生化需氧量BOD和溶解氧 DO模型分析.docx

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生化需氧量BOD和溶解氧DO模型分析

生化需氧量（BOD）和溶解氧（DO）模型分析

摘要：

以全球变暖为主要特征的全球气候变化已经对脆弱的生态系统和社会系统造成了严重影响,并受到国际社会的普遍关注。

气候变化对水资源的影响多关注水资源量的变化，对水环境的影响研究并不多见。

近年来研究表明，气候变化已经成为影响水环境变化的重要因素之一，逐渐引起了国内外学者和各国政府的高度关注，然而，气候变化如何影响水环境质量，以及影响程度如何等关键问题在国内外学术界尚存在很大争议。

随着中国经济腾飞和工农业迅速发展，水体环境质量也呈现普遍恶化和逐步加重的趋势，严重影响了经济的可持续发展与和谐社会的构建，然而，水环境研究和治理工作中较少考虑气候变化的影响，定量研究气候变化对水环境的影响的文献更是鲜见报道，因此，定量研究完结环境因素对水环境的影响程度，确定较为敏感性指标有利于更加清晰地认识气候变化对水环境的重要性，并能够为进一步深入考虑综合气候要素等对水环境的影响机理指明方向，相关工作的开展具有重要的理论和现实意义。

BOD，生化需氧量（BOD）是一种环境监测指标，主要用于监测水体中有机物的污染状况。

一般有机物都可以被微生物所分解，但微生物分解水中的有机化合物时需要消耗氧，如果水中的溶解氧不足以供给微生物的需要，水体就处于污染状态。

生化需氧量（BOD）和溶解氧（DO）反是映水质受到有机污染程度的综合指标，决定水质洁净程度的重要参数之一。

有机当污染物排入水体后，OD度便迅速上升，Ｂ浓水体中的水生植物和微生物取有机物并分解时，耗水体中的溶解氧，溶解氧下消使降，时水生植物的光合作用要放出氧气，同空气也不断向水中补充溶解氧量，因此微生物吸取BOD的过程是在耗氧和复氧同时作用下进行的。

当微生物吸取、解BOD的分速率和大气复氧的速率相等时，点为临交界点，点的溶解氧最少，此亏氧量最大，该点在排放口以下多少距离出现，及溶解以氧浓度为多大是水质预测中必须掌握的资浓度的三次方成比例。

关键词：

回归分析、生化需氧量BOD、溶解氧DO

正文：

气候变化对河流和湖泊的水环境影响，是一个复杂的过程，其中既有人类经济活动、包括排污的影响，又有温度增加和降水变化等气候因素改变对水环境的高阶影响，如温度变化直接控制着水体中水文、生态条件；而降雨、蒸发量控制着地表径流量，改变着洪涝干旱的发生频率和量级，影响到水体内的污染物和营养盐的迁移转化过程，不仅改变水体的物理性质，也影响着水体中的化学和生物特性。

开展气候变化与水环境关系研究多是利用经验统计方法，寻找气候变化敏感性水质指标，这种方法需要大量的历史气象水质资料，且研究区域受人类活动影响较少时更为有效.本文对BOD-DO模型利用回归分析及相关辅助分析进行分析。

1.1用SPSS对实例进行线性回归分析

1.1.1操作步骤

（1）打开SPSS17.0软件，在文件中新建数据。

（2）数据输入:

建立所需变量视图，在对应的数据视图中输入数据。

（3）进行线性回归分析，选择分析中的线性,打开对话框，分别将Y1、Y2导入变量框中，将X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7导入因变量框中，在对应模型中选择相应的模型；单击确定按钮，得到线性回归结果。

1.1.2结果分析

根据上述操作步骤可以得到下面的回归结果。

输入／移去的变量

模型

输入的变量

移去的变量

方法

1

流过该河段所需的时间t,排污口流量g,初始断面的氧气浓度C0,初始断面的BOD浓度L0,污水BOD浓度l,水温T,河流流量Qa

.

输入

a.已输入所有请求的变量。

输入／移去的变量

模型

输入的变量

移去的变量

方法

1

流过该河段所需的时间t,排污口流量g,初始断面的氧气浓度C0,初始断面的BOD浓度L0,污水BOD浓度l,水温T,河流流量Qa

.

