流域非點源污染年負荷量模擬估算方法研究

流域非點源污染年負荷量模擬估算方法研究

如何計算非點源污染的年負荷，量化非點源污染對點源污染的影響，是當前我國非點源污染研究中必須解決的問題和難點。1非點源污染負荷計算與國外相比,國內(nèi)對非點源污染負荷量估算的研究起步較晚,相關成果主要有兩類:一類是在監(jiān)測數(shù)據(jù)不足的情況下建立的模型,如李懷恩等提出逆高斯分布瞬時單位線模型、改進輸出系數(shù)模型等。這些模型即使輸入數(shù)據(jù)的種類和數(shù)量比國外模型軟件少,可還是要求具備一定長度系列的次暴雨水質(zhì)水量同步監(jiān)測值。另一類是引進國外開發(fā)的模型軟件,國內(nèi)運用較多的有SCS、AGNPS和SWAT等,如賀寶根、趙剛、胡遠安等進行的非點源污染負荷計算。此類研究多是在收集大量數(shù)據(jù)的同時開展小區(qū)試驗監(jiān)測來進行模擬,其中一些研究還結合國內(nèi)情況對國外模型進行了改進。但這兩類多限于一些大型專門研究,實際應用推廣難度較大,對于改善國內(nèi)水環(huán)境管理中普遍缺乏非點源污染年負荷量預測估算,從而造成流域水污染規(guī)劃的控制目標落空的現(xiàn)狀幫助不大。目前在非點源污染年負荷量估算的研究中存在的主要問題有:缺乏針對非點源污染的長系列數(shù)據(jù)資料,全面系統(tǒng)的監(jiān)測分析少;基礎調(diào)查只在個別城市、個別流域的個別監(jiān)控點上展開過,代表性差;相關數(shù)據(jù)資料分別掌握在環(huán)保、農(nóng)業(yè)、水文等多部門中,獲得困難;國外開發(fā)的非點源模型軟件輸入數(shù)據(jù)的時間系列長,建模費用昂貴,常需多部門聯(lián)合研究才能滿足其建模要求,從我國國情出發(fā),較難推廣應用;現(xiàn)有的非點源模型軟件涉及幾十個參數(shù),率定困難,且測試、統(tǒng)計和分析的誤差相累計,影響使用。2問題的現(xiàn)實意義如何在現(xiàn)有條件下尋找有效方法來克服資料有限地區(qū)的非點源污染負荷量計算乏術問題具有較強的現(xiàn)實意義。在目前機理模型難以建立的情況下,采用統(tǒng)計模型對非點源污染負荷量進行估算所需資料相對較少且易于獲得,計算簡便直觀,因此本文嘗試選用了水文分析法、偏最小二乘回歸法來建立流域非點源污染年負荷量的估算模型。2.1枯季徑流污染物年負荷量非點源污染負荷量大小是和水文產(chǎn)、匯流過程密切相關的,如果徑流量的年內(nèi)、年際分布與降水大體一致,且年內(nèi)最大徑流量與最小徑流量相差懸殊,即可認為流域內(nèi)非點源污染主要是隨汛期地表徑流產(chǎn)生。而點源污染具有連續(xù)、穩(wěn)定排放的特點,主要和枯季徑流有關,因此可以利用水文數(shù)據(jù)采用平均濃度法由年徑流量割除枯季徑流后推算流域非點源污染物年負荷量W:W=Cbm∫tet0Qb(t)dt+Cgm∫tet0Qg(t)dt=CbmQb+CgmQg式中,Cbm——地表徑流的非點源污染平均濃度;Qb——年地表徑流量;Cgm——枯季徑流點源污染物平均濃度;Qg——年枯季徑流量。水文分析法適用于一年以上的非點源污染負荷估算,對于單次或短期的模擬計算誤差較大。進行年徑流量分割時,枯季壤中流部分被近似劃分在地下徑流中導致豐水年劃分的地表徑流量偏少,因此計算多年平均或平水年的結果比較合理,枯水年的結果可能偏大,豐水年的結果可能偏小。2.2回歸法的最小二乘2.2.1第二代回歸分析常用的一種方法是選取某個非點源污染主要影響因子,通過一元回歸分析得到它與水質(zhì)之間的經(jīng)驗關系式來計算非點源污染負荷量,如在黑河流域、漢江流域、田峪流域、梅林流域、蘇州河等不同大小區(qū)域內(nèi)通過建立一元線性相關統(tǒng)計回歸模型進行的非點源負荷量估算。但非點源污染的影響因素眾多,對它的解釋往往需要多個主要相關自變量的共同作用,單一用某個影響因素通過一元回歸進行計算必然影響精度。若考慮采用多元回歸分析法,那么當自變量之間存在多重相關性時,用普通最小二乘法所得回歸系數(shù)估計值的抽樣變異性大大增加,甚至無法求解回歸系數(shù)。而在環(huán)境系統(tǒng)中,變量的多重相關性是普遍存在的,此時如仍沿用普通最小二乘法進行擬合,回歸結果會出現(xiàn)反?，F(xiàn)象,模型精度和可靠性得不到保證。偏最小二乘回歸法被稱為第二代回歸分析法,在一個算法下同時實現(xiàn)回歸建模(多元回歸)、數(shù)據(jù)結構簡化(主成分分析)及變量間的相關分析(典型相關分析)。它不要求長系列樣本數(shù)量,能在變量具有多重相關性情況下回歸建模,能把自變量和因變量之間的相關關系取到最大值,提高模型相關分析的精度,具有較強的實用性。2.2.2偏最小二乘多元回歸限于篇幅下面僅給出因變量個數(shù)為1的偏最小二乘多元回歸的主要建模步驟:設有單因變量y和p個自變量{x1,x2,…,xp},樣本點為n個。