大学精品课件：第四章 水质模型与水质信息系统(v1.3).ppt

1、第一节第一节 水质量信息系统设计水质量信息系统设计第二节第二节 环境水质模型综述环境水质模型综述第三节第三节 基于水力学湖泊水质模型建立及解算基于水力学湖泊水质模型建立及解算第四节第四节 水质扩散模型应用研究水质扩散模型应用研究第五节第五节 数字水深模型数字水深模型DDMDDM建立建立第六节第六节 基于人工神经网络水质评价模型建立基于人工神经网络水质评价模型建立第七节第七节 水质预测模型建立水质预测模型建立第八节第八节 基于基于RSRS水质相关分析水质相关分析第一节第一节 水质量信息系统设计水质量信息系统设计一、数据结构设计一、数据结构设计 【11】点（点（pointpoint）:又称元素（又

2、称元素（ElementElement）或象元（）或象元（pixelpixel）,是一个数据是一个数据点，具有一对点，具有一对(x,yx,y)坐标和至少一个属性。坐标和至少一个属性。【2 2】线（线（lineline）:是具有相同属性的点的轨迹，由一个坐标序列是具有相同属性的点的轨迹，由一个坐标序列(x(x1 1 y y1 1,x,x2 2,y,y2 2,.,.x xn n y yn n)表示，线上各点具有相同公共属性并至少存在一个属性表示，线上各点具有相同公共属性并至少存在一个属性。道路、公共设施走廊、地形线、区域边界、地质界线均属于线类型。道路、公共设施走廊、地形线、区域边界、地质界线均属于

3、线类型。【3 3】面（面（areaarea）:是所有具有相同属性的点轨迹，以是所有具有相同属性的点轨迹，以(x,yx,y)坐标对的集合表坐标对的集合表示，示，内部存在一个中心点用来存放有关该区域的属性。内部存在一个中心点用来存放有关该区域的属性。【4 4】结点（结点（nodenode）:线的起点或终点。其中，只作为一条线的起点或终点线的起点或终点。其中，只作为一条线的起点或终点的称悬挂结点；有二条线通过或既是一条线的起点又是一条线的终点称伪结的称悬挂结点；有二条线通过或既是一条线的起点又是一条线的终点称伪结点。去掉伪结点不影响围成多边形及线的连通关系。结点用来描述线状地物点。去掉伪结点不影响围

4、成多边形及线的连通关系。结点用来描述线状地物的交叉特征如河流交汇点、管线交叉点、道路路口、电力线路设备、通信线的交叉特征如河流交汇点、管线交叉点、道路路口、电力线路设备、通信线路设备等。路设备等。P NH3 湖泊 Cod N河流变 分 名量 量 字 地理数据 属性数据x,y 坐标 拓扑位置点 线 面 栅格 网络+第一节第一节 水质量信息系统设计水质量信息系统设计一、数据结构设计一、数据结构设计第一节第一节 水质量信息系统设计水质量信息系统设计一、数据结构设计一、数据结构设计 文件结构用户目录COVER1COVER2INFO ARC AA T LAB PA T TXT BND TIC CNT A

5、LT PAL LOGARC001 ARC002 第一节第一节 水质量信息系统设计水质量信息系统设计一、数据结构设计一、数据结构设计水质信息系统的建立是以多层次、多用途、多功能，为区域性的水质污染及其消除和控制提供先进的管理、分析和决策手段为目标。因此本研究在设计遵循的主要原则是：时效性时效性:充分利用现有的先进的技术和系统，在此基础上进行开发，从而保持建立的系统具有先进性同时又能节省开发时间；实用性：实用性：基础数据库建立、应用模块开发考虑和满足管理、决策的需要；保持数据的完整性保持数据的完整性:对数据的输入、处理、存贮、输出进行合理的控制；结合性结合性:与有关的环境部门一道完成系统的建立并投

6、入到实际的运行中。第一节第一节 水质量信息系统设计水质量信息系统设计二、系统设计原则二、系统设计原则应用模型的设计遵循软件工程原理，其开发过程中引入软件工程的概念使软件应用模型的设计遵循软件工程原理，其开发过程中引入软件工程的概念使软件的设计做到模块化、局部化、一致性和确定性，目的使所建立的应用模块具有的设计做到模块化、局部化、一致性和确定性，目的使所建立的应用模块具有易修改、高效率、可靠等特点。易修改、高效率、可靠等特点。因本系统是以因本系统是以ARC/INFOARC/INFO为基础，则应用模型的开发遵循为基础，则应用模型的开发遵循ARC/INFOARC/INFO软件系统软件系统框架，符合整

