长江水污染
- 格式：docx
- 大小：1.76 MB
- 文档页数：19
4.49
7.66
1.08
国际(GB3838-2002)给出的《地表水环境质量标准》
序
号
分类
标准值
项 目
Ⅰ类
Ⅱ类
Ⅲ类
Ⅳ类
Ⅴ类
劣Ⅴ类
1
溶解氧(DO)≥
7.5
（或饱和率90%）
6
5
3
2
0
2
高锰酸盐指数(CODMn)≤
2
4
6
10
15
∞
3
氨氮（NH3-N）≤
0.15
0.5
1.0
1.5
2.0
∞
4
PH值（无量纲）
根据预测分析的结果，以及长江年污水排放量和年总流量对各类别污水的影响，针对第四问，本文采用多元线性回归模型，利用spss软件对其分析，结果对第三类污水进行剔除，使得模型更合理。并利用相对残差检验，得知此模型合格。由此模型得出长江每年应处理的污水量。
最后本文根据客观的分析，结合文中所给的结论及现状针对长江污染问题给出若干建议。
长江流域的各个观测站（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)。
预测长江未来十年的水污染趋势
长江的水质污染问题是一个非常复杂的非线性系统。但是由于样本较少，需要预测的时间较长，其又于时间有较强的关联性，因此本文采用GM（1,1）模型来预测未来十年的长江水质污染的趋势。
一、建立模型 GM（1,1）模型
灰色预测法是一种对含有不确定因素的系统进行预测的方法。灰色预测是对在一定范围内变化的、与时间有关的灰色过程进行预测。
2.根据附件三所给的长江流域十七个监测点2003年6月到2005年9月的检测报告，我们分别对每个站点四种污染指标随时间的变化的趋势作了图形描述，并标出了饮用水（I、II、III类）和非饮用水（IV、V、劣V类）的界限，在图中可以清晰的看出每个站点三个污染指标随时间的变化。另外对每个站点在这28个月内水质综合指标进行了饼状图统计，用于直观分析各地区水质污染状况。因为各个站点pH都在合格的范围内（6—9），因此，长江流域的水质pH适中，不存在由于pH而水质不达标的情况，所以本文在做图形分析时，不考虑pH的影响，只做了溶解氧的浓度（DO）、高锰酸盐指数（CODMn）、氨氮浓度 （NH3-N）和饮用水（I、II、III类）和非饮用水（IV、V、劣V类）的界限的图形分析。
分析长江干流主要污染物高锰酸盐指数和氨氮的污染源
通过分析长江干流近一年多的基本数据来计算出长江干流各地区主要污染物的排放质量，即可确定主要污染物高锰酸盐指数（CODMn）和氨氮（NH3-N）的主要污染源。
观测站（地区）的水质污染的来源，主要来自本地区的排污部分和上游的污水。那么，水流通过该观测站（第n个）时每秒所含污染物的质量为：
由于附件数据样本少，需要预测的时间长。 而灰色预测GM（1,1）模型要求的历史数据少，并对原始数据进行生成处理来寻找系统变动规律，生成有较强的规律性的数据序列，然后建立相应的微分方程，从而预测长江未来十年的水污染发展趋势。
五、模型的建立与求解
（一）长江水质的综合评价和各地区水质的污染状况。
对长江近两年水质情况的定量综合评价，本文采用的加权平均模型。因为是对长江流域水质的定量综合评价，我们可以依长江全流域为研究对象，利用长江流域近两年（水文年）的水质报告表，以长江流域的I类、II类、III类、IV类、V类、劣V类水中的溶氧量、高锰酸钾指数、氨氮为变量，以长江流域的I类、II类、III类、IV类、V类、劣V类水的河长的百分比为权重，进行加权求平均从而得出长江流域近两年水质的平均情况，再根据国际(GB3838-2002)给出的《地表水环境质量标准》进行对比，从而综合评价长江流域水质状况。
由质量与浓度、体积的关系式m=c*V,可得下游x处污染物的质量：
考虑到流量变化情况，我们对流量变化的水流进行分析。设在某一河段，水流的增量为 ，水流的污染物原浓度为c,原有水量为V。
那么水流的浓度变化为：
那么在下游x处污染物的浓度：
那么污染物的质量变化为：
可以看出下游x处污染物的质量只与位置有关。
所以上游的观测站污染物到达下游相邻的观测站后的质量变为：
污水排放量的变化规律是一个不确定的系统。本题中所给的数据较少，还要求作出长达十年的预测，因此采用灰色预测方法来预测未来的污水排放量。
