一种热分层水库溶解氧控制因素的识别方法与流程

[0001]
本发明属于水库溶解氧的技术领域，具体涉及一种热分层水库溶解氧控制因素的识别方法。


背景技术：

[0002]
热分层水库，一般是调节能力强、库容大、流速小的深水水库，每年会出现明显的热分层现象。随着流域污染负荷的大量增加，水体富营养化现象时有发生，热分层水库水体缺氧问题严重，水体缺氧已成为严重的全球性生态环境问题。由于热分层水库内部能质体系的多样性和复杂性，热分层水库溶解氧的演化成因目前尚不完全清楚，研究其演变机制对制定水库水质保护和管理策略至关重要。


技术实现要素：

[0003]
本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种热分层水库溶解氧控制因素的识别方法，以解决现有技术仍然对热分层水库溶解氧的关键控制因素不清楚的问题。
[0004]
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
[0005]
一种热分层水库溶解氧控制因素的识别方法，其包括：
[0006]
s1、基于热分层水库溶解氧演化机理，确定热分层水库溶解氧影响因子；
[0007]
s2、根据热分层水库溶解氧影响因子，得到热分层水库溶解氧的空间特征；
[0008]
s3、根据热分层水库溶解氧的空间特征，构建热分层水库溶解氧演化的概念模型；
[0009]
s4、基于水库溶解氧演化的概念模型，根据水库地形沿程布设若干个水质监测点，获取足够数量的水质样本数据；
[0010]
s5、根据分析监测得到的样本数据，得到水库溶解氧的时空分布特征和层化结构特征；
[0011]
s6、基于热分层水库溶解氧的时空分布特征和层化结构特征，构建热分层水库监测点溶解氧特征分布矩阵图；
[0012]
s7、根据热分层水库监测点溶解氧特征分布矩阵图，识别热分层水库溶解氧演化的关键控制因素。
[0013]
优选地，s1中热分层水库溶解氧演化机理包括水库水动力、热分层和生化过程的交互作用，其具体包括：
[0014]
根据水库水动力对热分层的相互影响作用，确定水动力对水库溶解氧的影响因子包括：水库水位和抽、泄水调度；
[0015]
根据热分层对垂向分异性物理环境形成的影响，确定热分层对水库溶解氧的影响因子包括：热分层的稳定性、热分层时垂向各层水温；
[0016]
根据生化过程对水库氧的补给、消耗和缓冲作用，确定生化过程对水库溶解氧的影响因子包括：水生动植物呼吸作用、有机物分解、无机物氧化、硝化和反硝化反应。
[0017]
优选地，s2中根据热分层水库溶解氧影响因子，得到热分层水库溶解氧的空间特征，包括：
[0018]
水库表层，主要过程为大气复氧、水生植物光合作用补给溶解氧；
[0019]
水库中下层，主要过程为水生生物的呼吸作用和有机物分解作用消耗溶解氧；
[0020]
热分层期间水温垂向分层包括：表水层、温跃层和滞温层，其中表水层对应水库表层，温跃层和滞温层对应水库中下层。
[0021]
优选地，热分层水库热分层期间水温垂向分层作用下，溶解氧呈现分层-循环特征，分层溶解氧从上至下包括混合层、氧跃层和氧亏层。
[0022]
优选地，s4基于水库溶解氧演化的概念模型，根据水库地形沿程布设若干个水质监测点，获取足够数量的水质样本数据，包括：
[0023]
在水库地形沿程布设若干个水质监测点，设置监测时间、监测频率，获取水库溶解氧、水温以及与溶解氧循环密切相关的氮、磷、铁、锰、硫、叶绿素a的物质浓度。
[0024]
优选地，s5中根据分析监测得到的水质样本数据，得到水库溶解氧的时空分布特征和层化结构特征，包括水库水动力、热分层过程作用下溶解氧演化的空间特征：
