1、碩士論文開(kāi)題報(bào)告指導(dǎo)教師：呂軍教授題目 基于LOADEST模型和遞推傳遞函數(shù)模型的非點(diǎn)源水質(zhì)負(fù)荷的研究課題來(lái)源：基于物聯(lián)網(wǎng)的小流域廢物集中處置與資源化利用技術(shù)研究與示X國(guó)家科技支撐計(jì)劃 NO.2012BAC17B01一、選題依據(jù)與研究目的意義隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速開(kāi)展和城市化進(jìn)程的加快，越來(lái)越多的生活、工業(yè)和農(nóng) 業(yè)排放物進(jìn)入到河流中，導(dǎo)致河流水質(zhì)污染和惡化（Xia X H, 2002; Cha ng H, 2008; 于興修等，2003）。根據(jù)2013年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)，我國(guó)目前的水環(huán)境污染問(wèn) 題也不容樂(lè)觀，長(zhǎng)江、黃河、珠江、松花江、淮河、海河、遼河、浙閩片河流、 西北諸河和西南諸河等十大流域的國(guó)

2、控監(jiān)測(cè)斷面中有近30%的斷面水質(zhì)達(dá)到或超過(guò)了 W類(lèi)，其中劣V類(lèi)占到總斷面的9.0%; 61個(gè)國(guó)控重點(diǎn)湖泊 冰庫(kù)）中,27.8% 處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)；4778個(gè)地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，較差的監(jiān)測(cè)點(diǎn)比例為43.9%,極差 的監(jiān)測(cè)點(diǎn)比例為15.7%（中國(guó)環(huán)保部2013）。根據(jù)環(huán)保部發(fā)布的首個(gè)全國(guó)性的大規(guī) 模研究結(jié)果，我國(guó)有億居民使用不安全飲用水。水環(huán)境污染問(wèn)題通常分為點(diǎn)源污染和非點(diǎn)源污染。點(diǎn)源污染主要來(lái)自工廠、 市政污水系統(tǒng)，通常有固定的排污口集中排污。非點(diǎn)源污染正是相對(duì)點(diǎn)源污染而 言，是指溶解的和固體的污染物從非特定的地點(diǎn)，在降水或融雪沖刷作用下，通過(guò)徑流過(guò)程而匯入受納水體包括河流、湖泊、水庫(kù)和海灣等并引起

3、水體的 富營(yíng)養(yǎng)化或其它形式的污染。非點(diǎn)源污染從成因上來(lái)看，通常可分為地表徑流污 染、農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染、礦區(qū)地表徑流污染、林區(qū)地表徑流污染和大氣降雨降塵污 染等類(lèi)型。其中，農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染，包括農(nóng)田和村莊的徑流污染，是最主要的一 類(lèi)非點(diǎn)源污染。非點(diǎn)源污染因其污染過(guò)程的時(shí)空不確定性、遷移過(guò)程的高度非線性、多污染源的復(fù)合污染、降解過(guò)程高度復(fù)雜等特性，決定了對(duì)非點(diǎn)源污染進(jìn)展 定量化研究和預(yù)測(cè)具有較大的難度，給水污染控制和水質(zhì)規(guī)劃、管理的科學(xué)決策 帶來(lái)很大困難。近年來(lái)，突發(fā)性水污染事故在我國(guó)重點(diǎn)流域頻繁發(fā)生。如2005年的松花江硝基苯水污染事故導(dǎo)致某某市全市連續(xù)停水，造成恐慌；2008年6月某某省某某陽(yáng)宗海

4、砷污染事故導(dǎo)致陽(yáng)宗海水體遭到污染，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生 活；2009年2月，某某省某某市水源地遭酚類(lèi)化合物污染，數(shù)十萬(wàn)市民飲水受 到影響。這些突發(fā)性污染事故帶給我們嚴(yán)峻的警示：開(kāi)展水質(zhì)評(píng)價(jià)和水質(zhì)預(yù)測(cè)問(wèn)題的研究，做好突發(fā)性水污染事故的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警， 加強(qiáng)水源地水資源保護(hù)是 目前我們應(yīng)對(duì)突發(fā)性水污染事件的首要任務(wù)。湯浦水庫(kù)作為某某地區(qū)的飲用水水源， 服務(wù)人口近300萬(wàn)人，為某某市、上 虞市、慈溪市的經(jīng)濟(jì)社會(huì)開(kāi)展做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。湯浦水庫(kù)水質(zhì)優(yōu)良，但總氮、總磷超標(biāo)，屬于中等營(yíng)養(yǎng)水平，2010年曾爆發(fā)藍(lán)綠藻，為某某等城市的生 活用水埋下隱患竺維佳等,2006;沈榮根和童秀華,2010;施練