灰色预测通过鉴别系统因素之间发展趋势的相异程度，进行关联分析，并对原始数据进行生成处理来寻找系统变动的规律，生成有较强规律性的数据序列，然后建立相应的微分方程模型，从而预测失误未来的发展趋势。
1.建立加权平均模型的方程式
长江流域溶解氧的浓度（DO）的加权平均为
长江流域高锰酸盐指数（CODMn）的加权平均为
长江流域氨氮浓度 （NH3-N）的加权平均为
通过excle软件计算可得：
（2003-2004）长江全流域近两年水质平均情况
指标
溶解氧（DO）
高锰酸盐指数（CODMn）
氨氮（NH3-N）
含量
高锰酸盐指数（CODMn）的平均排放量单位：kg/s
地区
四川攀枝花
重庆朱沱
湖北宜昌
湖南岳阳
江西九江
安徽安庆
江苏南京
平均含量
8.986
33.553
39.434
51.827
37.878
21.482
38.124
通过观察高锰酸盐指数（CODMn）的平均排放量表可知，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、江西九江等地区各地区排放到长江的NH3-N的浓度的平均含量，如下表：
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
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
湖北丹江口呼家岭
湖南长沙新港
湖南岳阳岳阳楼
湖北武汉宗关
江西南昌滁槎
江西九江蛤蟆石
江苏扬州三江营
从长江流域各地区的折线图上看，干流地区的水质一般较好，大部分都能达到饮用水的标准，而支流上四川乐山，四川泸州，江西南昌污染比较严重，均有大范围的超标情况。从长江流域各地区的饼状图上看，长江流域二级水质占多数，南京污染比较严重，其次是四川乐山，四川泸州水质也经常达不到引用水的标准。当然，也有水质比较好的地区，像湖北丹江口水库的水质全年只有一类和二类的水。
X污染物流过的距离
第n个观测站（地区）水流所含污染物的质量
第n个观测站（地区）排放污染物的质量
长江流域的I类的河长
长江流域的II类的河长
长江流域的ＩＩＩ类的河长
长江流域的IV类的河长
长江流域的Ｖ类的河长
长江流域的劣V类的河长
(i=1,2,3,4,5,6)长江流域i类水的溶解氧的浓度（DO）
(i=1,2,3,4,5,6)长江流域i类水的高锰酸盐指数（CODMn）
本文要研究下列问题：
（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。
关键词：长江水污染 加权平均模型 GM（1,1）模型多元线性回归模型
一、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”，并发出了“拿什么拯救癌变长江”的呼唤。
(i=1,2,3,4,5,6)长江流域i类水的氨氮浓度 （NH3-N）
Y长江年排放污水量与长江的年流量比值为因变量
四、问题分析
对长江近两年多的水质情况做出定量的综合评价，我们可以根据长江流域近两年（水文年）的水质报告表，从长江流域总体出发，对长江流域的I类、II类、III类、IV类、V类、劣V类的水域进行加权平均，将其结果与国际(GB3838-2002)给出的《地表水环境质量标准》进行对比，从而综合评价长江流域水质状况。我们充分利用长江沿线17个观测站提供的数据，详细分析长江各地区的污染状况。
（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）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、条件假设
1、假设每一段江中污染物的排放是“均匀”的，因而污染可以看作是在此段中点处连续均匀排放出来的。
2、假设干流的自然净化能力是均匀的。
3、假设两个观测站之间河段的平均流速等于两个观测站流速的平均值；
4、假设废水的处理对各类污染程度的河流的影响是均匀的。
三、符号说明
溶解氧的浓度（DO）
高锰酸盐指数（CODMn）
氨氮浓度 （NH3-N）
pH值
