混沌理论在水质预测中的应用初探

基于混沌理论、相空间重构思想和嵌入理论分析涟水流域溶解氧的时间序列,计算吸引子维数和最大的Lyapunov指数,研究河流水质系统的复杂性特征。结果表明,河流水质时间序列具有混沌特性,其外在表现为貌似随机的无规则特点;但系统本身内在的、固有的规律(表现在最大的Lyapunov指数),表明短期预测河流水质变化是可行的,并应用混沌相空间模线性回归模型进行了短期预测,其预测结果对涟水流域的水质管理和控制具有一定的参考价值。     

基于相空间重构理论的天津市近海水质混沌特性研究

针对我国近海水质污染呈现的复杂非线性特征,通过对混沌理论中的相空间重构方法进行研究,提出了一种新的完全基于环境监测数据的近海水质分析方法。以天津市近岸海域为例,首先,根据相空间重构理论,对近海各监测点的1维COD时间序列进行多维相空间重构,求得最佳嵌入维数mmin和吸引子关联维数D;然后,采用Wolf方法计算最佳嵌入维数mmin下重构相空间的最大Lyapunov指数λ1。计算结果显示各个监测点的关联维数D均在3.3左右,最大Lyapunov指数λ1均大于0,表明近海水质COD时间序列具有明显的混沌特征,近海水质系统是一个多维系统,貌似随机无规律的近海水质系统具有内在的、固有的规律。应用表明,该方法实用性强,为进一步采用混沌理论对近海水质进行预测提供了理论依据,非常有利于近海水环境的管理。     

基于混沌神经网络模型的水库叶绿素a浓度短期预测

通过混沌理论对水库叶绿素a浓度时间序列进行分析计算,得到最大Lyapunov指数为0.0218(正数),表明该时间序列具有混沌特性,可进行短期预测。同时,利用相空间重构的方法计算出时间延迟τ和嵌入维数m,并由此构建了可用于水库叶绿素a浓度短期预测的混沌神经网络模型。将该模型对于桥水库的叶绿素a浓度时间序列进行短期预测,平均预测相对误差为7.85%,取得较为满意的预测效果。该方法对水库的水环境管理具有一定的参考价值。     

滦河流域上游地区主要河流水污染特征及评价

在水资源管理与污染控制的研究过程中,进行水质特征分析与评价具有重要意义.本研究选取滦河流域上游地区29个监测站点,在2010年对河流溶解氧、氨氮、高锰酸盐指数等14项指标进行监测,并分别采用了单因子评价法、综合污染指数法、分级评价法、内梅罗污染指数法、模糊综合评价法及水质标识指数法6种方法对该地区主要河流水污染特征进行分析及评价.结果表明,水质标识指数法比较适于滦河流域上游地区河流的评价.单因子水质标识指数显示,该地区的主要污染物为总氮、氨氮、总磷和高锰酸盐指数,基本呈现富营养化状态;29个站点中小东区水质最差,达到劣Ⅴ类水质,且出现黑臭现象;波罗诺、窑沟门、下板城和平泉4个站点水质最好,均达到Ⅰ类标准;在河流总体评价中,柳河污染最为严重.根据评价结果将所有监测站点分为达标和未达标两类,并应用主成分分析和多元线性回归进行分析,结果表明达标站点和未达标站点的污染物的最大贡献者分别是生活污水和工业废水.研究结果对指导滦河流域水污染防治及水资源管理具有重要意义.     

山东省辖淮河流域河流水质趋势的灰色预测

目前,灰色系统模型越来越多地应用在水质预测中。山东省辖淮河流域包括南四湖流域和沂沭河流域,流域区域内的河流水质不仅与区域的社会经济发展相互联系,而且也影响着南水北调东线的水质。因此,依据2000-2009年流域内河流的国控断面高锰酸钾指数、NH3-N的监测数据资料,在对数据进行处理的基础上,文章利用灰色GM(1,1)模型结合新陈代谢原理预测河流水质的发展趋势。结果表明:大多数河流水质呈好转的趋势,但河流水环境变好趋势较缓慢,特别是沭河高峰头断面的水质呈变差趋势。河流水质的变化趋势应值得高度重视,为区域水环境保护和制定水环境规划提供参考。     

河流水质时间序列分析的自组织预测方法及应用

应用前苏联学者伊万年科基于生物控制论中的自组织原理提出的一种数据组合处理方法，有效地解决复杂非线性系统预测。以汾河某段的水污染时间序列监测数据为基础，建立了一个河流水质污染预测的自组织模型，其建模样本的拟合值和检验样本的预测值相对误差分别在３．１％和５．３％以内。结果表明，自组织模型能较好地描述水污染时间序列数据之间的非线性关系，适合复杂水环境污染系统的预测工作。     

