长江水质的评价和预测

1长江水质的评价和预测摘要本文首先对附件3、4中的数据进行分析汇总。通过对高锰酸盐指数和氨氮这两个指标，以及各个观测点28个月中水质类型的分布情况的分析，得出了近两年多长江水质的综合评价：虽然江水中污染物的浓度上升不明显，氨氮浓度甚至略微下降，但是Ⅲ类以下水质的比例明显上升。所以，与03年相比，04年的污染范围扩大了，污染物质的总量也有所增加。上游排出污染物必然会对下游造成影响，所以在讨论某地区水质状况时，不能只看当地的污染情况，还要考虑上游污染物到达本地后对它的影响。由于河流本身具有自净能力，上游排放的一部分污染物在向下游流动过程中得到了一定程度的净化。为了体现这一思想，我们引入了忽略弥散的一维稳态单组份水质模型[1]，将上游污染物对下游的影响和下游本身排污相分离，确定了两种污染物的主要分布区域。得出结论：长江干流近一年多来，高锰酸盐的污染源集中在攀枝花龙洞以及宜昌南津关至岳阳城陵矶地区；而氨氮污染源集中在攀枝花龙洞至重庆朱沱段以及宜昌南津关至岳阳城陵矶段。在问题三中，为了预测未来10年水质污染发展趋势，我们使用简单指数增长预测模型以及指数平滑预测模型两种方法，对过去10年的数据进行拟合，得到排污量和各类水质所占比例的预测值（由于篇幅有限，此处仅列出排污量预测）：由简单指数增长预测模型得：年份2005200620072008200920102011201220132014排污量298.1316.0334.9354.9376.1398.6422.5447.7474.5502.9由指数平滑预测模型得：年份2005200620072008200920102011201220132014排污量289.8301.4313.0324.6336.3347.9359.5371.1382.7394.3在问题四中，要求未来10年长江干流的Ⅳ、Ⅴ类水的比例在20%以内，且没有劣Ⅴ类水。所以根据公式：4,56*(max(0,20%))nmqq，并利用问题三中由指数平滑法预测的未来10年的水质分类情况，得到要处理的污水量：年份2005200620072008200920102011201220132014处理量1.5128.4234.4940.9347.6254.5961.9169.4377.2785.37根据我们对近两年长江水质状况的分析以及未来10年长江流域水污染情况的预测，结合各地实际情况，给出了我们认为可行的意见和建议。关键词：长江水污染，一维稳态水质模型，简单指数预测，指数平滑预测2问题重述水既是人类赖以生存的宝贵资源，也是组成生态系统的要素，被列为当今可持续发展的最优先领域。作为中国第一、世界第三的长江，流域内淡水资源量占中国总量的百分之三十五，面积达一百八十万平方公里，人口占中国总量的三分之一；在中国国土开发、生产力布局和社会经济方面，具有重要的战略地位。然而某些地方的某些企业，为追求经济效益，置环境于不顾，直接向江内排放污水，导致长江水质的污染程度日趋严重。对此，专家预计，“若不及时拯救，长江生态10年内将濒临崩溃”。为此，我们通过对往年数据的分析，得到长江近两年多水质情况的综合评价以及各地区水质的污染状况，分析出主要污染源所在地。并且，利用过去10年的水质数据，对未来10年的水文状况进行预测。最后，结合我们的讨论分析，给出了解决长江水质污染问题的建议和意见。模型假设1长江是不受潮汐影响，流域连续排污的稳态河流，即不考虑弥散情况。2由于在攀枝花的上游，没有人口密集、工业发达的大城市，所以认为攀枝花处的污染是它附近地区产生的，没有上游污染物的影响。3在分析各观测点水质时，将一年分为丰水、枯水、平水三个时期，如果其中某两个时期污染物指标上升，则认为该处水质有所恶化。4在未来10年中，长江流域的污水治理水平与目前相当，没有更有效的措施。5假设污水在长江沿岸均匀排放。6假设污染产生在各观测点处，两观测点间没有新的污染产生。参数设置k：自净化系数，本文中取定为0.2。α：指数平滑法中的加权系数，本文中取0.3。