5、東等,2011。 本文以湯浦水庫(kù)為研究對(duì)象，以總氮、總磷污染負(fù)荷量預(yù)測(cè)為目標(biāo)，基于統(tǒng)計(jì)學(xué) 方法、現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法和水文模型方法，應(yīng)用LOADES模型和遞推傳遞函數(shù)模型對(duì) 該水庫(kù)總氮、總磷污染負(fù)荷量進(jìn)展污染特征分析和負(fù)荷量預(yù)測(cè)，試圖建立一套完整的水庫(kù)型水源地污染物預(yù)測(cè)體系，以期推動(dòng)水質(zhì)預(yù)測(cè)和水質(zhì)污染事件預(yù)防工作 的開(kāi)展。水質(zhì)評(píng)價(jià)分析方法水質(zhì)評(píng)價(jià)是水環(huán)境保護(hù)的根底性工作，是水環(huán)境監(jiān)視和管理的一個(gè)重要方面， 具有獨(dú)特的重要性。水質(zhì)評(píng)價(jià)是指水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集、整理和分析，以與對(duì)于水體污染狀況進(jìn)展評(píng)價(jià)的過(guò)程。評(píng)價(jià)方法是水質(zhì)評(píng)價(jià)的核心，評(píng)價(jià)方法的合理性決定水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性。因此，科學(xué)合理的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法對(duì)于

6、水質(zhì)監(jiān)視和管 理工作有著重要的意義，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于水質(zhì)評(píng)價(jià)方法有著豐富的研究。多元統(tǒng)計(jì)方法是分析河流污染特征與來(lái)源的常用而且有效的方法 （Hua ng et al., 2010;趙潔等,2013），跟水文模型法相比（鄧歐平等,2013），多元統(tǒng)計(jì)方 法的優(yōu)點(diǎn)在于方便不需要事先獲取污染源的信息， 也無(wú)需氣象、水文、土地利用 等其它數(shù)據(jù)，只需要水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)即可提取水污染特征、識(shí)別主要污染源、半定 量估算各主要污染源的分擔(dān)率。多元統(tǒng)計(jì)方法是污染特征分析的常用方法。20世紀(jì)80年代以來(lái)，多元統(tǒng)計(jì)方 法因具有能反推污染源廓線的優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛運(yùn)用于大氣環(huán)境中污染源的源解析Thurston and Spen

7、gler, 1985; Bruno et al.,2001; Singh et al.,2008; Liu et al., 2010。近年來(lái)，一些學(xué)者將多元統(tǒng)計(jì)方法應(yīng)用于水環(huán)境污染物的污染特征分析和源解析，主要有因子分析 /多元線性回歸（FA/MLR）模型（陳燕燕等, 2009）、主成分分析/絕對(duì)主因子得分PCA/APCS模型（Su et al., 2011） 、正 定矩陣因子分解PMF模型（馬振邦等,2011）和非負(fù)約束因子分析FA-NNC） 模型（Bzdusek et al., 2004） 等。Singh等2005運(yùn)用 PCA/APC模型定量解析 了印度Gomti河生化需氧量BOD、氨氮N

8、H+4-N和硝態(tài)氮NO-3-N等污染 物的主要來(lái)源。馬振邦等2011利用某某市王家莊集水區(qū)的降雨徑流水質(zhì)監(jiān)測(cè) 數(shù)據(jù)，運(yùn)用PM模型定量解析了單個(gè)城市小集水區(qū)降雨徑流中氨氮（NH+4-N）、總氮（TN）、化學(xué)需氧量（CODCr）總磷（TP）和生化需氧量（BOD5）的主要來(lái)源。水質(zhì)預(yù)測(cè)是水質(zhì)監(jiān)視和管理的根底工作 ，是預(yù)防水質(zhì)污染事件的有效措施， 在區(qū)域水環(huán)境規(guī)劃、評(píng)價(jià)與管理工作中，水質(zhì)預(yù)測(cè)是重要根底，在水環(huán)境保護(hù)中占有舉足輕重的地位（李如忠，2006）。水質(zhì)預(yù)測(cè)就是根據(jù)水質(zhì)實(shí)際資料，運(yùn)用水 質(zhì)數(shù)學(xué)模型推斷水體或水體某一地點(diǎn)的水質(zhì)在未來(lái)的變化，即根據(jù)過(guò)去和現(xiàn)在已有的水質(zhì)信息建立一個(gè)從過(guò)去到未來(lái)的模型。

