人的事，因此需要大家共同的努力，而这样，恰好相当于或者维护着自然状态下的一种符合题设要求的状态，将问题进行了简化，最后得到当废水排放总量控制在177.2134亿吨内即可满足题设水质要求，继而得10年需要处理的污水的量依次为：113.5、126.37、139.23、1582.1、164.96、177.82、190.69、203.55、216.42、229.28（单位：亿吨）。针对问题五，在前面四个问题的基础上，并结合附件所给出的相关材料对未来长江流域水质污染的治理提出了四个建议。关键词：环境评价、多因子指数、综合污染指数、水质污染预测、MATLAB、方差分析、回归分析、统计方法2一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。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。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，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）。以及“19952004年长江流域水质报告”的主要统计数据。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)。需要研究的问题：（1）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。（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）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。（4）根据所做的预测分析，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,计算每年需要处理多少污水量是多少。（5）对解决长江水质污染问题切实可行的建议和意见。二模型假设1）假设整个长江水流域的水质污染程度只受到溶解氧(DO)、高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮（NH3-N）、PH值（无量纲）4中指标的影响，因为题目附件所提供的污染指标只有4种；2）在整个长江流域的各个水文点的检测技术及指标不存在较大的误差，数据保持一定的整体性；33）在处理污水的过程中，不仅只在有限的地方进行污水处理，而是考虑处理污水的范围遍及整个长江流域；4）假设每年所排放的污水浓度是一个恒定的值。三符号说明p：某河流综合污染指数；jp：j断面水污染综合指数（j=1、2、3、……17）；ijp：j端面i项污染指标的污染指数；ijc：j断面i项污染指标的月平均浓度值；0ic：j断面i项污染指标的评价标准值（一般取三类标准值）；n：选取污染指数的项数；m：为横断面的总数；i：i种污染指标所处的水质类别所确定的系数；iA：第i个地区中CODMn，NH3-N的含量对污染程度（试验指标）的影响i：第i个试验水平效应值及处理问题四时所用到的一些变量，在使用的时候，均做分析说明。四问题分析与模型建立4.1长江水质定量的综合评价与各地区水质的污染状况分析题目要求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。4.1.1模型一多因子指数法（p值法）。在本模型中，用综合污染指数（P值）评价水质污染情况。选用3项污染指标（溶解氧DO、高锰酸盐指数CODMn、氨氮NH3—N、）进行评价。PH值没有参加评价，因为PH值在6类水中的值无具体的区分标准。采用P值法的具体计算公式如下：11mjjppm1njijipp0ijijicpc4考虑到溶解氧这一污染指标是越大越好而其余污染指标是越小越好，所以将其测量值与标准值都取倒数后进行比较。由此算发用MATALAB编程得p值和jp分别如下表所示：表一p值法17个测试点p值（jp）序号123456789P值1.14151.24881.34691.54711.22601.34071.17012.73351.4643序号1011121314151617P值2.17310.96942.06761.70651.45626.10761.56451.4508p=1.8068（程序见附录程序清单一）现考虑p值与水质类别的关系。当考虑河水主要为某些类别的水时，就可以得到这些类别的水为主的时候的p值。