长江水质的评价和预测0805(含代码程序)

长江水质的评价和预测

摘要：

本文是关于长江水质评价和对未来趋势进行预测分析的问题，通过对长江近两年来相关数据的分析，建立了以下评价和预测模型。

对于问题一，首先对两年来长江的水质进行了综合评价：对数据进行归一化处理，利用熵值确定各类污染物对水质影响的权重，得到水质的综合评测指数Q，再利用两年来各月的Q值与设定的综合测评指数衡量标准进行对比的结果，定义出反映水质优劣程度的程度系数，再对程度系数进行区间划分，作为水质分级的指标。最后计算得出程度系数0.7109，按照水质分级的指标，得到结论：两年来长江的综合水质为‘良’类，但属于“良”类中较差的水平。然后分析两年来各地区的水质状况：采用模糊集对模型，以集对分析为基础,重视信息中的相对性、模糊性,综合评价两年来各观测站污染情况及其变化。

对于问题二，分析可知某站点的污染物质量主要来自该站点的排放量与上游站点流经的变化量之和，通过一维河流的稳态水质模型，确定干流上污染物的变化量，计算出各地区两种污染物的排放质量，确定高锰酸盐指数（CODMn）的主要污染源在湖南岳阳、湖北宜昌、江苏南京和江西九江等地区，氨氮(NH3-N)的主要污染源在湖南岳阳江西九江和湖北宜昌等地区，与实际情况比较相符。

对于问题三，运用灰色模型预测法，以前十年的废水排放量的数据为依据进行预测，经比较验证了模型合格。随后，对未来十年水文年内全流域各类水质所占流域河长百分比进行了趋势预测，预测结果表明：若不对污染采取有效措施，长江水质将会不断恶化，十年之后，长江全流域内将有60%以上的水不可饮用。

对于问题四，水质所占河长百分比之间有密切的联系，我们通过分析，利用多元线性回归模型来构造两者之间的关系，利用spss 软件可以快速做出预测模型并能对异常点（如第III 类水质）进行剔除，使得模型更加合理。年排污量与总流量之比和各类水质的线性关系也就明确，利用问题三预测的数据，在满足条件下，可以预测出2005-2014 年的污水处理量。

对于问题五，本文以客观的态度，将长江的现状结合文中所建模型的结论分析，给出了治理长江污染问题的若干点建议。

关键词：熵值法模糊集对模型灰色预测多元线性回归

1.问题重述

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（略）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。

2.模型假设

（1）长江的降解指数是近似均匀的，取整个流域的降解系数恒为0.2（单位：1/天）。

（2）长江流水水质是一维稳定河流水质。

（3）假设未来十年不采取任何排污措施。

（4）支流均是在位于长江干流上的6处观测点处汇入长江主干流的。

（5）一个观测站的水质污染主要来自于本地区的排污和上游的污水。

（6）长江干流的自净能力是近似均匀的。

3.符号说明

4 问题分析

本题针对长江水的污染问题，提出对长江水质现状的评测以及对长江水质未来状况的预测问题。我们认为对长江水质的综合评价应该从各类污染物对水质的影响出发，从客观的实测数据出发，通过数据的熵处理，给定各类物质各一个权值反映其对水质影响大小，利用相对比较的原理进行评测，对一个时期内的水质的综合分析采用把大时期划分成小时期的方式考虑；对各地水质污染状况的评测，可以采用平均监测值的方法去判断一个时期内此地区的水质状况；考虑污染源的定位问题可以考虑上游观测站与下游观测站的污染物浓度存在差值的原因是污染源的污水排放量与江水自净能力，在这些数据中只要知道上游观测站浓度、下游观测站浓度、江水自净系数即可求出在观测站之间江水段上注入的污水量，此污水量相对越大就说明此江水段上存在主要的污染源；对于预测，可以考虑到将来的值与过去、现在值的联系，因为江水自身的特性，在枯水期与丰水期污染情况相差较大，因此，我们对江水进行了枯水期、丰水期、水文年预测，采用灰色系统预测法找到数据间的联系，并做出误差分析；预测处理污水量的问题，水质所占河长百分比之间有密切的联系，我们通过分析，利用多元线性回归模型来构造两者之间的关系，利用spss 软件可以快速做出预测模型并能对异常点（如第III 类水质）进行剔除，使得模型更加合理。年排污量与总流量之比和各类水质的线性关系也就明确，利用问题三预测的数据，在满足条件下，从而可以预测出2005-2014 年的污水处理量。

5.模型的建立及求解

5.1问题一的求解

5.1.1综合评价情况

本题要求对长江近两年多的水质情况做出定量的综合评价，然后再分析各地区水质的污染状况。附表3记录了近两年来，长江流域上的17个观测站中4类物质(DO，CODMn,NH3-N，PH)浓度的监测值。通过分析2003年3月至2005年6月长江流域主要城市水质检测报告数据知，在28个月中17个观测站点的PH值几乎均在6~9之间，而国标(GB3838-2002)给出的《地表水环境质量标准》中Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类PH值的标准限值都是6~9，因而在评价各站点的水质类别时未考虑PH值这一指标。

a．首先用17个观测站对3项污染物的监测值构成的决策矩阵。

这里可以类比信息论中的熵概念。在信息论中，信息熵反映了信息无序化的程度，熵越小，系统无序度越小，信息效用值越大反之亦然。对于所讨论的n