基于葠窩水庫(kù)的水質(zhì)預(yù)測(cè)研究

韓 偉

(遼寧省遼陽(yáng)水文局，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

0 引 言

近年來(lái)，隨著水生態(tài)文明建設(shè)的加快及水資源保護(hù)力度的增強(qiáng)，水環(huán)境保護(hù)規(guī)劃越來(lái)越引起人們的重視。因此，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)水質(zhì)未來(lái)變化趨勢(shì)，可為科學(xué)合理的制定水環(huán)境保護(hù)規(guī)劃、實(shí)施有效的保護(hù)措施等提供數(shù)據(jù)支撐，水庫(kù)特別是水源地水庫(kù)的環(huán)境狀況已成為公眾和社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。目前，關(guān)于水環(huán)境、水庫(kù)水質(zhì)等諸多學(xué)者利用不同方法開(kāi)展了預(yù)測(cè)研究，其中應(yīng)用效果較好的為灰色模型與變量回歸相結(jié)合的方法，在水質(zhì)預(yù)測(cè)中該模型的適用性較好、精準(zhǔn)度較高，然而在不同區(qū)域灰色模型的適用范圍和條件存在一定差異[1-3]。據(jù)此，文章以葠窩水庫(kù)為例，對(duì)其水質(zhì)狀況利用灰色模型加以預(yù)測(cè)，并結(jié)合采樣數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的適用性與可靠性，以期為灰色模型的推廣應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究方法

1.1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法

一般地，評(píng)價(jià)水庫(kù)水質(zhì)的主要指標(biāo)有生物學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)等指標(biāo)。其中，TP|(總磷)、TN(總氮)、氨氮、COD5(五日化學(xué)需氧量)為控制水庫(kù)水質(zhì)的主要因子，另外湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化程度還受到總氮與總磷比值的影響。遵循科學(xué)性、代表性、數(shù)據(jù)可獲取性等原則，文章選擇監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有氮磷、TP|(總磷)、TN(總氮)、COD5(五日化學(xué)需氧量)，這也是常規(guī)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，監(jiān)測(cè)方法如下：

采用紫外分光光度法測(cè)定樣本中的TN含量，先把純化的堿性過(guò)硫酸鉀融入水樣中加熱30min，溫度控制在126℃-127℃，自然冷卻后測(cè)其275nm、220n處的吸光度，并以無(wú)氨水為基準(zhǔn)加以對(duì)比。采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定水樣中的TP含量，將過(guò)硫酸鉀融入水樣中加熱20min，溫度控制不超過(guò)140℃，將鉬酸銨與抗壞血酸待自然冷卻后加入，監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)為700nm處的吸光度，若吸光度測(cè)定受水樣中色度的影響還要補(bǔ)償色度[4-6]。在酸性條件下采用高錳酸鉀氧化樣本中的還原性物質(zhì)以及有機(jī)物，并用過(guò)量的草酸處理過(guò)量的高錳酸鉀，通過(guò)對(duì)高錳酸鉀消耗量的計(jì)算，求解出水樣中的化學(xué)需氧量。此外，氮磷指標(biāo)監(jiān)測(cè)方法借鑒文獻(xiàn)。

1.2 灰色預(yù)測(cè)模型

回歸方程為使用灰色模型的理論依據(jù)，通過(guò)求解方程確定已知變量的預(yù)測(cè)值，且通常以常用水質(zhì)指標(biāo)作為已知變量，即利用回歸方程和水質(zhì)指標(biāo)系列數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)其未來(lái)變化值，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

式中:u為水庫(kù)水質(zhì)預(yù)測(cè)指標(biāo)，即預(yù)測(cè)變量；a為模型求解系數(shù)；t為預(yù)測(cè)時(shí)間步長(zhǎng)，h；x(1)為水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測(cè)濃度，mg/L。采用下式求解系數(shù)值a，即：

(2)

(3)

式中：YN、B為模型求解的不同變量值，可利用下式計(jì)算各各變量，即：

YN=[x(0)(2)·x(0)(3)·∧·x(0)(N)]T

(4)