该值与参与评价的污染指标的个数及水环境标准中各参评量的指数有关。反过来也可以由p值来估计河水大概以某几类水为主。最终，得到p值与水质的对应关系如下：p1.0，以Ⅰ、Ⅱ类水质为主，水质优良；1.0p2.0，以Ⅲ、Ⅳ类水质为主，水质较好；2.0p4.0，以Ⅳ类水质为主，水质一般；4.0p6.0，以Ⅴ类水质为主，水质较差；p6.0，以劣Ⅴ类水质为猪，水质很差。由此对应关系，可认为对长江水近两年多的水质情况的综合评价为：整体上以Ⅱ、Ⅲ类水为主，水质较好。但考虑jp值时发现，长江流域某些地方水质情况并不理想，尤其是一些支流的水质情况。比如说8号点四川乐山泯江大桥和15号点江西南昌滁槎污染较为严重，其中15号点污染情况最位突出。且总体来说，支流（入江之前，流经城市的地方）比干流要糟糕得多。根据水质类别的内涵，在实际中选取的污染指标进行水质类别判定时，应尽可能选取更多的污染指标进行判定，以全面反映水质污染的真实情况。由于题目中所给定的污染指标有限，这里只选取了3项污染指标。在分析种发现，该模型可能存在这样一种情况即第p断面污染综合指数小于第q断5面的综合污染指数，但在第p断面存在超过地表水环境Ⅲ类标准值的污染指标，而第q断面的污染指标均未超过地表水环境Ⅲ类标准值。就其原因在于两种方法判定原则的不同（p值法和水质单因子指数判定法）。因为尽管在某个断面某个污染物超标，但其超标量在p值法中则可能被平均掉。同时标准的差距太大也可能导致这个现象。但该现象在本模型中未涉及，故不做讨论。4.1.2模型二加权p值法，模型一的改进针对模型一中p值法的平均化的缺点，为突出某些污染大的点对环境质量的影响和作用，考虑采用权系数来突出污染最重的污染指标在综合污染指数中的权重。计算公式如下：11mjjppm1njijipp0ijijiicpc为突出起作用，可以认为规定其系数如下：Ⅰ类为0.2；Ⅱ类为0.5；Ⅲ类为1.0；Ⅳ类为5.0；Ⅴ类为10；劣Ⅴ类为15.0。这些系数应该在现实中加以验证并做出改进。若重视某些点污染的影响可以加重其值，否则可以减小。由此可以算得p和jp如表二所示：表二p值法17个测试点P值（jp）序号123456789P值0.79260.50250.57140.75150.50360.58100.48169.61062.6381序号1011121314151617P值10.35360.23623.52331.45670.962669.49861.63500.9285p=6.1781（程序见附录程序清单一，在模型一的程序上略做修改得到）若不考虑15号点，则：p=2.0899现确定p值与水质级别的关系。与模型一同样考虑，代入可以估算其关系如下：p0.5，以ⅠⅡ类水质为主，水质优良；0.5p3.0，以Ⅱ、Ⅲ类水质为主，水质较好；63.0p15.0，以Ⅳ类水质为主，水质一般；15.0p60.0，以Ⅴ类水质为主，水质较差；p60.0，以劣Ⅴ类水质为猪，水质很差。若考虑15号点，则P值较大，长江水以Ⅳ水为主。但考虑到15号点太过于突出，若不考虑15号点，则P值为2.0899，长江水以Ⅱ、Ⅲ类水为主，水质较好。观察jp的值，同模型一，也可以看到，长江水总体以Ⅱ、Ⅲ类水为主，但干流的水质比支流的要好，支流的某些点如8号和15号的污染已经很严重，尤其是15号。这与模型一所得结论一致。从p=6.1781可以看出，长江某些地方污染已经非常严重。这也突出了该模型的特点。同时也可视为该模型的缺点，即会扩大某些点的影响作用。4.1.3模型三、统计法考虑用统计的方法来分析长江的水质量。根据题中所给的水质量类别（单个因素决定）对17个点28个月的水的级别统计如表三下：表三123456789Ⅰ类0.28570.07140.04340.07140.0357Ⅱ类0.53570.71420.89280.64280.92850.92850.89280.14280.6785Ⅲ类0.10710.28570.10710.35710.03570.03570.32140.1428Ⅳ类0.07140.32140.0357Ⅴ类0.21420.1071劣Ⅴ类1011121314151617Ⅰ类0.10710.7142Ⅱ类0.46420.28570.10710.53570.64280.67850.7142Ⅲ类0.14280.50000.35710.32140.10710.17850.2500Ⅳ类0.14280.39280.10710.03570.35710.14280.0357Ⅴ类0.03570.0357劣Ⅴ类0.10710.5000由此表也可知，长江以Ⅱ、Ⅲ类水为主，但支流的污染情况比干流严重，尤其是