S—P模式应用中k1、k2系数求解方法的探索2002年第l期贵州环保科技V o1.8No.tlS—P模式应用中k,k2系数求解方法的探索杨星宇(贵州省环境科学研究设计院,贵州贵阳550002)摘要在建设项目环境影响评价报告书的编制中,通常要运用S—P模式来预测有机污染物在河流中降解的情况,模式运用中自净系数k,k(足.:耗氧系数;k:复氧系数)的确定是关键,文章运用"改进梯度法"自编程序,打破传统模式,同时求解k,k,使得在同一河流中,k,k:有较好的系统性和内在联系,通过实际应用验证.其灵敏度,可靠性较好.关键词耗氧系数k.复氧系数k梯度搜索法在河流有机污染物水质预测中,大多数只应用Streeter--Phelps模式(简称S—P模式)的一半,即只预测BOD的降解(只使用k)而对DO的预测往往忽略.事实上DO是河流一个极重要的水质指标,它与有机污染物降解有密切联系,为了正确,系统地反映河流BOD,DO的变化,通过《7舞阳河水环境容量及风景名胜资源保护对策研究》课题7舞阳河的水质预测,对贵州省山区河流S—P模式应用中k.,k的求解进行了以下探索.1自净系数k,k的意义1.1耗氧系数k,耗氧系数k定义为:有机生物化学需氧量减低的速度与它剩余的未氧化物质的需氧量成比例(即呈一级反应),这个比例常数k即称为耗氧系数,耗氧系数是一个统计平均值.影响k.值的主要因素是温度,流速,污水性质等.1.2复氧系数k水体中溶解氧主要来源有两个方面:一是通过水和空气交界面的分子作用,从大气摄取氧;二是藻类的光合作用向水体供氧.一般来说研究复氧系数主要指大气复氧系数.水体复氧的速率取决于溶解氧的亏损和其它一些物理量,水体表面有很微小的一层薄膜,它通过其分子不断地从大气摄取氧,这种表面薄膜不断更新的速率,直接关系到水体复氧的速度,因此可见水体复氧的速率与水流的流速成正比,而与水深成反比,并且与水面,河底比降,粗率系数,分子扩散,温度,水粘滞系数,表面张力,重力加速度等收稿日期:2002—03一l4;2o02一O8一l4修回作者简介:杨星宇.男,1975年生,助理工程师.从事环境评价,研究工作.312002年第4期贵州环保科技V o1.8No.4因素有一定的关系.2k,k:的确立,求解方法2.1确立,求解耗氧系数k的3种方法(1)利用河流各断面实际水质监测值进行反算.(2)根据实验室模拟试验推求.(3)利用监测,实验资料计算和求解.2.2确立,求解复氧系数k:的3种方法(1)实际监测或实验室模拟测定.(2)按机理采用经验和半经验公式估算.(3)利用监测,实验资料计算和求解.2.3应用改进"梯度搜索法"同时求解k,k2在水质预测中,分别求解k,k:往往在系统中出现较大的误差,为了使k,k:取值有系统性和同步性,经多因素分析和计算机运算比较,应用"梯度搜索法"同时求河流各研究断面水质模型参数k,k.的最优值. 具体步骤如下:设定目标函数¨:HfJ(k,kz)一∑∑[c(五,kz,,C0b.,tij)一].(1)式中:,C.——溶解氧饱和值和初值; 6.——B0Ds初值;f——第i次监测的第断面河水流经时间.采用一阶梯度搜索最优解:一∑[c—c73.J=1…(2)最优搜索计算程序可以有多种方法,经实际计算比较,采用改进梯度法的计算程序(图1),可省计算时间3倍以上.3k,k:计算方法说明和步骤32用"梯度搜索法"求解k,k:,实际上是一种应用多维参数的最优估值法,它可以同时确定模型中多个参数,这种方法的优点是从模型的整体出发求得参数值,使水质模型的可靠性提高.但需要注意的是这种非线性的多维参数最优搜索过程中,由于多变量函数的非凸特性,会因所取初始值的不同,求得的"最优值"有所不同,此时所求得的解实际是局部最优解,而非整体最优解.为了避免这种问题,除了要对可行范围内的各种初始值的"优值"多做些比较和处理外,有时往往采用降维的方法降低待估参数的维数,再进行最优搜索.对多变量函数往往采用直接最优化方法搜索其最优值,也就是从给定的初始值(或起点)五.出发,每次增减一定的量逐步改善目标函数J(k,),直到其满足目标值收敛的误差要求.目前直接最优化方法大多采用一阶梯度法(又称"最速下降法"),即在原点(或起点)的目标函数(五)下降速率最快的方向一型(一阶负梯度的方向),按一定的步长进行搜索,每次改进目标函数值,并得到新的起点,如此反复迭代计算,直到满足要求.