大型淺水湖泊水華集聚水域的補(bǔ)水控藻方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種大型淺水湖泊水華集聚水域補(bǔ)水控藻方法。該方法的技術(shù)體系包括水環(huán)境模擬技術(shù)、軟性圍隔技術(shù)以及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)調(diào)度技術(shù)，具體實(shí)施方法包括建立湖泊水環(huán)境模擬模型、建設(shè)柔性圍隔工程形成目標(biāo)水域、目標(biāo)水域?qū)嵤┰诰€監(jiān)測(cè)、建立目標(biāo)水域的時(shí)空高精度水環(huán)境模擬模型、構(gòu)建水質(zhì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、建立補(bǔ)水河流的流量調(diào)度系統(tǒng)。該方法提出在大型淺水湖泊的水華集聚水域利用入湖河流進(jìn)行補(bǔ)水以控制其藻類密度的系統(tǒng)性、定量化的技術(shù)體系，在補(bǔ)水水量水質(zhì)與目標(biāo)水域的水質(zhì)響應(yīng)之間建立起確定性的定量化聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)流域水資源調(diào)度系統(tǒng)的定量化補(bǔ)水配置，克服了現(xiàn)有引水控藻工程措施未形成定量化技術(shù)方案，致使控藻效果不確定或不顯著的缺陷。
【專利說(shuō)明】
大型淺水湖泊水華集聚水域的補(bǔ)水控藻方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬環(huán)境保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及水體污染控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 大型淺水湖泊一般指面積大于50km2的平均水深小于6m的湖泊。對(duì)于富營(yíng)養(yǎng)化的 大型淺水湖泊而言，藻類空間分布并不均勻，會(huì)受到風(fēng)力和湖流的驅(qū)使而迀移聚集，因而風(fēng) 力風(fēng)向成為出現(xiàn)局部水華重災(zāi)區(qū)的主要原因。在我國(guó)太湖北部的梅梁灣，滇池北部海埂公 園水域，均由于藍(lán)藻在盛行風(fēng)作用下的堆積而形成嚴(yán)重的水華。
[0003] 目前控制湖泊藍(lán)藻水華的方法主要有:化學(xué)、物理、生物、營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷控制法。
[0004] 化學(xué)法:采用殺藻劑，可快速降低藻類密度，但添加化學(xué)物質(zhì)，可能對(duì)水體產(chǎn)生化 學(xué)污染，對(duì)魚類等其它水生生物產(chǎn)生毒害，危害水生生態(tài)系統(tǒng)，具有不可預(yù)知的潛在危險(xiǎn)。
[0005] 物理方法:用重力振動(dòng)、旋振和離心等方法將藻類收集并使之與湖泊水體分離等， 只適宜在水華嚴(yán)重的局部水域應(yīng)急使用，機(jī)械清除法成本和能耗過(guò)高。
[0006] 生物控藻法:主要包括微生物控藻、大型水生植物抑藻、水生動(dòng)物控藻。其中，微生 物滅藻尚不成熟，抑藻微生物種群投入水體后，面臨土著微生物的激烈競(jìng)爭(zhēng)，很難長(zhǎng)時(shí)期形 成優(yōu)勢(shì)種群而發(fā)揮持續(xù)的抑藻作用，且微生物溶藻后導(dǎo)致藍(lán)藻藻毒素的陡然釋放，可能危 害水體中的水生生物，導(dǎo)致新的生態(tài)問(wèn)題。植物化感物質(zhì)可以有效地抑制藻類的生長(zhǎng)，但關(guān) 于化感物質(zhì)的研究成果大都是在超過(guò)自然界可能濃度的實(shí)驗(yàn)條件下獲得的，正確評(píng)價(jià)其真 正作用，需要長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)才可以定論。水生動(dòng)物控藻是通過(guò)捕食食物鏈遏制藻類增殖，在 小型、封閉、淺水性富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中已顯示一定的效果，但在大型湖泊尚無(wú)成功的事例。由 于湖泊生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，這種經(jīng)典的生物操縱方法的有效性與穩(wěn)定性仍存在一定的爭(zhēng) 議，有待發(fā)展和完善。目前在湖泊中實(shí)施的生態(tài)浮島技術(shù)，圍隔生物控藻技術(shù)等，是生物控 藻理論的技術(shù)實(shí)踐，取得了一定效果。秦伯強(qiáng)等(秦伯強(qiáng)等.太湖水源地水質(zhì)凈化的生態(tài)工 程試驗(yàn)研究.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2007,27(1) :5-12)在我國(guó)太湖梅梁灣牽龍口水廠周邊建成了 總面積近l〇km2的水源地水生態(tài)修復(fù)示范區(qū)。示范區(qū)采用了PVC圍隔擋藻，主要通過(guò)恢復(fù)水 生植物、放養(yǎng)濾食性魚類發(fā)揮生態(tài)效應(yīng)而控藻除藻，凈化水質(zhì)。該示范工程運(yùn)行后，圍隔內(nèi) 水質(zhì)得到了明顯改善，但是就藻類密度(葉綠素 a濃度)而言沒(méi)有顯著好轉(zhuǎn)，有關(guān)研究分析認(rèn) 為可能是盛行風(fēng)導(dǎo)致夏季藍(lán)藻水華富集堆積于示范區(qū)，造成控藻效果不佳(陳雪初等.富營(yíng) 養(yǎng)化湖庫(kù)水源地原位控藻技術(shù)研究進(jìn)展.水資源保護(hù)，2008,24(2): 10-13)。實(shí)踐表明，僅依 靠圍隔的物理阻隔及圍隔內(nèi)的各種生物控藻技術(shù)，在大型湖泊的水華堆積區(qū)并不能有效抑 制水華的發(fā)生。
[0007] 營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷控制法：需要控制湖泊的外源和內(nèi)源兩種營(yíng)養(yǎng)鹽輸入途徑，屬于流域一 湖泊系統(tǒng)的全面治理，涉及湖泊及其流域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的調(diào)整。此方法是控制水華 的根本性措施。但牽涉面廣，成本高，時(shí)間長(zhǎng)，見(jiàn)效慢。
[0008] 除以上方法外，國(guó)內(nèi)外還嘗試通過(guò)引清調(diào)水工程來(lái)改善湖泊水質(zhì)和控制藻類。有 研究顯示水文條件影響到藍(lán)藻的生長(zhǎng)和分布，在水力滯留時(shí)間短的水體中藍(lán)藻會(huì)失去競(jìng)爭(zhēng) 優(yōu)勢(shì)。一般認(rèn)為水力滯留時(shí)間少于2周時(shí)，藍(lán)藻難以有效地聚集形成水華。水力滯留時(shí)間越 長(zhǎng)，發(fā)生水華的可能性越大;相反，滯留時(shí)間越短，則不利于藻類的繁殖，較難以維持種群數(shù) 量，不易形成水華。引清調(diào)水工程在國(guó)內(nèi)外有較多的實(shí)例，如；美國(guó)引Mississippi河入 Pontchartrain湖，荷蘭veluwemeetr湖的引換水工程，國(guó)內(nèi)的引江濟(jì)太工程，杭州西湖引水 工程，武漢東湖的調(diào)水工程，南京玄武湖的引水工程等。
[0009] 以"引江濟(jì)太"工程為例，周小平等（周小平等.2007~2008年引江濟(jì)太調(diào)水對(duì)太湖 水質(zhì)改善效果分析.水資源保護(hù)，2006，26(1): 40-48)針對(duì)2007年引江濟(jì)太應(yīng)急調(diào)水應(yīng)對(duì)無(wú) 錫供水危機(jī)，以及2008年冬春季"引江濟(jì)太"抑制太湖夏季藍(lán)藻暴發(fā)的效果進(jìn)行了分析。"在 2007年引江濟(jì)太應(yīng)急調(diào)水中，由于長(zhǎng)江清水大量進(jìn)入太湖的貢湖灣，有效抑制了貢湖藍(lán)藻 生長(zhǎng)，貢湖灣錫東水廠的葉綠素 a濃度由調(diào)水前的53yg/L逐步降低到10.5yg/L，貢湖灣藍(lán)藻 暴發(fā)現(xiàn)象得到明顯抑制。在2008年冬春季引江濟(jì)太調(diào)水實(shí)踐中，與2007年同期相比，代表藻 類密度的葉綠素 a質(zhì)量濃度貢湖下降達(dá)60%，但毗鄰的太湖水華重災(zāi)區(qū)一梅梁灣下降有限， 僅下降5%，其它湖灣甚至有所上升。說(shuō)明引江濟(jì)太調(diào)水對(duì)改善局部特定湖區(qū)的水質(zhì)及抑制 藍(lán)藻發(fā)生可以在某些時(shí)期起到一定的作用。但目前的引水控藻方式尚未形成定量化的技術(shù) 體系，如引水水量水質(zhì)的定量化，且實(shí)踐效果說(shuō)明尚不完全適用于大中型湖泊的水華集聚 水域，如太湖梅梁灣，并沒(méi)有獲得顯著的效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 目的
[0011] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于改變目前利用河道補(bǔ)水進(jìn)行大中型淺水湖泊水華 水域控藻所表現(xiàn)出的主觀經(jīng)驗(yàn)性，解決在水華集聚水域所進(jìn)行的補(bǔ)水控藻工程效果不顯 著、不確定性較高的問(wèn)題，旨在使利用河道補(bǔ)水方式對(duì)大中型淺水湖泊的水華堆積區(qū)所實(shí) 施的控藻成為可以定量化、規(guī)范化操作的環(huán)保水利工程。
[0012] 原理和適用條件：
[0013] 本發(fā)明通過(guò)入湖河道，按預(yù)設(shè)方案向藻類聚集水域?qū)嵤┭a(bǔ)水，通過(guò)水動(dòng)力調(diào)控及 補(bǔ)充低氮磷濃度水來(lái)控制藻類密度。本發(fā)明適用于毗鄰入湖河流的近岸湖泊水域;入湖河 流所在流域具有流域水資源調(diào)度系統(tǒng)，且通常情況下水質(zhì)良好(明顯優(yōu)于湖泊水質(zhì)）。
[0014] 技術(shù)框架
[0015]本發(fā)明方法包括三部分，分別是高精度水環(huán)境模擬技術(shù)、軟性圍隔技術(shù)以及動(dòng)態(tài) 監(jiān)測(cè)調(diào)度技術(shù)：
[0016] ?高精度湖泊水環(huán)境模型，可模擬較小湖泊區(qū)域(<10km2)的短時(shí)間（日）的水質(zhì)時(shí) 空變化。
[0017] ?軟性圍隔技術(shù)。適用于淺水湖泊，可阻隔水流和阻止波浪翻越的臨時(shí)性設(shè)施，用 以形成局部水域，與開(kāi)敞湖面相對(duì)隔離。
[0018] ?動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)調(diào)度技術(shù)。采用在線監(jiān)測(cè)技術(shù)積累湖泊及入湖河流的水文水質(zhì)數(shù)據(jù)， 構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，提出入湖河流的流量調(diào)度需求。
[0019] 以上三部分的功能和作用（圖1):
