一种湖库富营养化生态动力学模型的模拟优化方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种湖库富营养化生态动力学模型的模拟优化方法及装置，其中方法包括以下步骤：获取湖库水动力及水质实测数据；构建流速对藻类生长的流速限制方程；确定流速限制方程中各参数的率定初始值；在已有富营养化生态动力学模型的藻类生长公式中引入流速限制方程；基于引入流速限制方程的富营养化生态动力学模型进行湖库富营养化生态动力学模拟结果优化。与现有技术相比，本发明专利技术结合模型与工程实践经验，体现湖库差异的同时，具有模拟精度高、可准确反映藻类时空分布变化规律等优点。可准确反映藻类时空分布变化规律等优点。可准确反映藻类时空分布变化规律等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种湖库富营养化生态动力学模型的模拟优化方法及装置


[0001]本专利技术涉及湖库富营养化生态动力学领域，尤其是涉及一种湖库富营养化生态动力学模型的模拟优化方法及装置。

技术介绍

[0002]随着对富营养化机理的不断深入研究，水动力对藻类生长影响的规律逐渐被发现：藻类生长具有最适水动力条件区间，超出(大于或小于)此区间，藻类的生长则受到一定程度的抑制。但由于湖库水动力过程十分复杂，传统富营养化生态动力学模型在水动力方面处理较简略，特别是在藻类生长的模拟过程中缺乏考虑水动力条件对藻类生长的限制过程，这导致模型在实际应用及管理过程中模拟精度难以提高，无法准确反映湖库藻类生长及分布趋势的时空差异。
[0003]而目前已知的考虑水动力条件对藻类生长影响的湖库富营养化生态动力学模型，具有以下局限性：
[0004]1、所建立的水动力对藻类生长的限制方程中，采用涡量、紊动能耗散率等难以在湖库日常监测中获得的水动力指标，且具有复杂的迭代计算过程，使模型计算时间增加，降低模型工作效率；
[0005]2、所建立的水动力对藻类生长的限制方程具有地域限制，无法适用于其他湖库；
[0006]3、所建立的水动力对藻类生长的限制方程未能体现水动力条件在低于及超出最优区间时对藻类生长影响的不同。
[0007]以上局限性更加限制了富营养化生态动力学模型的模拟表现及应用可行性。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是为了提供一种湖库富营养化生态动力学模型的模拟优化方法及装置，计算简单，提高模拟效率，具有广泛的适用性。
[0009]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0010]一种考虑流速限制因子的湖库富营养化生态动力学模型的模拟优化方法，包括以下步骤：
[0011]步骤1)获取湖库水动力及水质实测数据；
[0012]步骤2)构建流速对藻类生长的流速限制方程；
[0013]步骤3)确定流速限制方程中各参数的率定初始值；
[0014]步骤4)在已有富营养化生态动力学模型的藻类生长公式中引入流速限制方程；
[0015]步骤5)基于引入流速限制方程的富营养化生态动力学模型进行湖库富营养化生态动力学模拟结果优化。
[0016]所述步骤1)中，获取的湖库水动力及水质实测数据包括湖库特征测点的流速实测数据及对应测点及时间的叶绿素a实测数据；所述湖库特征测点包含由吞吐流、湖库地形因素所导致流速分布具有差异的测点。
[0017]所述步骤2)中，流速限制方程为分段函数，表达式为：
[0018][0019]其中，v为流速；a为分段点，对应F(v)＝1时的流速，表示藻类生长的最适流速；m和n为流速变化对藻类生长影响的限制系数，其值越大，表示流速变化对藻类生长的限制作用越小。
[0020]所述步骤3)中，所构建的流速对藻类生长的流速限制方程F(v)中，参数a、m、n的率定初始值的确定方法为：
[0021]根据F(v)的函数形式，根据相同时间、不同测点的流速实测数据v及叶绿素a实测数据Chl，拟合流速对藻类生长的关系曲线，其中，所述关系曲线横坐标为流速，纵坐标为用以表示藻类生长所受限制的变量，取叶绿素浓度最大值差异率RChl，计为叶绿素a实测数据Chl相对于叶绿素a实测数据最大值Chl
max
的比值，计算式为：
[0022][0023]参数a、m和n的率定初始值根据所拟合的流速对藻类生长的关系曲线方程确定。
[0024]所述步骤4)中，在已有富营养化生态动力学模型的藻类生长公式中引入流速限制方程具体为：
[0025][0026]其中，p为藻类生长的量，μ为藻类最大生长速率，F(1)，F(2)，F(
…
)是现有传统富营养化模型中已考虑的藻类生长限制方程，包括多种限制因子对藻类生长的限制过程表达式；流速限制方程F(v)中最适流速a及限制系数m和n的取值基于步骤3)中确定的率定初始值，根据模型率定结果确定。
[0027]一种考虑流速限制因子的湖库富营养化生态动力学模型的模拟优化装置，包括：
[0028]数据采集模块，用于获取湖库水动力及水质实测数据；
[0029]流速限制方程构建与参数初始值率定模块，用于构建流速对藻类生长的流速限制方程，并确定流速限制方程中各参数的率定初始值；
[0030]富营养化生态动力学模型构建与模拟模块，用于在已有富营养化生态动力学模型的藻类生长公式中引入流速限制方程，并基于引入流速限制方程的富营养化生态动力学模型进行湖库富营养化生态动力学模拟结果优化。
