《长江水质评价与预测数模论文资料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《长江水质评价与预测数模论文资料（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、长江水质的评价和预测摘要本文在充分分析数据的基础上，运用了模糊综合评判方法对长江的水质做出了定量的综合评价，建立了一维水质模型对主要污染源进行了分析判定，运用回归分析和灰色预测对长江未来的水质状况进行了预测分析，并求得要控制污染每年所要处理的污水量，最后针对现实情况对如何解决长江水质污染问题提出了三方面建议。问题一：针对水质评价具有的模糊性，建立了模糊综合评价系统，对17个观测点近两年水质状况进行定量评价，得出综合质量等级和综合质量系数，并据此进行排名，得出水质最好的两个地区是江苏南京林山和湖北丹江口胡家岭，水质最差的两个地区是江西南昌滁槎和四川乐山岷江大桥。并根据综合评价表格（见正文）分析了
2、主要污染地区的主要污染指标。问题二：由7个干流观测点，可分为6个河段。以河段为对象进行分析。首先建立了一维水质模型得到污染物浓度随河段长度的变化规律，然后将每个河段的污染源等效为中央污染源，根据污染物质量守恒得到排污方程，据此解出每个河段的排污量，求出每千米每月的平均排污量，由此指标的大小确定长江干流排污量最大的区段,即可以确定主要污染源。代入数据计算，发现和的主要污染源都在第3个河段，即从湖北宜昌到湖南岳阳那一带。问题三：我们将长江水分为三类，第类、类和类为可饮用水，类和类为轻度污染水，劣类为重度污染水，以这三类水的百分比来刻画长江的水质状况，预测长江未来这三类水的百分比。首先综合考虑影响长
3、江水质状况的因素，建立了各类水比重的多元回归模型，然后利用spss软件的逐步筛选法，剔除次要因素，得到简化的回归模型，得到各类水比重与排污量之间的回归方程。然后由已知的排污量序列，运用灰色预测方法，建立GM(1,1)模型，预测出未来十年的排污量，代入回归方程，求得未来十年三类水的比重（具体结果见正文中表格），发现如果不采取有效措施，长江水质在未来十年将发生严重恶化。问题四：基于问题三中的线性回归方程，根据条件，建立了线性规划模型，求得每年排污量的上限值为218.18亿吨。再由问题三中预测的未来十年的污水排放量，得出每年应处理的污水量（具体结果见正文）。问题五：我们从教育、法律、科技这三个方面，
4、针对长江的现状，提出了具体的预防和治理长江污染的措施。问题重述基本模型假设1、假设影响水质的因素主要为题中四个，即溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮、PH值。2、假设河道的长度远大于其宽度与深度。3、假设我们研究的是稳定条件下的水流，污染物的扩散作用忽略。4、假设相邻观测点间河道中的污染源可等效成稳定连续点源,且位于该段河道的中央。5、假设在短时期内,河道中各观测点间的水流速度保持稳定。符号说明，站点编号：点位名称四川攀枝花重庆朱沱湖北宜昌南津关湖南岳阳城陵矶江西九江河西水厂安徽安庆皖河口序号S123456点位名称江苏南京林山四川乐山岷江大桥四川宜宾凉姜沟四川泸州沱江二桥湖北丹江口胡家岭湖南长沙新港序
5、号S789101112点位名称湖南岳阳岳阳楼湖北武汉宗关江西南昌滁槎江西九石江苏扬州三江营序号S1314151617问题分析第一问寻找一个合理的评价体系，然后将17个观测站近两年多主要水质指标的检测数据带入评价体系，从而分别得到17个观测站的水质评价结果，这样可以分析长江水质的总体水平，并可以比较各观测站的水质。根据水质评价的四个指标：溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮、PH值，可以将水质分为6个等级：类、类、类、类、类、劣类，由于6个等级之间是一种过渡过程，具有模糊性，且水环境是一个多层次、多目标、多因素控制的复杂的模糊系统，据此特点，我们运用模糊综合评判方法，对所给数据进行定量分析，得到一个合理的
6、评价结果。第二问由数据表格知有7个干流观测点，可分为6个河段。对每个河段进行分析，研究段首和段尾两个站点的污染物浓度、水流速、水流量与该河段排污量之间的关系。为了简化问题，将每个河段内所有污染源等效为一个段中央的污染源。我们知道，污染物从上游流向下游，会发生降解，由题意整个干流的降解系数可认为是一个常数，通过查阅资料，我们知道流体污染物浓度满足一维水质模型，由此可以求出每段段首污染物经自然降解，到达段尾的剩余量和段中央排放的污染物到达段尾的剩余量，两者之和等于段尾的污染物量，由此建立方程。将已知数据代入方程就可以求出每个河段每月的排污量，继而求得13月平均排污量，再将其比上河段长度，得到每千米
7、每月的平均排污量，它是一个可比性的指标，由此指标的大小可以确定长江干流排污量最大的区段,即可以确定主要污染源。第三问我们将长江水分为三类，第类、类和类为可饮用水，类和类为度轻污染水，劣类为重度污染水，以这三类水的百分比来刻画长江的水质状况。利用已有数据预测长江未来这三类水的百分比。首先综合考虑影响长江水质状况的因素，包括废水排放量，总流量，前一年水质状况，建立了各类水比重的多元回归模型，然后利用spss软件的逐步筛选法，剔除次要因素，得到简化的回归模型，得到各类水比重与排污量之间的回归方程。然后由已知的排污量序列，运用灰色预测方法，建立GM(1,1)模型，预测出未来十年的排污量，代入回归方程，