C污染物的浓度
V 水的流量
K 污染物的降解系数
7.66
1.08
国际(GB3838-2002)给出的《地表水环境质量标准》
序
号
分类
标准值
项 目
Ⅰ类
Ⅱ类
Ⅲ类
Ⅳ类
Ⅴ类
劣Ⅴ类
1
溶解氧(DO)≥
7.5
（或饱和率90%）
6
5
3
2
0
2
高锰酸盐指数(CODMn)≤
2
4
6
10
15
∞
3
氨氮（NH3-N）≤
0.15
0.5
1.0
1.5
2.0
∞
4
PH值（无量纲）
根据预测分析的结果，以及长江年污水排放量和年总流量对各类别污水的影响，针对第四问，本文采用多元线性回归模型，利用spss软件对其分析，结果对第三类污水进行剔除，使得模型更合理。并利用相对残差检验，得知此模型合格。由此模型得出长江每年应处理的污水量。
最后本文根据客观的分析，结合文中所给的结论及现状针对长江污染问题给出若干建议。
长江流域的各个观测站（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)。
预测长江未来十年的水污染趋势
长江的水质污染问题是一个非常复杂的非线性系统。但是由于样本较少，需要预测的时间较长，其又于时间有较强的关联性，因此本文采用GM（1,1）模型来预测未来十年的长江水质污染的趋势。
一、建立模型 GM（1,1）模型
灰色预测法是一种对含有不确定因素的系统进行预测的方法。灰色预测是对在一定范围内变化的、与时间有关的灰色过程进行预测。
2.根据附件三所给的长江流域十七个监测点2003年6月到2005年9月的检测报告，我们分别对每个站点四种污染指标随时间的变化的趋势作了图形描述，并标出了饮用水（I、II、III类）和非饮用水（IV、V、劣V类）的界限，在图中可以清晰的看出每个站点三个污染指标随时间的变化。另外对每个站点在这28个月内水质综合指标进行了饼状图统计，用于直观分析各地区水质污染状况。因为各个站点pH都在合格的范围内（6—9），因此，长江流域的水质pH适中，不存在由于pH而水质不达标的情况，所以本文在做图形分析时，不考虑pH的影响，只做了溶解氧的浓度（DO）、高锰酸盐指数（CODMn）、氨氮浓度 （NH3-N）和饮用水（I、II、III类）和非饮用水（IV、V、劣V类）的界限的图形分析。
分析长江干流主要污染物高锰酸盐指数和氨氮的污染源
通过分析长江干流近一年多的基本数据来计算出长江干流各地区主要污染物的排放质量，即可确定主要污染物高锰酸盐指数（CODMn）和氨氮（NH3-N）的主要污染源。
观测站（地区）的水质污染的来源，主要来自本地区的排污部分和上游的污水。那么，水流通过该观测站（第n个）时每秒所含污染物的质量为：
由于附件数据样本少，需要预测的时间长。 而灰色预测GM（1,1）模型要求的历史数据少，并对原始数据进行生成处理来寻找系统变动规律，生成有较强的规律性的数据序列，然后建立相应的微分方程，从而预测长江未来十年的水污染发展趋势。
五、模型的建立与求解
（一）长江水质的综合评价和各地区水质的污染状况。
对长江近两年水质情况的定量综合评价，本文采用的加权平均模型。因为是对长江流域水质的定量综合评价，我们可以依长江全流域为研究对象，利用长江流域近两年（水文年）的水质报告表，以长江流域的I类、II类、III类、IV类、V类、劣V类水中的溶氧量、高锰酸钾指数、氨氮为变量，以长江流域的I类、II类、III类、IV类、V类、劣V类水的河长的百分比为权重，进行加权求平均从而得出长江流域近两年水质的平均情况，再根据国际(GB3838-2002)给出的《地表水环境质量标准》进行对比，从而综合评价长江流域水质状况。
由质量与浓度、体积的关系式m=c*V,可得下游x处污染物的质量：
考虑到流量变化情况，我们对流量变化的水流进行分析。设在某一河段，水流的增量为 ，水流的污染物原浓度为c,原有水量为V。
那么水流的浓度变化为：
那么在下游x处污染物的浓度：
那么污染物的质量变化为：
可以看出下游x处污染物的质量只与位置有关。
所以上游的观测站污染物到达下游相邻的观测站后的质量变为：
污水排放量的变化规律是一个不确定的系统。本题中所给的数据较少，还要求作出长达十年的预测，因此采用灰色预测方法来预测未来的污水排放量。