9、 特別是近年來(lái)隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速 開(kāi)展，水污染綜合防治已經(jīng)成為中國(guó)環(huán)境管理中的重中之重（杜鑫等，2013）。因此，如何提高水質(zhì)預(yù)測(cè)的預(yù)測(cè)精度與可靠性，為水環(huán)境管理提供科學(xué)合理的依據(jù)就成為理論和實(shí)踐急需解決的問(wèn)題。水質(zhì)預(yù)測(cè)模型主要分為機(jī)理性水質(zhì)預(yù)測(cè)模型和非機(jī)理性水質(zhì)預(yù)測(cè)模型。機(jī)理性水質(zhì)預(yù)測(cè)模型是描述水循環(huán)中各組分在化學(xué)、物理和生物學(xué)等方面的變化規(guī)律 以與各組分間相互影響關(guān)系的數(shù)學(xué)模型；非機(jī)理性水質(zhì)預(yù)測(cè)模型如此利用數(shù)理統(tǒng) 計(jì)、灰色系統(tǒng)理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等理論模擬水質(zhì)的變化過(guò)程，能夠?qū)τ谒|(zhì)的短期和長(zhǎng)期變化趨勢(shì)做出預(yù)測(cè)(湯愛(ài)中,2013)。機(jī)理性水質(zhì)預(yù)測(cè)模型如SWAT模型等通 常比擬復(fù)雜，計(jì)算過(guò)程需要較

10、多的根底資料和數(shù)據(jù)(如邊界參數(shù)、傳輸參數(shù)、環(huán)境 參數(shù)、轉(zhuǎn)化參數(shù)等),而我國(guó)大多數(shù)河流、湖庫(kù)的根底資料和數(shù)據(jù)相對(duì)匱乏，這就限制了機(jī)理性水質(zhì)預(yù)測(cè)模型在水質(zhì)預(yù)測(cè)實(shí)踐中的應(yīng)用 (樊敏等,2010)。因此，非 機(jī)理性水質(zhì)預(yù)測(cè)模型，如時(shí)間序列法、回歸分析法、灰色預(yù)測(cè)法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 預(yù)測(cè)方法等由于考慮因素較少，受到很多研究人員的青睞。常用的非機(jī)理性水質(zhì)預(yù)測(cè)模型如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型、支持向量預(yù)測(cè)模型、分形預(yù)測(cè)模型等。這些水質(zhì)預(yù)測(cè)模型對(duì)于水質(zhì)預(yù)測(cè)理論的開(kāi)展起到了一定的積極作 用,但是各種預(yù)測(cè)模型對(duì)于應(yīng)用場(chǎng)合具有較為嚴(yán)格的要求，如GM(1,1)預(yù)測(cè)模型要求原始數(shù)據(jù)序列呈現(xiàn)指數(shù)變化規(guī)律，對(duì)于不符合該變化規(guī)律的數(shù)據(jù)序

11、列，如此 預(yù)測(cè)誤差較大；神經(jīng)網(wǎng)路預(yù)測(cè)模型如此要求樣本量較大，且存在訓(xùn)練不穩(wěn)定、容易陷入局部極小值的缺點(diǎn)。而在 LOADEST和ESTMATOF模型根底上開(kāi)展起來(lái)， 使用Fortran語(yǔ)言編寫(xiě)的LOADEST (Load estimator)模型能夠克制隨機(jī)干擾問(wèn) 題，在預(yù)測(cè)過(guò)程中僅僅根據(jù)連續(xù)的日流量數(shù)據(jù)和有限的、離散的水質(zhì)數(shù)據(jù)，建立水質(zhì)負(fù)荷量回歸方程，進(jìn)而估算河流不同時(shí)間尺度下的輸移通量，在世界多地的水質(zhì)預(yù)測(cè)中被廣泛運(yùn)用(Qian 丫 et al., 2007)，女口 Poi nter,B.和Harned, D. A應(yīng)用LOADEST模型模擬 North Carolina 水庫(kù)的氮負(fù)荷量 (P

