長江水質(zhì)的評價和預(yù)測

章文卓 何皓明 李子敬

摘? 要：水是人類賴以生存的資源，保護(hù)水資源就是保護(hù)我們自己，對于我國大江大河水資源的保護(hù)和治理應(yīng)是重中之重。長江作為我們的母親河，水質(zhì)的污染程度日趨嚴(yán)重，改善問題亟待解決。評價和分析污染狀況和污染源，并對污染情況做出預(yù)測、提出處理方案和建議具有重大的意義。近年來長江水質(zhì)污染嚴(yán)重，水質(zhì)改善問題亟待解決。該文主要評價和分析污染狀況和污染源，并對污染情況做出預(yù)測、提出處理方案和建議。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)評價? 污水排放? 水質(zhì)預(yù)測? 灰色預(yù)測

中圖分類號：O159 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）01（b）-0079-02

1? 問題重述

附件3給出了長江沿線17個觀測站（地區(qū)）近2年多主要水質(zhì)指標(biāo)的檢測數(shù)據(jù)，以及干流上7個觀測站近一年多的基本數(shù)據(jù)（站點(diǎn)距離、水流量和水流速）。通常認(rèn)為一個觀測站（地區(qū)）的水質(zhì)污染主要來自于本地區(qū)的排污和上游的污水。一般說來，江河自身對污染物都有一定的自然凈化能力，即污染物在水環(huán)境中通過物理降解、化學(xué)降解和生物降解等使水中污染物的濃度降低。反映江河自然凈化能力的指標(biāo)稱為降解系數(shù)。事實(shí)上，長江干流的自然凈化能力可以認(rèn)為是近似均勻的，根據(jù)檢測可知，主要污染物高錳酸鹽指數(shù)和氨氮的降解系數(shù)通常介于0.1～0.5之間，比如可以考慮取0.2（單位：1/天）。

2? 模型假設(shè)

（1）假設(shè)溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、氨氮（NH3-N）、pH值4個污染源的指標(biāo)可以充分反映長江的水質(zhì)。

（2）假設(shè)長江干流的自然凈化能力是近似均勻的，錳酸鹽指數(shù)和氨氮的降解系數(shù)為0.2（單位：1/天）。

（3）假設(shè)一個觀測站（地區(qū)）的水質(zhì)污染僅來自于本地區(qū)的排污和上游的污水。

3? 問題分析

水是人類賴以生存的資源，保護(hù)水資源就是保護(hù)我們自己，對于我國大江大河水資源的保護(hù)和治理應(yīng)是重中之重。長江作為我們的母親河，水質(zhì)的污染程度日趨嚴(yán)重，改善問題亟待解決。評價和分析污染狀況和污染源，并對污染情況做出預(yù)測、提出處理方案和建議具有重大的意義。

3.1 問題1分析

為預(yù)測未來10年長江的水質(zhì)情況，我們觀察附件4所給信息發(fā)現(xiàn)由于歷史數(shù)據(jù)較少，其規(guī)律較模糊，有很大的不確定性，因此我們采用灰色預(yù)測模型對未來10年長江的總流量和污水排放總量進(jìn)行預(yù)測。再將灰色預(yù)測模型得到的未來10年長江的總流量和污水排放總量的預(yù)測結(jié)果帶入回歸方程，即可得到未來10年長江各類水質(zhì)的含量。

3.2 問題2分析

根據(jù)問題3的預(yù)測結(jié)果可知未來10年內(nèi)每年的長江水總流量和污水排放總量，它們決定了每年長江水的污染情況，即各類水的含量。現(xiàn)要滿足未來10年內(nèi)每年長江干流的Ⅳ類和Ⅴ類水的比例控制在20%以內(nèi)，且沒有劣Ⅴ類水。因此，需要找到每年的長江水總流量和污水排放總量與長江干流的水質(zhì)的關(guān)系。將Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類水歸為一類，稱可飲用水;將Ⅳ、Ⅴ類水歸為一類，稱重污染水;劣Ⅴ類水為一類水。

4? 模型的建立和求解

4.1 問題1的模型建立及求解

4.1.1 問題1模型的建立

為預(yù)測未來10年長江的水質(zhì)情況，我們觀察附件4所給信息得到以下內(nèi)容。

由于歷史數(shù)據(jù)較少，其規(guī)律較模糊，有很大的不確定性，因此我們首先采用灰色預(yù)測模型對未來10年長江的總流量和污水排放總量進(jìn)行預(yù)測，建立如下模型：

題目中指出附表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類為可飲用水，于是我們將Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類水歸為一類，即可飲用水;將Ⅳ、Ⅴ類水歸為一類，稱重污染水;劣Ⅴ類水為一類。

由于江水總流量和廢水排放量直接決定了每年長江的污染情況，影響著每一類水的含量，因此我們將長江總流量和廢水總排放量作為兩個自變量，分別研究它們和各類水含量的關(guān)系，建立多因素回歸模型：

4.1.2 問題1模型的求解

首先，預(yù)測未來10年長江總流量。

第一步： 級比檢驗(yàn)。

第四步：模型檢驗(yàn)。

經(jīng)驗(yàn)證，該模型的精度較高，可進(jìn)行預(yù)測和預(yù)報。

通過MATLAB編程可得未來10年長江的廢水排放總量預(yù)測值如表1所示。

通過MATLAB的cftool軟件工具分別進(jìn)行了可飲用水、重污染水、劣Ⅴ類水與長江總流量和廢水總排放量y這兩個自變量的回歸分析。

4.2 問題2的模型建立及求解

4.2.1 問題2模型的建立

根據(jù)問題3的預(yù)測結(jié)果可知未來10年內(nèi)每年的長江總流量和污水排放總量，它們決定了每年長江水的污染情況，即各類水的含量?，F(xiàn)要滿足未來10年內(nèi)每年長江干流的Ⅳ類和Ⅴ類水的比例控制在20%以內(nèi)，且沒有劣Ⅴ類水。

將Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類水歸為一類，稱可飲用水;將Ⅳ、Ⅴ類水歸為一類，稱重污染水;劣Ⅴ類水為一類水。采用與問題3相同的方法進(jìn)行多因素回歸分析，建立模型如下。

4.2.2 問題2模型的求解

通過MATLAB的cftool軟件工具分別進(jìn)行了長江干流可飲用水、重污染水、劣Ⅴ類水與長江總流量和廢水總排放量這兩個自變量的回歸分析。

5? 模型的評價

5.1 模型的優(yōu)點(diǎn)

（1）對于模型一，通過對各項(xiàng)污染物指標(biāo)進(jìn)行歸一化建立綜合指標(biāo)，考慮到了各項(xiàng)指標(biāo)對水質(zhì)的影響，能夠充分地利用數(shù)據(jù)。

（2）對于模型三，長江年排水量及污水排放量使用了灰色預(yù)測模型，降低了較少數(shù)據(jù)帶來的不確定性，并針對年排水量、污水排放量兩者對水質(zhì)的影響建立了多元擬合。

5.2 模型的缺點(diǎn)

對于模型三，多元擬合的結(jié)構(gòu)選擇的是多項(xiàng)式擬合，擬合結(jié)果不夠精確。

參考文獻(xiàn)

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