杨端午--西南交大长江水质的评价和预测

长江水质的评价和预测指导老师：何平姓名：杨端午王春鹏邬鸣笛西南交通大学长江水质的评价和预测摘要长江是我国第一、世界第三大河流，长江水质的污染程度日趋严重，专家声称：“若不及时拯救，长江生态10年内将濒临崩溃”。

为了对长江水质污染情况有更为深刻的认识，本文对长江干流和支流上的17个观测站多年来采集的水质样本（溶解氧、氨氮、锰酸盐指数、PH值）进行分析，从而得到相关结论。

首先，我们以近两年半内的月检测数据为基础，利用统计知识从整个长江流域的水质组成成分开始着手分析，利用线性回归法建立对长江定量综合评价模型得到一系列评定值，做出条形图以观察。

得到结论：干流水质相对较好，中上游水质好于下游水质；再看支流，四川、湖南地区水质较差，江西南昌滁槎地区最差。

上游含氧量较丰富，下游含氧量较贫乏，中游受高锰酸盐污染较严重，中上游受氨氮污染较严重，氨氮含量对水质影响非常敏感并起决定性作用。

在长江干流主要污染物分析模型中，我们选取了从2004年4月开始的13个月的测量值为对象，利用模型计算出各地区各项目均值，从而得出来两主要污染物的主要来源地区：高锰酸盐指数的污染源主要在湖北到湖南岳阳地区。

氨氮的污染源主要在湖南岳阳地区，重庆朱沱次之。

总体来看，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湖北到湖南的沿江地区。

对长江水质未来的预测我们是利用过去十年的水位年的统计数据，回归分析出各类型的水与当年的排污量的关系模型以及排污量与时间的模型。

同样的方法，我们预测出了污水排放量随时间的关系函数。

这样我们得到了长江水质在未得到更有效治理的情况下的10年后的概况：全年受污染比重从2005年的16.95急剧增加到2014年的43.64。

具体来说，长江流域代表水质好的第1类已不复存在，水质较好的第2类所占比重急剧下降，而第3类水则由体现出先增后降但总体变化不大的趋势。

而水质较差的第4、5类水却稳定增加（逐年增加），水质极差的第六类水有显著的增加。

在预测模型的基础上，又分析长江某些支流具体的数据，我们不仅发现2001年非饮用水比例非常接近在20%时，而且长江的水出现劣5水质主要是赣江支流的影响，在长江水流量基本稳定的情况下，我们得出了通过有效控制赣江污染的基础上，未来每年要净化的污水量：年份2005200620072008200920102011201220132014处理污水量48.5961.4674.3287.18100.05112.91125.77138.64151.5164.36最后，基于以上的分析、预测，我们给出了未来长江治理污水的切实有效的措施。

此外，本文模型采用简化的线性模型，各变量之间的关系清晰，计算量小，模型也利于推广。

本文通过图片，表格的形式来说明数据，对比数据等，使我们的测评的结论更形象，更直观。

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”，并发出了“拿什么拯救癌变长江”的呼唤。

题目给出了长江沿线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。

题目还给出了“1995~2004年长江流域水质报告”中的主要统计数据以及国标(GB3838-2002)《地表水环境质量标准》中4个主要项目标准限值，其中1、2、3类为可饮用水。

根据题设我们需要讨论以下五个问题：1、首先我们要对近两年的长江水质作出定量的综合评价，那么这个“定量”我们如何评定，以怎样一个标准来解决；能否根据综合评价分析各地区的污染情况。

2、如何研究长江干流近一年多主要污染物的污染源在哪些地区，是否只需考虑干流地区。

3、以怎样的方法依照过去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，需要考虑那些参数，如何验证所做出预测的可靠性。

4、根据之前的预测分析怎样使长江干流的4类和5类水比例控制在20%以内，且没有劣5类水，以怎样的标准评价污水处理量。

5、那些因素导致长江水质污染，哪个因素占主导地位，如何解决污染问题。

合理假设1、假设干流7个观测站足以代表该地区足够大范围内水域情况，并且各观测站所代表的地域有良好的衔接性；2、以一年为一个周期，各项指标的平均值可代表该项指标在该年的平均水平；3、长江干流的自然净化能力认为是近似均匀的；4、在整个考察的时间水域范围内，长江水域的变化满足既定的统计规律。

