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景觀湖泊貝葉斯水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測方法與流程

文檔序號:12364894閱讀:815來源:國知局
景觀湖泊貝葉斯水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測方法與流程
本發(fā)明涉及一種景觀湖泊富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測方法建立,特別是涉及一種可以為景觀湖泊入水水質(zhì)提供依據(jù),使用貝葉斯方法對景觀湖泊富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測的方法。
背景技術(shù)
:富營養(yǎng)化通常作為大量污染物排入水體導(dǎo)致有機(jī)物質(zhì)加速產(chǎn)生的過程(尤其藻類)富營養(yǎng)化在全世界江河湖海中越來越嚴(yán)重并導(dǎo)致水環(huán)境惡化,尤其景觀湖水體尤為嚴(yán)重。為了防止富營養(yǎng)化導(dǎo)致的浮游植物大爆發(fā),對景觀湖水體的評估和管理非常重要。在景觀湖水體評估管理中機(jī)理模型用于解釋生態(tài)過程,預(yù)測景觀湖水環(huán)境因外來營養(yǎng)物質(zhì)引起的改變,最后為政策制定做參考。然而傳統(tǒng)模型運(yùn)算忽略了模型參數(shù)的不確定性,將模型參數(shù)作為固定值進(jìn)行校驗(yàn),傳統(tǒng)模型進(jìn)行預(yù)測容易導(dǎo)致精度不高的現(xiàn)象發(fā)生。所以為了模型預(yù)測運(yùn)算實(shí)現(xiàn)更加好的精度,必須考慮模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)中的不確定性因素影響。這樣的模型才能容易的被決策制定者和政策規(guī)劃人員利用。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題,本發(fā)明提供一種景觀湖泊貝葉斯水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測方法,克服現(xiàn)有技術(shù)中景觀湖水體評估管理中機(jī)理模型預(yù)測不準(zhǔn)確的問題。本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種景觀湖泊富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)貝葉斯預(yù)測模型方法,包括如下步驟:(1)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測和采集;(2)通過通訊系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器上;(3)通過使用景觀湖泊富營養(yǎng)化動態(tài)模型和貝葉斯統(tǒng)計(jì)方法建立景觀湖泊富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)不確定性預(yù)測模型;(4)讀取服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中存儲的相應(yīng)監(jiān)測數(shù)據(jù),并將監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入水質(zhì)模型,對景觀湖水體富營養(yǎng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測、分析和決策支持。對于進(jìn)水水質(zhì)有周期性波動的景觀湖,在建立模型時(shí),選取的樣本監(jiān)測數(shù)據(jù)要具備周期性變化的特征,即選取一個(gè)完整水質(zhì)變化周期內(nèi)的樣本監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行建模,以保證模型模擬結(jié)果的穩(wěn)定可靠。所述步驟(1)須監(jiān)測和采集的指標(biāo)包括:氨氮、硝態(tài)氮、磷酸鹽、葉綠素和溶解氧濃度。所述的步驟(4)對景觀湖水體富營養(yǎng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測、分析和決策支持包括以下幾步驟:(1)根據(jù)不同入水濃度分布下監(jiān)測到的進(jìn)水氨氮、硝態(tài)氮、磷酸鹽、葉綠素和溶解氧濃度來判斷對景觀湖泊富營養(yǎng)風(fēng)險(xiǎn)概率;將入水濃度情況,帶入景觀湖泊富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)不確定性預(yù)測模型,預(yù)測未來一段時(shí)間內(nèi)水質(zhì)變化情況,獲取模擬均值和上下95%置信值;(2)以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》水質(zhì)指標(biāo)限值為依據(jù),將估計(jì)的整個(gè)預(yù)測值在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)各類水質(zhì)分布的概率作為預(yù)警強(qiáng)度劃分的依據(jù),通過使用指標(biāo)限值的量△作為預(yù)警強(qiáng)度劃分的依據(jù);(3)將95%上下置信值和均值分別作預(yù)警強(qiáng)度計(jì)算,獲得一個(gè)預(yù)警強(qiáng)度范圍。所述步驟(2)指標(biāo)限值的量△是指:若區(qū)間估計(jì)的上限值大于相應(yīng)的指標(biāo)限值,而區(qū)間估計(jì)的下限值小于指標(biāo)限值,則:Δ=(α+l1-ll1-l2)×100%]]>其中,l1和l2分別為標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)各類水質(zhì)上下限值,l為模型預(yù)測出來相應(yīng)水質(zhì)指標(biāo)濃度;α為參數(shù):當(dāng)預(yù)測值為I類水體數(shù)值為0,II類水體數(shù)值為20,III類水體數(shù)值為40,IV類水體數(shù)值為60,V類水體數(shù)值為80。