[0020] 高精度水環(huán)境模型的作用:①基于入湖河流及湖泊的情形，通過(guò)多情景模擬計(jì)算， 確定可以利用河流補(bǔ)水改善水質(zhì)的局部湖泊水域(稱為目標(biāo)水域、下同）的大?。ㄒ?guī)模）、軟 性圍隔的空間布局。②當(dāng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)調(diào)度技術(shù)中的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，尚未累積足夠多的數(shù)據(jù)以 支撐神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立時(shí)，通過(guò)多情景模擬，提供構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的初期訓(xùn)練數(shù)據(jù);所 述多情景模擬是假設(shè)不同的補(bǔ)水流量和水質(zhì)，通過(guò)模擬計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的目標(biāo)水域的水質(zhì)結(jié) 果，這樣獲得訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的數(shù)據(jù)集。③基于對(duì)湖泊水環(huán)境主要過(guò)程的較高時(shí)空模擬 精度，較核動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)調(diào)度技術(shù)推求得到的初步調(diào)度流量，并最終確定入湖河流的調(diào)度流量。
[0021] 軟性圍隔技術(shù)的作用:①在不永久改變湖泊原有形態(tài)的情況下，形成與開(kāi)敞湖泊 水面相對(duì)隔離的區(qū)域-目標(biāo)水域。②減輕開(kāi)敞湖體對(duì)目標(biāo)水域水質(zhì)的影響，如藍(lán)藻水華在風(fēng) 力作用下的堆積。
[0022] 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)調(diào)度技術(shù)的作用：①對(duì)目標(biāo)水域及入湖河流實(shí)施在線監(jiān)測(cè)，積累目標(biāo)水 域及入湖河流的水文水質(zhì)數(shù)據(jù);②利用積累的數(shù)據(jù)，校準(zhǔn)高精度水環(huán)境模型，優(yōu)化其參數(shù) 值，提高對(duì)目標(biāo)水域的模擬準(zhǔn)確性。③建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，推求提供給流域水資源調(diào)度系統(tǒng) 的入湖河流的初步調(diào)度流量。
[0023]本發(fā)明方法具體包括以下步驟：
[0024] (1)、收集基礎(chǔ)資料
[0025] A、湖泊及藻華堆積湖灣區(qū)的水陸邊界及水下地形圖
[0026] B、藻華堆積湖灣區(qū)的沉積物組成及其空間分布；
[0027] C、湖泊常規(guī)觀測(cè)點(diǎn)位的水位、水質(zhì)及浮游植物歷史數(shù)據(jù)；
[0028] D、湖泊氣象歷史數(shù)據(jù)：大氣壓力、空氣溫度、相對(duì)濕度、降水、蒸發(fā)、太陽(yáng)輻射、云 量、風(fēng)速和風(fēng)向。數(shù)據(jù)為小時(shí)數(shù)據(jù)。
[0029] E、入湖河流的水文、水質(zhì)歷史系列數(shù)據(jù)；
[0030] (2)、建立湖泊水環(huán)境模擬模型
[0031 ] A.以環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)模型EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code，EFDC)為 基礎(chǔ)，根據(jù)模擬的湖泊水文水質(zhì)變量或指標(biāo)，采用EFDC的水動(dòng)力模塊以及模擬水溫、溶解 氧、氮、磷及藍(lán)綠藻的富營(yíng)養(yǎng)化模塊。
[0032] B.湖泊水環(huán)境模型計(jì)算網(wǎng)格的構(gòu)建
[0033] 米用GEFDC軟件（Grid Environmental Fluid Dynamics Code)，以曲線網(wǎng)格法，依 步驟(1)A的數(shù)據(jù)劃分湖泊水域的計(jì)算網(wǎng)格;網(wǎng)格的生成首先是產(chǎn)生水平斷面曲線以離散水 體，接下來(lái)采用步驟(1)C收集的湖泊水位(水深)數(shù)據(jù)來(lái)指定每個(gè)網(wǎng)格的深度。
[0034] C.建立湖泊水環(huán)境模型的邊界條件
[0035] 以步驟(1 )E收集的入湖河流的流量日數(shù)據(jù)，以及入湖河流的氮濃度日數(shù)據(jù)和磷濃 度日數(shù)據(jù)作為湖泊水環(huán)境模型的水陸邊界條件。由于入湖河流流量和氮磷濃度在一天內(nèi)的 變化幅度較小，因此為日數(shù)據(jù)；
[0036]驅(qū)動(dòng)湖泊水環(huán)境模型水動(dòng)力模塊的大氣邊界條件為步驟（1)D收集的大氣壓力、空 氣溫度、相對(duì)濕度、降水、蒸發(fā)、太陽(yáng)輻射、云量、風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)，由于大氣邊界條件在一日 內(nèi)具有較大的變化，因此，大氣邊界條件為小時(shí)數(shù)據(jù)。
[0037] D.參數(shù)率定
[0038]基于EFDC建立的湖泊水環(huán)境模型的參數(shù)包括各類形態(tài)的氮、磷、碳的轉(zhuǎn)化系數(shù)以 及藻類的最大生長(zhǎng)速率、基礎(chǔ)代謝率、牧食率;藻類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的半飽和系數(shù);藻類最適生長(zhǎng) 溫度;藻類沉降率。
[0039] 用于率定以上湖泊水環(huán)境模型參數(shù)的校準(zhǔn)變量為水位、水溫、葉綠素 a(Chl a)、總 氮(TN)和總磷(TP)濃度。
[0040] 用于校準(zhǔn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為校準(zhǔn)變量在湖泊常規(guī)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的步驟（1)C水位、水質(zhì)及浮 游植物的歷史數(shù)據(jù)。
[0041] 參數(shù)率定過(guò)程是個(gè)迭代過(guò)程:對(duì)一組參數(shù)賦值并運(yùn)行湖泊模型后，將各觀測(cè)站點(diǎn) 的校準(zhǔn)變量模擬值與實(shí)際觀測(cè)值進(jìn)行比較，然后調(diào)整參數(shù)的賦值再運(yùn)行湖泊模型，如此重 復(fù)多次直到模擬值與實(shí)測(cè)值接近，兩者的相關(guān)系數(shù)應(yīng)達(dá)到0.85以上。
[0042] (3)目標(biāo)水域空間范圍的確定
[0043]①目標(biāo)水域的控藻目標(biāo)及水質(zhì)目標(biāo)
[0044] 控藻目標(biāo)即藻類密度的上限數(shù)值，藻類密度用葉綠素 a濃度表示。通過(guò)分析步驟 (1)C收集的湖泊浮游植物歷史數(shù)據(jù)中的藻類資料，結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查和走訪，取水面不出 現(xiàn)藍(lán)綠色浮沫水華的葉綠素 a濃度的上限數(shù)值作為控藻目標(biāo)。同時(shí)根據(jù)步驟（1 )C收集的水 質(zhì)數(shù)據(jù)確定與目標(biāo)水域控藻目標(biāo)相應(yīng)的氮、磷濃度值作為目標(biāo)水域水質(zhì)目標(biāo);所述目標(biāo)水 域指擬開(kāi)展補(bǔ)水控藻的水華集聚湖灣的局部水域；
[0045] ②目標(biāo)水域空間位置的確定
[0046] A.初步劃出目標(biāo)水域的空間區(qū)位，目標(biāo)水域由岸線及假設(shè)的湖面上的圍隔所圍 成，包含入湖河流入湖口；
[0047] 目標(biāo)水域的空間區(qū)位的確定實(shí)際上是湖面上圍隔的空間位置的確定。
[0048] B.假設(shè)目標(biāo)水域已用圍隔與開(kāi)敞湖面相對(duì)隔離，即在步驟(2)建立的湖泊水環(huán)境 模擬模型中設(shè)定圍隔兩側(cè)步驟(2)B的計(jì)算網(wǎng)格之間沒(méi)有水量交換；
[0049] C.采用歷史數(shù)據(jù)運(yùn)行步驟(2)湖泊水環(huán)境模擬模型，得到目標(biāo)水域的氮磷濃度及 葉綠素 a濃度的模擬結(jié)果；
[0050] D.與步驟(3)①的控藻目標(biāo)相比較，如果葉綠素 a濃度值大于控藻目標(biāo)，則縮小目 標(biāo)水域的范圍，重復(fù)此過(guò)程，反之，則擴(kuò)大目標(biāo)水域的范圍，直至計(jì)算結(jié)果與控藻目標(biāo)的相 對(duì)偏差小于5 %。
[0051] (4)在湖面建設(shè)柔性圍隔形成目標(biāo)水域
[0052] 根據(jù)步驟(3)確定的圍隔在湖面上的空間位置，在湖面建設(shè)柔性圍隔，形成由圍隔 與陸地岸線合圍而成的目標(biāo)水域；
[0053] 目標(biāo)水域設(shè)立一處出流口，目標(biāo)水域承接的河道入流，流經(jīng)目標(biāo)水域后，經(jīng)出流口 進(jìn)入開(kāi)敞湖面；
[0054]柔性圍隔在結(jié)構(gòu)上包括三部分:上部為浮體、中部為墻體，底部是石籠;柔性圍隔 上部的浮體浮于水中，部分露出水面;圍隔中部的墻體豎立于水中，圍隔底部的石籠沉于淤 泥中；
[0055]三部分組合在一起，可以阻擋水流通過(guò)和波浪翻越。圍隔墻體為PVC材料，而浮體 外部也覆蓋有PVC材料，在兩者的PVC材料上燙孔，上覆有孔鋼板，然后用尼龍繩綁扎而連接 在一起。石籠是裝填卵石的尼龍網(wǎng)，本身有孔;在與石籠連接的墻體PVC材料上燙孔，用尼龍 繩將兩者綁扎連接在一起。
[0056] (5)對(duì)目標(biāo)水域?qū)嵤┰诰€監(jiān)測(cè)
[0057]在目標(biāo)水域建立在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目的在于獲得固定時(shí)間間隔的目標(biāo)水域及入湖 河流的水文氣象水質(zhì)數(shù)據(jù)，并建立數(shù)據(jù)庫(kù)，儲(chǔ)存累積的數(shù)據(jù)。
[0058] 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、安全系統(tǒng)以及監(jiān)控中心;監(jiān)控中 心包含數(shù)據(jù)庫(kù)及管理軟件SQL Server，數(shù)據(jù)庫(kù)中存貯有入湖河流及目標(biāo)水域的水文、氣象、 水質(zhì)數(shù)據(jù)；
[0059] 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在t1時(shí)刻觀測(cè)目標(biāo)水域氣象、水質(zhì)，以及入湖河流的水文、水質(zhì)常規(guī) 監(jiān)測(cè)指標(biāo)，t表示觀測(cè)日期，i為時(shí)間序列，i=o，i，…；tytH+Tj定義為流域水利系統(tǒng)進(jìn) 行水量聯(lián)合調(diào)度所需的時(shí)間；
[0060] 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)備、傳輸系統(tǒng)以及軟件均采用目前在水利、環(huán)保領(lǐng)域廣泛使用 的成熟的設(shè)備和軟件技術(shù)。
[0061] (6)建立針對(duì)目標(biāo)水域的時(shí)空高精度水環(huán)境模擬模型
[0062] 目標(biāo)水域時(shí)空高精度模擬模型指模型的計(jì)算網(wǎng)格的面積相對(duì)湖泊水環(huán)境模型而 言要小得多，可以反映目標(biāo)水域的水下地形和邊界形態(tài)對(duì)水動(dòng)力的影響;計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng) 短，可以反映目標(biāo)水域?qū)θ牒亢退|(zhì)日變化的響應(yīng)。
[0063] A.目標(biāo)水域的計(jì)算網(wǎng)格
