一種采用融合技術(shù)建立尼爾基水庫(kù)水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種尼爾基水庫(kù)水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的功能是根據(jù)上游監(jiān)測(cè)點(diǎn)位水質(zhì)變化數(shù)據(jù)對(duì)下游斷面的水質(zhì)情 況進(jìn)行預(yù)警，同時(shí)依據(jù)水質(zhì)變化的預(yù)警結(jié)果結(jié)合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)尼爾基水庫(kù)的水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn) 情況進(jìn)行預(yù)警，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能，但是當(dāng)下游斷面水質(zhì)產(chǎn)生變化時(shí)，僅能通過(guò)貝葉斯網(wǎng)絡(luò) 模型推斷出上游監(jiān)測(cè)點(diǎn)位水質(zhì)異常的概率，而由此得到的例如"控制排放"等方案必然是不 具體和不準(zhǔn)確的。
[0003] 目前國(guó)內(nèi)關(guān)于生態(tài)預(yù)警方面的研究還是主要存在于水環(huán)境生態(tài)安全預(yù)警方面，主 要是利用"狀態(tài)一壓力一響應(yīng)"模型，建立環(huán)境生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。何焰采取綜合指數(shù) 法結(jié)合其所建立起針對(duì)水環(huán)境生態(tài)安全評(píng)價(jià)比較有效的評(píng)價(jià)指標(biāo)，在此分析的基礎(chǔ)上，結(jié) 合定量的方法，對(duì)水環(huán)境生態(tài)安全的警情從橫向和縱向方面的變化分布來(lái)進(jìn)行判別。文俊 構(gòu)建了關(guān)于水資源可持續(xù)利用的預(yù)警指標(biāo)方法和體系，應(yīng)用相關(guān)的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行建模，構(gòu) 建水資源在區(qū)域范圍內(nèi)得以可持續(xù)利用的預(yù)警模型。此外，在對(duì)于生態(tài)預(yù)警的技術(shù)研究方 面，周曉惠等把對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的技術(shù)監(jiān)測(cè)引用到生態(tài)預(yù)警中，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行分類、 構(gòu)建指標(biāo)體系、預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)。劉普幸運(yùn)用層次分析法對(duì)其構(gòu)建的酒泉綠洲的生態(tài)環(huán)境 預(yù)警評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)其生態(tài)環(huán)境狀況做出了預(yù)警評(píng)價(jià)分析，并在此基礎(chǔ)上 提出主要生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的防治措施。而且，針對(duì)于嫩江流域的水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估并沒(méi)有一種 有效的方法。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明在決策部分采用的是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，從控制反饋的角度出發(fā)，構(gòu)建C0D、 氨氮、總磷、總氮、有毒物質(zhì)5個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的上游來(lái)水、支流匯入、沿江排污、非點(diǎn)源匯入成 因，以及其與嫩江縣社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的聯(lián)系。而提供了一種采用融合技術(shù)建立尼爾基水庫(kù)水 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型的方法。
[0005] 本發(fā)明的一種采用融合技術(shù)建立尼爾基水庫(kù)水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型的方法，它是 采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)決策模型進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警決策定性分析，然后依據(jù)定性分析的結(jié)果，采用貝 葉斯網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警決策定量分析，從而實(shí)現(xiàn)尼爾基水庫(kù)的水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與決 策；，其中所述的定性分析與定量分析均是針對(duì)尼爾基庫(kù)末水質(zhì)的4個(gè)空間因素的6個(gè)水 質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析，所述的4個(gè)空間因素為甘河-柳家屯、嫩江上游干流-石灰窯、嫩江上游 支流-嫩江浮橋和嫩江縣；所述的6個(gè)水質(zhì)指標(biāo)為C0D、高錳酸鉀指數(shù)、氨氮、總磷、B0D5和 重金屬；