若區(qū)間估計(jì)的下限值大于V類水質(zhì)指標(biāo)限值,則:△=100%。本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明的景觀湖泊富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測方法和系統(tǒng),通過聯(lián)合使用動態(tài)模型方程和貝葉斯統(tǒng)計(jì)方法建立了景觀湖泊富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)概率預(yù)測模型。經(jīng)驗(yàn)證,該模型預(yù)測精度良好(精確度高于80%),從而使研究人員在面臨景觀湖泊入水水質(zhì)變化時(shí),可以及時(shí)、準(zhǔn)確地預(yù)測景觀湖水富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。通過比較不同入水下景觀湖水質(zhì)預(yù)測分布情況,指出氮和磷營養(yǎng)鹽濃度是影響景觀湖泊富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)的主要因素,結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算,擬定了不同入水景觀湖富營養(yǎng)風(fēng)險(xiǎn)等級的應(yīng)對措施,使景觀湖泊在面臨富營養(yǎng)風(fēng)險(xiǎn)時(shí),可以采取合理措施保證景觀湖泊水質(zhì),降低富營養(yǎng)化引發(fā)的藻類爆發(fā)。本發(fā)明可以為景觀湖泊水質(zhì)管理提供參考。附圖說明圖1是本發(fā)明的景觀水水質(zhì)在線預(yù)警方法的原理結(jié)構(gòu)示意圖;圖2是本發(fā)明的景觀水水質(zhì)預(yù)測預(yù)警部分的運(yùn)行流程圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明的景觀湖富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測方法做出詳細(xì)說明。本發(fā)明的景觀湖富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測方法,包括如下步驟:1)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測和采集,是由若干個(gè)遙測遠(yuǎn)傳終端組成,用于采集景觀湖進(jìn)、出水監(jiān)測點(diǎn)的相關(guān)理化指標(biāo)數(shù)據(jù)。須監(jiān)測和采集的指標(biāo)包括:氨氮、硝態(tài)氮、磷酸鹽、葉綠素和溶解氧濃度;2)通過通訊系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器上;該數(shù)據(jù)庫中按時(shí)序存儲了在線監(jiān)測到的理化指標(biāo)數(shù)據(jù)以及工藝基本情況。建立服務(wù)器用于控制數(shù)據(jù)監(jiān)測和采集系統(tǒng)對景觀湖進(jìn)、出水監(jiān)測點(diǎn)理化指標(biāo)進(jìn)行循環(huán)數(shù)據(jù)采集,將采集數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中并進(jìn)行操作與分析;服務(wù)器可隨時(shí)操作數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù),如進(jìn)行存儲/讀取,以圖表方式顯示數(shù)據(jù)等。2.景觀湖泊貝葉斯水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測方法,包括:(1)建立景觀湖泊水質(zhì)模型主要水質(zhì)模型,主要模型方程見下:dChlaidt=growthi×Chlai-resmpi×ekt(Tx-Tempref)×Chlai-filteri×ektfilt(Tx-Tempref)×Chlai-ΣjGrazingi×ftemperature×ZOOPj-(Vsettlingi×Chlai)/z---(1)]]>dDOdt=Σigrowthi×DO/C×Chlai-Σiresmpi×ekt(Tx-Tempref)×DO/C×Chlai-Σiresmzj×ekt(Tx-Tempref)×DO/C×ZOOPj-KNmine×DO/N×ON-KPmine×DO/P×OP-Nitrification×DO/NH4+Kr,DO×AreaVolume×(DOsat-DO)+DOloading---(5)]]>完整模型公式見說明書附錄1。(2)所述的對景觀湖水質(zhì)進(jìn)行貝葉斯預(yù)測需要通過使用貝葉斯統(tǒng)計(jì)方法使用馬爾科夫鏈-蒙托卡洛斯(MCMC)算法實(shí)現(xiàn)。馬爾科夫鏈-蒙托卡洛斯(MCMC)公式為:p(y|f(θ,x,y0))=Σj=1m(2π)-n/2|Σδj|-1/2exp[(-yj-fj(θ,x,y0)2)TΣδj-1(yj-fj(θ,x,y0))]---(6)]]>p(θ,y0,σ2|y)=p(y|f(θ,x,y0,σ2))p(θ)p(y0)p(σ2)∫∫∫p(y|f(θ,x,y0,σ2))p(θ)p(y0)p(σ2)dθdy0dσ2---(7)]]>式中m為變量數(shù),n是實(shí)測值數(shù)量?!痞膉為模型誤差,yj和fj(θ,x,y0)分別為模型計(jì)算值和模型模擬值;p(θ)是前驗(yàn)參數(shù)密度分布,p(σ2)基于基于前驗(yàn)密度的反伽馬分布。將(6)和(7)聯(lián)立,獲得方程(8)。