(1)y—數(shù)據(jù)標準化處理記F0是因變量y的標準化變量,E0是自變量集合X的標準化矩陣,有:F0i=yi-ˉySy?Eij=xij-ˉXjSy?i=1?2???nj=1?2???p式中,ˉy——y的均值;Sy——y的標準差;ˉXj——第j個自變量的均值;Sj——第j個自變量的標準差。(2)特征提取首先從F0中提取成分u1,u1=F0C1,‖C1‖=1;從E0中提取成分t1,t1=E0w1,‖w1‖=1;根據(jù)主成分分析與典型相關分析的要求可得:{EΤ0F0FΤ0E0w1=θ21w1FΤ0E0EΤ0F0C1=θ21C1θ1為優(yōu)化問題的目標函數(shù);w1為EΤ0F0FΤ0E0的特征向量;θ21為對應的特征值;C1為對應于矩陣FΤ0E0EΤ0最大特征值θ21的單位特征向量?？傻?w1=EΤ0F0∥EΤ0F0∥=1√∑mi=1r2(xi?y)[r(x1?y)?r(xm?y)]t1=E0w1=1√∑mi=1r2(xi?y)[r(x1?y)E01+r(x2?y)E02+?+r(xm?y)E0m]式中,r(xi,y)為xi與y的相關系數(shù)。分別求F0、E0對t1的回歸方程為:E0=t1P1Τ+E1,F0=t1r1+F1式中:P1=E0Τt1/‖t1‖2;r1=F0Τt1/‖t1‖2;E1,F1分別為回歸方程的殘差矩陣。同理可得第h成分th。h值用交叉有效性原則進行識別。(3)偏最小二乘回歸方程F0關于t1,t2,…,th的偏最小二乘回歸方程為:F^=r1t1+r2t2+?+rhth由t1=Ei-1wi=E0w*i,(i=1,2,…,m),式中wi*=Πk=1i=1(Ι-wkpkΤ)wi,可得:F^0=r1E0w1*+r2E0w2*+?+rhE0wh*=E0(r1w1*+r2w2*+?+rhwh*)還原為原始變量的偏最小二乘回歸方程為:y^=[E(y)-∑i=1mαiSySxiE(xi)]+αiSySxix1+?+αmSySxmxmαi=∑i=1hrkwki*?(i=1?2???m)3非點源污染年負荷量本文以淮河淮南段為例,運用現(xiàn)有的2002年、2003年汛期10組實測數(shù)據(jù)探討在數(shù)據(jù)稀缺條件下用水文分析法、偏最小二乘回歸法計算非點源污染年負荷量(數(shù)據(jù)源自《淮河流域水質(zhì)月報》、《水情年報》、《中國泥沙公告》,限于篇幅,計算過程略)。3.1非點源污染形勢污染物計算因子為生化需氧量和氨氮,結果如下:從表1和表2可知,非點源污染年負荷量所占比例在2002年平水年就已經(jīng)接近一半,在2003年豐水年更是遠大于2002年,尤其生化需氧量占到了80%以上,充分說明流域內(nèi)非點源污染形勢已經(jīng)比較嚴峻,應盡早采取措施加以控制。3.2徑流萬t—偏最小二乘回歸法計算結果計算中,y(102t)——年負荷量;x1(億m3)——徑流;x2(萬t)——泥沙;x3(mm)——降雨;污染物計算因子以生化需氧量BOD5為例。(1)多相關性分析(2)返回解決方案r.8376，f.1566，滿足要求y^=116.9467+2.1994x1+0.6295x2+0.8781x3(3)影響非點源污染的因素以2003年非點源污染BOD5年負荷量計算為例,可得結果為1587.86×102t。實例計算中同時納入了與非點源污染的形成密切相關且具有多重相關性的影響因子——徑流、泥沙、降雨,對其他流域也具有較好的推廣應用價值。計算時所用數(shù)據(jù)是目前所能獲得的10組汛期監(jiān)測值,如果能夠進行不同代表年的、次暴雨過程的同步監(jiān)測并用來建模將大大提高模型的精度和代表性。4比較分析4.1非點源污染影響因素同時用普通最小二乘回歸法對同樣的因子得到回歸方程為:y^=-30.380+4.308x1-0.048x2+0.189x3從各因子分別對非點源污染負荷量的相關影響程度看,偏最小二乘回歸法和普通最小二乘回歸法結果一致,依次為徑流量、降雨量、泥沙量。但由于受多重相關性影響,后者所得結果中泥沙量與非點源污染量呈負相關,這與實際中水土流失、泥沙吸附攜帶非點源污染物進入受納水體的事實不符,誤差較大,因此偏最小二乘回歸法更符合實際。4.2算值相似性水文分析法計算結果大于偏最小二乘回歸法,兩種方法的非點源年負荷量估算值相差<5%,比較接近。但水文分析法主要考慮的是地表徑流中溶解態(tài)非點源污染物的負荷量,而偏最小二乘回歸法綜合考慮了降雨、徑流、泥沙3種影響因素的共同作用,因此偏最小二乘回歸法的精度優(yōu)于水文分析法。4.3非點源年負荷量估算水文分析法計算便捷,原理易于理解,但它適用于長時間段的、比較粗略的非點源年負荷量估算。偏最小二乘回歸法精度優(yōu)于水文分析法,計算比水文分析法復雜一些,但是根據(jù)建模計算原理,采用MATLAB或其他軟件輔助運算則速度很快。4.4水文、降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)分析相對小區(qū)試驗法消耗大量資金、時間、人力或引進國外軟件需要涉及多個部門的大量數(shù)據(jù)而言,水文分析