[0064]在步驟(2)湖泊水環(huán)境模型的計(jì)算網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，對(duì)目標(biāo)水域計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化； 當(dāng)目標(biāo)水域的網(wǎng)格的面積縮小到能夠表征目標(biāo)水域的水下地形及水陸邊界的細(xì)節(jié)時(shí)即完 成目標(biāo)水域計(jì)算網(wǎng)格的細(xì)化；
[0065] B.目標(biāo)水域的邊界條件
[0066] 柔性圍隔將目標(biāo)水域與開(kāi)闊水域相隔離，因此在模型的計(jì)算網(wǎng)格中，圍隔兩邊的 網(wǎng)格之間不存在水量交流。
[0067] 目標(biāo)水域的水陸邊界條件為流入目標(biāo)水域的入湖河流及圍隔所劃定的目標(biāo)水域 邊界，在出流口與開(kāi)敞湖面匯流；
[0068] C.參數(shù)率定
[0069] 利用步驟(5)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中存貯的入湖河流及目標(biāo)水域的水文氣象水 質(zhì)數(shù)據(jù)，按步驟(2)D的方法率定目標(biāo)水域的時(shí)空高精度水環(huán)境模擬模型。
[0070] 隨著在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)累積數(shù)據(jù)的不斷增多，目標(biāo)水域時(shí)空高精度水環(huán)境模擬模型的 模擬準(zhǔn)確性也隨之提高。
[0071] (7)建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型
[0072] A.初步建立由入湖河流ti4時(shí)刻水文、水質(zhì)數(shù)據(jù)推求入湖河流f時(shí)刻總氮、總磷濃 度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（I);
[0073] B.初步建立由t1 一1時(shí)刻目標(biāo)水域水質(zhì)數(shù)據(jù)，t1時(shí)刻目標(biāo)水域總磷、總氮、葉綠素 a濃 度，t1時(shí)刻入湖河流總氮和總磷濃度推求t1時(shí)刻入湖河流流量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（Π );
[0074] C.利用步驟(5)中的數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，訓(xùn)練上述兩個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，完成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型 的構(gòu)建。
[0075]理論上，用以訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的數(shù)據(jù)越多，則神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性就越 尚。
[0076]如果步驟(5)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間在1年以下，導(dǎo)致積累的數(shù)據(jù)較少(建立水質(zhì) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型一般需要多年觀測(cè)數(shù)據(jù)），則由步驟(6)目標(biāo)水域時(shí)空高精度模擬模型按假設(shè) 河流補(bǔ)水情景提供入湖河流的補(bǔ)水水量、水質(zhì)與目標(biāo)水域水質(zhì)響應(yīng)之間的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，作為 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（Π )的初期訓(xùn)練數(shù)據(jù)的補(bǔ)充；
[0077]如果步驟(5)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間在5年以上，則完全依靠步驟(5)所述數(shù)據(jù)庫(kù) 累積的大量數(shù)據(jù)，進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（Π )及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（I)的訓(xùn)練，建立起預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性高 的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；
[0078] (8)建立入湖河流的流量調(diào)度系統(tǒng)
[0079] 利用步驟(5)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、步驟(6)目標(biāo)水域時(shí)空高精度水環(huán)境模型及步驟(7) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，提出入湖河流在調(diào)度時(shí)間T內(nèi)的入湖流量值，由流域水資源聯(lián)合調(diào)度，實(shí)現(xiàn) 入湖河流對(duì)目標(biāo)水域的定量化補(bǔ)水;具體步驟如下：
[0080] A.利用步驟(5)建立的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得當(dāng)前t1時(shí)刻補(bǔ)水河流的水質(zhì)數(shù)據(jù)，再利 用步驟(7)建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（I)推求未來(lái)t 1+1時(shí)刻的河流總氮和總磷濃度；
[0081] B.假設(shè)目標(biāo)水域在未來(lái)t1+1時(shí)刻的總氮、總磷及葉綠素 a濃度為步驟(3)①中目標(biāo) 水域的控藻目標(biāo)和水質(zhì)目標(biāo)；
[0082] C.基于在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在t1時(shí)刻的目標(biāo)水域水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，步驟(8)B設(shè)定的目標(biāo)水 域t1+1時(shí)刻的總氮、總磷和葉綠素 a濃度，以及(8)A獲得的補(bǔ)水河流的t1+1時(shí)刻總氮和總磷濃 度值，利用步驟(7)建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（Π )，推求補(bǔ)水河流t1+1時(shí)刻流量值，得到補(bǔ)水河流 在以時(shí)刻后T時(shí)間段內(nèi)的調(diào)度流量的初步值；
[0083] D.利用步驟(6)建立的目標(biāo)水域的時(shí)空高精度水環(huán)境模擬模型較核步驟(8)C所得 的初步調(diào)度流量值：
[0084] 以步驟(8)D中的初步調(diào)度流量、步驟(8)A所得的ti+1時(shí)刻的補(bǔ)水河流的總氮和總 磷濃度作為邊界條件運(yùn)行步驟(6)所建立的目標(biāo)水域的時(shí)空高精度水環(huán)境模擬模型，計(jì)算 t1+1時(shí)刻及其后續(xù)調(diào)度時(shí)間T目標(biāo)水域的氮、磷濃度和葉綠素 a濃度；
[0085] 如果計(jì)算結(jié)果與步驟(3)①中所述的目標(biāo)水域控藻目標(biāo)有偏差，則小幅度調(diào)整初 步調(diào)度流量重新模擬計(jì)算，當(dāng)模擬結(jié)果達(dá)到步驟(3)①中所述的目標(biāo)水域控藻目標(biāo)時(shí)，則計(jì) 算中采用的t 1+1時(shí)刻的入湖流量值，即作為t1+1時(shí)刻及其后續(xù)調(diào)度時(shí)間T內(nèi)的補(bǔ)水河流的調(diào) 度流量值；
[0086] E.將t1+1時(shí)刻的調(diào)度流量傳遞給流域水資源聯(lián)合調(diào)度平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)t1+1時(shí)刻及其后續(xù) 調(diào)度時(shí)間T的入湖流量。
[0087] 以上各步驟所述目標(biāo)水域水質(zhì)指湖泊水體常規(guī)水質(zhì)觀測(cè)指標(biāo)。
[0088] 目標(biāo)水域水質(zhì)指在目標(biāo)水域觀測(cè)的常規(guī)指標(biāo)，包括水溫、PH、電導(dǎo)率、溶解氧、高錳 酸鹽指數(shù)、生化需氧量、氨氮、化學(xué)需氧量、總磷、總氮;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（Π )利用的目標(biāo)水域 水質(zhì)指標(biāo)為上述指標(biāo);而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（I)利用的水質(zhì)指標(biāo)也是上述指標(biāo)，但推求得到的水 質(zhì)指標(biāo)只有總磷、總氮;水環(huán)境模型較核調(diào)度流量的計(jì)算結(jié)果只關(guān)注目標(biāo)水域的葉綠素 a濃 度，不考慮其它的水質(zhì)指標(biāo)。
[0089] 與現(xiàn)有控藻技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：
[0090] 1、本發(fā)明方法提出在大中型淺水湖泊水華堆積區(qū)實(shí)施河道補(bǔ)水（引水)控藻的系 統(tǒng)性、定量化技術(shù)體系。
[0091 ]在目前的湖泊控藻技術(shù)中，營(yíng)養(yǎng)鹽控制法、化學(xué)方法、物理方法、生物方法以及引 水工程補(bǔ)水方法都可以在其適用范圍內(nèi)有效抑制藍(lán)藻水華，同時(shí)這些方法也存在不足。就 通過(guò)引水工程補(bǔ)水來(lái)控制水華的方法而言，其具有見(jiàn)效快、持續(xù)性好的優(yōu)點(diǎn)，但目前的工程 實(shí)踐表明，對(duì)于由于盛行風(fēng)而形成藻類集聚區(qū)的大中型湖泊，雖然有一定效果，但控藻效果 存在明顯的不確定性。主要原因就是缺乏關(guān)于補(bǔ)水控藻的系統(tǒng)性、定量化方法。
[0092] 而本發(fā)明由目標(biāo)水域時(shí)空高精度水環(huán)境模型、柔性圍隔技術(shù)以及目標(biāo)水域動(dòng)態(tài)監(jiān) 測(cè)調(diào)度技術(shù)共同構(gòu)成的河道補(bǔ)水控藻方法，通過(guò)物理阻隔外源藻(柔性圍隔工程)和定量化 的補(bǔ)水（目標(biāo)水域時(shí)空高精度湖泊水環(huán)境模型、目標(biāo)水域動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)調(diào)度技術(shù))抑制內(nèi)源藻， 可以達(dá)到控制大中型湖泊藻華堆積區(qū)藻類密度(控制葉綠素 a濃度)的目標(biāo)。
[0093] 本發(fā)明就特定湖泊水域的水質(zhì)、浮游植物群落密度對(duì)河道補(bǔ)水水量水質(zhì)過(guò)程的響 應(yīng)關(guān)系，即在入流水量、水質(zhì)與圍隔內(nèi)水體的水質(zhì)及葉綠素 a濃度之間建立起確定性的定量 化聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)精確的補(bǔ)水配置，使補(bǔ)水控藻方法具有科學(xué)性、客觀性?？朔爽F(xiàn)有引水 控藻工程措施未形成定量化技術(shù)方案，致使控藻效果不確定或不顯著的缺陷。