输入

a.已输入所有请求的变量。

表1.1.2.1表1.1.2.2

表1.1.2.1和表1.1.2.2表明使用全部引入法将变X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7全部引入,分别将Y1、Y2做为因变量进行回归分析。

模型汇总b

模型

R

R方

调整R方

标准估计的误差

1

.953a

.907

.815

1.76324

a.预测变量:

（常量）,流过该河段所需的时间t,排污口流量g,初始断面的氧气浓度C0,初始断面的BOD浓度L0,污水BOD浓度l,水温T,河流流量Q。

b.因变量:

BOD浓度

模型汇总b

模型

R

R方

调整R方

标准估计的误差

1

.985a

.971

.942

.37719

a.预测变量:

（常量）,流过该河段所需的时间t,排污口流量g,初始断面的氧气浓度C0,初始断面的BOD浓度L0,污水BOD浓度l,水温T,河流流量Q。

b.因变量:

氧气浓度

表1.1.2.3表1.1.2.4

表1.1.2.3显示了Y1的相关系数R=0.953，调整R方为0.907，估计标准误差为1.76324.表1.1.2.4显示了Y1的相关系数R=0.985，调整R方为0.971，估计标准误差为0.37719.

Anovab

模型

平方和

df

均方

F

Sig.

1

回归

212.935

7

30.419

9.784

.004a

残差

21.763

7

3.109

总计

234.698

14

a.预测变量:

（常量）,流过该河段所需的时间t,排污口流量g,初始断面的氧气浓度C0,初始断面的BOD浓度L0,污水BOD浓度l,水温T,河流流量Q。

b.因变量:

BOD浓度

Anovab

模型

平方和

df

均方

F

Sig.

1

回归

33.466

7

4.781

33.604

.000a

残差

.996

7

.142

总计

34.462

14

a.预测变量:

（常量）,流过该河段所需的时间t,排污口流量g,初始断面的氧气浓度C0,初始断面的BOD浓度L0,污水BOD浓度l,水温T,河流流量Q。

b.因变量:

氧气浓度

表1.1.2.5表1.1.2.6

系数a

模型

非标准化系数

标准系数

t

Sig.

B

标准误差

试用版

1

（常量）

-7.183

25.016

-.287

.782

初始断面的BOD浓度L0

-.219

.470

-.117

-.466

.656

初始断面的氧气浓度C0

-1.179

.994

-.254

-1.187

.274

水温T

.536

.444

.721

1.209

.266

河流流量Q

-.031

.024

-.979

-1.305

.233

排污口流量g

-10.450

8.170

-.571

-1.279

.242

污水BOD浓度l

-.002

.009

-.090

-.279

.789

流过该河段所需的时间t

212.454

124.451

.679

1.707

.132

a.因变量:

BOD浓度表1.1.2.7

表1.1.2.5、表1.1.2.6是方差分析表，表1.1.2.5回归平方和SRR=212.935，残差平方和SSE=21.763，总偏差平方和SST=234.698，对应的自由度7714，回归均方MSR=30.419，残差均方MSE=3.109，回归方程的显著性检验统计量F=9.784，检验P=0.004<0.05,则拒绝H0：

Y1与X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7之间无线性回归关系，接受H1：

Y1与X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7有线性回归关系。

系数a

模型

非标准化系数

标准系数

t

Sig.

B

标准误差

试用版

1

（常量）

-17.587

5.351

-3.287

.013

初始断面的BOD浓度L0

.211

.101

.295

2.097

.074

初始断面的氧气浓度C0

.023

.213

.013

.108

.917

水温T

.140

.095

.491

1.476

.183

河流流量Q

.020

.005

1.642

3.918

.006

排污口流量g

3.036

1.748

.433

1.737

.126

污水BOD浓度l

.003

.002

.252

1.397

.205

流过该河段所需的时间t

43.471

26.622

.363

1.633

.147

a.因变量:

氧气浓度表1.1.2.8

同理：

由表1.1.2.6是方差分析表得Y2与X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7有线性回归关系.