式中：x(0)(2)、x(0)(3)、x(0)(N)為水質(zhì)樣本系列數(shù)據(jù)；經(jīng)一系列轉(zhuǎn)換計(jì)算確定水質(zhì)預(yù)測(cè)方程，數(shù)學(xué)公式為：

(5)

2 結(jié)果與分析

2.1 水庫(kù)概況

葠窩水庫(kù)地處太子河干流，最大庫(kù)容7.91億m3，控制流域6175km2，正常蓄水位96.6m，最高水位102.0m，該水庫(kù)是一座兼顧防洪、發(fā)電、灌溉、供水和旅游等功能的綜合型水利工程。水庫(kù)周邊年降水量900-1000mm，年蒸發(fā)量約600mm，入庫(kù)河流有一級(jí)支流蘭河、細(xì)河和主河道太子河，每年汛期來(lái)水量增加、水域面擴(kuò)大、河水漫攤；春、冬季節(jié)水面變小，河灘顯露、河水落槽，豐、枯水期庫(kù)容和水域范圍變化較大。

近年來(lái)，隨著鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的崛起以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，葠窩水庫(kù)入庫(kù)河流和地表徑流所攜帶的工業(yè)廢棄物、面源污染等排入湖庫(kù)，水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)日趨顯現(xiàn)。文章利用灰色模型和長(zhǎng)系列樣本數(shù)據(jù)構(gòu)建歸回方程，并對(duì)水庫(kù)水質(zhì)利用回歸方程合理預(yù)測(cè)。

2.2 參數(shù)設(shè)置

以氨氮、COD5、總磷及總氮樣本系列數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用殘差分析法合理設(shè)置預(yù)測(cè)精度和模型參數(shù)，如表1所示。

表1 預(yù)測(cè)精度及模型參數(shù)的設(shè)置

續(xù)表1 預(yù)測(cè)精度及模型參數(shù)的設(shè)置

從表1可知，參數(shù)調(diào)整前COD5模型的精度指標(biāo)系數(shù)較低(0.136 1)，而參數(shù)調(diào)整后精度指標(biāo)系數(shù)明顯增大(0.442 8)，所以COD5指標(biāo)預(yù)測(cè)時(shí)應(yīng)選用調(diào)整后的模型參數(shù)；同理，參數(shù)調(diào)整前氨氮模型的精度指標(biāo)系數(shù)較低(0.235 7)，而參數(shù)調(diào)整后精度指標(biāo)系數(shù)明顯增大(0.465 5)，因此氨氮指標(biāo)預(yù)測(cè)時(shí)應(yīng)選用調(diào)整后的模型參數(shù)?？梢?jiàn)，模型參數(shù)的調(diào)整能夠顯著的提高水質(zhì)指標(biāo)的預(yù)測(cè)精度，應(yīng)選用調(diào)整后的參數(shù)進(jìn)行氨氮、COD5、總磷及總氮預(yù)測(cè)[7-9]。

2.3 水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測(cè)分析

2.3.1 COD5指標(biāo)

在合理設(shè)置模型參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)葠窩水庫(kù)COD5指標(biāo)利用灰色模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，并分析模型的適用性，如表2所示。

表2 COD5指標(biāo)預(yù)測(cè)結(jié)果

由表2可知，水質(zhì)樣本COD5監(jiān)測(cè)值與灰色模型預(yù)測(cè)值之間的絕對(duì)誤差均不超過(guò)30%，其相對(duì)誤差處于0.03-0.38mg/L范圍，該模型能夠滿足COD5的月尺度預(yù)測(cè)精度要求。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，較長(zhǎng)系列的樣本數(shù)據(jù)保證了灰色模型回歸方程的精準(zhǔn)度，從而使得COD5預(yù)測(cè)值與實(shí)際值具有較高一致性，模型預(yù)測(cè)精度隨著樣本系列數(shù)據(jù)的增加而提高[10-12]。

2.3.2 氨氮指標(biāo)

