河涌水質(zhì)非線性模型研究.pdf

1、非線性是水環(huán)境中普遍的現(xiàn)象，污染物在水中的遷移、轉(zhuǎn)化等過程容易受各種內(nèi)部、外部因素的影響。作為城市排污的渠道，城市河涌是一類特殊的水環(huán)境，更易受到工業(yè)廢水、生活污水等污染，某些受嚴(yán)重污染的河段，水體中溶解氧濃度偏低，影響污染物的耗氧降解過程，使污染物耗氧降解過程呈現(xiàn)非線性特征。本文以城市河涌為研究對象，研究河涌水質(zhì)的非線性特征，并在水質(zhì)預(yù)測、誤差非線性補(bǔ)償、河涌水質(zhì)非線性建模、水質(zhì)非線性性態(tài)分析、河涌模型存在正解的條件、河流曝氣過程的脈

2、沖描述等方面進(jìn)行了研究，主要成果有:
　　 1.針對河涌水質(zhì)預(yù)測中出現(xiàn)的誤差，提出利用混沌理論分析河涌水質(zhì)的混沌特性，并利用相空間重構(gòu)理論確定水質(zhì)預(yù)測誤差的相空間，在此基礎(chǔ)上，將相空間與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對比，確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單層神經(jīng)元個(gè)數(shù)，進(jìn)而建立誤差補(bǔ)償?shù)纳窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)，并與水質(zhì)模型相結(jié)合建立誤差補(bǔ)償水質(zhì)模型，此方法突破單一類型水質(zhì)模型在預(yù)測中的局限性，通過對河涌檢測結(jié)果的模擬與仿真，結(jié)果表明，模型預(yù)測相對誤差由2.4％降到1.65％，提高

3、了水質(zhì)預(yù)測精度。
　　 2.根據(jù)城市河涌水體中溶解氧濃度過低這一現(xiàn)象，在分析穩(wěn)態(tài)SP模型假設(shè)、Shastry模型假設(shè)的基礎(chǔ)上，確定河涌水質(zhì)建模的條件，針對河涌水體中溶解氧不足及BOD沉降等因素，建立了河涌水質(zhì)非線性微分方程模型。仿真結(jié)果得SP模型相對誤差Er,sp=0.8291，Shastry模型相對誤差Er,shastry=0.2498，河涌模型相對誤差Er,hc=0.2426，即河涌非線性模型具有更高的預(yù)測精度。
　　

4、 3.為了分析河涌水質(zhì)非線性微分方程模型的性態(tài)，借鑒了微分方程定性分析理論，對所建立的城市河涌水質(zhì)非線性微分方程模型進(jìn)行穩(wěn)定性分析，證明了:河涌水質(zhì)非線性模型在其解空間中具有唯一解，即模型在理論上可用于水質(zhì)預(yù)測;利用數(shù)值仿真技術(shù)，分析模型參數(shù)對模型解的影響，發(fā)現(xiàn)模型解的特性（穩(wěn)定性、正解）依賴于模型參數(shù)的選取。
　　 4.河涌水質(zhì)非線性模型的應(yīng)用，通過分析模型參數(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的取值范圍，證明了:當(dāng)模型參數(shù)都大于零時(shí)，模型存在正

5、解，即BOD、DO濃度不會(huì)出現(xiàn)負(fù)值;通過對模型解的漸進(jìn)性態(tài)分析得到:排污穩(wěn)定時(shí)，在距離污染源足夠遠(yuǎn)處，BOD濃度最終將趨于零，而溶解氧濃度(DO)最終將趨于飽和，即河涌水質(zhì)終將因污染物降解和水體復(fù)氧而得到凈化。
　　 5.針對河流治理中常用的曝氣過程，分別在SP水質(zhì)模型、河涌水質(zhì)非線性微分方程模型的基礎(chǔ)上，利用脈沖原理對曝氣過程進(jìn)行描述，建立了基于脈沖的河涌曝氣模型，通過模擬與仿真得:當(dāng)河涌曝氣時(shí)，水質(zhì)預(yù)測平均相對誤差為5.21

6、％，當(dāng)對河涌不曝氣時(shí)水質(zhì)平均相對誤差為3.114％，因此河涌曝氣過程在近距離上對水質(zhì)預(yù)測精度有一定影響。
　　 論文主要針對水體中污染物遷移、轉(zhuǎn)化過程之間的非線性行為進(jìn)行了研究與建模，其中還有一些有待深入研究的問題。
　　 (1)模型的水質(zhì)組分需要增加:論文只對BOD、DO兩種水質(zhì)組分進(jìn)行建模，由于河涌水體中各水質(zhì)組分之間存在一定的遷移轉(zhuǎn)化關(guān)系，如氨碳、磷等，其降解過程會(huì)影響水體中溶解氧濃度，在以后的研究中，可根據(jù)研究的

7、需要增加相應(yīng)水質(zhì)組分，建立基于多水質(zhì)的河涌水質(zhì)數(shù)學(xué)模型。
　　 (2)在空間上進(jìn)行拓展:論文所建立的河涌水質(zhì)模型為一維水質(zhì)模型，其適應(yīng)水流速率緩慢的河涌，如果河涌污染在各方向遷移、擴(kuò)散差異較大，則需要拓展到二維或三維情形。
　　 (3)由于水環(huán)境的復(fù)雜性，模型假設(shè)還存在可改善的空間，如利用脈沖過程描述河流曝氣過程，在近距離上模型預(yù)測精度有待進(jìn)一步提高，在以后的工作中，需進(jìn)一步研究水體中污染物遷移、轉(zhuǎn)化的規(guī)律，對模型進(jìn)行改