[0025]
水库水动力特征包括水体溶解氧等物质随着水体运动而迁移到其他位置，水力输运过程包括对流和扩散，基于fick定律，计算水动力扩散中的分子扩散：
[0026][0027]
其中，f为物质在水中沿作用面法线方向n的通量；c为物质的浓度；d为物质在水体中的分子扩散系数。
[0028]
优选地，s5中根据分析监测得到的水质样本数据，得到水库溶解氧的时空分布特征和层化结构特征，包括热分层作用下溶解氧的时空分布特征和层化结构特征：
[0029]
根据表水层厚度z
e
与湖库最大深度z
max
的比值z
e
/z
max
判断水体热分层稳定性：
[0030]
当z
e
/z
max
<0.5时，水库处于稳定热分层状态；
[0031]
当0.5<z
e
/z
max
<1时，水库的热分层可能被强风扰动，发生垂向混合；
[0032]
当1<z
e
/z
max
<2时，水库在无风时有间歇性分层；
[0033]
当z
e
/z
max
>2时，水库不分层。
[0034]
优选地，s5中根据分析监测得到的水质样本数据，得到水库溶解氧的时空分布特征和层化结构特征，包括生化过程作用下溶解氧的时空分布特征和层化结构特征：
[0035]
水库生化过程包括生物的光合作用、呼吸作用和分解作用，并直接或间接驱动氧、氮、铁、锰、硫、磷的循环；
[0036]
其中，光合作用中氧循环过程为：
[0037]
co2+2h2o
→
(ch2o)+h2o+o2[0038]
(ch2o)+h2o+o2→
co2+2h2o
[0039]
其中，氮循环过程为：
[0040][0041]
基于光合作用、呼吸作用和分解作用，水体中有机颗粒沉降消耗溶解氧，计算有机
颗粒沉降速度：
[0042][0043]
其中，v
s
为沉降速度；f
g
为颗粒沉降受到的重力，f
b
和f
d
分别为颗粒沉降过程中向上的浮力和阻力；ρ
p
是颗粒的密度；ρ
w
为水的密度；r
p
是颗粒的半径m；μ是水的绝对黏度；
[0044]
可得有机颗粒沉降速率小，10μm的颗粒沉降10m需要40天，沉降过程中有机颗粒被异养细菌利用，表水层有大量有机颗粒下沉，并消耗大量溶解氧。
[0045]
优选地，s6基于热分层水库溶解氧的时空分布特征和层化特征，构建热分层水库监测点溶解氧特征分布矩阵图，包括：
[0046][0047]
其中，d为监测点溶解氧特征影响因素分布矩阵，an为水动力作用对水库溶解氧的影响因素，n为自然数；bn为热分层作用对水库溶解氧的影响因素；cn为生化作用对水库溶解氧的影响因素；
[0048]
定义监测点溶解氧特征影响因素中产生氧气为正效应，其值记为正；消耗氧气为负效应，其值记为负；
[0049]
将监测点溶解氧特征影响因素分布矩阵d中的特征影响因素进行归一化处理，并随机划分为训练样本数据和测试样本数据；
[0050]
根据训练样本数据和测试样本数据构建bi-lstm模型，并基于测试样本数据对bi-lstm模型进行测试，输出得到各个监测点特征影响因素对水库溶解氧的具体特征值；
[0051]
根据所得特征值，构建热分层水库监测点溶解氧特征分布矩阵图d1：
[0052][0053]
本发明提供的热分层水库溶解氧控制因素的识别方法，具有以下有益效果：
[0054]
本发明通过水库溶解氧演化机理，确定热分层水库溶解氧影响因子，并基于热分层水库溶解氧的空间特征和成因分析，构建热分层水库溶解氧演化的概念模型；最后基于大量的样本数据，进行建立水库监测点溶解氧特征分布矩阵图；识别得到热分层水库溶解氧演化的关键控制因素。
附图说明
[0055]
图1为热分层水库溶解氧的影响因子综合作用关系示意图。
[0056]
图2为热分层水库溶解氧演化各种影响因素空间分布示意图。
