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长江水质的评价与预测
付红,毕斌,贾智钦
指导教师:郑继明
摘要:本文涉及多个方面的问题,包括了对水质的综合评价与各地区水质污染状况的分析,污染源的确定,水质污染发展趋势预测,以及建立在这三个问题基础上的科学治污措施。问题1采用模糊数学理论,针对主要的水质监测指标,建立了模糊综合评判模型,对长江两年多的水质情况做出综合评价,并分析各地区水质的污染状况。问题2建立起关于自净系数的数学模型,通过定量的计算,将上游江水只通过自然净化流到下游时各污染物的浓度与在下游观测点实际所测的数据比较分析,确定了长江干流主要的污染源所在。问题3预测了水质的发展趋势,采用熵权属性识别模型,根据不同综合指数对水质未来的变化做出了定量描述和计算。问题4中建立了线性规划模型,以长江干流的Ⅳ类和Ⅴ类水的比例控制在20%,以及不能有劣Ⅴ类水,作为不等式约束条件,以未来10年所处理的污水总量最小为目标函数,得出了每年需处理的污水量。问题5从科学化,制度化,规范化等几个角度给出了解决长江水质污染问题的切实可行的参考建议和意见。
关键词:模糊综合评判;自净系数;熵权属性识别;拟合;线性规划
1 基本假设
1)每个观测站(地区)的水质污染主要来自于本地区的排污和上游的污水。
2)江河自身对污染物都有一定的自然净化能力,且长江干流的自然净化能力是均匀的。
3)只考虑溶解氧(DO)、高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮(NH3-N)、PH值等指标对水质污染的影响。
4)第个观测站与其下一个站点之间的江段的水流速等于在第个观测站点的水流速。5)进行权值统计分析时,假设Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、劣Ⅴ类水质权值分别为1、2、3、4、5、6、7。)采用水质监测指标的模糊综合评判法分析时,对某监测站03年6月到05年9月所有监测数据取平均值,不考虑取平均值带来的误差,也不考虑PH值对水质的影响。
2 问题分析
问题1要求对长江近两年多的水质情况做综合评价,并分析水质污染状况。通过对长江水污染情况(附表3)的深入分析,发现可以用两种不同方法进行分析,权值统计分析法和模糊综合评判法,最终我们选择了采用主要对水质监测指标的模糊综合评判法定量分析,科学性强,但评判过程较复杂。问题2要求通过研究分析,找到长江干流主要的污染源集中在哪些地区。在解决该问题的过程中,我们首先通过建立数学模型,由污染物的浓度入手,通过定量的计算,分别求出了在不考虑支流和考虑支流的情况下对干流的影响,比较分析得出科学的结论,找出污染源的主要集中区域。问题3的处理中,从不同的角度出发,通过对近十年的数据分析,对水文年时段干流与支流的综合考虑,应用熵权属性识别模型对长江水质的科学评价;根据不同的综合指数来对水质的变化情况做出定量描述,并运用熵值来确定权重系数,避免权重确定的主观臆断,从而对将来的变化做出科学的预测。
问题4的分析过程中,将长江干流的Ⅳ类和Ⅴ类水的比例控制在20%以内转化成分别将这两类水中所含的各种污染物的质量控制在整个干流各种污染物质量的20%来建立不等式约束条件。另外考虑不能有劣Ⅴ类水,即每个河段内的水质的两项主要指标至少为Ⅴ类水的标准:高锰酸盐指数限值15,,作为相应的约束条件,建立起以未来10年处理污水总量最小为目标的线性规划模型,从而解决了该问题。
3 模型的建立与求解
问题1