7、个软件系统的要求，其具体开发途径采用以下方法：框架，符合整个软件系统的要求，其具体开发途径采用以下方法：SMLSML（AMAM）MOMO程序程序 ：该程序形式类似于高级语言，在ARC/INFO环境中运行具有语法结构简单、不需编译、解释运行及支持模块化开发。但在处理一些复杂的线程控制如循环、条件嵌套时因为是解释运行，其效率较低，无法支持复杂的算法，主要用于系统与应用模型间的接口及数据的转递。开发开发语言程序语言程序+VC(VB)+VC(VB)语言程序：语言程序：该程序有二种形式（1）将VC执行程序嵌套在SML命令语言程序中；（2）将命令语言程序嵌套在VC语言程序中。第一种情况的程序必须在系统的环

8、境下才能运行，主要弥补SML命令语言的不足。第二种情况是将系统的资源和模块嵌套在VC语言程序中随VC进行编译，类似于一般高级语言程序能独立系统运行，在运行过程中自动调用ARC/INFO模块，因此能够处理非常复杂的问题。VC(VB)VC(VB)语言程序：语言程序：该程序能够独立完成某一方面的功能通过数据文件与系统发生联系。第一节第一节 水质量信息系统设计水质量信息系统设计三、系统应用模型设计三、系统应用模型设计GIS与用户开发的环境应用模型其结合存在三种不同的方式：GISGIS和环境模型分属二个不同的独立的系统并分别拥有自己的和环境模型分属二个不同的独立的系统并分别拥有自己的界面界面:二者的结合

9、仅仅体现在GIS能为环境模型提供一定的输入数据，而环境模型运算后的输出结果又能被GIS用来处理或显示，其数据交换停留在文件交换水平上。GISGIS和环境模型分属二个系统但拥有共同的界面和环境模型分属二个系统但拥有共同的界面:用户界面主要用来管理二个系统的公共数据和进行文件交换，这种结合方式降低了二个独立系统间文件交换的繁琐和出错，从而提高了使用效率。GISGIS和环境模型的整体集成和环境模型的整体集成:二者拥有共同的用户界面并实现数据的共享，这种结合方式，环境模型作为分析功能的一部分并借助于GIS的开发运行于GIS内部，由GIS管理环境模型所需的空间数据和属性数据并对模型运行结果进行分析处理和

10、显示。第一节第一节 水质量信息系统设计水质量信息系统设计四、用户界面设计四、用户界面设计第一节第一节 水质量信息系统设计水质量信息系统设计四、用户界面设计四、用户界面设计第一节第一节 水质量信息系统设计水质量信息系统设计五、系统功能设计五、系统功能设计湖泊水质模拟湖泊水质模拟栅格矢量栅格矢量数据互换数据互换湖泊水深湖泊水深数字模型数字模型水质综合评价水质综合评价多源数据多源数据的匹配的匹配水质预测水质预测查询及绘图查询及绘图 为了选择使用的方便，可以把它们按空间维数进行分类。为了选择使用的方便，可以把它们按空间维数进行分类。【1 1】零维水质模型零维水质模型:当把所考察的水体看成是一个完全混合

11、反应器时，当把所考察的水体看成是一个完全混合反应器时，即水体中水质组分的浓度是均匀分布的，描述这种情况的水质模型称即水体中水质组分的浓度是均匀分布的，描述这种情况的水质模型称为零维的水质模型。为零维的水质模型。【2 2】维水质模型维水质模型:描述水质组分的迕移变化在一个方向上是重要描述水质组分的迕移变化在一个方向上是重要的，的，另外两个方向上是均匀分布的，这种水质模型称为一维水质模另外两个方向上是均匀分布的，这种水质模型称为一维水质模型。型。【3 3】二维水质模型二维水质模型:描述水质组分的迁移变化在两个方向上是重要的，描述水质组分的迁移变化在两个方向上是重要的，在另外的一个方向上是均匀分布的

12、，这种水质模型称为二维水质模型。在另外的一个方向上是均匀分布的，这种水质模型称为二维水质模型。【4 4】三维水质模型三维水质模型:描述水质组分，迁移变化在三个方向进行的水质描述水质组分，迁移变化在三个方向进行的水质模型称为三维水质模型。模型称为三维水质模型。第二节第二节 环境水质模型综述环境水质模型综述一、河流水质模型一、河流水质模型第二节第二节 环境水质模型综述环境水质模型综述一、河流水质模型一、河流水质模型11.streeterstreeter-phelpsphelps模型模型SxcDxcu22)(2122122OOKLKXODXOuLKxLDxLuS(3-1)(3-2)(3-3)S-PS