12、ointer B et al., 2010)，Duan S使用LOADEST!型模擬了切薩皮克灣城市到農(nóng)村磷負(fù)荷的變化規(guī)律(Duan S et al., 2012) 以與李娜利用LOADES模型估 算1999-2008年寶象河河流的入湖通量和水質(zhì)情況(李娜等,2010)，都取得了較 佳的驗(yàn)證效果。LOADES模型所需的歷史水文水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)少，操作簡(jiǎn)單，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)， 相對(duì)于目前我國(guó)河流的水文監(jiān)測(cè)多為逐日實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而水質(zhì)監(jiān)測(cè)因需消耗大量的人力、物力和財(cái)力，監(jiān)測(cè)頻率平均為1-2次/月的現(xiàn)狀而言(Harmel R D, 2003;Harmel R D, 2006)，這無(wú)疑提供了一種較為可行的污染物

13、負(fù)荷估算方法。另一方面，基于時(shí)間序列法的傳遞函數(shù)模型能夠克制隨機(jī)干擾問(wèn)題，在旅游、人口、經(jīng)濟(jì)、電力、能源等眾多領(lǐng)域已經(jīng)顯示出了預(yù)測(cè)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但在水環(huán)境管 理中應(yīng)用還比擬少。使用傳遞函數(shù)模型對(duì)水質(zhì)進(jìn)展預(yù)測(cè)如此在預(yù)測(cè)過(guò)程中僅僅根 據(jù)歷史的流量和水質(zhì)負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)展建模，便能對(duì)未來(lái)的水質(zhì)進(jìn)展預(yù)測(cè)，所需的歷 史水文水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)少，操作簡(jiǎn)單，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于我國(guó)根底數(shù)據(jù)資料 缺乏的現(xiàn)狀而言，這無(wú)疑也是一種較為可行的污染物負(fù)荷估算方法。二、主要研究目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容與擬解決的關(guān)鍵技術(shù)以某某市湯浦水庫(kù)為研究對(duì)象，首先對(duì)該水庫(kù)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的非點(diǎn)源污染進(jìn)展 時(shí)空變異定量分析研究；其次，利用 LOADES模型模擬各監(jiān)

14、測(cè)點(diǎn)的逐日/逐月水 質(zhì)負(fù)荷量并分析其變化特征；再次，基于經(jīng)LOADES模型模擬得到的水質(zhì)逐日負(fù) 荷量，利用傳遞函數(shù)模型預(yù)測(cè)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染物負(fù)荷量；最后開(kāi)發(fā)一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的小流域?qū)崟r(shí)水質(zhì)預(yù)測(cè)系統(tǒng)。2.2研究?jī)?nèi)容(1) 流域非點(diǎn)源污染特征分析本研究以湯浦水庫(kù)為研究區(qū)域，通過(guò)對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)展統(tǒng)計(jì)、分析和評(píng)價(jià)，試 圖揭示該水庫(kù)的水質(zhì)時(shí)空分布特征和污染狀況。(2) 水庫(kù)非點(diǎn)源污染物負(fù)荷計(jì)算利用LOADES模型對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)展連續(xù)化，嘗試建立流域非點(diǎn)源污染物 負(fù)荷量?jī)?yōu)化統(tǒng)計(jì)模型，確定河流的非點(diǎn)源污染物入河通量。(3) 水庫(kù)非點(diǎn)源污染物負(fù)荷預(yù)測(cè)建立基于經(jīng)LOADES模型模擬得到的水質(zhì)逐日負(fù)荷量的遞推傳遞函數(shù)模

