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1、长江水质的评价和预测摘要摘要本文分别对长江水质建立了评价预测模型和污水治理模型，提出了合理化建议。针对问题一，应用标准指数评价法对单项水质进行参数评价，在此基础上建立 综合评价指数，给出了多项水质的综合评价检验，并利用统计数据合理地分析 了各地区的水质污染状况。评价结果显示长江综合水质等级为三类，并通过建 立退出标准系数，求得了主要污染因素。该模型既对水质进行了综合评价，又 指出主要污染因素，全面合理，重点突出。针对问题二，利用质量守恒定律，对长江干流观测点水域进行物料衡算，并建 立假想水段模型。根据自身污染物排放量找出主要污染物高锰酸盐指数和氨氮 指数的污染源所在地区，结论是主要污染源为湖南
2、、湖北、江西（排名有先后） 三省地区，同时，江苏省的高锰酸盐污染也较为显著。针对问题三，通过建立废水排放量随年度变化的曲线拟合函数和各类水百分比 与废水单位浓度的对数拟合模型，进而对长江未来水质污染的发展趋势做出预 测分析，可知非饮用水所占比率逐年增加，如果不加以控制，到 2014 年非饮用 水所占比率将超过 57.9%，其中 IV 类水和 V 类水之和将达到 30.8%，长江流域 面临生存危机。针对问题四，根据预测模型，通过一维搜索算法，求得长江干流在未来 10 年内， 每年都满足“IV 类和 V 类水的比例控制在 20%以内，且没有劣 V 类水”的要 求下的年污水处理量如下表： 表 1-1
3、 各年份的年处理废水量（单位：亿吨） 年份2005200620072008200920102011201220132014处理量122145169196224253284317352388针对问题五，应用扩展费用-效益分析法论述了长江污染的利益驱动因素，以及 将造成的社会和生态不良后果，建立改进的治污费用最小化优化模型。为解决 长江水质污染问题，提出充分利用现有设备重点治污、循环利用和动态监测等 合理化建议。在问题中运用相似度判断法、反推法对模型进行了检验，证明以上模型和计算 结果的合理性、准确性和可行性。一一 问题重述问题重述长江是我国第一、世界第三大河流，长江水质的污染程度日趋严重。相关政
4、府 部门和专家们高度重视，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，揭示了一幅长江严重污染的真实画面。为了对长江水质进行科学合理的评 价预测，题目附件给出了长江沿线 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）和“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
5、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 0.10.5 之间，可以考虑取 0.2 (单位：1/天)。根据国标(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，可将地表水分为六类， 其中、类为可饮用水，IV、V 类和劣 V 类水为非饮用水。 我们要对下列问题进行研究分析： （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
6、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，研究未来 10 年的情况。 （4）根据上述的预测分析，计算出如果未来 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,每年需要处理的污水量。 （5）对解决长江水质污染问题提出切实可行的建议和意见。二二 问题假设问题假设1长江水质平稳变化，检测数据真实可靠； 2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；3认为污水集中在观测点集中排放，不考虑沿途排污问题； 4影响地表水质量的主要
7、项目个数取 4，分别为溶解氧(DO)、高锰酸盐指数 (CODMn) 、氨氮（NH3-N）和 PH 值（无量纲） ； 5溶解氧(DO)为 7.5mg/L 时，认为其饱和率为 90%； 6主要污染物高锰酸盐指数和氨氮的降解系数取 0.2(单位：1/天)；7污染物降解后不会造成二次污染；三三 符号说明符号说明溶解氧在第个观测点的标准指数；jDOS,j饱和溶解氧的浓度，单位：mg/L；fDO溶解氧的评价标准，单位：mg/L；sDO溶解氧在第个观测点的浓度，单位：mg/L；jDOj在第个观测点的标准指数；jpHS,pHj评价标准中规定的值下限；sdpHpH评价标准中规定的值上限；supHpH单项水质参数
8、 在第点的标准指数；jiS,ij 污染物在第个观测点的浓度，单位：mg/L；jiC,ij 污染物的水质评价标准，单位：mg/L；jsC,i点的综合评价指数；jSj影响地表水质量的主要项目个数，=4；mm近一年多 污染物在第个观测点的自身排放总质量，单位：jiA,ijmg近一年多第个观测点的水流量，单位：；jQjsm /3近一年多第个观测点的与源点（攀枝花）的距离，单位：jDjkm近一年多第个观测点的水流速，单位：；jUjsm/第年长江总流量，单位：；)(nQn3810 m第年沿江经济体排放污水总质量，单位：亿吨；)(nWn第年国内生产总值（GDP） ，单位：亿元；)(nGn第年长江沿岸 GDP