符号约定i p 评价水质好坏的量其值越小说明水质越好，反之水质越差（i =1……17）； i A 各地区溶解氧在2003年6月—2005年9月中的平均值（i =1……17）； i B 各地区高锰酸盐指数在2003年6月—2005年9月中的平均值（i =1……17）； i C 各地区氨氮在2003年6月—2005年9月中的平均值（i =1……17）； k 对长江定量综合评价模型中常数项；a 对长江定量综合评价模型中溶解氧权重系数；b 对长江定量综合评价模型中高锰酸盐指数权重系数；c 对长江定量综合评价模型中氨氮权重系数； ε 随机扰动项ij M 各地主要污染物在2004年4月—2005年4月中的平均值（i =2时表示高锰酸盐指数，i =3时表示氨氮；j=1……7）；ik A 某地主要污染物在第k 月的值（i =2时表示高锰酸盐指数，i =3时表示氨氮；k=1……11）。

i y 水文年中，全流域第i 类水所占的百分比(1,2,3,4,5,6)i =； X 废水排放总量；问题的分析1、“定量的评价”应建立合适模型并以此为基础来评价对象；既然是“综合评价应是全方位的、侧重点不同的分析，比如以各类水比例、分布等。

2、干流与支流是密不可分，所以此关于干流主要污染物的问题绝不可只考虑干流，也要把支流考虑进去加以分析。

3、对未来10年长江水质污染发展趋势的预测，我们以各类水在十年后所占长江长度的比例作基准来评价。

建立起来各类水比例与排出污水的模型，通过过去十年的数据，先预测出排污水量，在代入所建立的模型加以求解。

4、在第3问题的基础上，认真研究表格中相关数据，可发现长江水域的年流量随年数的增加略有下降趋势，但是相对于总的流量来说十年内的增值可以忽略，这样长江的水流量基本保持不变。

因此，要使未来10年内没有劣5类水，且5和4类水的比例要控制在20%内，污水的排放量最多是过去十年中4、5、劣5类水的比例的总和最接近20%的年份排污量。

通过搜索，得出1999年的指标符合上述要求，故以后每年的最大排污量与1999年的相同。

由于长江的劣5类水主要是由于赣江，沱江少数支流引起，有效控制这些支流的污染就可以排除劣5类水的出现。

5、要解决长江水质污染首先应确定主要污染物及其分布情况，这些我们都已经 在上面的讨论中得出。

再要联系实际提出治理长江可行的方案。

模型的建立与求解1、对长江定量综合评价模型利用综合评价法建立模型。

首先需设定权重系数，这里需强调一点的是，通过观察水的PH 值对水质类型划分几乎没有影响，所以我们在求解权重系数时不考虑PH 值因素。

对题目附录3中28个月，共476组样本数据进行分析，以各地区当月的水类为因变量，以相应各项污染物浓度值为自变量，建立多元线性回归分析模型：()0i i i i p k aA bB cC E εε=++++⎧⎨=⎩用最小二乘法估计回归系数，利用SPSS 软件中回归分析模块求得回归方程中各系数及常数项如表一：表一a b c k -0.144 0.197 0.307 2.872由此我们得到对长江流域各监测点进行适时定量综合评价的指标：2.8720.1440.1970.307i i i i p A B =−++C其中、i A i B 、分别表示各观测点的溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮含量。

i C 17个点，28个月的平均值；i p 则表示各地区水质水平，其值越低说明水质越好，反之水质越差。

求得相关各项目平均值见表二：表二i =1i =2i =3i =4i =5 i =6 i =7 i =8 i A 9.1543 8.9304 8.5054 8.68327.75367.75547.4911 5.5586 i B 2.4321 2.0964 2.8750 3.7857 2.4286 2.5750 2.0929 5.2429 i C0.1829 0.3318 0.2643 0.33000.16040.22890.12790.9243i =9i =10i =11i =12i =13 i =14 i =15 i =16i =17i A 8.9761 6.8650 9.2097 7.11678.31507.4214 5.69827.9104 8.1379 i B 2.7357 3.3393 1.9759 2.4815 4.1929 3.3250 2.3239 3.7429 3.0214 i C0.4304 0.8118 0.1028 0.93650.38570.19754.63320.2864 0.2871将以上数据带入模型得到各P 值如表三：表三 1p2p3p4p5p6p7p8p2.0891 2.1009 2.2947 2.4687 2.2832 2.3617 2.24483.38829p 10p 11p 12p 13p 14p 15p 16p 17p2.2505 2.7905 1.9666 2.6236 2.6191 2.51903.9317 2.5582 2.3835我们利用SPSS 软件将其作成条形图如图一：图一由图一可看出，干流水质相对较好，中上游水质好于下游水质；再看支流，四川、湖南地区水质较差，江西南昌滁槎地区最差。

根据实际情况来看四川、湖北地区工业污染严重，使得岷江、沱江、汗江、洞庭湖强烈受染。