15、型， 利用遞推傳遞函數(shù)模型預(yù)測(cè)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染物負(fù)荷量。(4) 水庫(kù)非點(diǎn)源污染物入庫(kù)量負(fù)荷預(yù)測(cè)系統(tǒng)基于LOADES模型和遞推傳遞函數(shù)模型，開(kāi)發(fā)一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的水庫(kù)非點(diǎn)源 污染物入庫(kù)量負(fù)荷預(yù)測(cè)系統(tǒng)。2.3擬解決的關(guān)鍵冋題本文將以開(kāi)展流域非點(diǎn)源污染定量模擬和預(yù)測(cè)研究方法為突破口，以建立湯浦水庫(kù)流域入庫(kù)量負(fù)荷預(yù)測(cè)系統(tǒng)為研究目標(biāo)，擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題包括：(1) 目前國(guó)內(nèi)外河流的水文監(jiān)測(cè)多為逐日實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而水質(zhì)監(jiān)測(cè)過(guò)程如此因需消耗大量的人力、物力和財(cái)力，故監(jiān)測(cè)頻率不高，平均為1-2次/月，如何利用有限的、離散的水質(zhì)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流量數(shù)據(jù)進(jìn)展河流水質(zhì)負(fù)荷的估算成為一 個(gè)有待解決的問(wèn)題。本研究利用連續(xù)的日流量數(shù)據(jù)

16、和有限的、離散的水質(zhì)數(shù)據(jù)， 建立LOADES模型水質(zhì)負(fù)荷量回歸方程，進(jìn)而估算河流不同時(shí)間尺度下的輸移通 量。(2) 常用的非機(jī)理性水質(zhì)預(yù)測(cè)模型如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型、支持向量預(yù)測(cè)模型、分形預(yù)測(cè)模型等對(duì)于應(yīng)用場(chǎng)合具有較為嚴(yán)格的要求，基于時(shí)間序列法的傳遞函數(shù) 模型能夠克制隨機(jī)干擾問(wèn)題，在旅游、人口、經(jīng)濟(jì)、電力、能源等眾多領(lǐng)域已經(jīng) 顯示出了預(yù)測(cè)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但在水環(huán)境管理中應(yīng)用還比擬少。因此，本研究嘗試在 歷史的流量和水質(zhì)負(fù)荷數(shù)據(jù)的根底上建立遞推傳遞函數(shù)模型，從而更好地預(yù)測(cè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷的變化規(guī)律，為今后該水庫(kù)管理提供借鑒。三、研究方案與技術(shù)路線3.1技術(shù)路線圖1總體研究方案和技術(shù)路線圖Fig. 1 The

17、 research scheme and tech no logy roadmap3.2研究方法321流域水污染特征分析本研究以湯浦水庫(kù)為研究區(qū)域，首先對(duì)流域根底數(shù)據(jù)(氣象數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)等)進(jìn)展收集，之后結(jié)合河流水系與地形地貌特征選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)展定期 的水質(zhì)監(jiān)測(cè)。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面用有機(jī)玻璃采樣器采集水樣，樣品采集后當(dāng)天帶回實(shí)驗(yàn)室根據(jù)水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法的有關(guān)規(guī)定和要求分析總氮TN、可溶態(tài)氮DN、硝氮(NO3-N)、氨氮(NH4+-N)、總磷(TP)、可溶態(tài)磷DP、活性磷 酸鹽(PO43-)、和化學(xué)需氧量COD。每次采樣前用HACK參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀現(xiàn) 場(chǎng)測(cè)定溫度、溶解氧DO、pH等參數(shù)。采用

18、主成分分析、多元線性回歸和神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)方法對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)展統(tǒng)計(jì)、分析和評(píng)價(jià)，揭示流域的水質(zhì)時(shí)空分布特 征和污染狀況。流域?qū)涤甑乃捻憫?yīng)選擇具有代表性的流域出口，降雨后流域開(kāi)始產(chǎn)流時(shí)開(kāi)始采樣，采樣時(shí)間間 隔5-60 min(視降雨時(shí)間和強(qiáng)度而定)，在流域出口處收集降雨、水量和水質(zhì)數(shù)據(jù)， 水位恢復(fù)到降雨前河流水位時(shí)停止采樣。 通過(guò)對(duì)降雨全過(guò)程的降雨、水量和水質(zhì) 數(shù)據(jù)進(jìn)展分析，揭示污染物濃度隨降雨過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，建立徑流 -水質(zhì)相 關(guān)方程。3.2.3 LOADEST模型非點(diǎn)源污染物負(fù)荷計(jì)算LOADES模型是美國(guó)USG開(kāi)發(fā)的利用連續(xù)的日流量數(shù)據(jù)和有限的、離散的水質(zhì)數(shù)據(jù)估算不同時(shí)間尺度下的河流污染