[0057]
图3为热分层水库溶解氧演化的外部因素及作用强度示意图。
[0058]
图4为热分层水库溶解氧演化的内部因素和作用强度示意图
[0059]
图5为热分层水库溶解氧演化的概念模型图。
具体实施方式
[0060]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0061]
根据本申请的一个实施例，参考图1，本方案的热分层水库溶解氧控制因素的识别方法，包括：
[0062]
s1、基于热分层水库溶解氧演化机理，确定热分层水库溶解氧影响因子；
[0063]
s2、根据热分层水库溶解氧影响因子，得到热分层水库溶解氧的空间特征；
[0064]
s3、根据热分层水库溶解氧的空间特征，构建热分层水库溶解氧演化的概念模型；
[0065]
s4、基于水库溶解氧演化的概念模型，根据水库地形沿程布设若干个水质监测点，获取足够数量的水质样本数据；
[0066]
s5、根据分析监测得到的水质样本数据，得到水库溶解氧的时空分布特征和层化结构特征；
[0067]
s6、基于热分层水库溶解氧的时空分布特征和层化结构特征，构建热分层水库监测点溶解氧特征分布矩阵图；
[0068]
s7、根据热分层水库监测点溶解氧特征分布矩阵图，识别热分层水库溶解氧演化的关键控制因素。
[0069]
根据本申请的一个实施例，以下将对上述步骤进行详细描述；
[0070]
步骤s1、基于热分层水库溶解氧演化机理，确定热分层水库溶解氧影响因子，其具体包括：
[0071]
热分层水库溶解氧演化机理包括水库水动力、热分层和生化过程的交互作用，其具体包括：
[0072]
根据水库水动力对热分层的相互影响作用，确定水动力对水库溶解氧的影响因子包括：水库水位和抽、泄水调度。
[0073]
水库通过抽、泄水调度决定水库水体交换的能力，控制水库水体垂向混合的强度，影响能量的垂向传递，进而影响水温的垂向分布和热分层的稳定性；水库水动力过程影响水体n、p、溶解氧等物质的垂向迁移、混合，使得物质垂向混合均匀。
[0074]
根据热分层对垂向分异性物理环境形成的影响，确定热分层对水库溶解氧的影响因子包括：热分层的稳定性、热分层时垂向各层水温。
[0075]
水库热分层导致垂向分异性物理环境的形成，抑制水体垂向混合和物质、能量的垂向传递，热分层的稳定性大小影响水体垂向混合的强度和垂向各层水体的水力停留时
间；热分层为水体垂向化学分层的创造了物理条件，抑制各层水体溶解氧的补给强度的同时，垂向各层水温决定了生化反应的强度，影响各层溶解氧消耗强度。
[0076]
根据生化过程对水库溶解氧的补给、消耗和缓冲作用，确定生化过程对水库溶解氧的影响因子包括：水生动植物呼吸作用、有机物分解、无机物氧化作用、硝化和反硝化反应。
[0077]
水库氧化还原等生化过程作用于溶解氧的补给、消耗和缓冲全过程，水生植物光合作用等补给溶解氧，水生动植物呼吸作用、有机物分解、无机物氧化等消耗溶解氧，硝酸盐等氧化物的还原反应氧化有机物能够缓解溶解氧的消耗；水库溶解氧浓度也控制水体氧化还原环境，控制硝化、反硝化等反应启动条件，影响生化反应进程。
[0078]
步骤s2，根据热分层水库溶解氧影响因子，得到热分层水库溶解氧的空间特征，其具体包括：
[0079]
参考图2，热分层水库溶解氧受水体上游来流、大气复氧、水生植物光合作用的补给，受水生生物的呼吸作用、有机物分解、还原性无机物的氧化、沉积物耗氧等消耗，此外也受硝酸盐等氧化物的还原反应的缓冲作用，这些溶解氧的补给、消耗、缓冲作用发生的区域空间差异显著。
[0080]
水库表层，主要过程为大气复氧、水生植物光合作用补给溶解氧。
[0081]
水库中下层，主要过程为水生生物的呼吸作用和有机物分解作用消耗溶解氧。