表1.1.2.7显示了对于Y1回归分析中的系数。

常数项为-7.183，

1的系数-0.219，

2的系数-1.179，

3的系数0.536，

4的系数为-0.031.

5的系数为-10.450，

6的系数为-0.002，

7的系数为212.454.

同理由表1.1.2.8可以得到对于Y1回归分析中的系数。

表1.1.2.9表1.1.2.10

P-P图是一种散点图,对应于正态分布的P-P图,就是由标准正态分布的分位数为横坐标,样本值为纵坐标的散点图.要利用P-P图鉴别样本数据是否近似于正态分布,只需看P-P图上的点是否近似地在一条直线附近,而且该直线的斜率为标准差,截距为均值.用P-P图还可获得样本偏度和峰度的粗略信息.

P-P图是根据变量的累积比例与指定分布的累积比例之间的关系所绘制的图形。

通过P-P图可以检验数据是否符合指定的分布。

当数据符合指定分布时，P-P图中各点近似呈一条直线。

如果P-P图中各点不呈直线，但有一定规律，可以对变量数据进行转换，使转换后的数据更接近指定分布。

由以上两表得：

P-P图中各点近似呈一条直线，说明Y1、Y2数据是否符合指定的分布。

1.2用SPSS对实例进行曲线估计回归分析

1.2.1操作步骤

进行线性回归分析，选择分析中的回归的曲线估计,打开对话框，将Y1导入变量框中，将X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7导入因变量框中，分别将Y1、Y2导入变量框中。

在对应模型中选择相应的模型；单击确定按钮，得到线性回归结果。

1.2.2结果分析

根据上述操作步骤可以得到下面的回归结果。

模型描述

模型名称

MOD_1

模型名称

MOD_2

因变量

1

因变量

因变量

1

2

初始断面的BOD浓度L0

2

初始断面的BOD浓度L0

3

初始断面的氧气浓度C0

3

初始断面的氧气浓度C0

4

水温T

4

水温T

5

河流流量Q

5

河流流量Q

6

排污口流量g

6

排污口流量g

7

污水BOD浓度l

7

污水BOD浓度l

方程

1

流过该河段所需的时间t

方程

1

流过该河段所需的时间t

自变量

BOD浓度

自变量

自变量

常数

包含

常数

常数

其值在图中标记为观测值的变量

序号

其值在图中标记为观测值的变量

其值在图中标记为观测值的变量

用于在方程中输入项的容差

.0001

用于在方程中输入项的容差

用于在方程中输入项的容差

表1.2.2.9

由表1.2.2.9得导入的自变量与因变量的描述

由曲线估计回归多重回归曲线分析发现所有都接近于3次，从而有如下发现：

Y1与X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7之间线性关系

Y1=2.612565900279259+-0.8295057240594526*x1+0.2756289474449106*x1*x1+-0.01448849365851333*x1*x1*x1

Y1=1.266956525483097+-1.247115645927012*x2+0.1690149250196511*x2*x2+-0.006902191620377347*x2*x2*x2

Y1=10.40653871623493+1.643424943359949*x3+0.1189392966121199*x3*x3+-0.01044363968880614*x3*x3*x3

Y1=671.4797144839408+-187.051250080133*x4+17.95643716330454*x4*x4+-0.5479502221753676*x4*x4*x4

Y1=0.2772222171942746+0.4420606673470408*x5+-0.05602585502598817*x5*x5+0.002010210475082053*x5*x5*x5

Y1=-411.3167557701252+328.851367487128*x6+-39.16477068975436*x6*x6+1.370372109498615*x6*x6*x6

Y1=0.1228134948595809+-0.008308870078424549*x7+0.0003758131022881773*x7*x7+1.649929310300698e-007*x7*x7*x7

Y1与X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7之间线性关系

Y2=1.866925334674431+1.653626546643347*x1+1.878921282496041*x1*x1+0.3169473194102568*x1*x1*x1

Y2=-0.4674387941569801+1.37161767135896*x2+0.6241609069086922*x2*x2+0.09304425151806813*x2*x2*x2

Y2=15.23010005862819+6.175387821925972*x3+5.391240927669319*x3*x3+0.7720277386039856*x3*x3*x3

