科学计算与数学建模第九章.ppt

,科学计算与数学建模,中南大学数学科学与计算技术学院,综合评价方法及其应用,第九章 长江水质的综合评价 综合评价方法及其应用,长江水质的综合评价模型,1,综合评价方法的基本概念,2,评价指标的规范化处理,3,4,5,6,污染源的确定,水质综合评价模型,1 长江水质的综合评价模型,长江水质的评价和预测（2005年大学数学建模A题）1、问题 水是人类赖以生存的资源，保护水资源就是保护我们自己，对于我国大江大河水资源的保护和治理应是重中之重。专家们呼吁：“以人为本，建设文明和谐社会，改善人与自然的环境，减少污染。”长江是我国第一、世界第三大河流，长江水质的污染程度日趋严重，已引起了相关政府部门和专家们的高度重视。2004年10月，由全国政协与中国发展研究院联合组成“保护长江万里行”考察团，从长江上游宜宾到下游上海，对沿线21个重点城市做了实地考察，揭示了一幅长江污染的真实画面，其污染程度让人触目惊心。为此，专家们提出“若不及时拯救，长江生态10年内将濒临崩溃”（附件），并发出了“拿什么拯救癌变长江”的呼唤（附件2）。附件3给出了长江沿线17个观测站（地区）近两年多主要水质指标的检测数据，以及干流上个观测站近一年多的基本数据（站点,距离、水流量和水流速）。通常认为一个观测站（地区）的水质污染主要来自于本地区的排污和上游的污水。一般说来，江河自身对污染物都有一定的自然净化能力，即污染物在水环境中通过物理降解、化学降解和生物降解等使水中污染物的浓度降低。反映江河自然净化能力的指标称为降解系数。事实上，长江干流的自然净化能力可以认为是近似均匀的，根据检测可知，主要污染物高锰酸盐指数和氨氮的降解系数通常介于0.10.5之间，比如可以考虑取0.2(单位：1/天)。附件4是“19952004年长江流域水质报告”给出的主要统计数据。下面的附表是国标(GB3838-2002)给出的地表水环境质量标准中4个主要项目标准限值，其中、类为可饮用水。,请你们研究下列问题：（1）对长江近两年多的水质情况做出定量的综合评价，并分析各地区水质的污染状况（2）研究、分析长江干流近一年多主要污染物高锰酸盐指数和氨氮的污染源主要在哪些地区?,附表:地表水环境质量标准（GB38382002）中4个主要项目标准限值 单位：mg/L,2、问题说明 针对长江水质的综合评价这一问题，采用动态加权综合评价方法来解决。假设17个城市为被评价对象，共有四项评价指标（或属性）DO、CODMn、NH3-N 和PH值，分别记为 和，前三项指标都有6个等级，相应的分类区间值如表（1）所示，而PH值没有等级之分。地表水环境质量标准(GB38382002)中4个主要项目标准限值 mg/L,2 综合评价方法的基本概念,综合评价的问题:对被评价对象所进行的客观、公正、合理的全面评价。通常的综合评价问题都是有若干个同类的被评价对象(或系统)，每个被评价对象往往都涉及到多个属性（或指标）。综合评价的目的:根据系统的属性判断确定这些系统的运行（或发展）状况哪个优，哪个劣，即按优劣对各被评价对象进排序或分类。这类问题又称为多属性（或多指标）的综合评价问题。综合评价的应用:研究多目标决策问题的前提，因此研究解决这类问题在实际中是很有意义的，特别是在政治、经济、社会及军事管理、工程技术及科学决策等领域都有重要的应用价值。构成综合评价问题的五个要素分别为:被评价对象、评价指标、权重系数、综合评价模型和评价者。,被评价对象就是综合评价问题中所研究的对象，或称为系统。通常情况下，在一个问题中被评价对象是属于同一类的，且个数要大于1，不妨假设一个综合评价问题中有 个被评价对象（或系统），分别记为。评价指标 评价指标是反映被评价对象(或系统)的运行(或发展)状况的基本要素。