13、-P模型的建立基于两项假设：模型的建立基于两项假设：只考虑好氧微生物参加的只考虑好氧微生物参加的BODBOD衰减反应，并认为该反应为一级反应。衰减反应，并认为该反应为一级反应。河流中的耗氧只是河流中的耗氧只是BODBOD衰减反应引起的。衰减反应引起的。BODBOD的衰减反应速率与河水中溶的衰减反应速率与河水中溶解氧解氧(DO)(DO)的减少速率相同，复氧速率与河水中的亏氧量的减少速率相同，复氧速率与河水中的亏氧量 D D 成正比。成正比。第二节第二节 环境水质模型综述环境水质模型综述一、河流水质模型一、河流水质模型)(211OOKLKdxdOuLKdxdLuS(3-5)(3-6)式中式中:L

14、L河水中的河水中的BODBOD值，值，mg/Lmg/L；D D河水中的亏氧值，河水中的亏氧值，mg/L,mg/L,O Os s 饱和溶解氧浓度（饱和溶解氧浓度（mg/Lmg/L）;O O 河水中的实际溶解氧浓度河水中的实际溶解氧浓度O O（mg/Lmg/L）；）；k k1 1河水中河水中BODBOD衰减衰减(耗氧耗氧)速度常数，速度常数，1 1d d；k k2 2河水中的复氧速度常数，河水中的复氧速度常数，1 1d d；t t河水中的流行时间，河水中的流行时间，d d。第二节第二节 环境水质模型综述环境水质模型综述一、河流水质模型一、河流水质模型0,0,00 xCCxLL)()(/2101/0

15、/02121uxkuxkuxkssuxkeekkLkeCCCCeLL这两个方程式是耦合的。当边界条件:05101520250246810012345678X kmL mg/LL mg/LDOmg/LDOmg/L第二节第二节 环境水质模型综述环境水质模型综述一、河流水质模型一、河流水质模型22.Thomashomas修正模型修正模型)()()(231223122OOKLKKxODxOutOLKKxLDxLutLS33.Dobbins-CampDobbins-Camp修正模型修正模型ASLKKxLDxLutLL)(3122)()(22122RPOOKLKxODxOutO(3-7)(3-8)(3-1

16、0)(3-11)第二节第二节 环境水质模型综述环境水质模型综述一、河流水质模型一、河流水质模型考虑面源和局部径流考虑面源和局部径流考虑沉淀、吸附、悬浮考虑沉淀、吸附、悬浮44.OOConnorConnor修正模型修正模型ASLKKxLuLc)(31NNNLKxLu)()(21RPOOKLKLKXOuSNNC(3-14)(3-15)(3-16)第二节第二节 环境水质模型综述环境水质模型综述一、河流水质模型一、河流水质模型考虑考虑BODBOD由含碳由含碳BODBOD和含氮和含氮BODBOD组成，组成，BOD=BOD=BODBODc c+BODBODNNyCuxCuyCDxCDtCyxyx2222水

17、深方向(z方向)均匀混合，x 方向和 y 方向存在浓度梯度时，二维扩散方程：Dx x 坐标方向的弥散系数；ux x方向的流速分量；Dy y 坐标方向的弥散系数；uy y方向的流速分量。第二节第二节 环境水质模型综述环境水质模型综述一、河流水质模型一、河流水质模型z方向、x 方向和 y 方向存在浓度梯度时，三维扩散方程：Dx x 坐标方向的弥散系数；ux x方向的流速分量；Dy y 坐标方向的弥散系数；uy y方向的流速分量,Dz z 坐标方向的弥散系数；uz z方向的流速分量。zCuyCuxCuzCDyCDxCDtCzyxzyx222222第二节第二节 环境水质模型综述环境水质模型综述一、河流

18、水质模型一、河流水质模型第二节第二节 环境水质模型综述环境水质模型综述二、河口水质模型二、河口水质模型VCKCCqdtdCVii1)(qCCqdtdCVii)(CCqdtdCViiVCKqCCqdtdCVii1(3(3-33)33)(3(3-35)35)(3(3-37)37)(3(3-440)第二节第二节 环境水质模型综述环境水质模型综述三、湖泊水质模型三、湖泊水质模型考虑降解考虑降解一、水流连续性微分方程一、水流连续性微分方程 z 2dxxuuxx 2dxxuuxx o xydxdydzxudtdydzdtdxxuudydzdtdxxuuxxxxx/)2()2(dxdydzyudtdxdzd