Y2=356.4785592524448+40.80816335578324*x4+-45.50557114468286*x4*x4+-8.995671708129354*x4*x4*x4

Y2=0.9562152274302881+-0.2453618863983963*x5+-0.03329121093247391*x5*x5+0.003699080066068768*x5*x5*x5

Y2=136.4984623165813+-29.41145005392173*x6+69.90503787706112*x6*x6+15.34051072914807*x6*x6*x6

Y2=0.1051371403603392+-0.01042877737556518*x7+-0.01038295386790905*x7*x7+-0.001517516213912596*x7*x7*x7

以上10个图分别表示Y1与Y2分别于X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7之间的关系模型。

2.1用SPSS对实例进行检验分析

2.1.1操作步骤

（1）进行描述统计，在分析的描述中选择描述进行描述；

（2）进行检验分析，选择分析中比较均值,打开对话框，选择配对检验，进行配对；单击确定按钮，得到检验回归结果。

2.1.2结果分析

根据上述操作步骤可以得到下面的回归结果。

成对样本检验

成对差分

t

df

Sig.（双侧）

差分的95%置信区间

均值

标准差

均值的标准误

下限

上限

对1

Y1-X1

2.06667

3.71223

.95849

.01090

4.12243

2.156

14

.049

对2

Y1-X2

6.57933

4.67194

1.20629

3.99210

9.16657

5.454

14

.000

对3

Y1-X3

-13.91800

3.12538

.80697

-15.64878

-12.18722

-17.247

14

.000

对4

Y1-X4

-194.9559200

131.1762197

33.8695543

-267.5988892

-122.3129508

-5.756

14

.000

对5

Y1-X5

4.1290933

4.0783771

1.0530324

1.8705634

6.3876233

3.921

14

.002

对6

Y1-X6

-278.63133

151.75403

39.18272

-362.66991

-194.59275

-7.111

14

.000

对7

Y1-X7

5.179933

4.103239

1.059452

2.907635

7.452231

4.889

14

.000

对8

Y2-X1

-5.06867

3.26864

.84396

-6.87878

-3.25855

-6.006

14

.000

对9

Y2-X2

-.55600

1.16422

.30060

-1.20072

.08872

-1.850

14

.086

对10

Y2-X3

-21.05333

6.85790

1.77070

-24.85111

-17.25555

-11.890

14

.000

对11

Y2-X4

-202.0912533

126.5175643

32.6666946

-272.1543451

-132.0281615

-6.186

14

.000

对12

Y2-X5

-3.0062400

1.6529772

.4267969

-3.9216283

-2.0908517

-7.044

14

.000

对13

Y2-X6

-285.76667

154.29498

39.83879

-371.21238

-200.32096

-7.173

14

.000

对14

Y2-X7

-1.955400

1.558704

.402456

-2.818582

-1.092218

-4.859

14

.000

对15

Y1-Y2

7.13533

5.48661

1.41664

4.09695

10.17371

5.037

14

.000

注：

Y1—BOD浓度，Y2—氧气浓度，X1—初始断面的BOD浓度L0，X2—初始断面的氧气浓度C0，X3—水温T，X4—河流流量Q，X5—排污口流量g，X6—污水BOD浓度l，X7—流过该河段所需的时间t

对于Sig.（双侧），只有对9的检验P=0.004＞0.05，接受H0：

μ1=μ2,即说明Y2氧气浓度与X2初始断面的氧气浓度C0之间无影响；其余检验P<0.05,则拒绝H0：

μ1=μ2，说明像胡子之间有影响。

之间存在函数关系。

生化需氧量（BOD）和溶解氧（DO）都与X1—初始断面的BOD浓度L0，X3—水温T，X4—河流流量Q，X5—排污口流量g，X6—污水BOD浓度l，X7—流过该河段所需的时间t有密切关系，

Y1—BOD浓度与X2—初始断面的氧气浓度C0有密切关系，Y2氧气浓度与X2初始断面的氧气浓度C0之间无影响。

参考文献：

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地质出版社,1994.

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科学出版社.

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科学出版社6.

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科学出版社.

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科学出版社,