通常的问题都是有多项指标构成，每一项指标都是从不同的侧面刻画系统所具有某种特征大小的一个度量。一个综合评价问题的评价指标一般可用一个向量表示，其中每一个分量就是从一个侧面反映系统的状态，即称为综合评价的指标体系。,被评价对象,注意到:当各被评价对象和评价指标值都确定以后，问题的综合评价结果就完全依赖于权重系数的取值了，即权重系数确定的合理与否，直接关系到综合评价结果的可信度，甚至影响到最后决策的正确性。综合评价模型 对于多指标（或多因素）的综合评价问题,就是要通过建立合适的综合评价数学模型将多个评价指标综合成为一个整体的综合评价指标，作为综合评价的依据，从而得到相应的评价结果。不妨假设n个被评价对象的m个评价指标向量为 指标权重向量为，由此构造综合评价函数为。,如果已知各评价指标的 个观测值为 5，其中，则可以计算出各系统的综合评价值，。根据 值的大小将这 个系统进行排序或分类，即得到综合评价结果。评价者 评价者是直接参与评价的人，可以是某一个人，也可以是一个团体。对于评价目的选择、评价指标体系确定、评价模型的建立和权重系数的确定都与评价者有关。,综合评价的一般步骤：明确评价目的；确定被评价对象；建立评价指标体系（包括评价指标的原始值、评价指标的若干预处理等）；确定与各项评价指标相对应的权重系数；选择或构造综合评价模型；计算各系统的综合评价值,并给出综合评价结果。,9.3.1 评价指标类型的一致化 一般说来，在评价指标 中可能包含有“极大型”指标、“极小型”指标、“中间型”指标和“区间型”指标。极大型指标:总是期望指标的取值越大越好；极小型指标:总是期望指标的取值越小越好；中间型指标:总是期望指标的取值既不要太大，也不要太小为好，即取适当的中间值为最好;区间型指标:总是期望指标的取值最好是落在某一个确定的区间内为最好。1.极小型指标:对于某个极小型指标，则通过变换,或变换,其中 为指标 的可能取值的最大值，即可将指标 极大化。,3 评价指标的规范化处理,2.中间型指标:对于某个中间型指标，则通过变换,其中 和 分别为指标 的可能取值的最大值和最小值，即可将中间型 指标极大化。,3.区间型指标：对于某个区间型指标，则通过变换,其中 为指标 的最佳稳定的区间，和 分别为指标 的可能取值的最大值和最小值。即可将区间型指标 极大化。,9.3.2 评价指标的无量纲化,在实际中的评价指标 之间，往往都存在着各自不同的单位和数量级，使得这些指标之间存在着不可公度性，这就为综合评价带来了困难，尤其是为综合评价指标建立和依据这个指标的大小排序产生不合理性。如果不对这些指标作相应的无量纲处理，则在综合评价过程中就会出“大数吃小数”的错误结果，从而导致最后得到错误的评价结论。无量纲化处理又称为指标数据的标准化,或规范化处理 常用方法:标准差方法、极值差方法和功效系数方法等。假设 个评价指标，在此不妨假设已进行了类型的一致化处理，并都有 组样本观测值，则将其作无量纲化处理。,其中。显然 指标的均值和均方差分别为0和1，即 是无量纲的指标，称之为 的标准观测值。2.极值差方法:令，其中。则 是无量纲的指标观测值。3.功效系数法:令，其中 均为确定的常数。表示“平移量”，表示“旋转量”，即表示“放大”或“缩小”倍数，则。譬如若取，则。,1.标准差方法:令，,4 水质综合评价模型,9.4.1 基本假设（1）本文只以长江流域中的17个观测点为研究对象，不考虑长江流域的其它部分和未提到的其它支流。（2）假设高锰酸盐和氨氮的降解系数都为0.2。（3）各年的水质情况的检测数据互不影响。（4）各个污染指标不相关，互不影响。（5）评价和预测水质时忽略其他环境因素。（6）各监测站的监测数据代表该地区的水质情况（7）长江干流的水流速度均匀变化。