基于XGBoost选择迁移条件提升LSTM模型河流水质预测能力

准确预测河流水质变化是流域水环境管理的重要基础。目前常用的基于数据驱动的深度学习模型依赖大量的监测数据训练,然而很多河流数据缺乏,无法满足水质预测精度要求。提出了一种基于极端梯度提升模型(XGBoost)的迁移条件选择方法,利用全国河流自动监测站点的水质参数(水温、pH、溶解氧、总氮)数据集,研究建立长短期记忆神经网络(LSTM)模型库,通过迁移学习条件的优化,提升LSTM模型的预测能力。结果表明：1)采用不同源域和迁移方式训练出的模型,其预测精度有很大差异;2)基于XGBoost模型选择最佳迁移条件,迁移模型的预测误差(RMSE)降低了9.6%～28.9%,LSTM模型预测精度明显提升;3)选取合适的迁移方式、选用性质接近的源域数据、增加训练数据量均可以提升迁移模型的预测精度。该建模方法可应用于实测数据少的河流水质预测,为流域水环境精细化管理提供技术支持。     

太湖流域河流水质评价因子选择探讨及研究

采用合理的水质评价因子,才能科学评价和全面反映河流水环境污染状况。以太湖流域河流为研究对象,探讨河流水质评价因子的筛选原则,采用单因子指数评价方法和综合污染指数法,分析和筛选主要污染因子,综合考虑影响水质的各方面的因素以及太湖流域污染状况,选取溶解氧、高锰酸盐指数、化学耗氧量、氨氮、总磷、石油类、挥发酚、汞、铅指标作为太湖流域河流水质评价因子。     

景观格局对河流水质影响的尺度效应Meta分析

景观格局决定了陆域污染物的源汇过程,是影响河流水质状况的关键因素.由于尺度效应,不同尺度下景观格局与河流水质关系的研究结果不尽相同.然而,景观格局对河流水质影响的尺度效应问题尚缺乏系统研究.收集了国内外4 041条研究数据,采用Meta分析法定量分析了不同尺度下景观格局对河流水质的作用特征,识别了影响河流水质的关键时间和空间尺度以及景观指数.结果表明,相对于降水事件、平水期和年际尺度,丰水期下景观格局对河流水质的影响最大;相对于流域尺度,缓冲区尺度的景观格局对河流水质的影响更大;丰水期-缓冲区尺度是景观格局影响河流水质的关键时空耦合尺度.与耕地、水域、草地以及流域整体景观相比,林地和城镇用地的景观格局对河流水质的影响更大;破碎度是影响河流水质最重要的景观格局因子.在河流水质治理中,应重点考虑缓冲区的景观配置,增加缓冲区林地面积、减少林地和水域的斑块密度和减少城镇用地的面积占比和聚集度,以有效保护河流水质.     

BP模型在河流水质预测中的误差分析

为验证BP模型在河流水质预测中的有效性，利用仿真技术模拟一条河流污染物变化趋势，产生大量的河流水质参数数据。用上游已知河段的水质数据预测该河流下游10个检测断面的水质状况。预测过程分2种情况进行：长距离预测（一次连续预测下游10个河段）和短距离预测（每次连续预测下游2个河段）。并以MSE函数生成均方误差作为对2种预测方法性能的检验，结果显示，长距离预测的性能低于短距离预测，2种方法对溶解氧预测的均方误差为0.432和0.035，对生化需氧量预测的均方误差分别为0.243,0.055。     

浅析黑龙江境内松花江干流溶解氧变化趋势及环境影响因子的相关性

选取松花江干流黑龙江段2006年至2010年期间监测数据分析该江段中溶解氧变化趋势,呈逐年增长的态势。用pearson相关系数对水体中水温、pH值、总磷和生化需氧量等环境因素与溶解氧进行了相关性分析。     

九龙江流域地表水锰的污染来源和迁移转化机制

锰是人体必需微量元素,但近年来河流湖库等地表水锰超标现象时有发生,威胁供水安全.本文于2016—2017年在福建省九龙江流域开展水系沿程梯度调查及机理实验,结合历史监测资料综合研究,探明九龙江锰含量的时空分布与迁移转化规律,揭示九龙江锰的污染来源、超标成因与调控机制.结果表明,溶解锰高值及超标站位集中在北溪上游矿区支流和干流部分水库,且主要发生在枯水期;上游矿区支流颗粒锰含量最高,随后从上游到下游沿程递减,且与总悬浮颗粒物(TSM)和pH显著正相关(p0.05).基于锰形态与pH值之间的密切关系和沿程变化,及培养实验中沉积物锰释放主要受控于pH的变化而非溶解氧的变化,推测九龙江地表水锰污染主要来自红壤颗粒的流失(特别是矿区和坡地),流域风化形成高pH(pH7.8)环境促进亚热带红壤颗粒富集锰,大量富锰颗粒进入pH逐渐下降的河流下游和电站库区后向溶解锰转化,从而导致锰超标.河流下游及库区pH值下降的主要原因包括酸沉降、酸性废水排放、富营养化条件下有机物分解等.研究结果为我国地表水锰污染防控、饮用水安全保障与流域水环境综合管理提供科学依据.     