通過(guò)合理設(shè)置模型參數(shù)，對(duì)葠窩水庫(kù)氨氮指標(biāo)利用灰色模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后分析模型的適用性，如表3所示。

表3 氨氮指標(biāo)預(yù)測(cè)結(jié)果

由表3可知，水質(zhì)樣本氨氮監(jiān)測(cè)值與灰色模型預(yù)測(cè)值之間的絕對(duì)誤差均不超過(guò)20%，其相對(duì)誤差處于0.05mg/L以內(nèi)，該模型也能夠滿足氨氮的月尺度預(yù)測(cè)精度要求。深入分析可知，以一致性和連續(xù)性較好的樣本數(shù)據(jù)構(gòu)建的灰色模型，在預(yù)測(cè)氨氮時(shí)呈現(xiàn)出較高的精度；同時(shí)，較COD5預(yù)測(cè)精度灰色模型對(duì)氨氮的精度更高[13-15]。

2.3.3 總氮指標(biāo)

采用已設(shè)置好的模型參數(shù)，對(duì)葠窩水庫(kù)總氮指標(biāo)利用灰色模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，并分析模型的適用性，如表4所示。

表4 總氮指標(biāo)預(yù)測(cè)結(jié)果

由表4可知，水質(zhì)樣本總氮監(jiān)測(cè)值與灰色模型預(yù)測(cè)值間的絕對(duì)誤差處于7.41%-20.32%，其相對(duì)誤差處于0.20-0.63mg/L范圍，該模型也能夠滿足總氮的月尺度預(yù)測(cè)精度要求。通過(guò)分析可知，水庫(kù)水質(zhì)總氮和氨氮指標(biāo)存在較好關(guān)聯(lián)性，所以在總氮預(yù)測(cè)時(shí)灰色模型的適用性也較好，可以利用該模型預(yù)測(cè)總氮的變化趨勢(shì)。

2.3.4 總磷指標(biāo)

根據(jù)已設(shè)置好的模型參數(shù)，對(duì)葠窩水庫(kù)總磷指標(biāo)利用灰色模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而評(píng)判模型的適用性，如表5所示。

表5 總磷指標(biāo)預(yù)測(cè)結(jié)果

由表5可知，水質(zhì)樣本總磷監(jiān)測(cè)值與灰色模型預(yù)測(cè)值間的絕對(duì)誤差處于0.00%-14.29%，其相對(duì)誤差為0.01mg/L，該模型也能夠滿足總磷的月尺度預(yù)測(cè)精度要求。深入分析發(fā)現(xiàn)，其原因?yàn)樗Y源具有較低的總磷濃度，而農(nóng)業(yè)面源無(wú)人以及空氣中磷元素固結(jié)為總磷的主要來(lái)源[16]。近年來(lái)，為解決庫(kù)區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化和農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題，遼陽(yáng)市相關(guān)部門加大了整治力度，經(jīng)過(guò)多年整治進(jìn)一步降低了總磷的污染。

3 結(jié) 論

1)根據(jù)灰色模型和預(yù)測(cè)精度指標(biāo)，通過(guò)有效調(diào)整模型參數(shù)有效提升水庫(kù)水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測(cè)精度；在葠窩水庫(kù)水質(zhì)預(yù)測(cè)過(guò)程中灰色模型表現(xiàn)出較強(qiáng)的適用性，可以采用改進(jìn)的模型準(zhǔn)確預(yù)測(cè)區(qū)域水環(huán)境整體狀況，結(jié)合預(yù)測(cè)結(jié)果及其未來(lái)變化趨勢(shì)可為水環(huán)境規(guī)劃、水資源保護(hù)等提供科學(xué)依據(jù)。

2)采用改進(jìn)的灰色模型預(yù)測(cè)重金屬指標(biāo)時(shí)存在較大的難度，所以該模型還具有一定的局限性，為進(jìn)一步擴(kuò)大模型適應(yīng)范圍未來(lái)仍需對(duì)重金屬指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)研究。