Q：预期中需要处理的Ⅳ、Ⅴ类水占河长的百分比。c：各观测点河水中污染物的浓度。4,5q：Ⅳ、Ⅴ类水占河长的百分比6q：劣Ⅴ类水占河长的百分比。0c：0x处河水污染物的浓度，][3ML；u：平均流速t：河水由0x(0)t下流的时间，3数学建模问题一为了对长江近两年多的水质做出定量的评价，并对各地区水质的污染状况进行分析，我们对附件3及附件4中的各项指标进行分析与归类。在数据分析过程中，我们着重分析高锰酸盐指数、氨氮含量以及Ⅲ类以下水所占比例这些与污染直接有关的数据，从而得到03、04两年水质变化的情况。同时，我们分析17个观测点处的数据，得出这些地方污染的变化情况，并由当地的污染物浓度来评价该地区的水质污染状况。根据附件4中03、04年长江流域水质报告表可以知道：从2003年到2004年，长江总流量由9980亿立方米下降到9405亿立方米，而废水排放总量却从270亿吨上升到285亿吨。长江流域2003年水资源总量为10129.3亿立方米，2004年为9712亿m3。单位水资源纳污量由每亿立方米水资源纳污0.02666亿吨上升到每亿立方米水资源纳污0.02935亿吨。在分析过程中，我们以水文年为衡量时间的单位，在整个流域范围内，Ⅰ类水从4%下降到1.2%，Ⅱ类水由41.45%下降到26.9%；而Ⅳ、Ⅴ类水大幅上升，从12.21%上升到20.78%；03年长江干流中没有劣Ⅴ类水质，而04年劣Ⅴ类水的比例达到了11.3%。具体数据对比见表1-1、图1-1。（表中数据单位为%）表1-1Ⅰ类Ⅱ类Ⅲ类Ⅳ类Ⅴ类劣Ⅴ类2003年4.741.531.36.45.810.32004年1.226.939.914.85.911.3图1-12003年、2004年各类水质比例变化图010203040501类2类3类4类5类劣5类2003年2004年为了得到各处近几年各项污染指标的变化情况，进而对整个流域的水质状况作出评价，我们对长江流域17个观测点28个月内三种主要污染指标的数据进行汇总，对比数据如表1-2、图1-2所示。表1-2DOCODMNNH3-N03年所有观测点均值7.39013.05520.721104年所有观测点均值7.71003.15680.742905年所有观测点均值7.82743.06130.63314图1-20123456789DOCODMNNH3-N03年所有观测点均值04年所有观测点均值05年所有观测点均值从图表中可以看出，DO值在这三年中逐年升高，这说明整个流域的溶解氧含量在上升；CODMN值从03年的3.0552上升到04年的3.1568，虽然05年下降到3.0613，但是总体而言，依然上升了，这表明含高猛酸盐的污染物数量有所增加；类似，NH3-N值从03年的0.7211上升到04年的0.7429，随后下降到0.6331，总体而言有所下降。从这两张表格可以看出，虽然河水中污染物的浓度上升不明显，氨氮浓度甚至略微下降，但是Ⅲ类以下水的比例明显上升。所以，与03年相比，04年的污染范围扩大了，污染物质的总量也有所增加。由此我们得出结论：04年的水质较03年有所下降。再从各个观测点的分析数据来评价各地区水质：我们把17个观测点的数据分成03丰水期—04丰水期、04丰水期—05丰水期、03平水期—04平水期、03枯水期—04枯水期四个时间段进行纵向比较，从而可以比较出各个观测点三种污染指标的变化情况。具体数据见附表10。根据假设，每年三个时间段（丰水期、平水期、枯水期）中若有两个时间段的指标恶化就认为这个观测点的水质有所恶化。得到结论：含氧量降低的地点有：宜宾、重庆、宜昌、九江蛤蟆石。高锰酸盐指标上升的有：重庆、岳阳楼、武汉、南昌、蛤蟆石及扬州。氨氮指标上升的有：攀枝花、长沙、岳阳楼和南昌从2003年—2004年的长江流域水质报告入手，对丰水期、枯水期的水质等级进行比较考察两年来长江水质的总体状况。