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1、长江水质污染的评价和预测摘要本文研究的是长江水质的评价和预测问题。对给出的问题逐一建模解答： 首先，采用改进的水质综合评价指标一水质质量系数（P）法，对长江水资源总 体和各个观察站的水质做出了评价，得出长江可饮用水资源占总资源 96.43； 然后，利用一维扩散模型求解长江干流主要污染物的污染源，得出了现实很符合 的结果（如下表）；接着，应用自相关一滑动平均模型ARMA （P, Q）对长江未 来 10 年污染的发展趋势做出了预测，为长江治理工作提供了科学的依据；最后， 我们根据模型，为长江的治理提出了独特的建议。改进的水质综合评价指标- 水质质量系数（P）法，对水质的综合评价真实，是本篇论文的突
2、破，为以后水 质综合评价提供了新的方法。关键词：水质质量系数（P）法一维扩散方程长江水域主要污染物的污染源分布表污染物污染源干流支流高锰酸盐指数（CODMn）湖北宜昌、湖南岳阳， 安徽安庆、江苏南京四川宜宾、四川泸州 洞庭湖流域、江西九江氨氮（NH3-N）湖北宜昌、江苏南京四川乐山、四川泸州 江西南昌、湖南长沙自相关滑动平均模型 ARMA（ P， Q）、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益严重，已引起 人们的普遍关注。对现有水质的评价为制定水体的综合防治方案和安全引用提供 科学的依据。水质评价的主要目的有：1）对不同地区各个时期水质的变化趋势进行分析；2）分析对工农业
3、生产和生态环境的影响；3）分析对人体健康的影响。单项污染指标的具体浓度，仅能反映这项指标的瞬间水质状况，而不能反映 有多种污染物共同排放所形成的复杂水质状况。故应采用综合指标对各种污染物 的共同影响进行评价，即选择合理的综合评价指标对解决问题至关重要。对长江干流主要污染物的污染源的探索和对长江未来 10 年的污染发展趋势 的研究为长江的治理提供了科学的依据；二、模型假设及符号说明模型假设：1、假设干流观察站点之间流速为平均速度；2、假设污染物在长江中的扩散为面源一维扩散模型3、假设干流观察点之间降解系数恒为 0.2；.4 、长江干流的自然净化能力是均匀的。符号说明：DO-代表水中溶解氧浓度 ,
4、mg/L;CODMn高锰酸钾浓度，mg/L;NH3-N氮氨浓度，mg/L;以下符号需要时再做声明。三、模型建立和求解1. 选用P法对长江水质的综合评价和各个地区水质污染状况的分析 水质质量系数（P）法计算公式：P=工仝c水质质量（P）法的具体应用:PHCODNH N DOP = 厂 +1 + 3r 1PHCODNH N DO00300i水体各项指标的实测值， mg/L0地表水环境质量标准， mg/LDO水体溶解氧最底允许浓度，mg/L；因DO所起作用是正效应,所以为“-”。对于河流水体，以 P=2 时作为受污染指标， P 值越 大，受污染的程度越严重。由于先考虑长江水是否可以饮用，所以 0 取
5、地表水环境质量标准 （GB3838-2002）第三类的标准值，即 D0=5, C0DMn=6, NH3-N=1.0,PH=6-8.5。由于PH值和溶解氧（DO）对水质综合评价的影响特殊，即ph在6-8.5范围内, iPH值取1,已知数据中的PH取值多数集中在上述范围内，所以对水质i则D O取值0综合评价几乎没影响，可忽略不记；溶解氧（DO）在大于5时,DO为1,其小于5时，按其值计算。P值改进为:生+匸哙+ NH 3 - Ni -（符号代表的意思与上式相同）PH COD NH - N DO00300对于长江水体综合评价,以 P1 作为未污染的指标； P=1 时作为受污染指 标, P 值越大,受
6、污染的程度越严重。以月为变量,对长江水体 17 个观察站先 总和再平均得到了水质总体评价指标。如表 1 所示:表 1 长江水体的总体评价指标表污染物总量以第三类为标准月份CODMnNH3-NDOCODMnNH3-N平均P值Jun-0346.86.3216.647.86.32-0.15Jul-0359.75.5116.749.955.51-0.18Aug-0347.58.316.877.928.3-0.04Sep-0375.479.0516.8112.589.050.28Oct-0353.812.18178.9712.180.24Nov-0351.920.2516.978.6520.250.7D
7、ec-0354.723.2216.769.1223.220.92Jan-0454.724.116.569.1224.10.98Feb-0462.235.1916.1510.3735.191.73Mar-0454.616.0316.649.116.030.5Apr-0450.312.0316.548.3812.030.22May-0452.17.2916.888.687.290.05Jun-0454.57.02179.087.02-0.05Jul-0454.95.76179.155.76-0.12Aug-0448.76.1816.988.126.18-0.16Sep-0449.83.7916.9
