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论文方法大全-基于改进的模糊数学法的河流水环境质量评价

2021-04-22 11:11:57

  随着我国经济的高速发展和城市化进程的不断推进,水环境状况不断恶化,水环境质量评价是进行河流水环境污染治理的必要准备工作。大清河流域水污染严重,故在进行大清河水污染治理前需对其水环境质量进行评价。为克服传统模糊数学法对水体污染严重程度估计不足而导致无法对劣类水质进行评价的缺点,利用各级水质标准上下限的中间值作为评价标准建立改进的模糊数学评价模型。本文选取2014-2016年大清河14个监测断面8个评价指标,运用改进模糊数学法与单因子评价法相结合的方法进行水环境质量评价。结果显示,2014年及2015年不符合标准的断面为新盖房、望亭、码头、焦庄及安州断面;2016年不符合标准的断面为码头断面。其中,氨氮和总磷为大清河主要污染因子。利用改进的模糊数学法可准确获得水质较差河流的水环境质量评价结果及其主要污染因子,为水污染控制提供科学依据。

  1.1研究背景

  水作为生物生存和发展必不可少的自然资源,可以说是人类的生命之源。在经济社会飞速发展的今天,水不再只起到维系人类生命的作用,其对于社会经济发展的保障作用也日渐凸显[1]。据2018年中国水资源公报显示,该年全国总用水量高达6015.5亿立方米;其中工业用水1261.6亿立方米,占总用水量的21%;农业用水3693.1亿,占总用水量的61.4%。换句话说,水掌握着我国经济发展和社会进步的命脉,是实现可持续发展的重要保障。

  但是,近年来,随着工农业总产值的不断提升和城市化进程的逐渐推进,城市工农业废水、废液及生活污水等不断排入河流,使水环境污染问题日益加重[2-3]。大量河流水体由于受到严重污染出现富营养化、水体失活等现象[4];水体原有平衡状态遭到破坏,生态资源急剧下降,甚至发生危害人体生命安全的重大水污染事故。由此可见,我国水环境状况正不断恶化,已对流域生态环境及人体健康构成潜在危害[5]。针对我国现今水环境污染严重的问题,社会各级都在大力加强河流水体污染防治力度,不断研究出新的水环境污染控制技术。在进行水环境污染治理前,为达到准确了解水体状况的目的,需对河流水环境质量进行定量或定性评价,以在后续河流水污染治理和水环境保护方面提供科学依据。

  大清河位于京畿要地,大量外来污染物随沿岸地区工农业废水排放进入大清河,远远超出其水体自净能力和环境容量[6],严重影响大清河水质和流域内人们的正常生活生产。因此学者们对于大清河水环境污染的研究日渐深入,有针对浮游植物群落[7-8]、表层沉积物重金属[9-10]、时空变化特征与人类活动影响[11]等的研究,但少有大清河自身水环境质量评价及主要污染物的研究。因此,本文以大清河作为研究区进行水环境质量综合评价并对主要影响因素进行分析,以期为地表水环境污染评价和治理提供有效参考。

  1.2国内外水质评价方法研究进展

  国外水质评价开始较早,始于20世纪60年代中期,在20世纪70年代发展较为繁荣。1965年美国自动控制论专家L.A.Zade提出模糊数学理论[12];1971年意大利学者Prait等人提出污染指数法并确定地表水质量分级;1974年美国学者N.L.Nemerow为计算纽约州的地表水水质质量指数,提出内梅罗指数法[13]。20世纪70年代起,东欧与前苏联采用统一的物理-化学指标开始进行水环境质量评价。进入21世纪后,西方又逐渐提出层次分析法[14]、人工神经网络法[15]、集对分析法[16]等。

  1989年我国学者赵克勤提出了集对分析理论,利用联系数统一处理模糊、随机等不确定性系统;2003年徐祖信教授提出水质标识指数法这种新的水质评价方法,已在我国部分省市河流水环境质量评价中得到了广泛应用;而后我国学者对水质综合指数的计算模式进行一些改进,提出几何均数评价模式[17]、半集均方差评价[18]模式等。在20世纪的最后10年中,诞生了《柏林宣言》、《新德里宣言》以及《21世纪议程》等国家发展规划,均强调水环境质量评价的重要性。从此,世界各国开始重视水环境质量评价,多种评价方法及模型在水环境质量评价中得到应用。

