2010优秀论文

长江水质的评价和预测谭会城,廖志伟,温庆龙摘要：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更是重中之重。

长江是我国第一，世界第三大河流，近年来，由于人类活动所产生的各种废水和废物直接或者经过简单处理就排入长江，而长江自净能力有限，污水过量排放和不合理排放，导致长江流域水污染日益严重。

本文针对这个问题，我们建立起长江水质的评价与预测的模型。

对于问题一：我们利用线性加权综合评价法建立评价各观察站的的水质的模型。

我们得出近两年多来，四川乐山岷江大桥，江西南昌滁槎的水质基本上处在一个比较高的污染水平上，特别是江西南昌滁槎的水质，已经非常糟糕，污染指数总和相对较高；剩下的地区的水质都能维持在比较低的污染水平上。

对于问题二：我们以求本地污水排放量为所求，根据污水排放量不变列出公式，我们计算的结果为：COD—MN污染比较严重的地区是：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。

N—NH3污染比较严重的地区是：重庆朱沱和江西九江河西水。

对于问题三：因为水文年的数据是一年内的平均数据，故我们只考虑水文年这一类在未来十年内的预测结果，我们采用时间序列法中的移动平均方法对数据进行处理，将其构造成线性回规的模型，再利用线性拟合求其的系数，从而可得未来十年的预测数据。

结果如下：年限时间时段评价范围I类百分比II类百分比III类百分比IV类百分比V类百分比劣V百分比2005 水文年干流7057 11.8 33.2 30.6 23.6 8.4 7.32006 水文年干流7117 2.7 19.3 38.2 19.8 9.1 8.72007 水文年干流7381 5.4 20.6 37.5 21.1 9.9 9.82008 水文年干流7645 5.4 18.7 36.8 22.4 10.8 10.82009 水文年干流7909 5.4 16.7 36.1 23.8 11.7 11.92010 水文年干流8173 5.4 14.7 35.4 25.1 12.6 12.92011 水文年干流8436 5.4 12.7 34.8 26.4 13.5 142012 水文年干流8700 5.4 10.7 34.1 27.7 14.4 152013 水文年干流8964 5.4 8.7 33.4 29.1 15.2 162014 水文年干流9228 5.4 6.7 32.7 30.4 16.1 17对于问题四：我们在问题三的基础上，考虑将第Ⅳ、Ⅴ类水的比例控制在20%以内，且没有劣Ⅴ类水这个条件，我们对1995年到2004年污水排放量进行拟和，预测未来十年的污水排放量，在此基础上我们求出我们每年要处理的污水量。

对于问题五：根据模型的计算结果及实际情况，我们提出切实可行的建议。

关键词：线性加权综合法标准正交算法水质评价时间序列法（一）问题的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”（附件１），并发出了“拿什么拯救癌变长江”的呼唤（附件2）。

附件3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）。

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)。

附件4是“1995~2004年长江流域水质报告”给出的主要统计数据。

下面的附表一是国标(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，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类为可饮用水。

请你们研究下列问题：（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，比如研究未来10年的情况。

（4）根据你的预测分析，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,那么每年需要处理多少污水？（5）你对解决长江水质污染问题有什么切实可行的建议和意见。

（二）问题分析水污染是我国最严重的环境问题，对河流水环境质量进行评价和预测将为水环境质量管理及规划提供可靠的科学依据。

对于问题一，我们分析各地区水质的污染情况时，监测站得到的四种污染因子的指标和水质类别是重要的因素，但是如何利用这些数据得到该地区的水质情况是很重要的。

对长江这两年的水质情况做综合评价时，一是要考虑就哪些方面对整个水体进行评价；二是要通过各观测站分析长江整个的情况，这些数据结果怎样用；三是评价时的标准如何选取。

对于问题二分析污染源主要在什么地方，我们依据什么标准来判断以及如何求解是关键。

我们在处理问题三的时候，根据10年的长江水体Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ类和劣Ⅴ类水的河长和百分比进行后10年的预测时，一是数据是否需要预处理；二是采用什么样的模型去预测效果较好；三是如何衡量预测效果。

我们在解决问题四的时候，根据问题三的预测结果，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,计算处理的污水吨数时，我们预测的是河长的情况，而实际要求的是污水质量，关键是如何用河长的情况来得到污水质量。

