基于深度学习及联合概率分布的湖泊生态缺水预警方法技术

本发明专利技术公开了基于深度学习及联合概率分布的湖泊生态缺水预警方法，包括步骤

【技术实现步骤摘要】
基于深度学习及联合概率分布的湖泊生态缺水预警方法


[0001]本专利技术涉及地球物理下生态水文分支
，特别是一种基于深度学习及联合概率分布的湖泊生态缺水预警方法
。

技术介绍

[0002]湖泊具有调蓄流域径流
、
调节区域气候
、
净化水质
、
保育物种多样性
、
水产养殖
、
提供景观文娱服务等多种自然及社会经济功能，在可持续发展及生态文明建设中发挥着至关重要的作用，有必要维持湖泊生态水位
、
保障湖泊生态需水，以维系湖泊生态系统结构功能完整
、
生态系统服务功能正常发挥
。《
河湖生态环境需水计算规范
(SL/T 712
‑
2021)》
中将生态基流定义为：维持河流
、
湖泊
、
沼泽等水生态系统功能不丧失，需要保留的底线流量
(
水量
、
水位
、
水深
)
，是基本生态流量过程中的最低值
。
对于湖泊而言，“生态基流”对应“底线水位”，可称之为最低生态水位
。
如果湖泊水位低于最低生态水位，则表明湖泊处于较为严重的生态缺水状态，湖泊生态系统及其服务功能将受到较为显著的不利影响
。
因此，有必要提出一种湖泊生态缺水预警方法，以提前研判湖泊生态需水保障情况，支撑湖泊水资源综合利用和水生态保护调度决策
。
[0003]在湖泊生态水位评估方面，
《
河湖生态环境需水计算规范
(SL/T 712
‑
2021)》
推荐了不同频率最枯月平均值法
、
频率曲线法
、
湖泊形态分析法
、
生物空间需求法等
。
为解决湖泊生态水位评估中资料稀缺的问题，提出了“一种湖泊最低生态水位计算方法
(
申请
/
专利号：
CN201910764830.4)”“一种基于高分辨率卫星数据获取湖泊历史水位的方法
(
申请
/
专利号：
CN202111003048.4)”和“一种基于古湖沼学方法的湖泊适宜生态水位确定方法
(
申请
/
专利号：
CN202110471812.4)”。
为满足湖泊生态系统对水体大小及水质的综合需求，提出了“基于水质
‑
水位二元响应关系的适宜生态水位预测方法
(
申请
/
专利号：
CN202210432769.5)”和“一种考虑污染胁迫的浅水湖泊生态需水量估算方法
(
申请
/
专利号：
CN201010176654.1)”。
综合考虑湿地植被生长过程及植被对湖泊污染物的移除率，提出了“一种湖泊生态水位计算方法
(
申请
/
专利号：
CN201610458685.3)”和“平原浅水湖泊生态水位调控方法
(
申请
/
专利号：
CN201910992148.0)”。
考虑干旱区尾闾湖泊生态服务价值和不同气象条件下的水量平衡，分别提出了“基于服务价值均衡的干旱区尾闾湖泊生态水位分析方法
(
申请
/
专利号：
CN202210477967.3)”和“不同气象条件下干旱区尾闾湖泊生态需水优化方法
(
申请
/
专利号：
CN202210936777.3)”。
上述成果均与湖泊生态水位评估方法相关，而针对实际调度管理的
、
预测未来一定时期内湖泊水位能否满足生态水位的方法相对较少
。
[0004]在湖泊生态安全预警方面，集成水质检测系统和水质分析系统，提出了“一种具备实时预警性能的智慧湖泊检测系统
(
申请
/
专利号：
CN202010382450.7)”。
针对物种入侵和水生植被蔓延的沼泽化问题，分别提出了“湖泊外来水生植物物种检测与侵入风险预警系统
(
申请
/
专利号：
CN201711473387.2)”和“基于湖泊水生植被蔓延的沼泽化动态监测与预警技术
(
申请
/
专利号：
CN201010531108.5)”。
针对浅水湖泊蓝藻水华风险，提出了“一种水
、
陆
、
空一体化的浅水湖泊蓝藻水华监测及预警系统
(
申请
/
专利号：
CN202111302770.8)”。
为实现监测结果进行自动判定和实时预警，提出了“通江湖泊生态监测信息管理及预警系统
(
申请
/
专利号：
CN201610473460.5)”，包括水文模块
、
水质水生态模块
、
洲滩生态系统模块
、
物种多样性模块
、
多要素信息挖掘模块和风险评估预警分析模块，其中风险评估预警分析模块包括低水位预警模块
、
物种多样性预警模块和富营养化风险评估预警模块，低水位预警模块利用实时监测数据判定湖泊水位是否超警
。
针对湖泊水生态安全红线缺乏统一监测管理方法的问题，提出了“一种小型浅水湖泊水生态安全红线预警控制系统及方法
(
申请
/
专利号：
CN201910101199.X)”，当控制器获取的水量
、
水质和空间指标实际值中至少一个达到生态安全红线指标值时，控制器控制预警装置进行报警
。
[0005]上述研究成果表明，围绕湖泊生态需水评估及生态安全预警已提出了一系列方法，但针对湖泊生态缺水尚缺乏有效的预警方法
。
在湖泊生态安全预警方法中，部分方法提出了低水位预警思路，但均是利用实时湖泊水位判定其是否低于设定的低水位阈值而实现预警功能，尚不具备利用实测水位预测未来水位
、
判定未来水位是否满足生态水位的功能，缺乏实质性的
、
对于未来水情和生态安全的预警能力
。
[0006]综上所述，需要发展一种基于深度学习及联合概率分布的湖泊生态缺水预警方法
。