[0094] 2、本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)水控藻的工程化
[0095] 補(bǔ)水定量化方法以及柔性圍隔設(shè)施的組合使得利用河道對(duì)湖泊的補(bǔ)水控藻可以 按照環(huán)?；蛩こ痰囊?guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)方式實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)水控藻的工程化。
[0096] 3、本發(fā)明方法高效利用現(xiàn)有的流域水資源治理湖泊水華
[0097]本發(fā)明提出由流域水資源管理機(jī)構(gòu)的流域水資源調(diào)度平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)入湖河流的流 量調(diào)度，使有限的地表徑流在湖泊水華治理中發(fā)揮最大的作用，提高流域水資源綜合利用 效率。
[0098] 4、本發(fā)明方法具有廣泛的適用性
[0099] 本發(fā)明提出的系統(tǒng)性控藻方法，可以在普遍存在水華災(zāi)害的國(guó)內(nèi)外大中型淺水湖 泊使用，具有重要的推廣價(jià)值。
【附圖說(shuō)明】
[0100] 圖1是大型淺水湖泊水華集聚水域的補(bǔ)水控藻方法的技術(shù)框架圖。
[0101] 圖2是EFDC模型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0102] 圖3為滇池水環(huán)境模型校準(zhǔn)中的實(shí)測(cè)與模擬的日水位變化比較圖。圖中：橫坐標(biāo)表 示時(shí)間，用儒略日表示;縱坐標(biāo)表示水位，單位為米;1為模擬水位、2為觀測(cè)水位。
[0103] 圖4為滇池實(shí)測(cè)水位與模擬水位的相關(guān)性圖。圖中：橫坐標(biāo)表示觀測(cè)水位，單位為 米，縱坐標(biāo)表示模擬水位，單位為米。
[0104] 圖5為滇池的常規(guī)觀測(cè)點(diǎn)一灰灣的實(shí)測(cè)與模擬的水溫變化過(guò)程比較圖。圖中：橫坐 標(biāo)表示時(shí)間，用儒略日表示;縱坐標(biāo)表示水溫，單位為°C ; 1為模擬水溫，2為觀測(cè)水溫。
[0105] 圖6為滇池的常規(guī)觀測(cè)點(diǎn)一灰灣的實(shí)測(cè)與模擬的水溫相關(guān)性圖。圖中：橫坐標(biāo)表示 觀測(cè)水溫，單位為°C ;，縱坐標(biāo)表示模擬水溫，單位為°C。
[0106] 圖7為滇池的常規(guī)觀測(cè)點(diǎn)一灰灣的實(shí)測(cè)與模擬的葉綠素 a(Chl a)濃度過(guò)程比較 圖。圖中：橫坐標(biāo)表示時(shí)間，用儒略日表示;縱坐標(biāo)表示Chi a濃度，單位為yg/L。1為Chla濃 度模擬值，2為Chla濃度觀測(cè)值。
[0107] 圖8為滇池的常規(guī)觀測(cè)點(diǎn)一灰灣的實(shí)測(cè)與模擬的總氮(TN)濃度過(guò)程比較圖。圖中： 橫坐標(biāo)表示時(shí)間，用儒略日表示;縱坐標(biāo)表示TN濃度，單位為mg/L。1為TN濃度模擬值、2為TN 濃度的觀測(cè)值。
[0108] 圖9為滇池的常規(guī)觀測(cè)點(diǎn)一灰灣的實(shí)測(cè)與模擬的總磷(TP)濃度過(guò)程比較圖。圖中： 橫坐標(biāo)表示時(shí)間，用儒略日表示；縱坐標(biāo)表示TP濃度，單位為mg/L。。1為TP濃度模擬值、2為 TP濃度觀測(cè)值。
[0109] 圖10是目標(biāo)水域的布局示意圖。圖中，①表示竹筏木排、②表示柔性圍隔工程、③ 表示常規(guī)水面警示裝置、④表示湖岸線、⑤表示動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（水文水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)儀器的安裝 點(diǎn)）;A表示入湖河道盤龍江、B表示導(dǎo)流圍隔、C表示滇池海埂公園的控藻水域，即目標(biāo)水域、 D表示藻類滯留區(qū)、E表示出流口、F表示滇池的開(kāi)敞水體、G為滇池北岸。圖10中，由②、④、D 及B圍成目標(biāo)水域C。由A進(jìn)入的盤龍江水流經(jīng)導(dǎo)流圍隔B、目標(biāo)水域C、經(jīng)藻類滯留區(qū)D后經(jīng)出 流口 E流入圍隔外部的開(kāi)敞水體F。
[0110] 圖11是柔性圍隔的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1表示水~大氣界面、2表示水~沉積物界 面、3表示圍隔的浮體部分、4表示圍隔的墻體部分、5表示圍隔的石籠部分、6表示浮體與墻 體的連接處、7表示墻體與石籠的連接處。
[0111] 浮體半浮于水面，用于產(chǎn)生浮力使圍隔墻體在水中基本保持直立，隨風(fēng)浪的擺動(dòng) 保持在較小的幅度內(nèi)，另外浮體還可阻擋漂浮藻類隨浪進(jìn)入。圍隔墻體用于截?cái)鄧魞?nèi)外 的水流交換。沉入底質(zhì)中的石籠用來(lái)固定墻體。
[0112] 圖12是目標(biāo)水域高精度水環(huán)境模型的網(wǎng)格圖，其中1為滇池北部的加密網(wǎng)格，即為 目標(biāo)水域的網(wǎng)格。2為除加密網(wǎng)格以外的滇池湖體的計(jì)算網(wǎng)格。
[0113] 為使計(jì)算易于收斂，與目標(biāo)水域相鄰水域的網(wǎng)格也較小。
[0114] 圖13是示范工程入湖河流-盤龍江的嚴(yán)家橋監(jiān)測(cè)斷面的總氮神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的拓?fù)?結(jié)構(gòu)不意圖。圖中w(input) 1 · 1、w(output) 1 · 1、w(input)k.h、w(output)h.m表不神經(jīng)元之 間的連接強(qiáng)度，稱為連接權(quán)。 實(shí)施例
[0115] 實(shí)施例為國(guó)家科技重大專項(xiàng)，水體污染控制與治理主題，滇池項(xiàng)目的第六課題《滇 池流域水資源聯(lián)合調(diào)度改善湖體水質(zhì)關(guān)鍵技術(shù)與工程示范》（2013ZX07102-006)關(guān)鍵技術(shù) 的部分研究成果及示范工程的設(shè)計(jì)方案。
[0116] (1)、收集基礎(chǔ)資料
[0117] A、滇池及其北部近岸水域的水陸邊界及水下地形圖
[0118] B、滇池北岸近岸水域的沉積物組成及其空間分布；
[0119] C、滇池8個(gè)常規(guī)觀測(cè)點(diǎn)位的水位、水質(zhì)及浮游植物歷史數(shù)據(jù)；
[0120] D、滇池氣象歷史數(shù)據(jù)：大氣壓力、空氣溫度、相對(duì)濕度、降水、蒸發(fā)、太陽(yáng)輻射、云 量、風(fēng)速和風(fēng)向。數(shù)據(jù)為小時(shí)數(shù)據(jù)。
[0121] E、盤龍江的水文、水質(zhì)歷史系列數(shù)據(jù)；
[0122] (2)建立湖泊水環(huán)境模擬模型
[0123]以環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)模型（Environmental Fluid Dynamics Code,EFDC)為基礎(chǔ)建 立滇池湖泊水環(huán)境模型。
[0124]在湖泊生態(tài)模型的發(fā)展歷程中，水質(zhì)水動(dòng)力模型因其對(duì)地球化學(xué)循環(huán)、藻類生長(zhǎng) 消亡和水動(dòng)力過(guò)程的詳盡模擬，以及人們對(duì)湖泊富營(yíng)養(yǎng)控制的迫切需求而在在環(huán)境管理中 得到廣泛應(yīng)用和認(rèn)可。環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)模型（Environmental Fluid Dynamics Code,EFDC) 即為這類模型。
[0125] EFDC是由美國(guó)環(huán)保署(EPA)支持并由美國(guó)Tetra Tech公司維護(hù)開(kāi)發(fā)的用于模擬湖 泊、水庫(kù)、海灣、濕地和河口等地表水?dāng)?shù)值模型軟件。Eroc是一個(gè)源程序公開(kāi)的地表水模擬 系統(tǒng)，它可以系統(tǒng)地模擬水動(dòng)力、水質(zhì)、富營(yíng)養(yǎng)化和沉積物輸移的動(dòng)態(tài)變化及其相互影響。 與其它類似模擬系統(tǒng)相比較，其優(yōu)點(diǎn)十分明顯，主要包括:a:EH)C具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，根 據(jù)需要，可以用于零維、一維、二維或三維水環(huán)境模擬，目前在河流、湖泊、河口、港灣以及濕 地等水環(huán)境系統(tǒng)中已經(jīng)有很多成功的應(yīng)用實(shí)例。b:EFDC成功地在一個(gè)集成的體系中解決了 水動(dòng)力、水質(zhì)、沉積物模型的耦合問(wèn)題。c:EFDC所采用的數(shù)值方法和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法代表了目 前國(guó)際上水環(huán)境模擬系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、研究的主流方向與前沿。
[0126] EFDC的控制方程是一組聯(lián)立的偏微分方程，包括水動(dòng)力過(guò)程、21個(gè)狀態(tài)變量的水 質(zhì)與富營(yíng)養(yǎng)化模塊以及27個(gè)狀態(tài)變量的底泥地球化學(xué)動(dòng)力模塊(圖2)。此外，EFDC還模擬任 意多種泥沙顆粒以及相應(yīng)的有毒有害物質(zhì)在水體中的迀移轉(zhuǎn)化及與底泥的交互作用過(guò)程。
[0127] EFDC可以模擬的指標(biāo)主要有:溫度、磷、大腸細(xì)菌、藻類、鹽度、總活性金屬、溶解有 機(jī)物、二氧化硅、泥沙、溶解氧(D0)、沉積物、氮以及保守性痕量物質(zhì)等。
[0128] 本發(fā)明的水環(huán)境模型，只基于EFDC的水動(dòng)力模塊，水溫、溶解氧、氮、磷等水質(zhì)指標(biāo) 及藍(lán)綠藻的富營(yíng)養(yǎng)化模塊，以及氮磷的底泥地球化學(xué)動(dòng)力模塊。
[0129] B:計(jì)算網(wǎng)格構(gòu)建
[0130]采用GEFDC軟件，利用滇池水下地形圖和湖體邊界圖劃分網(wǎng)格。
[0131] 為精確地代表滇池的湖岸線，構(gòu)建的滇池水環(huán)境模型采用了曲線網(wǎng)格法(而非笛 卡爾網(wǎng)格），以更好地匹配湖的邊界形狀而無(wú)需劃分太多數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)，并在保證空間精度的 情況下提高計(jì)算效率。網(wǎng)格的生成首先是產(chǎn)生水平斷面曲線以離散水體，接下來(lái)采用水下 地形數(shù)據(jù)資料來(lái)指定每個(gè)網(wǎng)格的深度。
[0132] C:滇池湖泊模型的邊界條件
[0133] 在模型中，水陸界面的水平邊界條件(模型輸入數(shù)據(jù)）即入湖河流流量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) 負(fù)荷(氮磷濃度）。鑒于入湖流量和負(fù)荷隨時(shí)間的變化幅度較小，因此入湖流量和負(fù)荷為日 數(shù)據(jù)。
[0134] 水陸水平邊界條件的空間表示由模型網(wǎng)格中入湖口的地理坐標(biāo)點(diǎn)決定。
[0135]模型用來(lái)驅(qū)動(dòng)其水動(dòng)力模塊的大氣邊界條件包括大氣壓力、空氣溫度、相對(duì)濕度、 降水、蒸發(fā)、太陽(yáng)輻射、云量、風(fēng)速和風(fēng)向。由于大氣邊界條件在一日內(nèi)具有較大的變化幅 度，因此大氣邊界條件為小時(shí)數(shù)據(jù)。