表1-3ⅠⅡⅢⅣⅤⅤⅢ类以下(%)四川攀枝花81532007.14重庆朱沱02080000.00湖北宜昌南津关02530000.00湖南岳阳城陵矶018100000.00江西九江河西水厂22600000.00安徽安庆皖河口12610000.00江苏南京林山22510000.005四川乐山岷江大桥04996053.57四川宜宾凉姜沟119413014.29四川泸州沱江二桥313441328.57湖北丹江口胡家岭20800000.00湖南长沙新港0314110039.29湖南岳阳岳阳楼0151030010.71湖北武汉宗关01981003.57江西南昌滁槎0031011489.29江西九江蛤蟆石019540014.29江苏扬州三江营02071003.5717个观测站在28个月中各种水质的分布如上表所示。由于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类均为可饮用水，属于较优的水质，所以本问题我们讨论污染情况时，主要关注Ⅲ类以下水所占比例。28个月中Ⅲ类以下水的比例在20%以上的观测点有：四川乐山岷江大桥、四川泸州沱江二桥、湖南长沙新港及江西南昌滁槎四地。以下我们进一步分析这四个地方的水质状况。四川乐山岷江大桥：主要污染指标依次为氨氮、溶解氧、高锰酸盐；28个月中水质没有明显的改善趋势。水质较差、污染程度较深的原因在于乐山的工业结构以及当地较为淡薄的环保意识。重化工业是乐山地区的支柱产业，产值占该地区工业总产值的80%。乐山经济近五年以超过20%的速度增长，重化工业做出了重要贡献[3]。然而盐化、医药、建筑材料等重化企业大多数技术含量低、耗能高、排放量大，而且绝大多数又是个体私营企业，经营者环保意识较差，加上有限的资金不能够保证治污设备的引进与使用，对周边水域造成较大污染。以乐山市五通桥区为例，该区是个以盐化工业为主的县级区，在该区的竹根镇沿岷江边建有不少的PVC化工、稀土提炼、皮革加工、重碱纯碱生产、烧碱生产等的工厂。这些厂家大多都以各自的方式将污物直接排放进岷江里，即使在重点整治之后，厂家将排污口隐藏于水面以下继续直排。洪水期到来时，含有剧毒的污染物被冲到下游并污染犍为、宜宾的沿江两岸以及进入长江，对下游以及长江干流的水质产生恶劣的影响。四川泸州沱江大桥：主要污染指标为溶解氧、氨氮。2004年6开始水质明显好转。原因在于泸州附近的水域采取了治理污染的行动，对污染物的排放量进行了控制，沿岸企业治污设备的改善[4]。水质状况由之前的经常是Ⅴ类、劣Ⅴ类提高为Ⅲ类以上。2005年之后的16个月中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类水质的比例分别为18.75%、75%、6.25%，水质状况大幅度改善。湖南长沙新港：主要污染指标为氨氮。2004年6月到2004年11月、2005年3月到2005年9月这两个时间段水质明显变好。原因为，2004年初进行了污染整治行动，排污量以及相应的污染物质含量大幅度下降，这一状况持续到2004年11月，但是由于治污后出现反弹，故水质状况有所下降。次年初又进行了大规模的水质治理工作，水质状况又一次得到改善[5]。江西南昌滁槎：6主要污染指标为氨氮和溶解氧，水质状况一直较差。在观测的28个月中，劣Ⅴ类水的比例为50%，Ⅳ类水所占比例为35.71%。原因是南昌市有90％以上的生活、工业污水往赣江南支排放，而赣江南支的水最终流向鄱阳湖，加上缺乏行之有效的治理措施造成位于鄱阳湖旁边的滁槎观测站水质状况一直较差这种情况的出现。问题二当上游排出污染物时，必然会对下游造成影响。所以在讨论下游地区环境污染时，不能只看当地的污染情况，还要考虑上游污染物到达本地后对它的影响。由于河流本身的自净能力，上游排放的一部分污染物在流动过程中得到了净化，所以我们按以下方式考虑它对下游的影响：根据假设，长江是稳态河流，所以其中某一河段的断面积S、平均流速u以及污染物的输入量W都不随时间而变化，纵向弥散系数E为0；河流断面污染物浓度c是稳定且不随时间变化的，即0xc。一维河流的稳态水质模型方程为：kcxcu(2.1)[1]。由积分得：tkxccexp0(2.2)其中：