Mini-review on river eutrophication and bottom improvement techniques, with special emphasis on the Nakdong River

Water quality in rivers is vital to humans and to maintenance of biotic and ecological integrity.During the Four Major Rivers restoration of South Korea, remarkable attempts have been made to decrease external nutrient loads and moveable weirs were designed to discharge silt that may deposit in pools. However, recently eutrophication of the Nakdong River, which was limited to the lower reaches, is seen to be spreading upstream. The reduction of external nutrient loads to rivers is a long-term goal that is unlikely to lead to reductions in algal blooms for many years because of the time required to implement effective land management strategies. It would therefore be desirable to implement complementary strategies. Regulating the amount of water released is effective at preventing algae blooms in weir pools; so, the relationship between discharge, stratification and bloom formation should be understood in this regard. However, pollutants are likely to accumulate in the riverbed upstream from release points. Thus, to control phosphorus levels, total phosphorus density should be lowered by applying in-river techniques as well. As many ecosystem properties are controlled by multiple processes, simultaneous river bottom improvement techniques, such as combined dissolved oxygen supply and nutrient inactivation, are likely to be effective. The purpose of this review is to present a series of technological approaches that can be used to improve the river bottom area and hence sediment nutrient release, and to illustrate the application of these techniques to the Nakdong River.     

Mini-review on river eutrophication and bottom improvement techniques,with special emphasis on the Nakdong River

Water quality in rivers is vital to humans and to maintenance of biotic and ecological integrity. During the Four Major Rivers restoration of South Korea, remarkable attempts have been made to decrease external nutrient loads and moveable weirs were designed to discharge silt that may deposit in pools. However, recently eutrophication of the Nakdong River, which was limited to the lower reaches, is seen to be spreading upstream. The reduction of external nutrient loads to rivers is a long-term goal that is unlikely to lead to reductions in algal blooms for many years because of the time required to implement effective land management strategies. It would therefore be desirable to implement complementary strategies. Regulating the amount of water released is effective at preventing algae blooms in weir pools; so, the relationship between discharge, stratification and bloom formation should be understood in this regard. However, pollutants are likely to accumulate in the riverbed upstream from release points. Thus, to control phosphorus levels, total phosphorus density should be lowered by applying in-river techniques as well. As many ecosystem properties are controlled by multiple processes, simultaneous river bottom improvement techniques, such as combined dissolved oxygen supply and nutrient inactivation, are likely to be effective. The purpose of this review is to present a series of technological approaches that can be used to improve the river bottom area and hence sediment nutrient release, and to illustrate the application of these techniques to the Nakdong River.     

城市污水量短时预测的混沌神经网络模型

通过分析进水水量时间序列的非线性动力学性质,认为该时间序列具有混沌特性.在此基础上,通过相空间重构的方法建立了用于城市污水水量短时预测的混沌神经网络模型;并利用此模型对污水厂的进水水量进行短时预测,取得了较为满意的预测效果.     

秋季珠江口外海海域的生态环境特征

于2015年9月（秋季）对珠江口外海海域不同深度水体中的营养盐、溶解氧（DO）和叶绿素a（Chl a）进行了调查,通过分析它们的空间分布特征及相互关系对珠江口外海海域的生态环境进行了研究。调查期间,营养盐、DO和Chl a的浓度和分布情况表明珠江口外海海域的生态环境总体较好,该区域的近岸受一定程度的陆源影响。在垂直分布上,珠江口外海海域水体的温度和盐度层化明显,导致营养盐、DO和Chl a的垂直分布均出现明显的差异。珠江口外海海域浅层水体（约小于50 m）的营养盐由于受浮游植物光合作用的影响而具有较低的浓度,深层水体（约大于50 m）的营养盐由于受有机物氧化分解的影响而具有较高的浓度。基于营养盐浓度和比值初步判断调查区域的营养盐限制情况,发现珠江口外海海域大部分浅层水体的营养盐可能同时存在氮限制和磷限制。综合分析营养盐、DO和Chl a之间的关系,发现2015年秋季珠江口外海海域的水体整体上处于异化作用占主导的阶段。     

延河水质污染现状分析研究

为了更好地对延河污染进行控制,增加延河水资源的利用率,采用综合污染指数法,对延河5个监测断面的水质指标进行评价,最后确定延河水质的主要污染物、污染物类型及主要污染断面。结果表明,延河水主要污染物为生化需氧量、化学需氧量以及氨氮,延河水质三氮类、有机类污染为中度污染,重金属类和细菌类污染为轻度污染,总体延河水质属有机类污染,延河主要污染断面为石窑村断面。