[0136]在滇池水環(huán)境模型的建模過(guò)程中，由于2009年在滇池流域、湖體開(kāi)展了入湖流量、 營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷以及水體30個(gè)點(diǎn)位的觀測(cè)，具有全面的能夠表征滇池流域及湖泊水體實(shí)際狀況的 觀測(cè)數(shù)據(jù)，因此，滇池水動(dòng)力水質(zhì)模型的水陸界面的邊界條件為滇池流域污染負(fù)荷模擬模 型計(jì)算得到的2009年入湖水量以及入湖河流的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù);大氣邊界條件為2009昆明大 觀樓氣象站、呈貢氣象站和晉寧氣象站的每小時(shí)氣象數(shù)據(jù)。
[0137] D:滇池湖泊水環(huán)境模型的參數(shù)率定
[0138] 利用2009年到2010年的滇池湖體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的參數(shù)率定，即模擬校準(zhǔn)。
[0139] 率定的主要參數(shù)包括各類形態(tài)的氮、磷、碳的轉(zhuǎn)化系數(shù)以及與藻類有關(guān)的最大生 長(zhǎng)速率、基礎(chǔ)代謝率、牧食率、藻類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的半飽和系數(shù)、藻類最適生長(zhǎng)溫度、藻類沉降率 等。
[0140] 分別對(duì)湖泊模型的水動(dòng)力模塊及水質(zhì)模塊進(jìn)行模擬校準(zhǔn)，其中表示藻類密度的葉 綠素 a濃度與其它水質(zhì)指標(biāo)同時(shí)在富營(yíng)養(yǎng)水質(zhì)模塊內(nèi)進(jìn)行模擬校準(zhǔn)。
[0141] 校準(zhǔn)采用的初始條件:在2009年數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上確定初始條件。首先確定2009年1月 1日觀察到的湖泊水位為最初的水位；確定2009年1月的總氮、總磷、氨氮、硝態(tài)氮、正磷酸 鹽、葉綠素 a、溶解氧7項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)據(jù)作為初始條件，將2009年1月的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值 到每個(gè)計(jì)算網(wǎng)格，從而形成水質(zhì)模擬的初始場(chǎng)。為了得到合理的具有代表性的初始水動(dòng)力 條件(如:溫度場(chǎng)和流場(chǎng))來(lái)驅(qū)動(dòng)水質(zhì)模塊，水動(dòng)力模塊將提前運(yùn)行一個(gè)月作為預(yù)熱期。設(shè)置 2009年1月1日湖泊水位1887.37m為初始水位，初始水溫取實(shí)測(cè)得到的12°C，所有3個(gè)速度向 量初始化為〇.〇m/ S。
[0142] -般而言，水環(huán)境模型校準(zhǔn)的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.85即為滿意。
[0143] 滇池湖泊模型的水動(dòng)力模塊校準(zhǔn)結(jié)果：
[0144] 滇池水動(dòng)力模塊校準(zhǔn)的模擬的時(shí)間為2009-01-01至2009-12-31。
[0145] 水動(dòng)力模塊可以模擬湖泊的流場(chǎng)和水位。淺水湖泊滇池主要為風(fēng)生流，由于一日 內(nèi)風(fēng)場(chǎng)的變異性較大，加之流場(chǎng)的測(cè)定誤差較大，因此一般而言，不采用流場(chǎng)，而采用湖水 水位為校準(zhǔn)變量。
[0146] 對(duì)于淡水水體的水質(zhì)模擬，溫度是模型中最重要的一個(gè)校準(zhǔn)變量，如果一個(gè)模型 可以再現(xiàn)觀測(cè)到的溫度，一般就可視為已很好的模擬了所模擬水體的流體動(dòng)力學(xué)物理過(guò)程 和熱量平衡。此外，良好的溫度模擬是準(zhǔn)確校準(zhǔn)水質(zhì)模塊的必須條件。
[0147] 圖3、圖4比較了滇池模型模擬水位與實(shí)測(cè)水位，可以看出，模型很好的模擬了滇池 日水位變化過(guò)程，模擬與實(shí)測(cè)的相關(guān)性達(dá)到0.97,說(shuō)明水動(dòng)力模型的水量總體平衡。
[0148] 圖5、圖6給出了對(duì)滇池中灰灣監(jiān)測(cè)點(diǎn)的模型模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)水溫的比較，由圖可 見(jiàn)，模型很好地模擬了季節(jié)趨勢(shì)和總體的觀測(cè)溫度水平，模擬與實(shí)測(cè)的相關(guān)性達(dá)到0.91。
[0149] 滇池湖泊模型的水質(zhì)校驗(yàn)是基于滇池的8個(gè)常規(guī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位:灰灣中、羅家營(yíng)、觀音 山西、觀音山中、觀音山東、白魚口、?？谖鳌⒌岢啬?。水質(zhì)校準(zhǔn)變量為葉綠素 a (Chi a)、總氮 (TN)和總磷(TP)濃度。
[0150] 模型水質(zhì)模塊的校準(zhǔn)過(guò)程是一個(gè)迭代的過(guò)程，在此過(guò)程中要對(duì)涉及的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn) 行調(diào)整，并同時(shí)將模擬值與觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。這個(gè)過(guò)程將重復(fù)多次直到模擬值能夠重現(xiàn) 多個(gè)水質(zhì)校準(zhǔn)變量的觀測(cè)趨勢(shì)為止。
[0151]水質(zhì)模塊建立在已校驗(yàn)的水動(dòng)力模炔基礎(chǔ)上。水動(dòng)力模塊從2009年1月1日開(kāi)始運(yùn) 行，在模擬運(yùn)行一個(gè)月之后對(duì)水質(zhì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。具體而言，水動(dòng)力模塊從2009年1月1日 開(kāi)始運(yùn)行一個(gè)月，產(chǎn)生的水深、流場(chǎng)和溫度被用來(lái)作為2009年1月1日水質(zhì)模塊模擬的起點(diǎn)。 水質(zhì)模擬校準(zhǔn)的時(shí)間段為2009年1月1日至2009年12月31日。校驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了大約100次迭 代，直至模擬的與觀測(cè)到的水質(zhì)狀況在時(shí)間和空間分布匹配良好才結(jié)束。
[0152]圖7、圖8至圖9給出了滇池灰灣常規(guī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)Chla、TN和TP模型模擬與實(shí)測(cè)的比較情 況。
[0153] (3)目標(biāo)水域空間范圍的確定
[0154] 在水專項(xiàng)2013ZX07102-006課題的任務(wù)書中已確定示范工程的區(qū)位在盤龍江入湖 口，海埂公園水域，面積要求不小于2km 2。水質(zhì)改善考核指標(biāo)為藻類密度下降10%以上，TN、 TP由劣V類變?yōu)镮V類。
[0155] 示范工程區(qū)即為實(shí)施控藻的目標(biāo)水域，水質(zhì)改善考核指標(biāo)即為目標(biāo)水域的控藻指 標(biāo)和水質(zhì)指標(biāo)。
[0156] 結(jié)合實(shí)施地點(diǎn)的具體情況，計(jì)劃在滇池湖面建設(shè)的軟性圍隔工程基本平行距離滇 池北岸600m，圍隔平均高6m，長(zhǎng)度約4742m。圍隔與岸線合圍而成的目標(biāo)水域面積約 2 · 57km2，水量約 1542萬(wàn)m3。
[0157] 目標(biāo)水域的空間布設(shè)如圖10,除修建圍隔2以形成目標(biāo)水域C以外，還同樣利用軟 性圍隔布設(shè)了導(dǎo)流圍隔區(qū)B、藻類滯留區(qū)D以及航道E。在空間布局上，整個(gè)實(shí)施控藻的水域 沿水流方向由入湖河道A、導(dǎo)流圍隔區(qū)B，目標(biāo)水域C、藻類滯留區(qū)D及出流口E組成。
[0158]目標(biāo)水域的附屬設(shè)施有：
[0159] A:導(dǎo)流圍隔B:由于入湖河流A-盤龍江汛期的洪峰流量較大，水質(zhì)也較差，可能導(dǎo) 致汛期進(jìn)入目標(biāo)水域C的流量及水質(zhì)超過(guò)補(bǔ)水要求，因而在目標(biāo)水域的盤龍江入口處，布設(shè) 了導(dǎo)流圍隔B，以在需要時(shí)分流盤龍江入湖流量，使超過(guò)需求的水量直接進(jìn)入滇池。
[0160] B:藻類滯留區(qū)：目標(biāo)水域的出水口也作為航道使用（圖10中E)，供在海埂公園水域 的游船進(jìn)出。出水口 E的出流方向與外部滇池在夏季盛行風(fēng)場(chǎng)下的湖流的流向基本一致，以 使出流基本上不受到目標(biāo)水域外部的湖流頂托而影響出流效率。
[0161] 為防止圍隔外部漂浮的水華隨向北吹的湖面風(fēng)（西南風(fēng)、東南風(fēng)及南風(fēng))經(jīng)出水口 E漂入目標(biāo)水域C內(nèi)，在出水口E以北設(shè)立藻華滯留區(qū)（圖10中D)。藻類滯留區(qū)D與出水口E組 成開(kāi)口面向北方的"U"形，使在湖面風(fēng)為南風(fēng)向時(shí)，由出水口隨風(fēng)飄入的漂浮藻華積聚于 此，而不會(huì)大量進(jìn)入目標(biāo)水域內(nèi)。
[0162] 藻華滯留區(qū)堆積的藻類可利用機(jī)械除藻船或岸邊除藻站及時(shí)去除。
[0163] C:為避免波浪對(duì)柔性圍隔（圖10中2)的直接沖擊，也為了攔截可能對(duì)圍隔2造成損 傷的銳利漂浮物而沿圍隔外圍設(shè)置50m寬的竹筏木排帶（圖10中1)，可有效降低波高。為降 低船只沖撞圍隔的風(fēng)險(xiǎn)而沿圍隔內(nèi)部設(shè)立了水面警示裝置(圖10中3)。
[0164] (4)在湖面建設(shè)柔性圍隔形成目標(biāo)水域
[0165] 作為形成目標(biāo)水域C的主體工程措施，柔性圍隔工程（圖10中2)的作用在于:一是 形成目標(biāo)水域，使圍隔內(nèi)外水體相對(duì)隔離，使河道補(bǔ)水集中在目標(biāo)水域，以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)水域 藻類密度的控制;二是阻擋水面的漂浮藍(lán)藻隨風(fēng)浪和湖流進(jìn)入目標(biāo)水域內(nèi)部，避免藻類在 目標(biāo)水域內(nèi)的堆積。
[0166] 故而對(duì)柔性圍隔的性能要求包含阻隔性和穩(wěn)定性。阻隔性指在通常的風(fēng)浪條件 下，可有效阻擋圍隔外部漂浮藍(lán)藻，避免其隨波浪翻越進(jìn)入圍隔內(nèi)部，同時(shí)隔絕(除出流口 E 以外）圍隔內(nèi)外水體的交流。穩(wěn)定性指在不出現(xiàn)極端氣象條件的情況下，圍隔保持整體結(jié)構(gòu) 的完整性，不出現(xiàn)破損，不倒伏于水面以下。
[0167] B:不透水柔性圍隔的結(jié)構(gòu)、材料
[0168] 圍隔結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖11，分為三部分:上部浮體、中部墻體以及作為圍隔基礎(chǔ)的石籠。
[0169] 上部浮體的作用在于產(chǎn)生浮力，使圍隔墻體在水中不倒伏;并攔截水面漂浮的水 華，不使其隨波浪翻越進(jìn)入。墻體的作用在于隔斷內(nèi)外水體的交流。石籠作為基礎(chǔ)，沉入淤 泥中，與浮體共同牽引墻體，使其不倒伏于水中。