[0031]所述数据采集模块获取的湖库水动力及水质实测数据包括湖库特征测点的流速实测数据及对应测点及时间的叶绿素a实测数据；所述湖库特征测点包含由吞吐流、湖库地形因素所导致流速分布具有差异的测点。
[0032]所述流速限制方程为分段函数，表达式为：
[0033][0034]其中，v为流速；a为分段点，对应F(v)＝1时的流速，表示藻类生长的最适流速；m和n为流速变化对藻类生长影响的限制系数，其值越大，表示流速变化对藻类生长的限制作用越小。
[0035]所述流速限制方程中，参数a、m、n的率定初始值的确定方法为：
[0036]根据F(v)的函数形式，根据相同时间、不同测点的流速实测数据v及叶绿素a实测数据Chl，拟合流速对藻类生长的关系曲线，其中，所述关系曲线横坐标为流速，纵坐标为用以表示藻类生长所受限制的变量，取叶绿素浓度最大值差异率RChl，计为叶绿素a实测数据Chl相对于叶绿素a实测数据最大值Chl
max
的比值，计算式为：
[0037][0038]参数a、m和n的率定初始值根据所拟合的流速对藻类生长的关系曲线方程确定。
[0039]所述在已有富营养化生态动力学模型的藻类生长公式中引入流速限制方程具体为：
[0040][0041]其中，p为藻类生长的量，μ为藻类最大生长速率，F(1)，F(2)，F(
…
)是现有传统富营养化模型中已考虑的藻类生长限制方程，包括多种限制因子对藻类生长的限制过程表达式；流速限制方程F(v)中最适流速a及限制系数m和n的取值基于步骤3)中确定的率定初始值，根据模型率定结果确定。
[0042]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0043](1)本专利技术结合模型与工程实践经验，提出合理的富营养化生态动力学模型优化方案，将简单易测的流速数据作为藻类生长限制因子，概化水动力对藻类生长的影响过程，避免了其他水动力指标(如涡量、紊动能耗散率等)复杂计算过程，具有突出的实践应用意义。
[0044](2)本专利技术结合富营养化生态动力学机理与工程实践经验，提出根据湖库实测资料所构建的包含流速限制因子的藻类生长公式，在体现湖库差异的同时，可根据参数调整体现流速变化对藻类生长影响的差异，提高富营养化生态动力学模型的模拟精度，为湖库富营养化控制和管理提供更可靠的工具本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑流速限制因子的湖库富营养化生态动力学模型的模拟优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)获取湖库水动力及水质实测数据；步骤2)构建流速对藻类生长的流速限制方程；步骤3)确定流速限制方程中各参数的率定初始值；步骤4)在已有富营养化生态动力学模型的藻类生长公式中引入流速限制方程；步骤5)基于引入流速限制方程的富营养化生态动力学模型进行湖库富营养化生态动力学模拟结果优化。2.根据权利要求1所述的一种考虑流速限制因子的湖库富营养化生态动力学模型的模拟优化方法，其特征在于，所述步骤1)中，获取的湖库水动力及水质实测数据包括湖库特征测点的流速实测数据及对应测点及时间的叶绿素a实测数据；所述湖库特征测点包含由吞吐流、湖库地形因素所导致流速分布具有差异的测点。3.根据权利要求1所述的一种考虑流速限制因子的湖库富营养化生态动力学模型的模拟优化方法，其特征在于，所述步骤2)中，流速限制方程为分段函数，表达式为：其中，v为流速；a为分段点，对应F(v)＝1时的流速，表示藻类生长的最适流速；m和n为流速变化对藻类生长影响的限制系数，其值越大，表示流速变化对藻类生长的限制作用越小。4.根据权利要求3所述的一种考虑流速限制因子的湖库富营养化生态动力学模型的模拟优化方法，其特征在于，所述步骤3)中，所构建的流速对藻类生长的流速限制方程F(v)中，参数a、m、n的率定初始值的确定方法为：根据F(v)的函数形式，根据相同时间、不同测点的流速实测数据v及叶绿素a实测数据Chl，拟合流速对藻类生长的关系曲线，其中，所述关系曲线横坐标为流速，纵坐标为用以表示藻类生长所受限制的变量，取叶绿素浓度最大值差异率RChl，计为叶绿素a实测数据Chl相对于叶绿素a实测数据最大值Chl
max
的比值，计算式为：参数a、m和n的率定初始值根据所拟合的流速对藻类生长的关系曲线方程确定。5.根据权利要求3所述的一种考虑流速限制因子的湖库富营养化生态动力学模型的模拟优化方法，其特征在于，所述步骤4)中，在已有富营养化生态动力学模型的藻类生长公式中引入流速限制方程具体为：其中，p为藻类生长的量，μ为藻类最大生长速率，F(1)，F(2)，F(
…
)是现有传统富营养化模型中已考虑的藻类生长限制方程，包括多种限制因子对藻类生长的限制过程表达式；流速限制方程F(v)中最适流速a及限制系数m和n的取值基于步骤3)中确定的率定初始值，
根据模型率定结果确定。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海平，崔婧嫄，宋辰煜，崔亚飞，黄帆，瞿尧，张晟，徐菡玲，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：