基于三角模糊技术的河流水环境容量研究.pdf

0. 10 g ,需投加掩蔽剂的 Cl -浓度范围仍需确定。 3 结论 采用光电比色法测量低浓度废水的 CODCr浓度, 不仅具有较好的准确度和精密度, 而且极大地减少了 试剂对环境的污染并降低了分析成本, 该方法可直接 读数 ,无需滴定或绘制标准曲线,操作安全且简便 ,可 以取代目前本实验室所使用的密封消解法,尤其适用 于大批量水样的检测和长期的水质监测 。但该方法 的测量结果受水样中 Cl -的影响较大 ,需投加适量的 硫酸汞掩蔽剂, 需投加掩蔽剂的 Cl -浓度范围仍需进 一步研究确定。 参考文献 [ 1] 中国标准出版社第二编辑室. 中国环境保护标准汇编水质分析 方法. 北京 中国标准出版社, 2001 280-283. [ 2] 姚淑华, 石中亮, 宋守志,陈桂英. 用 MnSO4作催化剂开管测定废 水CODCr. 环境工程, 2003, 21 5 54 -56. [ 3] 刘帅霞, 邢天来, 董晓琳. 化学需氧量三种测定方法的比较. 中国 给水排水, 2004, 20 1 95 -97. [ 4] 傅大放, 邹路易, 邹宗柏. 不加催化剂和掩蔽剂的微波密封消解 法测定CODCr. 中国环境科学, 1998, 18 2 154 -157. 作者通讯处 李小明 410082 湖南大学环境科学与工程学院 2006- 05-11 收稿 基于三角模糊技术的河流水环境容量研究 ＊ 李如忠 高苏蒂 合肥工业大学资源与环境工程学院, 安徽 230009 摘要 基于河流水环境系统的随机性、模糊性特征, 以及资料信息的不足和不精确性, 将水环境系统参数定义为三角 模糊数。 在此基础上, 通过将常规的确定性模型参量模糊化, 建立了河流水环境容量计算模糊模型。 根据该模型, 可 以计算得到三角模糊数形式的河流水环境容量; 再由给定的可信度水平要求, 可以进一步将水环境容量由三角模糊数 转化为区间值。 实例研究表明, 相对于常规的确定性方法 , 所得结果更为科学、合理, 而且计算简单、操作方便, 具有实 用价值。 关键词 水环境系统 水环境容量 三角模糊数 隶属函数 可信度水平 ＊安徽省自然科学基金资助项目 050450303 0 引言 目前 ,对水环境容量 也称水体纳污能力 的研究 已有很多 [ 1-6] ,从不确定性角度, 分析、计算河流水环 境容量, 已成为水体纳污能力问题研究的发展趋 势 [ 3,5,6] 。河流水环境系统也是一个具有模糊性、 不精 确性特征的大系统, 因此可以运用模糊集理论来研究 河流水环境问题 [ 7,8] 。近年来 , 有人尝试将三角模糊 技术用于模拟、表征系统或事物的随机性 、 模糊性和 不精确性特征 [ 8- 12] , 取得了较好的效果 。本研究尝试 将三角模糊数用于河流水环境容量研究 ,在定义水环 境系统三角模糊参数的基础上 ,建立了河流水环境容 量计算的模糊模型, 从而为水体纳污能力问题研究提 供了新思路、 新方法 。 1 三角模糊数运算性质 1. 1 三角模糊数 设 a , b , c 分别为某一模糊事件的最小可能值 下限 、 最可能值和最大可能值 上限 , 则 3 个一组 数 a , b , c 构成一个三角模糊数 ,令为 A ,即 A a , b , c 。这里 a , b , c 为实数 ,且 a ≤b ≤c ,相应的隶属 函数定义为 [ 13,14] μ A x 0, x c 1 1. 2 四则运算 设两个正的三角模糊数, A a1, a2, a3 和 B b1, b2, b3 ,则有 [ 13,14] a1, a2, a3⊕ b1,b2,b3 a1b1, a2b2, a3b3 2 74 环 境 工 程 2007年 4 月第25 卷第2 期 a1, a2, a3 Θ b1, b2, b3 a1-b3, a2-b2, a3-b1 3 a1, a2, a3 b1, b2, b3 a1 b1, a2b2, a3. b3 4 a1, a2, a3 Δ b1, b2, b3 a1 b3, a2 b2, a3 b1 5 若 k 0, 则有 k a , b , c k , k , k a , b , c k a , k b , k c 6 式中, ⊕, Θ, 和 Δ分别表示加 、 减 、乘和除法运算。 这里 ,虽然模糊数的乘、 除运算不如加、减运算那么严 谨,但对有限次的乘 、除运算而言, 计算误差一般并 不大 [ 13,14] 。 1. 3 α -截集 令 α ∈[ 0,1] ,则在可信度水平 α 下 ,有 [ 13,14] A α[ a α 1, a α 3] [ a2-a1 α a1, - a3-a2 αa3] 7 B α[ b α 1, b α 3] [ b2-b1 αb1, - b3-b2 α b3] 8 A α ⊕ B α [ a α 1b α 1, a α 3b α 3] 9 即,运用式 7 、 式 8 可以将三角模糊数转化为某一 可信度水平 α 下的区间数。 2 河流水环境容量计算的模糊数学模型 2. 1 水环境容量计算模型 根据文献[ 1] , 稳态条件下完全混合水体的水环 境容量计算模型可以表示为 W Q Cs-CkCsV Q Cs-CkCsQX U 10 式中 Q 河水流量; U 流速; X 河段长度 ; Cs 水质目标; C 污染物背景浓度; k 污染物降解系数 。 式 10 是一个确定性模型,它所表示的是在某一 给定设计条件 如某一水位、 流量保证率等 下河流所 能接纳的污染物量。显然 ,这并不能代表河流的水环 境容量,也不能真实反映水体的实际纳污能力水平。 