8、98.33.79-0.29Oct-0444.810.68177.4710.680.07Nov-0456.49.03179.49.030.08Dec-0451.516.36178.5816.360.46Jan-054913.02178.1713.020.24Feb-0552.310.78178.7210.780.18Mar-0546.37.05177.727.05-0.13Apr-05455.7616.727.55.65-0.21May-0545.24.2316.967.54.23-0.31Jun-05494.3716.768.124.37-0.24Jul-0550.54.416.688.424
9、.4-0.23Aug-0548.84.2816.788.134.28-0.26Sep-0549.24.4816.688.24.48-0.24由表 1 可知：(1) 长江的可饮用水资源占总资源的1 1/28 = 96.43%；(2) 长江水污染在丰水期较轻，枯水期较严重，2005 年丰水期(39 月 份)水质较为稳定；(3) 从表中可知引起长江水质污染的主要污染物是NH3-N,如2004年2 月份水质评价综合指标严重超标(P = 1.73),就是因为江西南昌滁 槎 段NH3-N的浓度的含量高达24.2mg/L。这也证明了 P法的准确性, 由于地表水环境质量标准(GB3838-2002)对NH3-
10、N浓度的要求 范围很小(0.151.0),很容易引起水质污染。以每个观测站为研究对象，对28个月的数据进行P法处理得出表2表 2 长江各地区水体的评价指标表污染物总量以第三类为标准地区CODMnNH3-NDOCODMnNH3-N平均P值180.915.122813.495.12-0.34258.76.4289.786.4-0.42380.57.42813.427.4-0.2641069.242817.679.24-0.045684.492811.334.49-0.44672.16.412812.026.41-0.31758.63.65289.773.65-0.528144.7225.8827.
11、1124.1225.880.82975.311.222812.5511.22-0.151093.522.7326.9315.5822.730.151154.72.58289.122.58-0.581270.925.6627.8711.8225.660.3513117.410.82819.5710.80.081493.15.5327.8715.525.53-0.241568.07129.9326.9111.34129.934.0816104.88.022817.478.02-0.091784.68.0427.914.18.04-0.21由表2可知：(1)长江干流污染不严重，严重的污染源出现在支流
12、。尤以赣江(鄱阳湖入 口)即 江西南昌滁槎处严重，此处主要是NH3-N引起的污染；还有支流岷江(与大渡河汇合前）即四川乐山岷江搭桥处，此处是NH3-N和CODMn共同造成的，定 量分析见 2。（2）长江水质较好的地点为江苏南京林山和重庆朱沱。2. 利用一维扩散方程求解长江干支流主要污染物的污染源由长江水质的综合评价是基于长江沿线 17个观测站（地区）近两年多主要 水质指标数据以及干流上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）的，根据河流污染的一般规律及基本知识，我们知道：污染物浓度在水 环境中的一维变化是对流、分散和自然净化三种作用的结果。当水环境中对流、 分散和自然净化三种
13、过程同时发生时 ,即三种作用的迭加,在数学上已建立这一 过程的基本方程,其数学表达式如下匹 + u 匹=E 竺-kC（1）d td xd x2式中 C ：断面平均浓度, mg /l ；u ：断面平均流速, m /s ;E ：纵向分散系数, m 2 /s;t :污染物流经某一河段的时间，s ；x :污染物流经某一河段的距离，m .k :污染物衰减系数或自净系数，s-1 .其中，纵向分散系数E的推求法根据经验公式，数学表达式为：2）u2W2E=0.011HU*式中u :断面平均流速，m / s ；W ： 计算河段平均水面宽， m ;U :剪切流速，m / s，其求解公式为：U =SgHi（3）* * *式中：g为重力加速度，m / s2 ； H为平均河水深度，m ； i为河床比降。在天然河流中以面源排放方式在某一断面x=0处，以排放量为W的恒定速率 进行连续排放的情况下，匹=0，对所有x 0的值都可求得基本方程的连续面 d t源解.， 即基本方程可以简化为：4)d C