9、 占当年全国 GDP 的百分数；)(nXn第年每亿吨污水所带来经济收益，单位：亿元；)(nDn第年每亿吨污水处理到第 级合格水所需要的费用，单位：亿)(, 1nBini元；第年地下合格水的价格，单位：元/吨；)(2nBn第年国家税收收入占全年 GDP 的比率；)(nTn第 i 个评价因子对水污染的权重；iW四 模型建立与求解41问题一的模型建立和求解问题一的模型建立和求解要对长江水质作出定量的综合评价，先要选取合适的评价因子，建立合理的评 价标准。根据本题的特点，选择国标(GB3838-2002) 给出的地表水环境质量 标准中 4 个主要项目溶解氧(DO)、高锰酸盐指数(CODMn) 、氨氮（
10、NH3-N）和PH 值（无量纲）作为水质评价因子，构建各个评价因子的标准指数和综合评 价指数，分别进行总体评价和地区评价。411评价模型的建立因为 4 个水质评价因子物理化学性质各有区别，水质等级评价的标准限值也有 很大差别，其检测数据的绝对值之间不具有可比性，所以需要在检测值与标准 限值之间相对联系，建立统一的，具有相互可比性的标准指数。由文献1可以 得到： 高锰酸盐指数(CODMn)和氨氮（NH3-N）的标准指数为：jsji jiCCS, ,溶解氧的标准指数为：sfjf jDODODODODOS,)(sjDODO sj jDODODOS910,)(sjDODO LmgDOf/33. 89
11、. 05 . 7的标准指数为：pHsdj jpHpHpHS0 . 70 . 7,)0 . 7(jpH0 . 70 . 7,suj jpHpHpHS)0 . 7(jpH参照地表水环境质量标准(GB3838-2002)中的标准限值，对近两年来各检测 点检测值取算术平均作为长江对各评价因子的总体检测值，分别求取各因子的 标准指数。标准指数越大，说明检测值与假定水级的标准限值相差越大，水质 越坏。若某个单项水质因子的标准指数大于 1，则表明该水质参数超过了假定 水质等级标准限值，不满足该类等级。由各指数的计算公式可以看出，单项水 质参数评价能清楚地指示出单个污染因子对水质变化的影响程度，判断主要污 染
12、因子的污染时段和水域范围，有助于直接了解水质状况与评价标准之间的关 系。各评价因子对水质的影响是不均衡的，这种差别可以在某个评价因子引发水质 重要污染事故发生的频率上得到体现，根据频率的不同赋予各评价因子以相应 的水质影响权数，对于水质的综合评价具有重要意义。单项水质评价标准指数 的增加和评价因子权重的增加都将对水质综合评价带来不利影响，综上分析， 给出水质综合评价指数： mijiijSWS1, miiW11近两年多检测结果显示长江发生重度污染 73 次，因溶解氧(DO)造成 17 次，高锰酸盐指数(CODMn)造成 12 次，氨氮（NH3-N）造成 43 次，造成 1 次，所pH以可得：=，
13、=，NHW58. 0COW16. 023. 0DOW03. 0pHW用确定水的等级，根据的值与 1 的接近程度确定水质的检测结果与某一jiS,jS等级水的接近程度，和共同作为长江水质综合评价的量化指数，对长江jSjiS,水质做出定量的综合评价。单项水质参数评价，能清楚地指示出单个污染因子 对水质变化的影响程度，判断主要污染因子的污染时段和水域范围，有助于直 接了解水质状况与评价标准之间的关系。二者互相协调，能对水质做出全面合 理的评价。412评价模型的求解 求解原则：先假定水质符某一类水相应标准，进行单项水质参数评价，当各评 价因子标准指数均小于 1 时，认为假设成立，否则向下退一个等级（到
14、V 类结 束） ，直到所有指数均小于 1 为止。如果 V 类水标准都不符合，就认为是劣 V 类水。最后求取水质综合评价指数，结合单项水质评价指数综合评价水质等级。jS由此编制程序，求解可得下表推证过程：表 4-1假设PH 值标准指数溶解氧标准指数高锰酸盐标准指数氨氮标准指数0.37481.8029 11.4897 14.1534 1I类=3.0732，综合指数不符合 I 类水标准jS0.37480.7969 0.74481.2460 1II 类 =1.0364，综合指数也不符合 II 类水标准jS0.37480.52970.49660.6230III 类 =0.5739，各标准指数小于 1，故
15、综合指数符合 III 类水标准，jS为判断主要污染因素，引入“退出标准指数”概念：退出标准指数：推证过程中，最大标准指数刚达到小于 1 的目标时，全部标准 指数的值。由此值可以清楚判断主要污染因素，标准指数最接近 1 的即为最主 要污染因素。由上表可知，长江近两年的综合水质情况符合长江近两年的综合水质情况符合 IIIIII 类地表水标准，且最主要的类地表水标准，且最主要的 污染指数为氨氮指数污染指数为氨氮指数（因为其为最接近 1 的退出标准指数） 。当假定水质为 II 类时，求得相应的值为 1.0364，接近 1，故可认为长江综合jS水质虽然为 III 类，尚偏向 II 类水。但是如果任由污染
16、进行下去将会使长江的 全流域综合水质完全进入 III 类，甚至预测等级变为不可饮用水，这是十分危险 的。因为长江流域极广，全流域综合值如此，局部地区的污染状况将更惊人。 长江治理，刻不容缓。下面分析各地区水质的污染状况，仍然采用标准指数判别法，求解判断过程参 照整个长江流域的综合评价过程。通过 MATLAB 编程并求解可得：表表 4-24-2 各地区水质污染等级及退出标准指数表（平均值）各地区水质污染等级及退出标准指数表（平均值）退出标准指数退出标准指数PHPH 值标准值标准 指数指数溶解氧标溶解氧标 准指数准指数高锰酸盐高锰酸盐 标准指数标准指数氨氮标准氨氮标准 指数指数年水质等级年水质等级四川攀枝花龙洞0.30000.65710.05000.2000IIII