[0082]
水库热分层使得垂向各层水体内水动力条件差异显著，控制溶解氧的分层-混合，使得水库水体的垂向混合也具有显著的空间特征。水温经历分层-混合的循环过程，混合期水体垂向混合作用强；热分层期间水温垂向分层，如暖分层期间水温垂向从上至下呈现出表水层、温跃层和滞温层3层结构。表水层水温高、水体垂向混合作用强；温跃层作为表层暖水向底层冷水过渡的中间层，较大的温度梯度导致较大的密度梯度，水体垂向混合作用弱；滞温层位于水库下层，温度最低，水体扰动小，水体垂向混合作用微弱。
[0083]
热分层水库在上述各影响因子综合作用下，水体动力场、温度场和物质浓度场具有显著的空间差异，使得溶解氧呈现分层-循环的特征，分层期间溶解氧从上至下呈现出混合层、氧跃层和氧亏层的3层结构。混合层溶解氧垂向混合均匀，溶解氧浓度较高，达到饱和或者过饱和状态；在分层期间该层厚度逐渐增加，至分层末期达到水库总水深的一半左右。氧跃层溶解氧浓度随水深增加而急剧降低，甚至出现缺氧；随着分层的持续，该层厚度先增后减，出现的垂向深度逐渐下移。氧亏层溶解氧浓度随分层的持续缓慢下降，分层中后期可能出现缺氧、甚至无氧的现象；热分层期间该层厚度逐渐减小，至分层末期厚度约为水库总水深的1/3。
[0084]
步骤s3、参考图5，根据热分层水库溶解氧的空间特征，构建热分层水库溶解氧演化的概念模型，其具体包括：
[0085]
定义溶解氧演化的外部影响因素为：
[0086]
水-气界面物质和能量的交换、沉积物-水界面物质和能量的交换、出入流交换等，并根据外部影响因素进行热分层水库溶解氧演化的外部因素及作用强度仿真，如图3所示。
[0087]
定义溶解氧演化的内部影响因素为：
[0088]
水体的垂向混合、水温和热分层等水库动力场和温度场的周期性变化，以及光合作用、呼吸作用、有机物分解作用、无机物氧化作用、反硝化作用等生化过程引起的浓度场
周期性变化等，并根据内部影响因素，进行热分层水库溶解氧演化的内部因素和作用强度的仿真，如图4所示。
[0089]
s4基于水库溶解氧演化的概念模型，根据水库地形沿程布设若干个水质监测点，获取足够数量的水质样本数据，包括：
[0090]
在水库地形沿程布设若干个监测点，根据监测因素，设置监测时间、监测频率，获取水库溶解氧、水温以及与溶解氧循环密切相关的氮、磷、铁、锰、硫、叶绿素a的物质浓度。
[0091]
表1各项水质监测指标检测方法
[0092]
序号项目方法1ph值玻璃电极法gb 6920-862总磷钼酸铵分光光度法gb 11893-19893总氮碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法hj 636-20124硝酸盐氮离子色谱法hj 84-20165氨氮纳氏试剂分光光度法hj 535-20096硫化物亚甲基蓝分光光度法gb/t 16489-19967硫酸盐离子色谱法hj 84-20168铁火焰原子吸收分光光度法gb 11911-19899锰火焰原子吸收分光光度法gb 11911-1989
[0093]
步骤s5、根据分析监测得到的样本数据，得到水库溶解氧的时空分布特征和层化结构特征，其具体包括：
[0094]
水库水动力过程作用下溶解氧演化的空间特征：
[0095]
水库水动力特征包括水体溶解氧的物质随着水体运动而迁移到其他位置，水力输运过程包括对流和扩散，基于fick定律，计算水动力扩散中的分子扩散：
[0096][0097]
其中，f为物质在水中沿作用面法线方向n的通量；c为物质的浓度；d为物质在水体中的分子扩散系数。
[0098]
热分层作用下溶解氧的时空分布特征和层化结构特征：
[0099]
根据表水层厚度z