对于问题五我们提出切实可行的建议应结合分析的结果和现实的情况。

（三）模型假设（1）对17个观测点水质的综合评价可以反映长江总体的水质情况。

（2）因为只有江西南昌滁槎在2004-12月时的ph 值超标，其他时候各观测站的ph 指都在正常范围内。

故以下分析中我们都没有考虑ph 值这项指标。

（3）各个邻接的干流之间只有在干流观测点（共七个）才有水注入（也就是说有支流）。

（4）在各个干流观测点之间水流速度基本均匀不变，在进行模型计算时水流速度取相邻两个观测点水流速的平均值。

（5）长江干流的自然净化能力是均匀的，保持不变的，即降解系数在任何一个干流观测点之间都取一个恒值。

（6） 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。

（7）通过以给十年的数据可以合理拟合出未来十年长江水质污染的发展趋势。

（8）在不采取更有效的治理措施的情况下进行预测分析。

（四）符号说明1w 表示3NH N -的原始权重 2w 表示1/Do 的原始的权重 3w 表示CODMn 的原始的权重 1α 表示3NH N -归一化后的权重 2α 表示1/Do 归一化后的权重 3α 表示CODMn 归一化后的权重 f 表示污染评价指数总和1x 表示1/Do 评价参数的平均含量 2x 表示CODMn 评价参数的平均含量 3x 表示3NH N -评价参数的平均含量 4x 表示PH 值评价参数的平均含量N 表示各观察站的本地的排污量i M 表示第i 个观测站每种污染物的总质量k 表示长江河流的对CODMn 和3NH N -的降解系数i x ∆ 表示两观察站点之间的距离i v ∆ 表示两观察站点之间河段的平均流速 t x 表示在t 时期时的实测值N 表示平滑移动的次数 a 表示线性拟合系数 b 表示线性拟合中的常数1a 表示二次函数拟合中二次项系数 1b 表示二次函数拟合中一次项系数 c 表示二次函数拟合中的常数项（五）模型建立与求解1、问题一的求解（线性加权综合评价法）（1）问题一的分析：在《地表水环境质量标准》中我们发现3NH N -、CODMn 的标准值越小，则该水质越好；而Do 的标准值越大，该水质越好。

而PH 值属于区间型，然而我们由附件三可以得出只有江西南昌滁槎超出范围。

故我们不需要考虑PH 对水质的影响。

计算步骤如下：（1） 按从2003年6月到2005年9月份计算17个观察站地区3NH N -、1/Do 、CODMn 的平均值。

（2）我们通过在网上查找资料我们得出3NH N -、1/Do 、CODMn 对水质的影响度，得出他们的权重分别为1230.52,0.29,0.71w w w ===，对权重进行归一化处理得1230.34,0.19,0.47ααα===计算17个地区各年的指标。

（3）按从2003年6月到2005年9月份，计算28个月3NH N -、1/Do 、CODMn 的平均值，我们与（1）对比，并给出合理的解释。

（4）对（1）所求的平均值进行归一化处理。

并赋予各自的权重，计算17个地区的污染总和。

（2）模型的建立：根据所给的数据，我们进行简单的横向和纵向平均得的数据对长江水质做出定量的综合评价和分析各地区水质的污染状况。

我们用综合评价函数112233f x x x ααα=++来衡量各地区的水质污染情况。

（3）模型的求解：根据附件3，按从2003年6月到2005年9月份计算17个观察站地区3NH N -、1/Do 、CODMn 的平均值，等评价参数的平均含量。

单位：（mg/L ）观察站 地名 PH （4x ）DO1/DO （1x ） CODMN （2x ） NH3（3x ） 1 四川攀枝花龙洞 8.256071 9.159286 0.109179 2.432143 0.182857 2 重庆朱沱 7.911786 8.901071 0.112346 2.096429 0.331786 3 湖北宜昌南津关 7.750714 8.546429 0.117008 2.875 0.264286 4湖南岳阳城陵7.816786 8.6821430.1151793.7857140.33矶5 江西九江河西水厂7.424286 7.813929 0.127977 2.428571 0.1603576 安徽安庆皖河口7.443214 7.474643 0.133786 2.575 0.2289297 江苏南京林山 7.65 7.531071 0.132783 2.092857 0.127857 8 四川乐山岷江大桥7.495714 5.632857 0.17753 5.242857 0.9242869 四川宜宾凉姜沟8.075714 8.943929 0.111808 2.735714 0.43035710 四川泸州沱江二桥7.677857 6.866071 0.145644 3.339286 0.81178611 湖北丹江口胡家岭7.877143 9.244286 0.108175 1.953571 0.09214312 湖南长沙新港 7.076786 7.179643 0.139283 2.485714 0.916429 13 湖南岳阳岳阳楼7.728571 8.276786 0.12082 4.192857 0.38571414 湖北武汉宗关 7.9475 7.494286 0.133435 3.325 0.1975 15 江西南昌滁槎 7.110357 5.749286 0.173935 2.323929 4.633214 16 江西九江蛤蟆石7.619286 7.911429 0.126399 3.742857 0.28642917 江苏扬州三江营7.681786 8.176071 0.122308 3.021429 0.287143由此数据分别用图形描出 DO 、 CODMN 、N —NH3、PH 分别在17个站点的平均值。