基于灰色-随机风险率方法的湖泊水质分析.pdf

基于灰色 - 随机风险率方法的湖泊水质分析 ＊ 李 兴 1 李畅游 1 代文婕 2 勾芒芒 3 1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院, 呼和浩特 010018; 2.内蒙古满洲里市建设局, 内蒙古 满洲里 021400; 3.内蒙古农业大学生态与环境学院, 呼和浩特 010018 摘要 湖泊水环境是一个受多种不确定性因素限制的复杂系统。 以内蒙古乌梁素海为研究对象, 应用水质超标灰色- 随机风险率的计算方法和系统可靠性分析理论建立了单项参数评价模型和综合参数评价模型, 分析湖泊入口断面水 质存在的潜在风险性。 结果表明 乌梁素海镉的Ⅴ类达标率仅为 7 . 69～ 23. 89, 镉污染已经十分严重, 硫化物和氰 化物的Ⅲ类和Ⅴ类达标率都达到 100, 所以几乎不受这两项指标的污染。 该方法能较好地反映乌梁素海入口断面 不同水质参数的污染强度和污染历时的变异过程, 为湖泊水环境风险的决策和管理工作提供了参考依据。 关键词 湖泊水质; 灰色概率; 灰色-随机风险率; 风险分析 ANALYSIS OF LAKE WATER QUALITY BASED ON GREY -STOCHASTIC RISK Li Xing1 Li Changyou1 Dai Wenjie2 Gou Mangmang3 1.The College of Water Conservancy and Civil Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China; 2.Construction Bureau of Manzhouli City , Manzhouli 021400, China; 3.The College of Ecology and Environment, Inner Mongolia Agriculture University, Hohhot 010018, China Abstract Lake water environment is a complicated system that is restricted by many uncertainty factors. Taking Wuliangsu Lake in Inner Mongolia as the study area, and assessment models for individual parameter and multiple parameters were established by grey- stochastic risk s and approach of reliability system.The following results were obtainedsafe probability of the fifth level on cadmium merely was from 7. 69 percent to 23. 89 percent in Wuliangsu Lake and contamination of cadmium was very serious;safe probability of the third level and the fifth level on sulphide and cyanide were all 100 percent, so the water in the lake was almost not contaminated by the two parameters.It was very good to reflect contamination intensity and duration of different water quality parameter in the entry of Wuliangsu Lake by grey-stochastic risk .It would provide a reference for decision-making and risk management on the lake water environment. Keywordslake water quality ; grey probability; grey-stochastic risk ; risk analysis ＊国家自然科学基金资助项目 50569002 50669004 ; 内蒙古自然科 学基金重点项目 200711020604 ; 内蒙古自治区水利厅重点支持项目 20080105 ; 内蒙古自治区“十一五”科技攻关。 