p(θ,y0,σ2|y)∝p(y|f(θ,x,y0,σ2))p(θ)p(y0)p(σ2)∝Πj=1m(2π)-n/2|Σδj|-1/2exp[(-yj-fj(θ,x,y0)2)2Σδj-1(yj-fj(θ,x,y0))]×(2π)-l/2|Σθ|-1/2Πk=1l1θkexp[-[logθ-θ0]T2Σθ-1[logθ-θ0]]×(2π)-m/2|Σy0|-1/2exp[-[y0-y0m]T2Σy0-1[y0-y0m]]×Πj=1mβjαjΓ(αj)σj-2(αj+1)exp(-βjσj2)---(8)]]>(3)使用水質(zhì)模型方程和貝葉斯統(tǒng)計(jì)方法對模型進(jìn)行擬合,結(jié)合方程(8),將入水氨氮、硝態(tài)氮、磷酸鹽、溶解氧濃度和景觀湖水氨氮、硝態(tài)氮、磷酸鹽、葉綠素、溶解氧濃度輸入到模型。讀取服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中存儲的相應(yīng)監(jiān)測數(shù)據(jù),并將監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入水質(zhì)模型,對景觀湖水體富營養(yǎng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測;對于進(jìn)水水質(zhì)有周期性波動的景觀湖,在建模時(shí),選取的樣本監(jiān)測數(shù)據(jù)要具備周期性變化的特征,即選取一個(gè)完整水質(zhì)變化周期內(nèi)的樣本監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行建模,以保證模型模擬結(jié)果的穩(wěn)定可靠。在實(shí)際使用中,本發(fā)明中所構(gòu)建的富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測模型可以每年更新一次建模數(shù)據(jù)(即每年重新建模一次),而如果景觀湖泊的年際水質(zhì)相對穩(wěn)定,模型更新周期可以設(shè)定得更長。最后通過模型計(jì)算,得到后驗(yàn)參數(shù)分布,獲取模型求解結(jié)果(平均值和上下95%置信線),以及檢查模型模擬準(zhǔn)確度。3.根據(jù)不同入水情況下濃度的分布情況,來判斷景觀湖水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警;(1)所述的根據(jù)不同入水濃度分布下監(jiān)測到的進(jìn)水總氮、總磷、氨氮、硝態(tài)氮、磷酸鹽、溶解氧濃度來判斷對景觀湖泊富營養(yǎng)風(fēng)險(xiǎn)概率。將入水濃度情況,帶入1中所求解的模型,預(yù)測未來一段時(shí)間內(nèi)水質(zhì)變化情況,獲取模擬均值和上下95%置信值。(2)以獲得模擬數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),由《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)可知,為了滿足景觀水體的觀賞功能和生態(tài)服務(wù)功能,要求景觀水水質(zhì)至少能夠滿足V類水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)。所以,以GB3838-2002水質(zhì)指標(biāo)限值為依據(jù),將估計(jì)的整個(gè)預(yù)測值在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)各類水質(zhì)分布的概率作為預(yù)警強(qiáng)度劃分的依據(jù),通過使用指標(biāo)限值的量△作為預(yù)警強(qiáng)度劃分的依據(jù)。若區(qū)間估計(jì)的上限值大于相應(yīng)的指標(biāo)限值,而區(qū)間估計(jì)的下限值小于指標(biāo)限值,則:Δ=(α+l1-ll1-l2)×100%]]>其中,l1和l2分別為標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)各類水質(zhì)上下限值,l為模型預(yù)測出來相應(yīng)水質(zhì)指標(biāo)濃度;α為參數(shù):當(dāng)預(yù)測值為I類水體數(shù)值為0,II類水體數(shù)值為20,III類水體數(shù)值為40,IV類水體數(shù)值為60,V類水體數(shù)值為80。若區(qū)間估計(jì)的下限值大于V類水質(zhì)指標(biāo)限值,則:Δ=100%;所以,預(yù)警依據(jù)和預(yù)警強(qiáng)度的對照表如下表1:表1景觀水體水質(zhì)預(yù)警依據(jù)與預(yù)警強(qiáng)度對照表(3)將95%上下置信值和均值分別作預(yù)警強(qiáng)度計(jì)算,可以獲得一個(gè)預(yù)警強(qiáng)度范圍。針對不同的預(yù)警強(qiáng)度范圍,水質(zhì)管理決策者就應(yīng)該采取相應(yīng)的處理措施。例如,對于預(yù)警強(qiáng)度范圍為無警,這說明景觀水的水質(zhì)能夠滿足I類水體的標(biāo)準(zhǔn);對于強(qiáng)度范圍為輕警,可以對景觀水進(jìn)行日常的監(jiān)測,但需要引起注意;對于強(qiáng)度范圍為中警,就需要對景觀水體加強(qiáng)監(jiān)測,并引起較大的注意;對于范圍內(nèi)有重警,有很大可能景觀水體已經(jīng)無法滿足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),需要進(jìn)行更為嚴(yán)格和迅速的水質(zhì)治理。盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行了描述,但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式,上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的,并不是限制性的,本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下,在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下,還可以做出很多形式,這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。附錄1表2模型數(shù)學(xué)公式表達(dá)當(dāng)前第1頁1 2 3 
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