事实上 ,在整个设计期间内 ,河水流量 、 流速 、 污染物 浓度等都是在一定范围内变化的 。因此 , 从理论上 讲,河流水环境容量也是一个在一定区间范围内变化 着的动态值 。但由于各参数在不同状态下出现的几 率不同,使得河流水环境容量区间值又有别于常规的 灰区间数。只有把握这一特征 ,才可能准确地反映河 流水体的真实纳污能力水平。 若将模型参数表示为三角模糊数,就能够较好地 反映出水体纳污能力的变化特征。这是因为 ,每个三 角模糊数实际上都是一个定义了隶属函数的区间数, 它较确定性实数能够更好地描述或表征水环境系统 的波动性、不确定性特征。可以认为, 一个实数对模 糊数的隶属度越大, 则该实数隶属于这个模糊数的可 信程度就越高。类似地, 可以认为某一数据区间内, 出现几率越大的数据, 相应的隶属度越高 、 可信度也 越大 。常规的灰区间数, 虽然也反映了系统参数区间 性变化的特点, 但对区间内各数据视为具有相同的可 信度,对数据出现几率的处理也较粗糙。可以认为, 若以模糊数来表征各参数 ,则能够更好地描述水环境 系统动态不确定性、模糊性特征。 2. 2 三角模糊参数在水环境系统中的定义 河流水环境系统的模糊性 、 不精确性以及资料信 息的不足, 使得人们对河水流量 Q 、 流速 u 、 污染物浓 度 C 和降解系数k 等参数的率定不可避免地带有模 糊性 、 不精确性 。对于天然的河流水体 , 在一定时段 内,水环境系统基本上都是处于平均值左右一定范围 内波动。通常, 靠近平均值的数据或状态出现的几率 大一些 、 相应的可信度较高些; 远离平均值的极限状 态出现的几率小一些 ,可信度也较低些。根据这一特 点,考虑将上述各参数定义为三角模糊数 ,分别表示 为 Q q1, q2, q3 , U u1, u2, u3 , C c1, c2, c3 , K k1, k2, k3 。若将平均值看作是最可能值, 即相应可信度 或隶属度 最高 , 等于 1; 以数据列最 大值作为上限、最小值作为下限, 并取相应的可信度 为0, 则参照式 1 可以定义上述各参数的模糊隶属 函数 。限于篇幅 ,此处略去。 当然, 上、下限 值也可以采用数 理统计学方 法 [ 15] , 以平均值 两倍标准差的方式确定模糊区间 。 2. 3 水环境容量计算模糊模型 将上述三角模糊参数代入式 10 中 ,可以得到带 有模糊参数的河流水环境容量计算模型 ,即 W Q CsΘ C⊕ k Cs Q xΔ u q1, q2, q3 [ CsΘ c1, c2, c3 ] ⊕ k1, k2, k3 Cs q1, q2, q3 xΔ u1, u2, u3 11 式中 Cs 确定性实数 。 75 环 境 工 程 2007年 4 月第25 卷第2 期 暂且称式 11 为河流水环境容量模糊计算模型。 对于大多数季节性河流而言, 一年内枯、平、丰 3 个水期的河水流量 、 流速、污染物浓度等变化较大, 为此, 可以考虑按不同水期构造模糊参数 、 分别计算 纳污能力, 再通过累加得到全年的水环境容量 ; 也可 以根据具体情况 ,按月或其它时间尺度分成多个时段 进行计算 ,具有很强的灵活性 。 3 应用举例 3. 1 基本资料 某河段长 L 12 km ,水质控制目标 CODMn Cs 10 mg L。通过对该河段 2001 -032002 -02 水文、 水质 统计资料和观测数据的分析、计算, 得到了枯、平、丰 3 个水期的河水流量 Q m 3 s 、 流速 U m s 、 污染物 浓度 C mg L ,以及污染物降解系数k 10 -6s- 1 等 参量的信息。若以各参量相应数据的平均值作为最 可能值,以数据列最大值作为上限 、 最小值为下限 ,构 造三角模糊参数 Q枯 190,250,310 , U枯 0. 16,0. 24,0. 31 , C枯 5. 5,7. 6,9. 6 , k枯 0. 72,0. 84,0. 98 Q平 300,440,580 , U平 0. 28,0. 40,0. 51 , C平 4. 7,6. 5,8. 3 , k平 0. 85,1. 02,1. 21 Q丰 560,700,850 , U丰 0. 42,0. 56,0. 75 , C丰 4. 2,6. 6,9. 2 , k丰 0. 98,1. 17,1. 36 3. 2 河段水环境容量模糊数计算 根据上述资料, 运用式 11 可以分别计算出枯、 平、 丰 3 个水期的水环境容量 。现以枯水期为例, 说 明纳污能力计算过程 。将枯水期水文、水质信息代入 式 11 , 通过单位换算 、整理 , 得到模糊容量 单位 kg d ,即 W枯 86 400 10 - 3 { 90,250,310 } [ 10,10,10 Θ 5. 5,7. 6,9. 6 ] ⊕ 0. 72,0. 84,0. 98 10 - 6 10 190,250,310 12 000Δ 0. 16,0. 24,0. 31 } 若令 W枯 W枯1 W枯2,其中 W枯1, W枯2分别为河 流的物理稀释, 生化自净容量 ,则有 W枯1 86 400 10 - 3 190,250,310 [ 10,10,10 Θ 5. 5,7. 6,9. 6 ] W枯2 86 400 10 - 9 0. 72,0. 84,0. 98 10 190,250,310 12 000Δ 0. 16,0. 24,0. 31 根据式 2 ～ 式 6 的模糊数运算法则, 分别计算物理 稀释 、 生化自净容量 ,得到 W枯1 6 566. 4,66 960. 0,120 528. 