,9.4.2 符号说明（1）DO表示水中溶解氧（2）CODMn表示水中高锰酸盐指数（3）NH3-N表示水中氨氮,9.4.3 问题分析 整个水质评价工作应包括五个环节：1、确定调查范围，设计检测站点；2、水污染调查与监测，得到各站点的监测值；3、确定评价指标与水质分级以及各指标在各等级的标准值；4、建立数学模型，进行综合评价；5、划分水环境质量等级，并作出评价结论。可用下面的流程图（图1）来表示，其中环节4和环节5是本文要做的工作，即建立数学模型进行综合评价，并划分水环境质量等级，作出评价结论。,图1 水质评价流程图,9.4.4 各观测站点分布图 水质评价工作的第一步就是确定调查范围，设计检测站点。由题目中的附件3可知此次水质评价工作的范围为长江中下游地区（从四川攀枝花到江苏扬州），在这之间设计了17个监测站点。参照中国地图册，画出长江中下游流域与各个观测站点（地区）的大致分布，如下面图3所示：,9.4.5 监测数据的采取 水质评价工作的第二步是每隔一段时间对水质调查与监测，得到各个指标的监测值序列。题目中的附件3已给出了这17个检测站近两年多主要水质指标的监测数据。,9.4.6 标准的选取 水质评价工作的第三步是确定评价指标、水质分级以及质量标准值。这里质量标准值采用地表水环境质量标准(GB3838-2002)中的标准值。评价指标为水质的3个主要指标：DO（溶解氧）、CODMn（高锰酸盐指数）和NH3-N（氨氮）。评价等级设为6个等级：类、类、类、类、类和劣类。,模型建立 水质评价工作的第三步是建立数学模型，进行综合评价。由于水质污染物浓度受水文流量及污染物排放因素的影响较大，存在随机性，而水质综合评价又存在模糊性。因此，本文提出了水质评价的模糊概率综合评价模型，把概率统计与模糊数学有机地结合起来，它能较全面地评价水质状况。,（1）确定评价指标、水质分级与各指标标准值 设评价指标有m个，水域水质分n级，则 评价指标集合 U=（1）水质分级集合 V=（2）i指标（i=1，2，m），j级水质（j=1，2，n）的指标标准值参考地表水环境质量标准(GB3838-2002)中的相关数值。,（2）污染物监测值统计概率分析 设i指标污染物监测值共有 个，其中介于 至 之间的监测值有 个，那么，对于i指标而言，介于至之间的监测值发生的统计概率为（3）其中 i=1，2，m；j=1，2，n。,（3）隶属度刻划水质分级界限 已知水质等级标准值为，i指标污染物介于 至 之间的 个监测值的平均值为，则（4）式中，为第i指标污染物监测值中介于 至 之间的 个监测值的第k个。,则对i指标而言，分别属于第j级水质和第j-1级水质的程度，即对第j级水质和第j-1级水质的隶属度可由下列各式推求，即 对DO，有（5）,对其他指标（CODMn，NH3-N），正好与上述方法相反，即（6）,（4）相对距离法计算权重 根据各评价参数超标情况进行加权，超标越多，加权越大，权重可采用下式计算，即 对DO：（7）对其他指标（CODMn，NH3-N）：（8）式中 第i种污染物的监测值算术平均值 DO的饱和浓度 第i种污染物各级标准值算术平均值,为了避免这一现象的发生，可用相对距离法计算单项指标的权重。具体计算如下：对DO：（9）其中 i=1,2.m,j=1,2.n.,对其他指标（CODMn，NH3-N）：(10)式中其中 i=1,2.m,j=1,2.n 第i种污染物第j级标准值,用（9）、（10）式计算权重，方法简单客观，同时也肯定了污染超标大者其权重亦大的基本思想，但也存在如下的问题：按照国际（GB38382002）给出的地表水环境质量标准，同一污染物的五类标准 是单向递增的，因此，如果两种指标分别属于k类和r类水质，设kr，按照污染超标大者其权重亦大，则应有。但由于不同的污染指标的相邻两级标准值增长不同步，可能造成上述次序的混乱。