  1.3论文研究的目的、内容及技术路线

  1.3.1研究目的

  为克服传统模糊数学法对水体污染严重程度估计不足导致无法对劣类水质进行评价的缺点,本研究以大清河为例,利用改进的模糊数学法进行水环境质量评价,获得准确的水质评价结果及影响其水环境质量的主要污染因子,为后续大清河水环境保护及综合利用奠定基础,也为今后进行其他河流水污染控制的研究提供科学依据。

  1.3.2研究内容

  本文基于改进的模糊数学法对大清河水环境质量进行评价,找到主要污染因子,并提出优化建议。根据问题的研究思路及范围,本文共分为六章,其中第四章和第五章为本研究核心部分,具体研究路径及逻辑结果安排如下:

  第一章绪论。先对本文进行综合概述;接着论述当前国内外水环境质量评价方法的研究进展;再说明研究目的、内容及技术路线;最后表明本研究的创新点。第二章研究区环境概况。分别介绍大清河的自然社会状况、社会经济状况及水环境状况。第三章评价方法及基本步骤。对传统的模糊数学法提出改进建议并明确其基本步骤。第四章水质评价结果。利用第三章基本步骤实现改进模糊数学模型,分别运用改进前后的模糊数学法及单因子评价法得出大清河水环境质量评价结果。第五章评价结果分析。首先对三种方法的评价结果进行对比,找出最为科学准确的评价方法,并对该评价结果进行分析;再结合当地地方标准分析超标断面评价指标,找到大清河主要污染因子。第六章综合论述研究所得结论。

  1.3.3技术路线

  图1-1技术路线

  1.4创新点

  在评价方法的选取方面,本研究采用改进的模糊数学法,利用各级水质标准上下限的中间值作为评价标准建立模糊数学评价模型,从而能够评价劣类水质。在水质参数的选取方面,结合大清河实际特点及监测数据较为全面地选取了8个水质参数,且选取断面较多,覆盖面广,使评价结果准确性较高。

  2研究区环境概况

  2.1大清河自然社会状况

  大清河是海河水系五大河之一,位于海河流域中部;西起太行山,东至渤海湾,北界永定河,南临子牙河(如图1)。

  图1大清河流域所处海河水系位置图

  大清河地处东经,北纬,地跨京、津、冀、晋四省(市);流域面积45131平方公里。大清河发源于太行山中北部,支流多在上游区域,以保定为中心呈扇形分布在中部地区并在中游汇聚成南北两大支流[19]。大清河位于中温带半湿润气候亚区,四季分明,大气温度自西北向东南递增,年均温差较大。降水量由西向东逐渐递增且年内分配不均,大多集中在7、8月份[20]。

  2.2大清河社会经济状况

  大清河位于华北地区腹地,行政区域横跨跨山西、河北、北京和天津四地,总人口超过2300万人,耕地超过2600万亩,且沿岸建有大量养殖场,故大清河流域粮食畜禽资源丰富。另外,大清河因港口众多盛产鱼虾等水产品,还有超过6000万吨的河沙储存量,沙场随处可见,年开采、储运量在150万吨以上。工业产业以化工、造纸、机械制造为主,经济收入十分可观。

  2.3大清河水环境状况

  据中华人民共和国生态环境部统计数据,2014年大清河流域废水排放量62967400吨,其中化学需氧量排放量9367.32吨,氨氮排放量1325.16吨。整个大清河流域除一些大型国有企业建有污水处理厂或污水处理设施外,其他中小型私有企业的生产污水未经处理直接排入大清河,造成不同程度的污染,水污染事故多有发生,经济损失惨重[21-22]。