8、求得未来十年三类水的比重。第四问未来10年内每年都要求长江干流的类和类水的比例控制在20%以内，且没有劣类水，即要求，由第三问的各类水的预测式可以解得每年废水排放量阈值，再由未来十年废水排放量的预测值，二者之差即为每年需要处理的污水量。 模型的建立和求解一、 问题1的模型建立与求解1.1问题分析该问要求综合评价长江两年来的水质状况，综合评判是对多种属性的事物，或者说其总体优劣受多种因素影响的事物，做出一个能合理地综合这些属性或因素的总体评判。由地表水环境质量标准，我们知道水质的评价主要有四个指标，所以我们对“定量的综合评价”的理解就是：寻找一个合理的评价体系，然后将17个观测站近两年多主要水质
9、指标的检测数据带入评价体系，从而分别得到17个观测站的水质评价结果，这样可以分析长江水质的总体水平，并可以比较各观测站的水质。根据水质评价的四个指标：溶解氧（DO）、高锰酸盐指数（）、氨氮（）、PH值，可以将水质分为6个等级：类、类、类、类、类、劣类，由于6个等级之间是一种过渡过程，具有模糊性，例如溶氧为6.8mg/L，评价等级介于类和类之间。且水环境是一个多层次、多目标、多因素控制的复杂的模糊系统，据此特点，我们运用模糊综合评判方法，对所给数据进行定量分析，得到一个合理的评价结果。1.2 模型建立据以上分析，建立模糊综合评价指标体系：1.2.1 确定评价因子集 对于水质模糊评价，需根据一定的
10、原则，选择若干指标作为评价因子，建立评价因子集由地表水环境质量标准，易确定因子集：1.2.2 确定评语集 由题意易知，水质分为6个等级，所以取评语集：1.2.3确定各评价因素的权重 权重是衡量因子集U中某一因子对水质污染程度相对大小的量。 经分析，本题的权重可以通过计算超标比来取得，即各评价指标的检测值相对于水质标准的超标倍数，越大，则权重越大。 对于一般性的成本性指标（如，），超标倍数的计算式为：。 对于收益性指标（如DO）,则超标倍数的计算式为：式中：表示第i个评价指标检测值相对于水质标准的超标倍数；表示第i个评价指标的检测值；表示可取第i个评价标准第类标准限值，因为第类是可饮用水标准底线
11、。对进行归一化处理，便能算出每个评价指标的权重：（i=1,2,3m）由此得到m个指标的权重集： 1.2.4 确定单因素模糊评价矩阵 1、先简单介绍模糊理论的相关概念，以便下面的阐述。 隶属度：表示元素关于模糊集A的隶属程度，用表示。模糊集中，元素归属程度介于0,1之间。 隶属函数：是传统集合特征函数的推广，同传统函数一样，为1，表示u属于A；为0，表示u不属于A。当介于0,1之间，则刻画了u属于A的程度，越接近1，u属于A的程度越大。 2、单因素模糊评价矩阵R是由单因素的隶属度组成的矩阵，表示第i个评价因素对第j个评价等级的隶属度。 隶属度是通过对隶属函数的计算来确定，隶属函数一般采用“降半梯
12、形”的函数： 设某项检测值为C,按水质评价介于类（限值为C）和类（限值为C）之间，则该项对类的隶属度即为：（C-C）/(C-C);该项对类的隶属度即为：（C-C）/(C-C);该项对其他类的隶属度为0。 将各个观察站的检测数据代入隶属函数表达式中，计算出隶属度，从而建立每个观察站的单因子模糊评价矩阵R： 其中m表示有m个评价因素，n表示有n个等级。1.2.5 得到模糊综合评价集在确定了单因素模糊评价矩阵R和权重集W之后，水质模糊评价集为最后根据最大隶属度原则，若，则待评价对象级别为第j级。1.3 模型求解 1.3.1 求平均值对于每一个观测站，先求其28个月的溶解氧（DO）、高锰酸盐指数（）、
13、氨氮（）、PH值的平均值，综合分析是基于28个月的平均值的。计算结果如下表：表各观测站点主要监测项目平均值站点DO9.15438.93048.50548.68327.75367.45547.49115.55868.97616.86509.29112.43212.09642.87503.78572.42862.57502.09295.24292.73573.33931.95360.18290.33180.26430.33000.16040.22890.12790.92430.43040.81180.0921PH值8.25617.91187.75077.81687.42437.44327.6500
14、7.49578.07577.67797.8771续表站点SDO7.11008.31507.42145.69827.91048.13792.48574.19293.32502.32393.74293.02140.91640.38570.19754.63320.28640.2871PH值7.07687.72867.94757.11047.61937.68181.3.2 求各评价因素的权重权重是通过计算超标比来取得的：1、对于溶解氧，由于其是收益性指标，超标倍数计算式为：其中表示每个观察站平均溶氧浓度，表示第类标准下溶氧的限值，即5 mg/L 2、对于高锰酸盐指数（）、氨氮（），超标倍数计算式为： ，其中，分别表示每个观察站平均高锰酸盐指数，氨氮浓度；，分别表示第类标注下相应限值，分别等于6 mg/L, 1.0 mg/L.3、对于PH值，由于其特殊性，我们取正常值的中值7.5为标准，它的超标倍数计算式为：4、考虑到所有检测数据中，只有一组数据的“主要污