,为了进行模糊运算，各单项指标权重进行归一化处理，即(i=1,2,.m)(11)m个指标权重构成权重矩阵，即(12),（5）单指标模糊概率评价 根据上述方法，分别求出i指标，并分别统计j级水和j-1级水的隶属度和，以及介于至之间的i指标监测值发生的统计概率，就可以应用模糊概率方法对i指标进行单指标评价。i指标发生各级水质的模糊概率分别为(13)其中i=1，2，m。,i指标分别发生n级水质的概率就构成i指标单指标模糊概率评价矩阵，即 m个指标的单指标模糊概率矩阵就构成模糊概率关系矩阵，即(14),（6）多指标模糊概率综合评价 已求出权重矩阵及模糊概率关系矩阵，则对m个评价指标综合评价，得到多指标模糊概率综合评价矩阵，即(15)其中，(16)即为水域水体出现j级水质的模糊综合概率。,（7）综合评价指数 定义水域水质综合评价指数P为各个等级水质出现的概率与等级序号相乘在求和（类似于概率论中的全概率公式），即为：(17),模型求解 把水质评价工作中的第二步工作所采集的监测数据代入模型，经过计算可求得结果如下表：,结果分析：由上表可以发现，长江流域干流上监测站点水质都在第一等级和第二等级之间，水质情况较好。长江流域支流上部分监测点水质处于第一等级和第二等级之间，水质情况较好；部分监测点（四川乐山岷江大桥、四川泸州沱江二桥和湖南长沙新港）处于第二与第三等级之间，水质受到轻度污染；但在监测站江西南昌滁槎（赣江）水质处于劣五级，污染十分严重。通过查阅资料发现：由于目前赣江的主要流经城市南昌市内大量工业废水和生活废水不经处理就排入江内，造成氨氮、粪大肠菌群浓度过高，而南昌市只建有一个日处理污水能力8万吨的朝阳污水处理厂，但对于目前市内每日100万吨的污水排放量，城市处理污水能力远远跟不上工业的的发展，造成现在赣江的水体质量严重超标，达到重度污染级，这里是改善长江水质的重点处理区之一。,总的说来，长江流域（干流及支流）的大部分水质情况还是比较理想的，但是个别地区污染比较严重，不容忽视。河流的水质污染程度随径污比变化。河流的径流量和排入河流的污水、污物量决定了径污比。排污量相同，河流的径流量大则污染轻，反之就重。河流的径流量随时间变化，因此河水污染程度也随时间变化。这点在模型求解过程中没有考虑到，将在下面的模型的进一步求解中给出。,模型的进一步求解：（1）时间的分段处理 现在先对时间进行分段处理，即分为丰水期（5月到10月）、枯水期（1月到4月）和平水期（11月到12月）三个时期。然后对各个时期的监测数据进行模糊概率综合评价，计算得到的结果如下表：,表2 各监测点各时期污染等级分布,结果分析：由表2可以发现，三个时期（丰水期、平水期和枯水期）各监测站的污染等级分布与前面模型求解得到的全年的综合评价等级基本一致，三个时期之间的等级分布也基本相同，说明该河流的水质情况不会随季节发生非常显著性的变化。当是还是存在一定的变化，17个监测站大致的可以分为丰水期污染程度小于枯水期的污染程度和丰水期污染程度大于枯水期的污染程度两个类别：,1、丰水期污染枯水期污染 原因：丰水期雨量充足，水流量大，容易从上游或河流周边地区带来大量污染物而污染下游水质，如果这个负面作用过强就会超过因径流量大而使径污比减少的正面作用，因此丰水期污染反而更加严重。特别是如果雨量过大在河流流经地区发生洪涝灾害，则污染将更加严重。,（2）污染范围与污染历时评价 全面的水质状况，本来应从三个方面来评定：第一是污染强度，即各种污染物在水体中的浓度；第二是污染范围，即在水域中各种污染物所影响的空间大小；第三是污染历时，即各种污染物在水域中污染所持续的时间。上面只对污染强度一个方面进行了评价，其实模糊概率综合模型也可以容易地得到另外两个方面的评价。下面举例来说明用模糊概率综合模型是如何来评价污染物的污染范围的（对污染历时的评价也类似可得）。