[0006] 具體操作如下：
[0007] -、依據(jù)沿江排污、非點(diǎn)源污染、上游來(lái)水與上游支流匯入和特征污染物為考察因 素構(gòu)建系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)決策模型對(duì)嫩江示范區(qū)水生態(tài)進(jìn)行定性分析；
[0008] 二、采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警決策定量分析，從而實(shí)現(xiàn)尼爾基水庫(kù)的水 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與決策；
[0009] 其中，所述的沿江排污分為嫩江縣污水處理廠的生活污水排放與嫩江縣喇叭河排 污口的工業(yè)廢水排放；
[0010] 所述的嫩江縣污水處理廠的生活污水排放入河量的計(jì)算公式為：
[0011] PSLCODNJ = PSLCOD X PSLC0DCR
[0012] PSLCOD = UP X CODpUP X SPDR
[0013] 式中，PSLCODNJ為嫩江縣生活污水排放入河COD量；
[0014] PSLC0DCR為生活點(diǎn)源COD排放入河系數(shù)；
[0015] CODpUP為每年單位非農(nóng)業(yè)人口排放COD的量；
[0016] SPDR為嫩江縣污水處理廠排放量占嫩江縣排放總量的比例；
[0017] UP為嫩江縣第t年的非農(nóng)業(yè)人口數(shù)量；
[0018] PSLCOD為嫩江縣生活點(diǎn)源COD排放入河COD量；
[0019] 所述的嫩江縣喇叭河排污口的工業(yè)廢水排放入河量的計(jì)算公式為：
[0020] PSICODNJ = PSI COD X PSICODCR
[0021] PSICOD = I⑶P X CODpI⑶P X ICODDR
[0022] 式中，PSIC0DNJ為嫩江喇叭河排污口 COD入河量；
[0023] PSICOD為嫩江縣喇叭河排污口排放量；
[0024] PSIC0DCR為工業(yè)點(diǎn)源COD排放入河系數(shù)；
[0025] CODpI⑶P為萬(wàn)元工業(yè)增加值COD排放量；
[0026] I⑶P為嫩江縣工業(yè)增加值量；
[0027] 所述的所述的非點(diǎn)源污染公式為：
[0028] NPSCODE = NPSCOD X NPSC0DC
[0029] NPSCOD = CODDL+CODFL+TreeL X CODpTc+GrassL X CODpGC+UncoverL X C0DpUCC+U rbanLXCODpUC
[0030] CODDL = DLA X CODpDLC+DLA X FUS X FUScr
[0031] CODFL = FLA X CODpFLC+FLA X FUS X FUScrF
[0032] 式中，NPSCODE為非點(diǎn)源COD排放入河量；NPSCOD為非點(diǎn)源COD產(chǎn)生了；NPSC0DC 為非點(diǎn)源污染排放入河系數(shù)；CODDL為旱田產(chǎn)生COD量；CODFL為水田產(chǎn)生COD量；TreeL為 研究區(qū)林地面積；CODpTC為林地COD輸出系數(shù)；GrassL為研究區(qū)草地面積：CODpGC為草地 COD輸出系數(shù)；UncoverL為研究區(qū)荒地面積；CODpUCC為荒地COD輸出系數(shù)；UrbanL為研究 區(qū)建成區(qū)面積；⑶PpUC為建設(shè)用地COD輸出系數(shù)；DLA為研究區(qū)旱田面積；CODpDLC為旱田 輸出系數(shù)；FUS為研究區(qū)內(nèi)單位耕地化肥施用量；FUScr為研究區(qū)旱田化肥效率；FLA為研 究區(qū)水田面積；CODpFLC為水田輸出系數(shù)；FUScr為研究區(qū)水田化肥效率；
[0033] 所述的上游來(lái)水與上游支流匯入污染物含量計(jì)算公式如下：
[0040] 式中，CODPW為嫩江縣排污口處的COD濃度；CODUT為上游來(lái)水濃度；QUT為上游 來(lái)水流量；PSLC0DNJ為嫩江縣污水廠排污口排放濃度；NJLQ為嫩江縣污水廠污水排放量； PSIC0DNJ為嫩江縣喇叭河排污口排放濃度；NJIQ為嫩江縣喇叭河排污口排放量；CODGH 為甘河匯入處的COD濃度；Kl為上游來(lái)水?dāng)嗝娴脚盼劭谥g河段的COD降解系數(shù)；Ll為 上游來(lái)水?dāng)嗝娴脚盼劭谥g河段的河長(zhǎng)；Vl為上游來(lái)水?dāng)嗝娴脚盼劭谥g河段的流速； C0DGHHUI為甘河匯入點(diǎn)處COD濃度；QUTT為上游來(lái)水匯合嫩江縣排污污水量；CODLJT為甘 河COD濃度；QLJT為甘河流量；endPSCOD為尼爾基庫(kù)末COD點(diǎn)源濃度；k2為甘河匯入點(diǎn)到 尼爾基庫(kù)末之間河段的COD降解系數(shù)；12為甘河匯入點(diǎn)到尼爾基庫(kù)末之間河段的河長(zhǎng)；v2 為甘河匯入點(diǎn)到尼爾基庫(kù)末之間河段的流速；
[0041] 所述的特征污染物模擬計(jì)算公式為：
[0042] NPCE = NPC X NPCC
[0043] NPC = DLA X CUS X CUSr+FLA X CUS X CUSrF
[0044] 式中，NPCE為特征污染物排放量；NPC為特征污染物產(chǎn)生量；NPCC為特征污染物排 放入河系數(shù)；⑶S為農(nóng)藥每畝農(nóng)田的施用量；⑶Sr為旱田農(nóng)藥殘留系數(shù)；⑶SrF為水田農(nóng)藥 殘留系數(shù)。