[0170] 浮體包括浮體外層材料、浮子室。外層材料由高強(qiáng)度、耐磨、耐油性能好的氯丁橡 膠，涂敷在NN-200型尼龍帆布上，硫化加工而成。尼龍帆布的抗拉強(qiáng)度為200千牛/米，橡膠 布外觀質(zhì)量滿足HG/T3046-1999的要求。橡膠布層間粘合強(qiáng)度不小于4.5N/mm，外貼膠的粘 合強(qiáng)度不小于5N/mm。浮子為EPS聚苯乙烯泡外覆EPE耐油薄膜，呈水滴型，內(nèi)加配重條，具有 不倒翁特點(diǎn)。浮子室上部開(kāi)口裝入多枚浮子后粘連封閉，目測(cè)無(wú)縫隙。浮子室封口處硫化寬 度不少50mm。
[0171] 墻體由高強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定好、耐腐蝕的PVC材料做成。
[0172] 石籠由填充卵石的尼龍網(wǎng)縫制而成。
[0173] C:圍隔的高度、長(zhǎng)度
[0174] 由于水中的圍隔在垂直方向及水面水平上并不呈直線，而是略有彎曲，且圍隔會(huì) 在水中因風(fēng)浪和湖流沖擊而擺動(dòng)，因此圍隔墻體的實(shí)際高度為水深的1.15倍；圍隔水平實(shí) 際長(zhǎng)度為直線距離的1.15倍。
[0175] D:施工方法
[0176] 圍隔單元每條20米長(zhǎng)，疊放捆扎。圍隔單元兩側(cè)均有接頭，便于連接。圍隔布放前， 先將每捆圍隔依次放好，打開(kāi)包裝，將接頭對(duì)接好，然后由拖船緩緩?fù)舷滤?。圍隔下水前，?人工整理好圍隔墻體，避免下水后產(chǎn)生扭曲、纏結(jié)，確保布放流暢。為防止磨損，圍隔下水處 須設(shè)有托輥或鋪有鋪墊物。
[0177] (5)對(duì)目標(biāo)水域?qū)嵤┰诰€監(jiān)測(cè)
[0178] 目標(biāo)水域設(shè)置在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目的在于獲得目標(biāo)水域及盤龍江入湖河道的水文 氣象和水質(zhì)數(shù)據(jù)。
[0179] 在線監(jiān)測(cè)的建設(shè)目標(biāo)在于建立一套先進(jìn)實(shí)用、準(zhǔn)確可靠、快速及時(shí)、高度自動(dòng)化的 信息采集、監(jiān)視和監(jiān)控系統(tǒng)，以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。
[0180] 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括監(jiān)控中心、氣象水文自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
[0181] 監(jiān)控中心的硬件設(shè)備包括工業(yè)計(jì)算機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)、硬盤錄像機(jī)、USP電源、液晶 電視機(jī);監(jiān)控中心的軟件包括數(shù)據(jù)庫(kù)及其管理軟件SQL Server。數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)采用微軟 公司的SQL Server 2008,系統(tǒng)開(kāi)發(fā)使用微軟公司的Visual Studio 2008,系統(tǒng)架構(gòu)模式采 用C/S和B/S混合架構(gòu)。實(shí)時(shí)接收和完整安全的保存風(fēng)向風(fēng)速、水深、水溫、氮、磷、C0D、溶解 氧以及葉綠素 a濃度等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，按規(guī)定的格式自動(dòng)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。
[0182] 氣象水文自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括氣象信息監(jiān)測(cè)單元及水文自動(dòng)監(jiān)測(cè)單元。
[0183] 氣象信息檢測(cè)單元實(shí)現(xiàn)風(fēng)速風(fēng)向和溫濕度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。單元由風(fēng)速風(fēng)向儀、 溫濕度傳感器以及檢測(cè)軟件組成。風(fēng)速風(fēng)向儀與溫濕度傳感器將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)RS485傳給 監(jiān)控中心主機(jī)，監(jiān)控主機(jī)讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件解析并顯示。
[0184] 水文自動(dòng)監(jiān)測(cè)單元是一套由多通道動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裝置、多線程接收系統(tǒng)以及后臺(tái)管理 信息系統(tǒng)構(gòu)成。主要功能是將水位信息加密后實(shí)時(shí)或定時(shí)利用GPRS無(wú)線傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)奖O(jiān) 控中心。此系統(tǒng)還具有自動(dòng)報(bào)警機(jī)制，一旦出現(xiàn)問(wèn)題系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警，并會(huì)將報(bào)警信息發(fā)送 到相關(guān)人員的手機(jī)上。本單元與Internet相連及手機(jī)PDA互聯(lián)互通，本系統(tǒng)就可以智能地完 成對(duì)水域?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)的采集一傳輸一存儲(chǔ)一管理一查詢顯示及預(yù)警的全過(guò)程。硬件包括風(fēng)速 風(fēng)向儀、溫濕度傳感器、壓力式水位計(jì)及配套數(shù)據(jù)采集器。
[0185] 水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以WQMS水質(zhì)自動(dòng)分析儀為核心，以自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合 運(yùn)用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、專用分析技術(shù)和通信技術(shù)組成的水 質(zhì)自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可按預(yù)設(shè)程序控制采水系統(tǒng)、配水系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān) 測(cè)儀器、輔助反吹清洗系統(tǒng)等運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集通訊系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)及水質(zhì)監(jiān)測(cè) 信息管理軟件，實(shí)時(shí)的將儀器的測(cè)量結(jié)果、系統(tǒng)運(yùn)行狀況、各臺(tái)儀器的運(yùn)行狀況、系統(tǒng)日志、 系統(tǒng)故障、儀器故障等信息經(jīng)過(guò)控制管理系統(tǒng)自動(dòng)傳送到監(jiān)控中心。水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的 硬件設(shè)施包括WQMS水質(zhì)自動(dòng)分析儀，移動(dòng)工作站、RTU傳輸終端、GPRS傳輸模塊以及蓄電池 組成。其中WQMS水質(zhì)在線自動(dòng)分析儀是針對(duì)環(huán)保、工礦企業(yè)、水文水利等部門需求研發(fā)的新 一代水質(zhì)在線分析儀，監(jiān)測(cè)參數(shù)包含:PH、電導(dǎo)率、溶解氧、濁度、溫度、余氯、氧化還原電位、 氨氮、COD、葉綠素、藍(lán)綠藻、鹽度等指標(biāo)。電極拆卸更換方便，可以根據(jù)實(shí)際環(huán)境檢測(cè)需要， 靈活定制參數(shù)組合。
[0186] 由于示范工程尚未建成，因此目標(biāo)水域的在線監(jiān)測(cè)方案尚未實(shí)施。
[0187] (6)建立針對(duì)目標(biāo)水域的時(shí)空高精度水環(huán)境模擬模型
[0188] A.目標(biāo)水域的計(jì)算網(wǎng)格
[0189] 在滇池湖泊水環(huán)境模型的計(jì)算網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，對(duì)目標(biāo)水域計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化；當(dāng) 目標(biāo)水域的網(wǎng)格的面積縮小到能夠表征目標(biāo)水域的水下地形及水陸邊界的細(xì)節(jié)時(shí)即完成 目標(biāo)水域計(jì)算網(wǎng)格的細(xì)化；
[0190]圖12顯示了最終生成的網(wǎng)格。整個(gè)湖體被水平劃分為1687個(gè)網(wǎng)格，其中最小的網(wǎng) 格約為0.003km2，最大的約為0.74km2。
[0191] 雖然滇池是一個(gè)淺水湖，不存在明顯的垂直熱分層，但是，準(zhǔn)確地表示光以及養(yǎng)分 對(duì)浮游植物與水生植被動(dòng)力學(xué)地影響，需要表征光線的垂直變化以及在三維空間分辨率內(nèi) 的養(yǎng)分利用變化。為此，在本模型中，水平網(wǎng)格進(jìn)一步被切成4層，從頂部到底部共生成6748 個(gè)計(jì)算網(wǎng)格來(lái)代表整個(gè)滇池。
[0192] B.目標(biāo)水域的水陸邊界條件
[0193] 目標(biāo)水域的水陸邊界條件為流入目標(biāo)水域的入湖河流及圍隔所劃定的目標(biāo)水域 邊界，在出流口與開(kāi)敞湖面匯流；
[0194] C.參數(shù)率定
[0195] 利用步驟在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中存貯的入湖河流及目標(biāo)水域的水文氣象水質(zhì) 數(shù)據(jù)，率定目標(biāo)水域的時(shí)空高精度水環(huán)境模擬模型。
[0196] 由于示范工程尚未建成，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)尚未運(yùn)行，因此暫時(shí)不能完成對(duì)目標(biāo)水域 高精度模型的參數(shù)率定。
[0197] (7)建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型
[0198] A.初步建立由入湖河流ti4時(shí)刻水文、水質(zhì)數(shù)據(jù)推求入湖河流f時(shí)刻總氮、總磷濃 度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（I):滇池盤龍江嚴(yán)家村橋斷面總氮神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。
[0199] BP網(wǎng)絡(luò)是一種多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)元的激勵(lì)函數(shù)為S型函數(shù)，輸出量為0到1之 間的連續(xù)量，可以實(shí)現(xiàn)從輸入到輸出的任意的非線性映射。網(wǎng)絡(luò)各層連接權(quán)值的調(diào)整是利 用實(shí)際輸出與期望輸出之差，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的各層連接權(quán)由后向前逐層進(jìn)行校正（8 &(^_ ?1"0口〇831：；[011學(xué)習(xí)算法）。