0 W枯2 4 575. 2,9 072. 0,19 686. 2 W枯 W枯1 W枯2 11 141. 6,76 032. 0,140 214 . 2 这里,若每个水期均按 120 d 计 , 则可得到整个 枯水期的水环境容量 单位 t ,即 W总枯 120 10 - 3 W枯 1 337. 0 ,9 123. 8,16 825. 7 类似地 ,可以计算得到平 、 丰水期的物理稀释与生化 自净能力见表 1。 表 1 不同水期的水环境模糊容量值 水期物理稀释能力 kgd- 1生化自净能力 kgd- 1水期内允许纳污总量 t 枯水期 6 566. 4, 66 960. 0 ,120 528. 0 4 575. 3 ,9 072. 0, 19 686. 2 1 337. 0 ,9 123. 8 ,16 825. 7 平水期 44 064. 0, 133 056. 0, 265 593. 6 5 184. 0 ,11 632. 8, 25 986. 6 5 909. 8, 17 362. 6, 34 989. 6 丰水期 38 707. 2, 205 632. 0, 425 952. 0 7 586. 6 ,15 163. 2, 28 536. 7 5 555. 3, 26 495. 4, 54 538. 6 由表 1 可以看出 ,无论是物理稀释、生化自净容 量还是整个水期内的水环境容量,都具有很强的模糊 性,即三角模糊数的上、 下限差距较大。显然 ,这种模 糊性很大的计算结果对于水质规划和管理都是很不 方便的。因此, 需要将其进一步转化为更为明确的数 值形式。 3. 3 河段水环境容量区间值计算 结合上述三角形模糊容量计算结果, 运用式 7 ～ 式 9 可以很容易得到不同可信度水平要求下, 相应的水环境容量区间值 ,见表2。 与表 1 相比 ,将水环境容量由模糊数转化为区间 数,不仅方便了使用 , 也增强了决策管理的灵活性。 由于隶属函数是以平均值为最可能值 隶属度 μ 1 ,其它数据的隶属度或可信度也都是相对于平均值 而言的,因此这里的可信度水平是相对值 。实际应用 中,可以考虑选取 α ≥0. 90 对应的纳污能力作为河段 水环境容量的参考值 ,并据此确定区域的允许排污水 平。至于应该选取区间的上限 、 下限还是区间内某个 数值作为污染物的允许排放量标准 ,还要根据当地水 环境状况 、水功能规划以及经济发展水平等综合 确定 。 表 2 不同可信度水平下各水期及全年水环境容量t 水平α 1α 0. 95α 0. 90α 0. 85 枯水期9 123. 8[ 8 734. 5,9508. 9][ 8 345. 1,9 893. 9][ 7 955. 5,10 279. 0] 平水期17 362. 6[ 16 789. 9,18243. 9][ 16 217. 3,19125. 3][ 15 644. 7,20006. 7] 丰水期26 495. 4[ 25 448. 3,27897. 8][ 24 401. 3,29299. 7][ 23 354. 3,30701. 7] 全年52 981. 8[ 50 972. 7,55650. 6][ 48 963. 7,58318. 9][ 46 954. 4,60987. 4] 76 环 境 工 程 2007年 4 月第25 卷第2 期 3. 4 分析与讨论 在三角模糊数内 ,不同数据相应的可信度水平往 往也不相同,这与一般的灰区间数有着显著的差异。 关于三角模糊数还有其它一些构造方法, 例如 ,假设 x 和 σ分别为各参数原始监测 或观测 数据的平均 值和标准差 ,可以将 x 作为最可能值 ,分别以 x -2σ 和 x 2σ作为下限和上限构造各参数的三角模糊数, 等等 。除三角模糊数之外 ,还可以根据数据分布的具 体特点 ,采用梯形模糊数 [ 13] 或者台阶状模糊数 [ 16] 表 征水环境系统参数, 并用模糊期望值 [ 17] 计算公式计 算河流水环境容量期望值 。另外, 若水期内各月份之 间的水文、水质和水力条件差别较大, 为避免参数模 糊性过大给计算结果带来的影响, 可以采用以月份为 时间尺度构造模糊数, 计算整个研究期间的水环境 容量 。 4 结语 1 本研究从河流水环境系统的随机性 、 模糊性 特征, 以及资料信息的不足和不精确性等出发 ,将水 环境系统参数, 如流量、 流速、污染物浓度和降解系数 等定义为三角模糊数 。在此基础上 ,通过将确定性水 体纳污能力计算模型的参数模糊化处理 ,建立了带有 三角模糊数的河流水体纳污能力计算模型 。实例研 究表明 ,相对于常规的确定性方法, 所得结果显得更 为科学、 合理。 2 根据具体情况 , 可以将水环境系统参数定义 为梯形或阶梯状模糊数; 也可根据河流水文 、 水质变 化的特点 ,采用月份或其它时间尺度研究河流水体纳 污能力,因此具有很强的灵活性。但对于较为复杂水 体,如何更好地将三角模糊理论用于河流水环境容量 计算 ,还需作进一步研究 、 探讨 。 参考文献 [ 1] 夏青. 流域水污染物总量控制. 北京 中国环境科学出版社, 1996. [ 2] Fujiwara O, Gnanandran S K, and Ohgaki S. River quality management under stochastic streamflow . Journal of Environmental Engineering , 1986,112 2 185 -198. [ 3] 曾维华, 王华东. 随机条件下的水环境总量控制研究. 