[0045] 本發(fā)明包含以下有益效果：
[0046] 本發(fā)明是基于水利部948項(xiàng)目水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)引進(jìn)（201416)內(nèi)容完成 的。
[0047] 本發(fā)明建立尼爾基水庫(kù)水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警決策模型，采用了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)融合貝葉斯 網(wǎng)絡(luò)模型技術(shù)，突出了預(yù)警決策研究中的定量化優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)尼爾基水庫(kù)的水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警 與決策；并在對(duì)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，通過(guò)對(duì)相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)源 風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警研究與控制策略的決策研究，驗(yàn)證了模型的可用性。
[0048] 本發(fā)明利用建立好的尼爾基水庫(kù)水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，對(duì)尼爾基水庫(kù)進(jìn)行生 態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，并利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建立尼爾基水庫(kù)上游嫩江縣社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，與下游尼爾基 水庫(kù)水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)之間的互動(dòng)響應(yīng)關(guān)系，最終以貝葉斯網(wǎng)絡(luò)建立尼爾基水庫(kù)的預(yù)警機(jī)制與理 論依據(jù)。
[0049] 從而豐富了國(guó)內(nèi)外關(guān)于生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、研究與決策的研究領(lǐng)域，加快了生態(tài)風(fēng)險(xiǎn) 評(píng)價(jià)的實(shí)際工程應(yīng)用，創(chuàng)新了水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的方法，分析了水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與尼爾基水 庫(kù)水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀況的關(guān)系，提出了針對(duì)嫩江流域典型區(qū)的水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，為后續(xù)建立評(píng) 價(jià)-預(yù)警-決策平臺(tái)提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。
[0050] 本發(fā)明在構(gòu)建了尼爾基水庫(kù)水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，考慮上游來(lái)水， 支流匯入（甘河）與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等諸要素對(duì)尼爾基水庫(kù)水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響，采用Ithink 軟件平臺(tái)，構(gòu)建了水庫(kù)上游地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、上游支流匯入、湖庫(kù)周邊景觀變化與水庫(kù)的 水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的互動(dòng)相應(yīng)關(guān)系的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型相關(guān)參數(shù)的設(shè)定， 模擬不同的治理方案降低水庫(kù)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的效果，對(duì)比出最優(yōu)方案，實(shí)現(xiàn)方案決策。
【附圖說(shuō)明】