湖泊生态系统的安全性是水环境规划和控制的主 要目的,由于湖泊水质系统的复杂性以及水体在各种 因素作用下总会存在超过某一水质标准的风险性,致 使影响湖泊水污染变化的不确定性,除源于水质系统 本身 自然环境因素和社会经济发展因素 随机不确定 性外,还存在因人类自身对湖泊水环境系统认识的局 限性 信息不准确、 不完全、 不充分和不确知 而造成的 灰色不确定性 [ 1-4] 。因此,湖泊水环境风险来源于系统 中各种因素的随机不确定性和灰色不确定性。 对水质评价的研究工作源于 20 世纪 60 年代 ,并 相继提出了较多的评价方法, 如污染指数法 、 分级评 分法 、 数理统计法、 模糊数学法 、 属性识别理论以及灰 色系统法等 [ 5-9] , 这些评价方法一般只考虑水质的平 均状况以及极值情况 [ 10] , 而对水质的不确定性所带 来的最不利情况的影响分析较少,本文以灰色概率统 计为基础, 考虑湖泊水质评价的随机和灰色双重不确 定性, 对入湖断面的水质参数进行计算 , 分析水质评 价的风险性问题 。 1 灰色概率的基本概念 [ 4,11-12] 1. 1 灰色概率 设 Ψ , Χ 为可测空间,称映射 PG Χ※P[ 0,1] 为 117 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期 灰色概率, 若 PG是 Ψ , Χ 上的闭区间集值测度; 且 1 ∈PG Ψ 。则 Ψ, Χ, PG 称为灰色概率空间。 1. 2 灰色概率的灰度 Ψ , Χ, PG 中, 对任意事件 A , PG A [ a ＊, a ＊] ,0≤a ＊≤a＊ ≤ 1,称 GD PG A a ＊ -a ＊ 1 为灰色概率 PG A 的灰度。 当灰度为 1 时, 表明所获取的信息极为贫乏, 对 事件 A 的概率毫无把握; 随着获取信息的增加 ,灰度 逐渐减少, 当灰度为 0 时 ,对事件 A 发生的概率唯一 确知 ,灰色概率退化为经典概率。 1. 3 灰色概率分布 定义在样本空间 Ψ上 , 取值于实数域的函数 ξ , 称为是样本空间 Ψ上的随机变量,并称 FG xPG ξ≤x -∞ x Si 4 当水质参数浓度值的灰色 - 概率分布确定后 ,很 容易求出水质参数超标的概率 。 2. 2. 2 水质综合评价模型 设水质系统的水质参数 i 超标为一随机事件, 称为失效事件 记为 Ei ,各水质参数超标为相互独 立的随机事件。由于水体单项超标 ,即表明水体综合 评价超标, 因此 ,任一失效事件 Ei发生都将导致系统 水质超标。 水质系统的失效事件可表示为式 5 。 E E1∪ E2∪ ∪ En 5 水质系统的安全性可表示为式 6 。 E E1∩ E2∩ . . . ∩ En 6 由以上分析可知 ,水质综合评价超标风险率的计 算公式可表示为式 7 。 RG [ R ＊, R ＊] P fG E1 -PsG E 1 -PsG E1∩ E2∩ ∩ En 7 3 算法应用 本研究以内蒙古乌梁素海为研究对象,乌梁素海 是干旱区最为典型的浅水草型湖泊 ,是黄河中上游重 要的保水、蓄水和调水基地 ,也是河套灌区灌排水系 的重要组成部分 ,同时 , 河套灌区的农田排水也是其 主要补给水源。乌梁素海上游大量工业废水 、 生活污 水经由总排干渠进入乌梁素海 ,经总排干渠进入乌梁 素海的水量占总补给量的 90以上 , 因此总排干断 面的水质直接影响到整个乌梁素海的水质状况。 本研究采用 2007 年 48 月实测镉、六价铬、氰 化物和硫化物 4 种水质参数进行计算分析 ,各类水质 标准参照GB3838- 2002地表水环境质量标准 。 为反映总排干断面镉、六价铬、氰化物和硫化物 4 项有毒污染物质浓度超标风险率情况, 利用实测数 据对这 4 种有毒污染物质进行灰色 -随机风险率计 算和分析。由于水质参数具有随机和灰色双重不确 118 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期 定性, 导致对水质参数概率分布的形式不能完全确 定,但国内外许多研究者认为 [ 13-15] 水质参数可用正 态分布或对数正态分布来处理 ,在水质参数服从正态 分布的条件下,利用实测数据, 计算所得灰色 -概率 分布的方差以及上、下数学期望如表 1 所示, 根据 表1中计算数据及公式 4 与式 7 ,计算出各水质参 数的单项评价超标风险率以及综合评价超标风险率 的结果如表 2 所示 , 改变一系列水质标准值后 ,可计 算出水质参数超过不同浓度值的灰色-随机风险率, 绘制水质参数超过不同浓度值的风险率曲线见图 1。 