[0200] 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立的工具為"Matlab2010b"。
[0201]基于盤龍江嚴(yán)家村橋常規(guī)觀測(cè)斷面2014年月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（I)。 2014年盤龍江河流嚴(yán)家村橋斷面進(jìn)行了 12次數(shù)據(jù)收集，時(shí)間跨度為2014年1月-2014年12 月。水文數(shù)據(jù)為觀測(cè)時(shí)間的斷面流量;水質(zhì)常規(guī)觀測(cè)指標(biāo)包括水溫、pH值、溶解氧D0、電導(dǎo) 率、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量、氨氮、化學(xué)需氧量、總磷和總氮。除了化學(xué)需氧量在二月份 數(shù)據(jù)未監(jiān)測(cè)到，其余指標(biāo)均無(wú)缺失數(shù)據(jù)。
[0202] 由于輸入變量包括了相應(yīng)輸出變量上月的數(shù)據(jù)，這樣可用的樣本數(shù)量為11次調(diào)查 數(shù)據(jù)。對(duì)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，11組樣本較少。如果樣本數(shù)足夠，模型對(duì)數(shù)據(jù)之間內(nèi)在規(guī)律的擬合能 力以及預(yù)測(cè)能力都將增加。
[0203] 樣本集中隨機(jī)選取2個(gè)作為測(cè)試集，其余為訓(xùn)練集。
[0204]模型建立方法：
[0205]①輸入、輸出變量的預(yù)處理:處理方式為：（變量-最小值)/(最大值-最小值）。神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)模型，無(wú)法處理有缺失的數(shù)據(jù)集，對(duì)于個(gè)別缺失數(shù)據(jù)的處理是根據(jù)最臨近內(nèi)插的方法 將它的值計(jì)算出來(lái)。
[0206] ①拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立
[0207] 根據(jù)已有的相關(guān)資料和經(jīng)驗(yàn)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（I)含兩個(gè)隱層的四層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即有 一個(gè)輸入層，兩個(gè)隱含層和一個(gè)輸出層。
[0208] 輸入層:t_l時(shí)刻嚴(yán)家村橋斷面水溫、流量、pH、電導(dǎo)率、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、生 化需氧量、氨氮、化學(xué)需氧量、總磷、總氮，共有11個(gè)輸入層節(jié)點(diǎn)。
[0209] 隱層:2個(gè)隱層，第一個(gè)隱層是5個(gè)節(jié)點(diǎn)，第二層是3個(gè)節(jié)點(diǎn)。
[0210]輸出層:輸出層是只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)，即嚴(yán)家村總氮濃度。
[0211 ]嚴(yán)家村橋總氮的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)如圖13所示。
[0212]③模型參數(shù)設(shè)置
[0213] 模型所使用的函數(shù)和設(shè)置的參數(shù)見(jiàn)表。
[0214] 表嚴(yán)家村橋總磷濃度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)置參數(shù)
[0215]
[0216] ③嚴(yán)家橋總氮神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型模擬結(jié)果
[0217] 從11個(gè)樣本隨機(jī)抽取9組作為模型訓(xùn)練集，剩余兩組作為模型的測(cè)試集。預(yù)測(cè)結(jié)果 存在著高估和低估模型預(yù)測(cè)，總氮兩次預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差均低于20%。
[0218] B.初步建立由t14時(shí)刻目標(biāo)水域水質(zhì)數(shù)據(jù)，t1時(shí)刻目標(biāo)水域總磷、總氮、葉綠素 a濃 度，t1時(shí)刻入湖河流總氮和總磷濃度推求t1時(shí)刻入湖河流流量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（Π );
[0219] 由于示范工程尚未建成，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)尚未運(yùn)行，因此缺乏構(gòu)建盤龍江入湖流量 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（Π )的水質(zhì)數(shù)據(jù)。
[0220] C.利用在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，訓(xùn)練上述兩個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，完成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型 的構(gòu)建。
[0221] (8)建立入湖河流的流量調(diào)度系統(tǒng)
[0222] 利用在目標(biāo)水域布設(shè)的線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、構(gòu)建完成的目標(biāo)水域時(shí)空高精度水環(huán)境模型 及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，提出入湖河流在調(diào)度時(shí)間T內(nèi)的入湖流量值，由流域水資源聯(lián)合調(diào)度，實(shí) 現(xiàn)入湖河流對(duì)目標(biāo)水域的定量化補(bǔ)水;具體步驟如下：
[0223] A.利用目標(biāo)水域在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得當(dāng)前t1時(shí)刻補(bǔ)水河流的水質(zhì)數(shù)據(jù)，再利用步驟 (7)建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（I)推求未來(lái)t1+1時(shí)刻的盤龍江嚴(yán)家橋斷面總氮和總磷濃度；
[0224] B.假設(shè)目標(biāo)水域在未來(lái)t1+1時(shí)刻的總氮、總磷及葉綠素 a濃度為目標(biāo)水域的控藻目 標(biāo)和水質(zhì)目標(biāo)；
[0225] C.基于在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在t1時(shí)刻的目標(biāo)水域水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)定的目標(biāo)水域t1+1時(shí) 刻的總氮、總磷和葉綠素 a濃度，以及推求得到的補(bǔ)水河流盤龍江在t1+1時(shí)刻總氮和總磷濃 度值，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（Π )，推求盤龍江t1+1時(shí)刻流量值，得到在t1時(shí)刻后T時(shí)間段內(nèi)的調(diào) 度流量的初步值；
[0226] D.利用建立的目標(biāo)水域的時(shí)空高精度水環(huán)境模擬模型較核所得的初步調(diào)度流量 值：
[0227] 以初步調(diào)度流量、t1+1時(shí)刻的盤龍江總氮和總磷濃度作為邊界條件運(yùn)行目標(biāo)水域 的時(shí)空高精度水環(huán)境模擬模型，計(jì)算t 1+1時(shí)刻及其后續(xù)調(diào)度時(shí)間T目標(biāo)水域的氮、磷濃度和 葉綠素 a濃度；
[0228] 如果計(jì)算結(jié)果與目標(biāo)水域控藻目標(biāo)有偏差，則小幅度調(diào)整初步調(diào)度流量重新模擬 計(jì)算，當(dāng)模擬結(jié)果達(dá)到目標(biāo)水域控藻目標(biāo)時(shí)，則計(jì)算中采用的t 1+1時(shí)刻的入湖流量值，即作 為以+1時(shí)刻及其后續(xù)調(diào)度時(shí)間T內(nèi)的補(bǔ)水河流的調(diào)度流量值；
[0229] E.將t1+1時(shí)刻的調(diào)度流量傳遞給流域水資源聯(lián)合調(diào)度平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)t1+1時(shí)刻及其后續(xù) 調(diào)度時(shí)間T的盤龍江入湖流量。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.大型淺水湖泊水華集聚水域的補(bǔ)水控藻方法，其特征在于包括以下步驟： (1)、收集基礎(chǔ)資料 A. 湖泊及藻華堆積湖灣區(qū)的水陸邊界及水下地形圖； B. 藻華堆積湖灣區(qū)的沉積物組成及其空間分布； C. 湖泊常規(guī)觀測(cè)點(diǎn)位的水位、水質(zhì)及浮游植物的歷史數(shù)據(jù)； D. 湖泊氣象歷史數(shù)據(jù):大氣壓力、空氣溫度、相對(duì)濕度、降水、蒸發(fā)、太陽(yáng)輻射、云量、風(fēng) 速和風(fēng)向，數(shù)據(jù)為小時(shí)數(shù)據(jù)； E. 入湖河流的水文、水質(zhì)歷史系列數(shù)據(jù)； (2 )、建立湖泊水環(huán)境模擬模型 A. 以環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)模型EFDC為基礎(chǔ)，根據(jù)模擬的湖泊水文水質(zhì)變量或指標(biāo)，采用 EFDC的水動(dòng)力模塊以及模擬水溫、溶解氧、氮、磷及藍(lán)綠藻的富營(yíng)養(yǎng)化模塊； B. 湖泊水環(huán)境模型計(jì)算網(wǎng)格的構(gòu)建 采用GEroc軟件，以曲線網(wǎng)格法，依步驟（1)A的數(shù)據(jù)劃分湖泊水域的計(jì)算網(wǎng)格；網(wǎng)格的 生成首先是產(chǎn)生水平斷面曲線以離散水體，接下來(lái)采用步驟(1)C收集的湖泊水位數(shù)據(jù)來(lái)指 定每個(gè)網(wǎng)格的深度； C. 建立湖泊水環(huán)境模型的邊界條件 以步驟(1 )E收集的入湖河流的流量日數(shù)據(jù)，以及入湖河流的氮濃度日數(shù)據(jù)和磷濃度日 數(shù)據(jù)作為湖泊水環(huán)境模型的水陸邊界條件； 驅(qū)動(dòng)湖泊水環(huán)境模型水動(dòng)力模塊的大氣邊界條件為步驟（1 )D收集的大氣壓力、空氣溫 度、相對(duì)濕度、降水、蒸發(fā)、太陽(yáng)輻射、云量、風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)； D. 