水科学进 展, 1992,3 2 120 -127. [ 4] Cardwell H, Ells H. Stochastic dynamic programming models for water quality management . Water Resources Research, 1993, 29 4 803 -813. [ 5] 李如忠, 汪家权, 王超等. 不确定性信息下的河流纳污能力计算 初探. 水科学进展, 2003, 14 4 459 -463. [ 6] 李如忠, 洪天求. 盲数理论在湖泊水环境容量计算中的应用. 水 利学报, 2005, 36 7 765 -771. [ 7] Lee Chih -sheng , Chang Shui -Ping. Interactive fuzzy optimization for an economic and environmental balance in a river system. Water research, 2005,39 221 -231. [ 8] Hercules M. Petro A and JacquesG . Modeling of water pollution in the Thermaios Gulf with fuzzy parameters. Ecological Modelling, 2001, 142 1 -2 91-104. [ 9] Michael H. On the implementation of fuzzy arithmetical operations for engineering problems. Proceedings of 18th International Conference of the North American Fuzzy Infor mation Processing Society NAFIPS 99, New York, USA, 1999 462 -466. [ 10] Kentel E, Arel M M . 2D Monte Carlo versus 2D Fuzzy Monte Carlo health risk assessment. Stochastic Environmental Research and Risk Assessment, 2005,19 1 86 -96. [ 11] Ganoulis J, Anagnostopoulos P . and Mbimbas I. Fuzzylogic -based risk analysis of water pollution.Proceedings of 29th Congress of the International Association of Hydraulic Engineering and Research, September 16-21, Beijing, 2001. [ 12] Silvert W. Ecological impact classification with fuzzy sets. Ecological Modelling , 1997, 96 1 -3 1 -10. [ 13] Ronald E. G, Robert E.Y. Analysis of the error in the standard approximation used ultiplication of triangular and trapezoidal fuzzy numbers and the development of a new approximation. Fuzzy Sets and Systems, 1997, 91 1 1-13. [ 14] Ronald E G, Robert E Y. A parametric representation of fuzzy numbers and their arithmetic operators. Fuzzy Sets and Systems, 1997, 91 2 185 -202. [ 15] 盛骤, 谢式千, 潘承毅. 概率论与数理统计 第三版 . 杭州 浙江 大学出版社, 2001. [ 16] Chen Shan-huo . Operations of fuzzy numbers with step for m membership function using function principle . Ination Sciences, 1998, 108 1 - 4 149 -155. [ 17] Mehran H. Bridging the gap between probabilistic and fuzzy-parameter EOQ . International Journal of Production Economics, 2004, 91 2 215 -221. 