基于時(shí)間序列法的淮河流域蚌埠段污染風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測

吳安東 衛(wèi)志偉 沈家敏 徐慧琳

安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)統(tǒng)計(jì)與應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)院

一、引言

水質(zhì)變化趨勢(shì)預(yù)測是維護(hù)和管理當(dāng)前水質(zhì)狀況的重要依據(jù)，通過預(yù)測可以了解水域環(huán)境質(zhì)量演變趨勢(shì)，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)惡化的原因并制訂相應(yīng)的治理措施。

二、研究區(qū)域

淮河是中國最早進(jìn)行水污染綜合治理的重點(diǎn)河流之一，本文對(duì)淮河流域蚌埠段的水質(zhì)變化進(jìn)行針對(duì)性分析及污染趨勢(shì)研究，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

三、數(shù)據(jù)和方法

本文采用的是淮河中段安徽省蚌埠市蚌埠閘上的2004年第1周-2014年第43周的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測頻率為1周1次，主要水質(zhì)檢測指標(biāo)包括水質(zhì)酸堿度（PH）、水中溶氧量（DO）、化學(xué)需氧量（CODMn）、氨氮（NH3-N）、水質(zhì)等級(jí)。

采用R軟件和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析分析和建立模型，考慮到河流水質(zhì)的不確定性，采用時(shí)間序列自回歸綜合移動(dòng)平均模型(ARIMA)。ARIMA( p，d，q)模型為

四、預(yù)測模型的建立

本文采用時(shí)間序列法構(gòu)建水質(zhì)預(yù)測模型，該方法屬于無原因變量的統(tǒng)計(jì)預(yù)測模型。對(duì)河口水質(zhì)數(shù)據(jù)應(yīng)用ARIMA模型進(jìn)行分析，建立各污染物指標(biāo)的時(shí)間序列預(yù)測模型，預(yù)測模型均通過了p檢驗(yàn)，并優(yōu)選BIC值，具體見表1。

表1 各污染物及水質(zhì)指標(biāo)時(shí)間序列預(yù)測模

五、結(jié)果分析

（一）水質(zhì)指標(biāo)總體情況概述

在2004-2014年期間，淮河蚌埠段水質(zhì)平均的pH值為7.688，呈弱堿性，水體的DO值濃度較高，平均達(dá)到7.232mg/L，水體的化學(xué)需氧量平均達(dá)到3.529mg/L，水體的氨氮濃度平均達(dá)到0.5585mg/L，水質(zhì)等級(jí)平均為3.191，通過查閱《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838－2002)并對(duì)比相關(guān)數(shù)據(jù)可以得知：在這10年間的平均水質(zhì)處于二級(jí)水質(zhì)。

（二）水質(zhì)指標(biāo)年內(nèi)變化情況

由水質(zhì)指標(biāo)時(shí)序圖我們可以得出在2004-2014年，淮河蚌埠段的水質(zhì)指標(biāo)在一年內(nèi)的變化呈現(xiàn)很強(qiáng)的年內(nèi)逐期變化規(guī)律。pH值和水中溶氧量DO從年初到年末呈現(xiàn)先下降在回升的趨勢(shì)，而水體的化學(xué)需氧量和氨氮濃度NH3-H均呈現(xiàn)出先增長后下降的變化趨勢(shì)。通過查閱蚌埠地區(qū)的每年的汛期分布表，我們可以得知這樣的變化規(guī)律原因在于根據(jù)汛期的規(guī)律定期關(guān)閘蓄水導(dǎo)致的污水聚集，因此，水體質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)會(huì)受到區(qū)域來水量和閘壩調(diào)控的雙重影響。

（三）水質(zhì)年際變化概述

通過圖1我們能過直觀的看出從2004年到2014年水質(zhì)等級(jí)在逐年提高，尤其在2009年之后，水質(zhì)就再也沒有出現(xiàn)Ⅴ類及以下，從反映污染然水平的主要指標(biāo)—化學(xué)需氧量CODMn和氨氮濃度NH3-H來看，均呈現(xiàn)出逐年遞減的趨勢(shì)，并逐步穩(wěn)定在一個(gè)較低的水平，可以看出水質(zhì)發(fā)生了質(zhì)的提升而非偶然因素導(dǎo)致。

圖1 水質(zhì)變化時(shí)序圖

（四）時(shí)間序列模型預(yù)測結(jié)果

根據(jù)已經(jīng)建立的模型，預(yù)測了未來10期的水質(zhì)指標(biāo)如表3所示:

應(yīng)用時(shí)間序列模型對(duì)未來進(jìn)行預(yù)測，通過表3可以看出，在未來的10期之中pH值和水質(zhì)等級(jí)無明顯的波動(dòng)，溶氧量、化學(xué)需氧量和氨氮濃度會(huì)有小幅波動(dòng)，其中化學(xué)需氧量預(yù)測值處于2類水質(zhì)的臨界點(diǎn)，但是如果將預(yù)測時(shí)期延長以至于預(yù)測期內(nèi)包括了汛期和非汛期，則水質(zhì)有可能發(fā)生較大的改變。

表3 未來10期水質(zhì)指標(biāo)的預(yù)測

六、結(jié)論

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，淮河蚌埠段水質(zhì)總體上表現(xiàn)為：各項(xiàng)污染指標(biāo)降低，水質(zhì)等級(jí)不斷提升的良好趨勢(shì)，但是同時(shí)通過研究發(fā)現(xiàn)淮河蚌埠段水質(zhì)在一年內(nèi)的變化較為明顯且具有一定程度的趨勢(shì)性，其原因可以歸結(jié)于受汛期影響導(dǎo)致區(qū)域來水量波動(dòng)以及閘壩調(diào)控導(dǎo)致，因此在非汛期的水質(zhì)治理上具有較強(qiáng)的參考意義。