19、物負(fù)荷量的模型。在實(shí)際應(yīng)用中LOADES模型提供了如下11種回歸方程形式：ln(L)a。a-i ln Qln(L)a。a1 ln Qa1 ln Q2ln(L)a。a-i ln Qa2dtim eln(?)a。a1 ln Qa2si n(2dtim e> a3cos(2dtim eln(?)a。a1 ln Q2a2 ln Qa3dtim eln(?)a。a-i ln Q2a21 n Qa3sin(2 dtim®a4 cos(2 dtim eln(?)a。a1 ln Qa2Si n(2dtim® a3cos(2dtim e a4dtim eln(?)a。a-i ln Q2

20、a21 n Qa3sin(2 dtim®a4 cos(2 dtim ea5dtim eln(L)a。a1 ln Q2a21 n Qa3sin(2 dtim®a4 cos(2 dtim e2a5dtim e a6dtim eln(L)a。a-i pera2 ln Qa3 ln Qperln(?)a。a1 pera2 ln Q2 2a31n Qper a41nQ ? a5lnQ per常用的7參數(shù)模型形式如下:2 2Ln (Lt)0" (Q)2( QJ3(t)4(tJ5 si n(2 t) 6 cos(2 t)式中，In代表自然對(duì)數(shù)，Lt是t日的非點(diǎn)源污染物負(fù)荷量-1

21、； Qt是t日的 流量(m3.s-1); t是分?jǐn)?shù)形式的日期；®是常數(shù)，3儀代表流量和負(fù)荷量的關(guān)系， 由幽代表時(shí)間和負(fù)荷量的關(guān)系，$代表季節(jié)和負(fù)荷量的關(guān)系。參數(shù)米用SPSS 軟件的最小二乘法進(jìn)展參數(shù)率定； 最后，通過(guò)計(jì)算非點(diǎn)源污染物逐日負(fù)荷量模擬 值和實(shí)測(cè)值的R2、Nash-Sutcliffe系數(shù)評(píng)價(jià)模型率定參數(shù)的可靠性。本研究利用LOADEST模型對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)展連續(xù)化，建立流域污染物負(fù) 荷量?jī)?yōu)化統(tǒng)計(jì)模型，確定河流的污染物入河通量。324遞推傳遞函數(shù)模型非點(diǎn)源污染物負(fù)荷預(yù)測(cè)傳遞函數(shù)模型可分為無(wú)噪聲的傳遞函數(shù)模型和附加噪聲的傳遞函數(shù)模型，實(shí)際問(wèn)題中，輸出序列往往會(huì)受到輸入序列之外的

22、各種干擾，因此附加噪聲的傳遞 函數(shù)模型應(yīng)用更廣。假設(shè)xt，yt都是可以通過(guò)適當(dāng)變換使之成為平穩(wěn)的序列。在單輸入單輸出 系統(tǒng)中，輸出序列yt與輸入序列xt通過(guò)一個(gè)線性濾波相關(guān)聯(lián)：yt（B）Xt nt其中，（B） jjBj作為濾波的傳遞函數(shù)，xt將輸入序列過(guò)濾傳遞到輸出序列yt，B為向后推移算子，Bkyt yt k，nt是與輸入序列xt獨(dú)立的系統(tǒng)噪聲 序列。Box，Jenkins和Reinsel稱(chēng)方程（1）為傳遞函數(shù)模型。一個(gè)時(shí)間序列當(dāng)期的表現(xiàn)，不僅受自己過(guò)去的影響，還與另一個(gè)或者多個(gè)時(shí) 間序列相關(guān)聯(lián)，這種線性系統(tǒng)的輸出變量與一個(gè)或多個(gè)輸入變量有關(guān)，（B）作為濾波的傳遞函數(shù)，就是用來(lái)反映時(shí)間序列這

23、種動(dòng)態(tài)變化的規(guī)律。系統(tǒng)噪聲序列 nt如此反映的是時(shí)間序列所受的隨機(jī)干擾。在用傳遞函數(shù)模型進(jìn)展非點(diǎn)源污染物負(fù)荷預(yù)測(cè)時(shí)，（B）描述的是污染物由于受到一些外在因素，比如氣溫、動(dòng)植物生育期長(zhǎng)度、人為活動(dòng)等的影響而呈現(xiàn) 季節(jié)性的負(fù)荷變化特征，nt如此描述的是非點(diǎn)源污染物負(fù)荷隨降雨的隨機(jī)變化而 變化以與產(chǎn)流和匯流受氣候、氣象、地形、地貌、植被等條件影響產(chǎn)生的隨機(jī)性。假如xt和nt服從ARMA模型時(shí)，式子 就是ARMAX 模型。系數(shù)vj稱(chēng)為 系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)權(quán)重或脈沖響應(yīng)函數(shù)，是 j的函數(shù)。如果這些脈沖響應(yīng)權(quán)重序列是絕對(duì)可和的，即VjV ,如此傳遞函數(shù)模型被稱(chēng)為是穩(wěn)定的。實(shí)際應(yīng)用中, 為了降低難度，一般用有理