从表 2 和图 1 中可以看出 , 镉的 Ⅴ类达标率仅为 7. 69～ 23. 89,表明乌梁素海镉污染十分严重, 主 要是由于上游工厂 钢铁厂、 番茄厂 、 玻璃厂和化肥厂 等 污水未达标排放造成的, 六价铬的 Ⅲ类达标率在 74. 86～ 91. 77, Ⅴ类达标率达 99. 67～ 99. 97, 表明乌梁素海受六价铬污染的机率很小 ,硫化物和氰 化物的 Ⅲ类和Ⅴ类达标率都达到了 100, 表明乌梁 素海几乎不受这两项指标污染, 由于受镉污染严重, 导致综合评价模型在各类控制标准下的达标概率都 很低 ,几乎都20。水质参数超过不同浓度值的风 险率曲线图可以更直观地反映在不同控制标准下 ,水 质超标风险率的大小 ,为精确反映水质参数的污染强 度和污染历时提供了有力工具 。 表 1 总排干断面各水质分布参数计算结果mg L 水质分布参数镉六价铬氰化物硫化物 μ0. 12280. 02500 . 01170. 0203 μ＊0. 16090. 03380 . 01390. 0255 μ＊ 0. 08460. 01620 . 00950. 0152 σ0. 10550. 02430 . 00610. 0143 表 2 排干断面水质参数超标灰色-随机风险率计算结果 水质标准区间镉六价铬氰化物硫化物综合模型 Ⅰ下限78. 5260. 2676. 730. 7398. 03 上限93. 5783. 6592. 794. 3699. 93 Ⅲ下限77. 348. 230079. 20 上限93. 0625. 140094. 80 Ⅴ下限76. 110. 030076. 11 上限92. 310. 330092. 33 4 结论 在随机和灰色双重不确定性因素影响的水质变 图 1 总排干断面水质参数超过不同浓度值的风险率曲线 化过程中, 将灰色-随机风险率的方法应用于入湖断 面水质超标风险性分析, 绘制了水质参数不同浓度值 的风险率曲线图, 更直观的反映了在不同控制标准 下,不同水质参数的污染强度和污染历时 ,该方法能 够为防止湖泊污染、合理进行水质规划提供一定的决 策依据。 参考文献 [ 1] 贺锡泉. 非突发性环境风险研究[ J] . 中国环境科学, 1990, 10 3 218 -223. [ 2] Warrant Piver, Lee A Duval, Jill A Schreifer. uating healthrisks from ground - watercontaminants [ J] . Journal ofEnvironmental Engineering , 1998, 124 5 475 -468. [ 3] 陈小红, 涂新军. 一个水质风险率计算的随机模型[ J] . 环境科 学学报,2000, 20 3 290 -293. [ 4] 胡国华, 夏军. 风险分析的灰色随机风险率方法研究[ J] . 水利 学报, 2001 4 1-6. [ 5] 王清芬, 王伯铎. 用灰色聚类关联分析法对水环境质量的评价 [ J] . 环境工程,2008, 26 3 59 -62. [ 6] 曾光明, 卓利, 钟政林, 等. 突发性水环境风险评价模型事故泄 漏行为的模拟分析[ J] . 中国环境科学, 1998, 18 5 403 -406. [ 7] 王丽琼. 基于熵权的属性识别模型在湖泊水质富营养化评价中 的应用[ J] . 环境工程, 2006,24 5 69 -88. [ 8] 夏军. 区域水环境质量灰关联度评价方法的研究[ J] . 水文, 1995 2 4 -10. [ 9] 孔健健, 张江山. 属性识别理论模型在湖泊水质富营养化评价 中的应用[ J] . 环境工程, 2004, 22 5 66-68. [ 10] 赵沛伦, 申献辰, 夏军, 等. 泥沙对黄河水质影响及重点河段水 污染控制[ M] . 郑州 黄河水利出版社, 1998 98 -113. 下转第 61 页 119 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期 定浓度的溶液。经计量泵定量送往废水处理系统的 沉淀反应槽。 3. 