以污染物CODMn为例来对其污染范围进行评价：用单指标模糊概率评价法对长江流域17个观测站的CODMn污染状况进行评价，结果如下表：,表3 各监测点CODMn污染状况,结果分析：由上表可以发现，长江中下游流域的CODMn污染主要分布在四川岷江上游（与大渡河汇合前）、湖南洞庭湖和江西鄱阳湖地区。由于岷江上游距长江干流较远，所以它对长江干流的CODMn污染影响较小，而洞庭湖和鄱阳湖都与长江相接，它们的污染直接影响到长江干流的污染，例如湖南岳阳城陵矶的CODMn污染就比较严重。因此，总的来讲，长江干流的CODMn污染范围不是很大，主要是分布在长江与洞庭湖、鄱阳湖相接的河段及其附近河段。,9.4.10 模型的优点（1）把水污染监测浓度看成一个离散的随机变量，用概率统计方法进行统计，可以反映出其污染强度在时间上的分布规律，既可以推求某种污染强度出现的概率，又可以建立某种等级水体保证率的概念。（2）用隶属度描述水质分界界限，注意到了实际上界限的模糊性，使评价结果更接近实际。（3）从指标评价的基本单元出发，根据各项参数在总体中的作用给予不同的权重，避免了人为确定的任意性。（4）在综合评价中采用模糊逻辑推理的方法，避免了主观判断的不足，使得评价结果更接近了客观实际。,评价结论的有效性 水质评价工作的最后一步是对评价结论的有效性进行分析。经过查找资料，了解到四川岷江、湘江与赣江最近几年的污染都比较严重，而长江下游（南京、江苏地区）的污染较轻。这与模型求解得到的结论相符合，初略地验证了模型的评价结论的有效性。,5 污染源的确定,9.5.1 问题分析 找出长江干流主要污染物的污染源头即是找出造成长江污染的“罪魁祸首”。这对污染的防治起到很大的帮助，是很有必要的一个工作。一个观测站（地区）的水质污染主要来自于上游的污水和本地区的排污，其中上游污水包括干流污水和支流污水。同时河流自身对污染物也有一定的净化能力。因此，一个观测站点的污染物浓度形成过程可由下列流程图表示：,图3 各监测站污染物浓度行成过程流程图,由上图可以看出，一个观测站（干流上的观测站）的污染可能是由上一个观测站的污水带来，也可能是由上游的支流污水带来，也可能是本地区排污（本地区排污是指上一个观测站与这个观测站之间河段的排污）造成的。如果是由这个地区排污造成的污染，则污染源就在这个地区；如果是由上游的支流污水带来的污染，则污染源在支流上，再在支流上可以寻找到污染源；如果是由上一个观测站污水带来的污染，则污染源与上一个观测站的污染源相同。,河流自净作用1、污染物到达浓度 污染物到达浓度的定义为：第i站点污染物实测浓度，经过河流自然净化作用，到达第i+1站点时，污染物浓度减少到，则称为第i+1站点污染物的到达浓度。,根据参考文献中的计算公式，可得污染物到达浓度计算公式：（18）式中 第i站点污染物实测浓度 经河流自净，第i+1站点污染物的到达浓度 K污染物的降解系数 第i站点与第i+1站点的距离 u第i站点与第i+1站点间河流的平均速度 第i站点的水流量,2、污染物净增浓度 污染物净增浓度定义为：第i站点污染物实测浓度减去第i站点污染物到达浓度得到的值称之为第i站点污染物净增浓度，即（19）由于长江支流观测站的基本数据（站点距离、水流量和水流速）没有给出，所以这个“净增”并不是真正意义上的净增。如果这个观测站与上一个观测站之间有支流，则它还包括支流流下来的污水带来的增加。,显然，根据污染物净增浓度的大小，可以判断该站点的污染是否是由上一个观测站带来的。如果污染物净增浓度很小，即该地区的污染主要由上一个观测站污水流下来造成的，则可以肯定该地区的污染源不在该地区内，也不在支流上（如果有支流）。它的污染是由上一个观测站带来的，污染源的寻找应该转到上一个观测站。