具体工艺步骤:(1)将河流各研究断面B0D,DO的实际监测值进行离散分布序列集合成{五)和{c3).表示实测值,J表示第i次监测(一1,2,…,),可表示第J断面(一1,2,….k).(2)在排污条件下,同上计算B0D和DO的计算序列集合{k.,)和{O.).(3)由实测序列值和模型计算序列值之差的某一范数(常用一范数)构成一目标函数.对BOD,JL一∑(6t--b~.).一(矗^);2002年第4期贵州环保科技V o1.8No.4图1S—P模型参数的最优搜索计算——改进梯度法33?2002年第4期贵州环保科技V o1.8No.4对DO,J∑(c厂c)一Jc(正);f=1对第i次的总目标函数:一∑[+(卜),)J~]----J(正),=1式中:——加权因素(O≤≤1),表示B0D和D0实测值的相对可靠性或主要性,当一0时,指B0D值不可靠;当一1时,指D0值不可靠;当一0.5时,指B0D5和D0值同等可靠;正——待估参数(^一1,2,…,).(4)在有约束条件下,用一阶梯度法(搜索目标函数值数值最小时的待估参数或"决策变量")序列正即:t束(d≤正≤).4采用"最速下降法"求解k,k值的应用根据上述计算步骤,在对湃阳河各研究河段水文及水质现状监测资料的分析基础上,自行编制计算程序(略),选择漭阳河,相见河的是初值为0.15～0.30,足初值为0.25～0.37;杉木河的k初值为0.40～0.50,k2初值为0.50～0.60,按步长尸一0.001进行梯度搜索计算,经反复计算验证.计算出各研究河段自净系数值如表1.为7舞阳河研究河段水质预测提供了重要,关键的参数.表1浇阳河各研究河段年均温度下自净系数计算结果5水质模型参数灵敏度分析5.1灵敏度检验原则与方法水质模型参数灵敏度分析,目的是检验水质参数的适用条件和可靠性程度[3].将计算值与实际监测值进行比较,若计算值与实测值之间有相对均匀的偏离,通常说明模型标定时确定的系数适用于较大范围内的污染负荷;流量和水温条件下的水质计算,本研究中采用平均值比较和相对误差两种方法同时进行灵敏度分析.345.2灵敏度检验结果自净系数模型计算值与断面的实测值对照见表2,从表2可以看出:B0D,DO的计算值与实测值的误差很小(一世×lOO~),‰.值在实测值一'""o.12～5.98之间,Do值在0.14～3.449,5之间,且误差的趋势基本一致,说明自净系数模型应用及计算的可信度和可靠性比较大,符合客观实际情况,可以用来预测河段水质.2002年第4期贵州环保科技V o1.8No.46结语使用"改进梯度法"同时求解耗氧系数k和复氧系数k.,可以使S—P模式应用更为方便,简单.由于k,k同时求解,BOD与D0的预测更为系统和同步,且该方法求解的k,k.系数,灵敏度较高,为确定自净系数的较好方法之一.参考文献1傅国伟.河流水质数学模型及其模拟计算.北京:中国环境科学出版社,1987.218～2192傅国伟.河流水质数学模型及其模拟计算.北京:中国环境科学出版社,1987,2213夏青,孙艳.水污染物总量控制实用计算方法概要.环境科学研究,1989(3):29～30七七七七七七七七七七七七七七七七七"2002年中国有机食品发展研讨会暨第九期全国有机食品开发和信息交流讲习班"在贵阳举行由国家环境保护总局有机食品发展中心,贵州省环境保护局,贵州省农业厅,贵州省轻纺行业管理办公室,贵州省食品工业办公室等单位主办,并由贵州省环境科学研究设计院承办的"2002年中国有机食品发展研讨会暨第九期全国有机食品开发和信息交流讲习班"于2002年8月5日至8月9日在贵阳举行.来自北京,上海,广东,陕西,四川,山东,内蒙,山西,吉林,贵州,江苏,广西,云南,甘肃,宁夏,河南,安徽,辽宁,湖北,河北等省市的共192名代表参加了本次研讨会及讲习班.会议邀请了国家环保总局原副局长,中国工程院院士金鉴明,南京环境科学研究所领导,贵州省有关领导,香港和台湾等地嘉宾出席了本次会议.本次讲习班授课内容为:国内外有机食品发展状况和趋势;有机作物,野生植物,有机畜禽,水产,有机加工和贸易标准;有机认证程序和有机农业生产基地建设等.另外,会议还就大力培养和发展中国有机食品市场,台湾及香港有机食品发展现状,人世后中国农业面临的挑战和机遇以及各地有机食品基地建设经验等进行了研讨和交流.会议期问,与会代表还参观了羊艾生态茶场.该次研讨会取得了预期的效果并圆满结束.(安裕敏)35。
