湖库水质评价及水质模拟预测方法研究
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摘要
在经济发展高速增长的同时,水环境问题日渐突出,迫切需要相应理论及技术的支持。研究水体中污染物迁移转化规律,准确评价水环境状况,预测水环境变化趋势,对于经济有效地防治水环境污染,具有重要的科学价值和现实意义。
本论文以国家自然科学基金重点研究项目“京蒙沙源区植被建设中水资源优化配置研究”和内蒙古自然科学基金项目“西山湾水库水环境质量预测模型与水环境改善对策研究”为依托,结合浑善达克沙地京蒙沙源区生态环境建设中生态需水的实际,将环境科学、水利科学等学科进行交叉渗透,就模糊集理论、灰色系统理论、自适应神经网络算法(A-BP)、加速遗传算法(AGA)以及各种算法的结合在水质评价中的应用进行了研究,就神经网络在水质模拟预测及水库富营养化预测方面的应用进行了探讨,建立了基于A-BP和AGA的水质评价、模拟预测模型,旨在寻求一种评价结果客观、准确、评价过程简单而有效的评价预测方法。
(1)在采集分析西山湾水库大量实测水质数据的基础上,建立了基于AGA的模糊贴近度水质评价模型、基于AGA的LOG曲线水质评价模型和A-BP水质评价模型,采用上述模型以及模糊数学法、灰色关联法对水环境质量进行了现状综合评价,并对各种方法进行了对比分析。
(2)将A-BP模型用于串联水库水质的时空模拟与预测。根据水质在一维空间和时间上的连续性,建立了模拟水质一维空间分布和时间分布的A-BP串联模型,并建立了二维A-BP模型。
(3)采用A-BP模型和AGA模型对水库的富营养化进行了评价;建立了基于A-BP的富营养化指标预测模型,并对水库富营养化指标进行了预测。
(4)推算了水库水环境容量,对入库污染源进行了分析预测,根据水污染控制和生态修复理论,制定了水库水污染防治对策。
研究结果表明:较之其它方法,采用基于AGA的模糊贴近度模型和A-BP模型进行水质评价可信度较高;采用A-BP模型各项水质指标模拟效果均较好,并且体现出可同时模拟多个变量和模拟过程大为简化等优点;采用AGA-LOG和A-BP进行水库富营养化评价,两种方法评价结果基本一致;在水库富营养化预测的几种方法中,A-BP模型的预测精度高于其它方法;水环境容量推算结果表明,西山湾水库已无TN、TP和CODMn的环境容量; BOD_5、COD_(cr)仍有一定的环境容量。
While speeding up the development on the economy, the problem of Water environment is been protruded gradually. Studing on transporting and transforming rules of the pollutant, assessing accurately water environmental quality status and predicting its development tendency are scientifically valuable and practically significant to prevent and control water environment contamination.
Supported by a key project of state natural scientific fund and Inner mongolia natural scientific fund, according to the ecological water demand of ecological construction in Hunshandake sandlot, intercrossing environmental science and hydraulic science, the dissertation studied the application of fuzzy sets theory,grey systems theory,Adaptive Back-Propagation Algorithm (A-BP),Acceleration Genetic Algorithm (AGA) and their combination in water quality assessment, researched into the application of A-BP in simulation and prediction of water quality and eutrophication indexes, established the models of water quality assessment and prediction based on AGA and A-BP, It aimed at exploring a objective, exact, simple and effective method to assess and predict water environmental quality.
(1) Based on a vast amount of monitoring data for the Xishanwan reservoir, fuzzy nearness water quality assessing model based on AGA and LOG curve model based on AGA and A-BP model were established, these modles and fuzzy sets theory and grey stratified strategy were employed to asseee water quality , and various methods were compared and analysed.
(2) A-BP model was developed for simulating water quality distribution in time and space. According to one dimension space and time sequence, the series connected A-BP models are proposed to predict one dimension water quality space distribution and time distribution. Also, two dimension A-BP water quality was established.
(3) The AGA model and A-BP model are employed to assess eutrophic grade of reservoir; the prediction modle based on A-BP of eutrophication indexes was proposed, and eutrophic grade was predicted.
(4) The water environmental capacity was caculated and polluted raw of reservoir was analyzed,According to theory of water pollution control and ecology restoring,water pollution controlling countermeasures of reservoir are proposed.