灰色预测通过鉴别系统因素之间发展趋势的相异程度，进行关联分析，并对原始数据进行生成处理来寻找系统变动的规律，生成有较强规律性的数据序列，然后建立相应的微分方程模型，从而预测失误未来的发展趋势。
1.建立加权平均模型的方程式
长江流域溶解氧的浓度（DO）的加权平均为
长江流域高锰酸盐指数（CODMn）的加权平均为
长江流域氨氮浓度 （NH3-N）的加权平均为
通过excle软件计算可得：
（2003-2004）长江全流域近两年水质平均情况
指标
溶解氧（DO）
高锰酸盐指数（CODMn）
氨氮（NH3-N）
含量
高锰酸盐指数（CODMn）的平均排放量单位：kg/s
地区
四川攀枝花
重庆朱沱
湖北宜昌
湖南岳阳
江西九江
安徽安庆
江苏南京
平均含量
8.986
33.553
39.434
51.827
37.878
21.482
38.124
通过观察高锰酸盐指数（CODMn）的平均排放量表可知，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、江西九江等地区各地区排放到长江的NH3-N的浓度的平均含量，如下表：
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
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
湖北丹江口呼家岭
湖南长沙新港
湖南岳阳岳阳楼
湖北武汉宗关
江西南昌滁槎
江西九江蛤蟆石
江苏扬州三江营
从长江流域各地区的折线图上看，干流地区的水质一般较好，大部分都能达到饮用水的标准，而支流上四川乐山，四川泸州，江西南昌污染比较严重，均有大范围的超标情况。从长江流域各地区的饼状图上看，长江流域二级水质占多数，南京污染比较严重，其次是四川乐山，四川泸州水质也经常达不到引用水的标准。当然，也有水质比较好的地区，像湖北丹江口水库的水质全年只有一类和二类的水。
X污染物流过的距离
第n个观测站（地区）水流所含污染物的质量
第n个观测站（地区）排放污染物的质量
长江流域的I类的河长
长江流域的II类的河长
长江流域的ＩＩＩ类的河长
长江流域的IV类的河长
长江流域的Ｖ类的河长
长江流域的劣V类的河长
(i=1,2,3,4,5,6)长江流域i类水的溶解氧的浓度（DO）
(i=1,2,3,4,5,6)长江流域i类水的高锰酸盐指数（CODMn）
本文要研究下列问题：
（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。
关键词：长江水污染 加权平均模型 GM（1,1）模型多元线性回归模型
一、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”，并发出了“拿什么拯救癌变长江”的呼唤。
(i=1,2,3,4,5,6)长江流域i类水的氨氮浓度 （NH3-N）
Y长江年排放污水量与长江的年流量比值为因变量
四、问题分析
对长江近两年多的水质情况做出定量的综合评价，我们可以根据长江流域近两年（水文年）的水质报告表，从长江流域总体出发，对长江流域的I类、II类、III类、IV类、V类、劣V类的水域进行加权平均，将其结果与国际(GB3838-2002)给出的《地表水环境质量标准》进行对比，从而综合评价长江流域水质状况。我们充分利用长江沿线17个观测站提供的数据，详细分析长江各地区的污染状况。
（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）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、条件假设
1、假设每一段江中污染物的排放是“均匀”的，因而污染可以看作是在此段中点处连续均匀排放出来的。
2、假设干流的自然净化能力是均匀的。
3、假设两个观测站之间河段的平均流速等于两个观测站流速的平均值；
4、假设废水的处理对各类污染程度的河流的影响是均匀的。
三、符号说明
溶解氧的浓度（DO）
高锰酸盐指数（CODMn）
氨氮浓度 （NH3-N）
pH值
C污染物的浓度
V 水的流量
K 污染物的降解系数