  3评价方法及基本步骤

  传统的模糊数学法是将不易确定优劣程度的模糊因素构建成模糊因子集,再根据水质评价标准建立评价集和隶属函数,求得权重和隶属度使其定量化,最后两者进行复合运算由最大隶属度原则得到河流水质级别。该操作对一般河流水环境状况的评价较有成效,但无法评价劣类水质,也无法得到对河流水质起主要作用的水质指标。故本研究先改进模糊数学法,再结合单因子评价法,得到大清河水环境质量评价和主要污染指标。

  3.1建立模糊因子集和评价集

  从水环境质量监测数据中选择能够综合反映评价对象质量的指标作为评价指标,建立评价因子集。

  根据研究区水质评价标准确定评价集,即评价标准等级集合,每一个评价等级集合对应一个模糊子集。

  3.2建立模糊关系矩阵

  模糊关系矩阵R由模糊因子集中各指标相对于不同评定类别的隶属度构成[23]。隶属度根据隶属函数通式计算所得:

  当时,隶属函数为

  当1时,隶属函数为

  当时,隶属函数为

  利用上述隶属函数通式,分别计算各指标实测数据在不同水质级别下的隶属度,进而建立模糊关系矩阵R(为第种污染因子的水质隶属于第级的可能性):

  R=

  3.3确定权重集

  评价指标的权重表明其在水环境质量评价中作用的相对大小。本研究使用熵权法确定权重。先对监测数据进行标准化,将不同指标的单位统一。再进行归一化处理,计算各数据在所在指标实测值之和的占比。然后根据公式确定评价指标的熵值:

  (1)

  最后对熵值进行归一化处理得到权重向量[24]:

  (2)

  从而得到权重集:

  ,(=1,2…6)

  3.4评价水质级别

  将权重集与模糊关系矩阵进行复合运算,即可得到综合隶属度向量。最大综合隶属度所在级别即为水质级别。

  3.5单因子评价

  单因子评价法是用所选评价指标的实测值和评价标准相对比,其中最差的评价指标实测值所对应的级别即为该断面水环境质量类别。该方法易因某一污染因子而夸大整个水体的污染程度,评价结果较为悲观,一般不将此法作为水环境质量评价的唯一结果。但可以利用其中的超标因子计算公式确定各评价指标中对水环境质量影响最严重的超标因子[25]。其计算公式为:

  式中:为各评价指标相对计算值;为评价指标的实测值;为评价指标最高允许浓度限值。一般地,代表该指标浓度值达标;代表该指标浓度值超标。

  4水质评价结果

  4.1大清河水质评价断面和评价指标的选取

  4.1.1评价断面的选取

  根据大清河自然条件及实际情况共选取14个监测点,分别为涞源、紫荆关、新盖房、大沙地、望亭、水堡、倒马关、白合、砂窝、阜平、王林口、码头、焦庄、安州断面(如图2)。

  图2大清河采样点图

  4.1.2评价指标的选取

  水质指标的作用是衡量水中物理、化学和生物等性质污染物成分及含量的标准,是评价水环境受污染程度的参数。本研究根据大清河评价断面和监测数据选取8项水质指标,分别为溶解氧(DO)、高锰酸钾指数(CODMn)、化学需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)、铅(Pb)、石油类。以2014-2016年各年水质监测指标的平均值作为分析基础获得监测数据。

  4.2大清河水质评价

  4.2.1建立模糊因子集和评价集

  结合大清河实际状况和水环境质量监测数据选择DO、CODMn、COD、BOD5、NH3-N、TP、Pb、石油类作为评价因子,建立评价因子集

  DO,CODMn、COD、BOD5、NH3-N,TP,Pb,石油类

  传统的模糊数学法中评价标准通过评价因子的各等级上下限值确定[26],将劣类水划分到类水体中,由此得到评价集。改进的模糊数学法则以各水质级别标准上下限的中间值作为评价标准,构成6个级别[27]。以NH3-N为例,按照上述方法操作,各水质级别区间为(0,0.15],(0.15,0.5],(0.5,1.0],(1.0,1.5],(1.5,2],各区间中间值分别为0.075,0.325,0.75,1.25,1.75,那么水环境质量评价标准限值依次为0.075,0.325,0.75,1.25,1.75,2。