[0051] 圖1為人口數(shù)量模型圖；圖2為嫩江縣生活污水排放COD入河量圖；圖3為嫩江 縣工業(yè)增加值模型圖；圖4為嫩江縣工業(yè)污染源排放模型圖；圖5為非點(diǎn)源排放模型圖；圖 6為尼爾基水庫(kù)庫(kù)末水質(zhì)模型圖；圖7為特征污染物排放量模型圖；圖8為貝葉斯預(yù)警模型 圖；圖9為COD貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型圖；圖10為化學(xué)需氧量指標(biāo)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型圖；圖11為 氨氮指標(biāo)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型圖；圖12為總磷指標(biāo)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型圖；圖13為尼爾基庫(kù) 末COD濃度模擬結(jié)果圖；圖14為人口增長(zhǎng)方案下嫩江排污口處COD濃度圖；圖15為工業(yè) 增加值增長(zhǎng)方案下排污口處COD濃度圖；圖16為水田面積增長(zhǎng)方案下入庫(kù)斷面COD濃度值 圖；圖17為控制生活源COD排放策略排污口 COD濃度模擬結(jié)果圖；圖18為控制工業(yè)源COD 排放策略下尼爾基水庫(kù)庫(kù)末COD濃度模擬結(jié)果圖；圖19為控制上游來(lái)水策略下上游來(lái)水 COD濃度模擬結(jié)果圖；圖20為控制直流匯入策略下柳家屯斷面COD濃度模擬結(jié)果圖；圖21 為調(diào)整土地利用策略下尼爾基水庫(kù)庫(kù)末COD濃度模擬結(jié)果圖；圖22為限制水田面積策略下 尼爾基水庫(kù)氨氮濃度模擬結(jié)果圖；圖23為限制水田策略下尼爾基水庫(kù)總磷模擬結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0052] 本
【發(fā)明內(nèi)容】
不僅限于上述各實(shí)施方式的內(nèi)容，其中一個(gè)或幾個(gè)【具體實(shí)施方式】的組 合同樣也可以實(shí)現(xiàn)發(fā)明的目的。
[0053] 為了更詳盡地說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，本發(fā)明給出了如下實(shí)施例：
[0054] 1、水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警-決策研究
[0055] 1. 1、模型建立
[0056] (一）基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水環(huán)境關(guān)系模型
[0057] 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的功能是根據(jù)上游監(jiān)測(cè)點(diǎn)位水質(zhì)變化數(shù)據(jù)對(duì)下游斷面的水質(zhì)情 況進(jìn)行預(yù)警，同時(shí)依據(jù)水質(zhì)變化的預(yù)警結(jié)果結(jié)合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)尼爾基水庫(kù)的水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn) 情況進(jìn)行預(yù)警，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能，但是當(dāng)下游斷面水質(zhì)產(chǎn)生變化時(shí)，本實(shí)施例僅能通過(guò)貝 葉斯網(wǎng)絡(luò)模型推斷出上游監(jiān)測(cè)點(diǎn)位水質(zhì)異常的概率，而由此得到的例如"控制排放"等方案 必然是不具體和不準(zhǔn)確的。有鑒于此，本實(shí)施例在決策部分采用的是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，從控 制反饋的角度出發(fā)，構(gòu)建C0D、氨氮、總磷、總氮、有毒物質(zhì)5個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的上游來(lái)水、支流匯 入、沿江排污、非點(diǎn)源匯入成因，以及其與嫩江縣社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的聯(lián)系。下文詳述之。
[0058] I. 1. 1、模型構(gòu)建
[0059] 對(duì)尼爾基水庫(kù)入庫(kù)的污染源量影響較大的是支流匯入、非點(diǎn)源排放、上游來(lái)水與 沿江排污，因此本實(shí)施例從以上四個(gè)方面探討其成因，主要的影響因素等構(gòu)件其系統(tǒng)動(dòng)力 學(xué)決策模型。
[0060] (1)沿江排污
[0061] 尼爾基水庫(kù)上游，嫩江干流中主要的排污點(diǎn)為嫩江縣污水處理廠的生活污水排放 與嫩江縣喇叭河排污口的工業(yè)廢水排放，二者皆來(lái)自于嫩江縣的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，受到嫩江 縣人口以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響。因此本實(shí)施構(gòu)建了以下系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型來(lái)模擬社會(huì)經(jīng)濟(jì) 發(fā)展對(duì)嫩江縣排污口的影響，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化嫩江縣社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展形式控制嫩江縣排污量， 降低由點(diǎn)源排放造成的尼爾基水庫(kù)水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。
[0062] 由圖1所示，人口數(shù)量變化受到人口增