作者通讯处 李如忠 230009 合肥市屯溪路 193 号 合肥工业大学 资源与环境工程学院 电话 0551 2901523 E -mail lrz1970 163. com 2006- 06-14 收稿 77 环 境 工 程 2007年 4 月第25 卷第2 期 Abstract It is described the composition, function and construction technic of a floating cover system. It is also discussed the necessity and the importance of the floating cover system in a regulating reservoir by taking the regulating reservoir of Shenzhen Xiaping Landfill for example, meanwhile, it is at last concisely introduced the application and prospect of the floating cover technology in China. Keywords refuse landfill, regulating reservoir and floating cover film THE DESIGN OF TREATMENT PROCESS OF MEDICAL WASTESPan Qing 62 Abstract It is designed the treatment process of medical wastes by thermal decomposition double -incineration 3T controland application of new technigue in the system of flue -gas clean, the running result showed that the treatment process can treat medicalwastes effectively, and has the advantages of no secondary pollution and good social, economic and environmental benefits, which is worth popularizing. Keywords AB -incinerator, thermal decomposition, medicalwastes and design of treatment process RESEARCH ON PREPARATION OF IRON CONCENTRATE POWDER FROM PYRITE CINDER Mi Qingliang Huang Xiaoqin QuJiaguo 67 Abstract It is analyzed the current use of pyrite cinder in Chenxi County and made an in -depth discussion on the new technology for the preparation of iron concentrate powder from pyrite cinder. By means of screening and physics -chemistry treatment processes of pyrite cinder. the related norms of iron concentrate powder can meet the quality requirements by iron and steel industry. Keywords pyrite cinder, utilize and research APPLICATION OF HPLC TO COMPETITIVE ABSORPTION OF THE PHENOLS Xin Meihua Li Mingchun Wang Qiong et al 69 Abstract The determination of phenolswas carried out by Rp -HPLCwith UV detection. The effects of the component, concentration, pH and flow rate of the mobile phase on the separation of phendswere studied. The optimal chromatographic conditions for the separation and determination of phenols have been obtained. The experimental results can be used to the detection of competitive absorption of the phenols on the modified chitosan. Keywords high perance liquid chromatography, UV detection, phenolic compounds and absorption DETERMINATIONOFCODCrINLOWCONCENTRATIONWASTEWATERWITH PHOTOELECTRIC COLORIMETRYGuan Huiling Li Xiaoming Yang Qi et al 72 Abstract This study is focused on the feasibility of utilizing the photoelectric colorimetry to determine the CODCrof low concentration