24、函數(shù)形式給出傳遞函數(shù):(B)3（B）、因此,其中(B)0 卍Bs (B) 1,B .rBr(B) 11B .qBq (B)1 世pBp（B）、（B）、（B）、（B）為滯后算子B的多項(xiàng)式，其階數(shù)依次分別為S、實(shí)際應(yīng)用的單變量傳遞函數(shù)模型一般表達(dá)式:r、q與p。其中參數(shù)s和r是（B）和（B）的階數(shù)，描述人對(duì)y影響。q和p是（B）和（B）的階數(shù)，描述隨機(jī)沖擊對(duì) y的影響；b稱(chēng)為延遲參數(shù)，即xt的b期滯后值才開(kāi)始對(duì)y產(chǎn)生影響。at為白噪聲序列隨機(jī)干擾項(xiàng)，at N 0, 2 ，且與xt相互獨(dú)立。式（3）稱(chēng)為傳遞函數(shù)。傳遞函數(shù)的形成機(jī)理可用圖2表示:人(B)Bb 1輸出 y(B)圖2 一般傳遞函數(shù)模型的形

25、成機(jī)理Fig. 2 The formatio n mecha nism of the tran sfer fun ctio n model傳遞函數(shù)模型的建模一般分為3步：第1步，利用預(yù)白噪化進(jìn)展識(shí)別確定參數(shù) b,s,r,使用的分析工具是輸入 和輸出之間的互相關(guān)函數(shù)。具體做法就是用一個(gè)ARIMA模型擬合輸入序列，該模型把殘差降為白噪聲，然后再用此模型過(guò)濾輸入序列得到白躁聲殘差序列。隨后用同樣的模型過(guò)濾輸出序列，并計(jì)算過(guò)濾后輸出序列和過(guò)濾后輸入序列的互 相關(guān)系數(shù)。第2步,運(yùn)用極大似然法、最小二乘法或非線性最小二乘法進(jìn)展模型參數(shù)估計(jì)確疋 （丄,.，r） ,（ 0 , 1., s） ,（ 1 ,.,

26、p） ,（ 1 ,., q）。第3步，利用Q統(tǒng)計(jì)量對(duì)殘差進(jìn)展自相關(guān)檢驗(yàn)，利用S統(tǒng)計(jì)量對(duì)殘差和白噪 化輸入進(jìn)展互相關(guān)檢驗(yàn)。如果殘差無(wú)自相關(guān) ，同時(shí)殘差和白噪化輸入也無(wú)相關(guān)， 模型即為所求。本文根據(jù)歷史的流量和經(jīng)LOADES模型模擬得到的水質(zhì)負(fù)荷數(shù)據(jù)，建立遞推 傳遞函數(shù)模型，應(yīng)用到水庫(kù)水質(zhì)符合預(yù)測(cè)中。四、現(xiàn)有研究條件與研究進(jìn)度安排4.1可行性分析湯浦水庫(kù)建庫(kù)以來(lái)，積累了大量水庫(kù)流域的氣象和水文水質(zhì)根底數(shù)據(jù)，課題組也收集了水庫(kù)流域的大量社會(huì)經(jīng)濟(jì)和土地利用根底資料。2012年以來(lái)，導(dǎo)師負(fù)責(zé)的國(guó)家支撐計(jì)劃課題“基于物聯(lián)網(wǎng)的小流域廢物流動(dòng)監(jiān)控體系研究選址在小 舜江流域進(jìn)展，已經(jīng)開(kāi)展了近三年的流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)研究工作。本課題已經(jīng)具有充 分的數(shù)據(jù)和資料等根底條件。本人已經(jīng)熟練掌握LOADES模型的模擬，在長(zhǎng)樂(lè)江流域使用LOADES模型模擬河流總氮負(fù)荷量的實(shí)踐中，驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)