2. 5 PAM 絮凝剂投加系统 配制的PAM 溶液直接由计量泵分别定量送往沉 淀反应槽的出口和澄清槽中心管入口。 3. 2. 6 除氟剂投加系统 除氟剂粉经加料器定量向除氟剂浆配制槽供料, 同时定量加入水 ,通过搅拌器搅拌混合均匀 ,配制成 10 的浆液 。为防止配制槽内和供浆管内的悬浮物 沉淀, 除氟剂循环供浆泵连续运行, 向除氟反应槽 供浆 。 3. 3 污泥脱水系统 污泥脱水系统分为 污泥缓冲浓缩 ,污泥压滤 ,清 洗等 。 3. 3. 1 污泥缓冲浓缩 为了缓冲废水处理系统24 h d连续运行 ,而污泥 脱水系统16 h d运行的差异 , 在澄清槽后设有污泥浓 缩槽 ,沉淀槽底部和澄清槽底部的污泥送到污泥浓缩 槽内浓缩 ,上部清水随压滤机产生的滤液一起回至废 水处理系统,下部污泥被分别用进料泵和压滤泵送至 压滤机。 3. 3. 2 污泥压滤 污泥浓缩槽底部污泥用进料泵送往压滤机。通 过压滤机压滤形成滤饼, 达到一定压力时打开压滤机 将滤饼排掉。 滤饼直接落入底层的装车泥斗 ,定期装车外运。 滤液排入废水处理系统除氟反应槽进行除氟及后续 工艺处理 。 3. 3. 3 清洗 压滤机装备有滤布酸洗再生系统, 定期用稀盐酸 清洗滤布上形成的垢膜。对滤布进行酸洗再生,恢复 滤布的通透性, 减少过滤阻力 。 4 运行效果 该电厂烟气脱硫废水处理工程于 2006 年 8 月开 始动工, 2007 年 2 月安装完毕并开始试运行, 并于 2007 年4 月份通过环保局验收。据每天自行监测数 据及环保部门不定期抽样化验数据表明 ,至今出水一 直稳定达标排放。产生的污泥干固率大于 65。废 水的出口实际分析结果见表 2。 表 2 废水出口实际分析 项目技术参数国家一级标准 pH 25 ℃ 7. 746～ 9 悬浮物, ρ SS mgL - 1 16. 070 氟, ρ F mgL-11. 1810 铜, ρ Cu mgL - 1 00. 5 总铬, ρ Cr mgL- 10. 020. 5 化学需氧量, ρ COD mgL-146150 5 结束语 脱硫废水的水质成分复杂 ,应根据废水的具体特 点、 有针对性的处理 ,通过化学中和 、 还原等多种工艺 的综合运用 ,可达到良好的处理效果, 将主要控制指 标Cr 6 、 F - 、 SS 、COD 处理至排放标准以下 , 经过实 际运行,脱硫废水处理能力达到并超过设计能力。 参考文献 [ 1] GB8978-1996 污水综合排放标准[ S] . 中国环境科学出版社, 1997. [ 2] CECS92 97 重金属污水化学法处理设计规范[ S] . [ 3] 姚志全. 还原中和 -A O 工艺处理冷轧不锈钢废水工程实例[ J] . 环境工程, 2007 增刊 . 作者通信处 张涛 200032 上海市肇嘉浜路 777 号 826 室 上海史 道勒博比设备工程有限公司 电话 021 64439611 E -mail zhangtao steuler -bobby . com 2008- 09-19 收稿 上接第 119 页 [ 11] 张震宇, 武洪涛, 张绍峰. 数字水利环境工程应用[ M] . 北京 科 学出版社, 2004 89 -94. [ 12] 黄伟军, 丁晶. 灰色先验分布研究[ C] 夏军. 现代水科学不确定 性研究与进展. 成都 成都科技大学出版社, 1994 178 -182. [ 13] Finney B A,Bowles D S,Windham M P.Random differential equations in river water quality modeling[ J] . Water Resources, 1982, 18 1 122 -134. [ 14] Dewey R J.Application of stochastic dissolved oxygen model[ J] . J Environmental Eng ASCE, 1984, 110 2 412 -429. [ 15] 黄平. 水质随机微分模型系数的识别方法及应用[ J] . 水利学 报, 1988 3 41 -48. 作者通信处 李兴 010018 呼和浩特市 内蒙古农业大学水利与 土木建筑工程学院 E -mail lixingmm yahoo . com. cn 2009- 01-08 收稿 61 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期