,CODMn的污染源分析,用单指标模糊概率评价法对长江流域17个观测站近一年多（从2004年4月到2005年4月）的CODMn污染状况进行评价，结果如下表：,表4 近一年多各地区CODMn的污染状况,从上表中可以发现：1、观测站13（洞庭湖出口）的CODMn污染情况严重，而观测站12（湘江流入洞庭湖前）的CODMn污染情况很轻，即从湘江流入洞庭湖水质的CODMn污染很轻，而从洞庭湖流入长江水质的CODMn污染却很严重。这说明了洞庭湖是长江干流CODMn污染的一个污染源。再分析观测站16（赣江在流入鄱阳湖前）与观测站15（鄱阳湖出口）的数据，同样可以发现鄱阳湖也是长江干流CODMn污染的一个污染源。,2、站点4、站点8和站点17的CODMn污染也较为严重，它们的CODMn污染的污染源还不能确定。下面通过计算污染物CODMn在各个站点的到达浓度和净增浓度来进行分析：根据上面的污染物到达浓度和净增浓度的定义与计算公式，对2004年4月到2005年4月的长江干流7个观测站的污染物CODMn进行计算，得到计算结果如下面的表3与表4：,表5 各站点CODMn到达浓度 mg/L,表6 各站点CODMn净增浓度mg/L,由上面的表5可以发现：1、站点2（重庆朱沱）的CODMn净增浓度较大而CODMn到达浓度较小，这说明站点2的污染不是从上一个站点带来的，这时考虑到它与站点1之间有两条支流（岷江和沱江）（见图2），因此它的污染可能是由支流带来的。由表4可以发现站点8（岷江）的CODMn污染严重，所以站点2的污染源可能是岷江（当然也可能站点2本地区排污也比较严重）2、站点3（湖北宜昌南津关）的CODMn净增浓度较大而CODMn到达浓度较小，即知它的污染不是从上一个站点带来的，而它与上一个站点间又没有支流，所以它的污染源就在这个站点地区（包括它与上一个站点之间河段附近）。,3、站点4（湖南岳阳城陵矶）的CODMn净增浓度都很大（有的超过4）而CODMn到达浓度大部分都较小，这说明站点四的污染不是从上一个站点带来的，又考虑到它位于长江与洞庭湖相接的口子上（见图2），而洞庭湖是CODMn污染的一个污染源，所以站点4的污染源是洞庭湖地区。4、站点5（江西九江河西水厂）的CODMn净增浓度和到达浓度受丰水期和枯水期影响明显，在丰水期CODMn净增浓度较小而到达浓度较大，在枯水期则刚好相反。考虑到它的上一个站点（湖南岳阳城陵矶）CODMn污染比较严重，所以在丰水期它的污染主要是由上一个站点带来，而在枯水期，上游对它的影响明显减少，这时它的污染主要是本地区排污造成的。,5、站点6（安徽安庆皖河口）与站点7（江苏南京林山）的CODMn净增浓度都很小（不超过2），这说明了这两个站点的CODMn污染是由上游站点带来的。综上分析，长江干流近一年多CODMn污染的污染源主要分布在岷江上游（与大渡河汇合前）、洞庭湖和鄱阳湖地区。其他地方也会有一些小污染源，但不是主要的，对整个长江流域影响较小。,NH3-N的污染源分析 使用与上一节CODMn的污染源分析相同的方法与步骤，即可以求出长江干流近一年多污染物NH3-N的污染源主要分布在以下四个支流上：岷江上游（与大渡河汇合前）、沱江、湘江和赣江。具体分析过程这里不再详述，相关表格见附录中的表16、表17和表18。其中特别突出的是赣江上的NH3-N污染，它的污染程度达到了劣级，是整个长江流域NH3-N污染的“首要功臣”。,参考文献1韩中庚 综合评价方法及其应用海南数学建模培训 20062韩中庚 长江水质综合评价与预测的数学模型 工程数学学报 2005年 22卷 7期 65-753韩中庚基于动态加权方法的水质综合评价模型 中国运筹学会第八届学术交流会中国运筹学会第八届学术交流会论文集 2006年,中南大学数学科学与计算技术学院,Thank You!,