參數(shù)率定 基于EFDC建立的湖泊水環(huán)境模型的參數(shù)包括各類形態(tài)的氮、磷、碳的轉(zhuǎn)化系數(shù)以及藻 類的最大生長(zhǎng)速率、基礎(chǔ)代謝率、牧食率、藻類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的半飽和系數(shù)、藻類最適生長(zhǎng)溫度、 藻類沉降率； 用于率定以上模型參數(shù)的校準(zhǔn)變量為水位、水溫、葉綠素 a、總氮和總磷濃度； 用于校準(zhǔn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為校準(zhǔn)變量在湖泊常規(guī)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的步驟（1)C水位、水質(zhì)及浮游植 物的歷史數(shù)據(jù)； 參數(shù)率定過(guò)程是個(gè)迭代過(guò)程:對(duì)一組參數(shù)賦值并運(yùn)行湖泊模型后，將各觀測(cè)站點(diǎn)的校 準(zhǔn)變量模擬值與實(shí)際觀測(cè)值進(jìn)行比較，然后調(diào)整參數(shù)的賦值再運(yùn)行湖泊模型，如此重復(fù)多 次直到模擬值與實(shí)測(cè)值接近，兩者的相關(guān)系數(shù)應(yīng)達(dá)到0.85以上； (3)目標(biāo)水域空間范圍的確定 ① 目標(biāo)水域的控藻目標(biāo)及水質(zhì)目標(biāo) 控藻目標(biāo)即藻類密度的上限數(shù)值，藻類密度用葉綠素 a濃度表示;通過(guò)分析步驟(1)C收 集的湖泊浮游植物歷史數(shù)據(jù)中的藻類資料，結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查和走訪，取水面不出現(xiàn)藍(lán)綠 色浮沫水華的葉綠素 a濃度的上限數(shù)值作為目標(biāo)水域控藻目標(biāo)；同時(shí)根據(jù)步驟（1 )C收集的 水質(zhì)數(shù)據(jù)確定與目標(biāo)水域控藻目標(biāo)相應(yīng)的氮、磷濃度值作為目標(biāo)水域水質(zhì)目標(biāo);所述目標(biāo) 水域指擬開(kāi)展補(bǔ)水控藻的水華集聚湖灣的局部水域； ② 目標(biāo)水域空間位置的確定 A.初步劃出目標(biāo)水域的空間區(qū)位，目標(biāo)水域由岸線及假設(shè)的湖面上的圍隔所圍成，包 含入湖河流入湖口； B. 假設(shè)目標(biāo)水域已用圍隔與開(kāi)敞湖面相對(duì)隔離，即在步驟（2)建立的湖泊水環(huán)境模擬 模型中設(shè)定圍隔兩側(cè)步驟(2)B的計(jì)算網(wǎng)格之間沒(méi)有水量交換； C. 采用歷史數(shù)據(jù)運(yùn)行步驟(2)湖泊水環(huán)境模擬模型，得到目標(biāo)水域的氮磷濃度及葉綠 素 a濃度的模擬結(jié)果； D. 與步驟(3)①的控藻目標(biāo)相比較，如果葉綠素 a濃度值大于控藻目標(biāo)，則縮小目標(biāo)水 域的范圍，重復(fù)此過(guò)程，反之，則擴(kuò)大目標(biāo)水域的范圍，直至計(jì)算結(jié)果與控藻目標(biāo)的相對(duì)偏 差小于5% ; (4) 在湖面建設(shè)柔性圍隔形成目標(biāo)水域 根據(jù)步驟(3)確定的圍隔在湖面上的空間位置，在湖面建設(shè)柔性圍隔，形成由圍隔與陸 地岸線合圍而成的目標(biāo)水域； 目標(biāo)水域設(shè)立一處出流口，目標(biāo)水域承接的河道入流，流經(jīng)目標(biāo)水域后，經(jīng)出流口進(jìn)入 開(kāi)敞湖面； 柔性圍隔在結(jié)構(gòu)上包括三部分:上部為浮體、中部為墻體，底部是石籠;柔性圍隔上部 的浮體浮于水中，部分露出水面；圍隔中部的墻體豎立于水中，圍隔底部的石籠沉于淤泥 中； (5) 對(duì)目標(biāo)水域?qū)嵤┰诰€監(jiān)測(cè) 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、安全系統(tǒng)以及監(jiān)控中心;監(jiān)控中心包 含數(shù)據(jù)庫(kù)及管理軟件SQL Server，數(shù)據(jù)庫(kù)中存貯有入湖河流及目標(biāo)水域的水文、氣象、水質(zhì) 數(shù)據(jù)； 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在t1時(shí)刻觀測(cè)目標(biāo)水域氣象、水質(zhì)，以及入湖河流的水文、水質(zhì)常規(guī)監(jiān)測(cè) 指標(biāo)，t表示觀測(cè)日期，i為時(shí)間序列，i = 0，l，…；tytH+Tj定義為流域水利系統(tǒng)進(jìn)行水 量聯(lián)合調(diào)度所需的時(shí)間； (6) 建立針對(duì)目標(biāo)水域的時(shí)空高精度水環(huán)境模擬模型 A. 目標(biāo)水域的計(jì)算網(wǎng)格 在步驟(2)湖泊水環(huán)境模型的計(jì)算網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，對(duì)目標(biāo)水域計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化；當(dāng)目 標(biāo)水域的網(wǎng)格的面積縮小到能夠表征目標(biāo)水域的水下地形及水陸邊界的細(xì)節(jié)時(shí)即完成目 標(biāo)水域計(jì)算網(wǎng)格的細(xì)化； B. 目標(biāo)水域的水陸邊界條件 目標(biāo)水域的水陸邊界條件為流入目標(biāo)水域的入湖河流及圍隔所劃定的目標(biāo)水域邊界， 在出流口與開(kāi)敞湖面匯流； C. 參數(shù)率定 利用步驟(5)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中存貯的入湖河流及目標(biāo)水域的水文氣象水質(zhì)數(shù) 據(jù)，按步驟(2)D的方法率定目標(biāo)水域的時(shí)空高精度水環(huán)境模擬模型； (7) 建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型 A. 初步建立由入湖河流t-1時(shí)刻水文、水質(zhì)數(shù)據(jù)推求入湖河流以時(shí)刻總氮、總磷濃度的 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（I); B. 初步建立由t1_L時(shí)刻目標(biāo)水域水質(zhì)數(shù)據(jù)，t1時(shí)刻目標(biāo)水域總磷、總氮、葉綠素 a濃度，t1 時(shí)刻入湖河流總氮和總磷濃度推求t1時(shí)刻入湖河流流量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（Π ); C.利用步驟(5)中的數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，訓(xùn)練上述兩個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，完成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu) 建； 如果步驟(5)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間在1年以下，則由步驟(6)目標(biāo)水域時(shí)空高精度模 擬模型按假設(shè)河流補(bǔ)水情景提供入湖河流的補(bǔ)水水量、水質(zhì)與目標(biāo)水域水質(zhì)響應(yīng)之間的對(duì) 應(yīng)數(shù)據(jù)，作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（Π )的初期訓(xùn)練數(shù)據(jù)的補(bǔ)充； 如果步驟(5)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間在5年以上，則完全依靠步驟(5)所述數(shù)據(jù)庫(kù)累積 的數(shù)據(jù)，進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（Π )及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（I)的訓(xùn)練； (8)建立入湖河流的流量調(diào)度系統(tǒng) 利用步驟(5)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、步驟(6)目標(biāo)水域時(shí)空高精度水環(huán)境模型及步驟(7)神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)模型，提出入湖河流在調(diào)度時(shí)間T內(nèi)的入湖流量值，由流域水資源聯(lián)合調(diào)度，實(shí)現(xiàn)入湖 河流對(duì)目標(biāo)水域的定量化補(bǔ)水;具體步驟如下： A. 利用步驟(5)建立的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得當(dāng)前t1時(shí)刻補(bǔ)水河流的水質(zhì)數(shù)據(jù)，再利用步驟 (7)建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（I)推求未來(lái)以 +1時(shí)刻的河流總氮和總磷濃度； B. 假設(shè)目標(biāo)水域在未來(lái)t1+1時(shí)刻的總氮、總磷及葉綠素 a濃度為步驟(3)①中目標(biāo)水域 的控藻目標(biāo)和水質(zhì)目標(biāo)； C. 基于在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在t1時(shí)刻的目標(biāo)水域水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，步驟(8)B設(shè)定的目標(biāo)水域t1+1 時(shí)刻的總氮、總磷和葉綠素 a濃度，以及(8)A獲得的補(bǔ)水河流的t1+1時(shí)刻總氮和總磷濃度值， 利用步驟(7)建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（Π )，推求補(bǔ)水河流t1+1時(shí)刻流量值，得到補(bǔ)水河流在t1 時(shí)刻后T時(shí)間段內(nèi)的調(diào)度流量的初步值； D. 利用步驟(6)建立的目標(biāo)水域的時(shí)空高精度水環(huán)境模擬模型較核步驟(8)C所得的初 步調(diào)度流量值； 以步驟(8)D中的初步調(diào)度流量、步驟(8)A所得的t1+1時(shí)刻的補(bǔ)水河流的總氮和總磷濃 度作為邊界條件運(yùn)行步驟(6)所建立的目標(biāo)水域的時(shí)空高精度水環(huán)境模擬模型，計(jì)算t1+1時(shí) 刻及其后續(xù)調(diào)度時(shí)間T目標(biāo)水域的氮、磷濃度和葉綠素 a濃度； 如果計(jì)算結(jié)果與步驟(3)①中所述的目標(biāo)水域控藻目標(biāo)有偏差，則小幅度調(diào)整初步調(diào) 度流量重新模擬計(jì)算，當(dāng)模擬結(jié)果達(dá)到步驟(3)①中所述的目標(biāo)水域控藻目標(biāo)時(shí)，則計(jì)算中 采用的t1+1時(shí)刻的入湖流量值，即作為t 1+1時(shí)刻及其后續(xù)調(diào)度時(shí)間T內(nèi)的補(bǔ)水河流的調(diào)度流 量值； E. 將t1+1時(shí)刻的調(diào)度流量傳遞給流域水資源聯(lián)合調(diào)度平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)t1+1時(shí)刻及其后續(xù)調(diào)度 時(shí)間T的入湖流量。
【文檔編號(hào)】G01C13/00GK105973207SQ201610292749
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年5月5日
【發(fā)明人】白曉華, 譚志衛(wèi), 趙磊, 宋迪, 李 杰, 聶菊芬, 張春敏, 王志蕓
【申請(qǐng)人】云南省環(huán)境科學(xué)研究院