wastewater. The photoelectric colorimentry has better accuracy and precision, it can greatly decrease the dosage of reagent, and the results can be displayed directly without the titration or protracting criterion curve. However, this can t resist the influence of Cl-well. Keywords CODCrmeasurement, photoelectric colorimetry and low concentration wastewater CALCULATION OF RIVER WATER ENVIRONMENTAL CARRYING CAPACITY BASED ON TRIANGULAR FUZZY NUMBERLi Ruzhong Gao Sudi 74 Abstract Based on the characteristics of fuzzinessand impreciseness of river water system, and the lack ofwater environmental ination, the parameters of river water environmental system are defined as triangular fuzzy numbers. On the basis, a fuzzy model for calculating river water environmental carrying capacity is established through fuzzifying the parameters in the conventional and certain model. From the model proposed above, the triangular fuzzy values of river water environmental carrying capacity are derived. According to the different required confidnece levelα , the above river water environmental carrying capacity can be transed from triangular fuzzy numbers into interval values. Study results show that the new model is more scientific and reasonable than that of conventional one. Keywords water environmental system, water environmental carrying capacity,triangular fuzzy number, membership function and confidence level DIRECTARSENIC DETERMINATION OFATMOSPHEREPARTICULATES AND DIESEL EXHAUST BY SPECTROPHOTOMETRYLi Shuwen Bai Tingting 78 Abstract The spectrophotometry is introduced for arsenic determination. This can be used for sensitive determination of arsenic in atmosphere particulates. The is practically applied in the arsenic determination in northern area of China. It is proved that the is dependable and accurate. Comparing the resultsby this with those of atomic absorption, a good agreement is found between them. The arsenic determination of diesel exhaust of motor vehicles is also carried out, and a certain amount of arsenic is contained in diesel exhaust. Keywords spectrophotometry , trace arsenic, atmosphere particulates, absorbance and diesel exhaust MODEL OF ASSESSING LAKE AND RESERVOIR EUTROPHICATION BASED ON RBF NETWORKZhang Xiaodan Huang Zhaojun Xu Han et al 80 5 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 25, No. 2,Apr. ,2007