e
与湖库最大深度z
max
的比值z
e
/z
max
判断水体热分层稳定性：
[0100]
当z
e
/z
max
<0.5时，水库处于稳定热分层状态；
[0101]
当0.5<z
e
/z
max
<1时，水库的热分层可能被强风扰动，发生垂向混合；
[0102]
当1＜z
e
/z
max
＜2时，水库在无风时有间歇性分层；
[0103]
当z
e
/z
max
＞2时，水库不分层。
[0104]
生化过程作用下溶解氧的时空分布特征和层化特征：、
[0105]
水库生化过程包括生物的光合作用、呼吸作用和分解作用，并直接或间接驱动氧、氮、铁、锰、硫、磷的循环；
[0106]
其中，光合作用中氧循环过程为：
[0107]
co2+2h2o
→
(ch2o)+h2o+o2[0108]
(ch2o)+h2o+o2→
co2+2h2o
[0109]
其中，氮循环过程为：
[0110][0111]
基于光合作用、呼吸作用和分解作用，计算水体中有机颗粒的沉降消耗氧气时的沉降速度：
[0112][0113]
其中，v
s
为沉降速度；f
g
为颗粒沉降受到的重力，f
b
和f
d
分别为颗粒沉降过程中向上的浮力和阻力；ρ
p
是颗粒的密度；ρ
w
为水的密度；r
p
是颗粒的半径m；μ是水的绝对黏度；
[0114]
可得有机颗粒沉降速率小，10μm的颗粒沉降10m需要40天，沉降过程中有机颗粒被异养细菌利用，表水层有大量有机颗粒下沉，并消耗大量氧气。
[0115]
步骤s6，基于热分层水库溶解氧的时空分布特征和层化结构特征，构建热分层水库监测点溶解氧特征分布矩阵图，包括：
[0116][0117]
其中，d为监测点溶解氧特征影响因素分布矩阵，an为水动力作用对水库溶解氧的影响因素，n为自然数；bn为热分层作用对水库溶解氧的影响因素；cn为生化作用对水库溶解氧的影响因素。
[0118]
定义监测点溶解氧特征影响因素中产生氧气为正效应，其值记为正；消耗氧气为负效应，其值记为负。
[0119]
将监测点溶解氧特征影响因素分布矩阵d中的特征影响因素进行归一化处理，并随机划分为训练样本数据和测试样本数据。
[0120]
根据训练样本数据和测试样本数据构建bi-lstm模型，并基于测试样本数据对bi-lstm模型进行测试，输出得到各个监测点特征影响因素对水库溶解氧的具体特征值。
[0121]
其中，通过训练样本数据进行bi-lstm神经网络训练之前，设置与bi-lstm神经网络训练相关的bi-lstm神经网络超参数，包括：用keras搭建bi-lstm神经网络，确定bi-lstm的层数包括输入层、bi-lstm层、输出层的节点数，并选择mae作为损失函数，选择adam作为优化器，选择relu函数作为激活函数。
[0122]
根据所得特征值，构建热分层水库溶解氧监测点特征分布矩阵图d1：
[0123][0124]
矩阵d1中的值即是代表各个控制因素对水库溶解氧的影响大小，正数值代表产生氧气，负数代表消耗氧气。
[0125]
步骤s7、根据热分层水库监测点溶解氧特征分布矩阵图，识别热分层水库溶解氧演化的关键控制因素。
[0126]
可根据实际情况进行设定，如定义矩阵d1中绝对值大于0.1的数值对应的控制因素为关键控制因素。
[0127]
本发明通过水库溶解氧演化机理，确定热分层水库溶解氧影响因子，并基于热分层水库溶解氧的空间特征和成因分析，构建热分层水库溶解氧演化的概念模型；最后基于大量的样本数据，进行建立水库溶解氧监测点特征分布矩阵图；识别得到热分层水库溶解氧演化的关键控制因素。
[0128]
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。