It was concluded that A-BP model and fuzzy nearness model based on AGA are convincible and effectual to assess water quality while comparing with other methods; Simulating precision of A -BP model for prediction water quality indexs is higher, also it can simulate simultaneously more indexes and simplify simulation process; Both AGA and A-BP models have unanimous assessing results, which indicates the models are valid; Prediction precision of A-BP model for eutrophication prediction is higher than others; Results of water environmental capacity caculated show that Xishanwan reservoir has not already environmental capacity of TP, TN and CODMn , and has still some environmental capacity of BOD5 and CODcr
本论文以国家自然科学基金重点研究项目“京蒙沙源区植被建设中水资源优化配置研究”和内蒙古自然科学基金项目“西山湾水库水环境质量预测模型与水环境改善对策研究”为依托,结合浑善达克沙地京蒙沙源区生态环境建设中生态需水的实际,将环境科学、水利科学等学科进行交叉渗透,就模糊集理论、灰色系统理论、自适应神经网络算法(A-BP)、加速遗传算法(AGA)以及各种算法的结合在水质评价中的应用进行了研究,就神经网络在水质模拟预测及水库富营养化预测方面的应用进行了探讨,建立了基于A-BP和AGA的水质评价、模拟预测模型,旨在寻求一种评价结果客观、准确、评价过程简单而有效的评价预测方法。
(1)在采集分析西山湾水库大量实测水质数据的基础上,建立了基于AGA的模糊贴近度水质评价模型、基于AGA的LOG曲线水质评价模型和A-BP水质评价模型,采用上述模型以及模糊数学法、灰色关联法对水环境质量进行了现状综合评价,并对各种方法进行了对比分析。
(2)将A-BP模型用于串联水库水质的时空模拟与预测。根据水质在一维空间和时间上的连续性,建立了模拟水质一维空间分布和时间分布的A-BP串联模型,并建立了二维A-BP模型。
(3)采用A-BP模型和AGA模型对水库的富营养化进行了评价;建立了基于A-BP的富营养化指标预测模型,并对水库富营养化指标进行了预测。
(4)推算了水库水环境容量,对入库污染源进行了分析预测,根据水污染控制和生态修复理论,制定了水库水污染防治对策。
研究结果表明:较之其它方法,采用基于AGA的模糊贴近度模型和A-BP模型进行水质评价可信度较高;采用A-BP模型各项水质指标模拟效果均较好,并且体现出可同时模拟多个变量和模拟过程大为简化等优点;采用AGA-LOG和A-BP进行水库富营养化评价,两种方法评价结果基本一致;在水库富营养化预测的几种方法中,A-BP模型的预测精度高于其它方法;水环境容量推算结果表明,西山湾水库已无TN、TP和CODMn的环境容量; BOD_5、COD_(cr)仍有一定的环境容量。
While speeding up the development on the economy, the problem of Water environment is been protruded gradually. Studing on transporting and transforming rules of the pollutant, assessing accurately water environmental quality status and predicting its development tendency are scientifically valuable and practically significant to prevent and control water environment contamination.
Supported by a key project of state natural scientific fund and Inner mongolia natural scientific fund, according to the ecological water demand of ecological construction in Hunshandake sandlot, intercrossing environmental science and hydraulic science, the dissertation studied the application of fuzzy sets theory,grey systems theory,Adaptive Back-Propagation Algorithm (A-BP),Acceleration Genetic Algorithm (AGA) and their combination in water quality assessment, researched into the application of A-BP in simulation and prediction of water quality and eutrophication indexes, established the models of water quality assessment and prediction based on AGA and A-BP, It aimed at exploring a objective, exact, simple and effective method to assess and predict water environmental quality.
(1) Based on a vast amount of monitoring data for the Xishanwan reservoir, fuzzy nearness water quality assessing model based on AGA and LOG curve model based on AGA and A-BP model were established, these modles and fuzzy sets theory and grey stratified strategy were employed to asseee water quality , and various methods were compared and analysed.
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(3) The AGA model and A-BP model are employed to assess eutrophic grade of reservoir; the prediction modle based on A-BP of eutrophication indexes was proposed, and eutrophic grade was predicted.
(4) The water environmental capacity was caculated and polluted raw of reservoir was analyzed,According to theory of water pollution control and ecology restoring,water pollution controlling countermeasures of reservoir are proposed.
It was concluded that A-BP model and fuzzy nearness model based on AGA are convincible and effectual to assess water quality while comparing with other methods; Simulating precision of A -BP model for prediction water quality indexs is higher, also it can simulate simultaneously more indexes and simplify simulation process; Both AGA and A-BP models have unanimous assessing results, which indicates the models are valid; Prediction precision of A-BP model for eutrophication prediction is higher than others; Results of water environmental capacity caculated show that Xishanwan reservoir has not already environmental capacity of TP, TN and CODMn , and has still some environmental capacity of BOD5 and CODcr
引文
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