技术实现思路

[0007]本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于深度学习及联合概率分布的湖泊生态缺水预警方法，该基于深度学习及联合概率分布的湖泊生态缺水预警方法能应用于预测湖泊未来3日的水位，预警湖泊是否将面临生态缺水的问题，并本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于深度学习及联合概率分布的湖泊生态缺水预警方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤
1、
收集湖泊水文数据：对待预测湖泊以自然日为时间间隔，收集不少于
20
年的水文数据；其中，湖泊水文数据包括入湖流量
、
出湖流量和湖泊水位；步骤
2、
计算最低生态水位
Z
Eco
：对步骤1收集的湖泊水文数据中的湖泊水位数据，采用水文频率法进行分析计算，得到最低生态水位
Z
Eco
；其中，最低生态水位
Z
Eco
为判定待预测湖泊是否生态缺水的阈值；步骤
3、
建立湖泊水位预测模型：基于深度学习，构建湖泊水位预测模型；其中，湖泊水位预测模型的输入为待预测湖泊的前7日入湖流量
、
前7日出湖流量和前7日湖泊水位；湖泊水位预测模型的输出为待预测湖泊的未来3日水位；采用步骤1收集的湖泊水文数据，对建立的湖泊水位预测模型进行训练与验证；步骤
4、
构建概率分布函数：针对步骤1收集的湖泊水位数据，构建概率分布函数；概率分布函数包括前7日最高水位的边缘概率分布函数和前7日最高水位
‑
未来3日最低水位的联合概率分布函数
F
C
()
；其中，
Z7‑
max
为步骤1收集的湖泊水位数据中的前7日水位中的最大值；步骤
5、
预测未来3日水位：设当前日期为
t
′
，针对预警湖泊，根据
t
′‑6，
t
′‑5，
t
′‑4，
t
′‑3，
t
′‑2，
t
′‑1，
t
′
日的入湖流量
、
出湖流量和湖泊水位；采用步骤3建立的湖泊水位预测模型，预测未来
t
′
+1、t
′
+2、t
′
+3
日的湖泊水位
Z
′
t+1
,Z
′
t+2
,Z
′
t+3
；步骤
6、
生态缺水判断：统计未来3日的最低水位
min(Z
′
t+1
,Z
′
t+2
,Z
′
t+3
)
，并将
min(Z
′
t+1
,Z
′
t+2
,Z
′
t+3
)
与步骤2计算得到的最低生态水位
Z
Eco
进行比较，并按照如下方法进行判断：
A、
当
min(Z
′
t+1
,Z
′
t+2
,Z
′
t+3
)
＞
Z
Eco
时，则表明未来3日水位均高于湖泊最低生态水位，湖泊生态需水能够得到保障
、
不会发生生态缺水，能维系湖泊生态安全；
B、
当
min(Z
′
t+1
,Z
′
t+2
,Z
′
t+3
)≤Z
Eco
时，则表明未来3日水位将跌破湖泊最低生态水位，湖泊生态需水难以保障
、
将发生生态缺水，有可能威胁湖泊生态安全；步骤
7、
计算未来3日发生生态缺水概率
p
：当步骤6中，判断未来3日将发生生态缺水时，根据如下方法计算得到未来3日发生生态缺水概率
p
：步骤7‑
1、
计算当
Z7‑
max
≤Z
′7‑
max
时，认为发生前7日湖泊水情；其中，
Z
′7‑
max
为
t
′‑6，
t
′‑5，
t
′‑4，
t
′‑3，
t
′‑2，
t
′‑1，
t
′
日水位中的最大值；使用步骤4构建的计算前7日湖泊水情条件的发生概率步骤7‑
2、
计算
F
C
(Z7‑
max
≤Z
′7‑
max
,Z
′3‑
min
≤Z
Eco
)
：当
Z7‑
max
≤Z
′7‑
max
和
Z
′3‑
min
≤Z
Eco
两者同时成立时，认为前7日湖泊水情和未来3日湖泊生态缺水两组事件同时发生；其中，
Z
′3‑
min
为未来
t
′
+1、t
′
+2、t
′
+3
日水位中的最低值；使用步骤4构建的联合概率分布函数
F
C
()
，计算前7日湖泊水情和未来3日湖泊生态缺水两组事件同时发生的概率
F
C
(Z7‑
max
≤Z
′7‑
max
,Z
′3‑
min
≤Z
Eco
)
；步骤7‑
3、
计算未来3日发生生态缺水概率
p
，具体计算公式为：
步骤
8、
预警：根据步骤6的生态缺水判断结果和步骤7计算的未来3日发生生态缺水概率
p
，进行预报或预警，具体为：
A、
当
min(Z
′
t+1
,Z
′
t+2
,Z
′
t+3
)
＞
Z
Eco
时，预报湖泊生态安全；
B、
当
min(Z
′
t+1
,Z
′
t+2
,Z<...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄峰，邹吉湖，于菲尔，申幸志，钱湛，韩帅，邢贞佶，
申请(专利权)人：湖南省水利水电勘测设计规划研究总院有限公司，
类型：发明
国别省市：