19、tdyyuudxdzdtdyyuuyyyyy/)2()2(dxdydzzudtdxdydtdzzuudxdydtdzzuuZZZZZ/)2()2(0zuyuxuzyxx:y:z:第三节第三节 基于水力学湖泊水质模型建立及解算基于水力学湖泊水质模型建立及解算 xPXdtdux1 xPYdtduy1 zPZdtduz1dtdzZudtdyyudtdxxutudtdudtdzZudtdxxudtdyyutudtdudtdzZudtdyyudtdxxutudtduzzzzzyyyyyxxxxx0tututuzyxzPZzuuyuuxuuyPYzuuyuuxuuxPXzuuyuuxuuzzzyzxyzy

20、yyxxzxyxx111（44-88）（44-110）二、流体运动方程建立二、流体运动方程建立1对流引起的质量变化：tyzuctyzucxxxx)()(方向上：在txzuctxzucyxyy)()(方向上：在 tyxuctyxuczzzz)()(方向上：在tyxycDtyxzcDztzxycDtzxycDytzyxcDtzyxcDxzzzzzyyyyyxxxxx)()()()()()(方向上：在方向上：在方向上：在2弥散引起的质量变化：三、浓度场模型建立三、浓度场模型建立ckzzcDzcDyzcDycDxxcDxcDzucucyucucxucuctczzzzzyyyyyxxxxxzzzyyyx

21、xx1)()()()()()()()()()()()(ckzcDzycDyxcDxzcuycuxcutczyxzyx1)()()()()()(3其它机理的转化：物质在水体中反应降解时其变化量为：tzyxck 1三、浓度场模型建立三、浓度场模型建立zPZzuuyuuxuuyPYzuuyuuxuuxPXzuuyuuxuuzzzyzxyzyyyxxzxyxx111ckzcDzycDyxcDxzcuycuxcutczyxzyx1)()()()()()(单个流体流场、浓度场：单个流体流场、浓度场：0zuyuxuzyx第三节第三节 基于水力学湖泊水质模型建立及解算基于水力学湖泊水质模型建立及解算00)()

22、()(1)(112222ckycvxcuycExcEtcyvhxuhtHygfuyvvxvutvHxgfvyuvxuutuyxbysybxsx )()(,)()()()()()(1,12212222122hCVUVgYhCVUUgXyVVxVUhdzyuuxuuyUVxUUhdzyuuxuudzushVdzushUhyyyxhxyxzhyhx（44-1111）四、模型简化四、模型简化和湖水对湖底的摩擦力方向风对湖面的摩擦力表示和湖水对湖底的摩擦力方向风对湖面的摩擦力表示坐标方向的流速表示，yxyxvubysybxsx,数风对湖面的摩擦力系空气和水的密度（aarmkg)/,3)/10)/2smm

23、smg处的风速（湖面上空重力加速度（湖底糙度水深湖水的谢才系数，nhHmHHnCCbaa,),(11)mmh水位的距离（波动水面至湖泊平均）高程的距离（湖泊平均水面至湖底四、模型简化四、模型简化 ,0),(0,000222lxxuTtlxxuatuLutMjjujuNiihuMjNiuururuNjjijiijiji,1,0)(),(1,1,0),(1,1,0,1,2,1)()21(2100,11,1,MjjujuNiikuMjNiuuururNjjijijijiij,1,0),(),(1,2,1),(,2,1,1,2,1)()21(21001,1,1五、偏微分方程解算分析五、偏微分方程解算分

24、析（一阶中心差分）（一阶向后差分）（一阶向前差分）（二阶中心差分），xuuxuxuuxuxuuxuxuuuxukjikjikijkjikjikijkijkjikijkjikijkjikij221,11,1,1,1222六、湖泊水质扩散模型差分解算六、湖泊水质扩散模型差分解算 ),21(cos)()(2122121212222212121jihBCachvutgugstyukvtxutuvtfuukxxxkxxkkkkxkkkkkk在)21,(sin)()(21221212121222122212121212121jihBCacochvutgvgstyvtvxvututfvvkyyykyykkk

25、kykkkkkkk在),(222121jivhstuhstkykyyxkkxxkk在:)21(tktk六、湖泊水质扩散模型差分解算六、湖泊水质扩散模型差分解算)186()21,(sin)()(212212121212221221221211211212121211jihBCachvutgvgstyvtvxvututfvvkyyykyykkkkykkkkkkk在 )206(),(22)196(),21(cos)()(2122121211212121112212122111112111211jivhstuhstjihBCachvutgugstyuvtxutuvtfvuykkyykxkxxkkkxx

26、xkxxkkkkxkkkkkkk在在的各个差分表达为：同理tktk)1()21(六、湖泊水质扩散模型差分解算六、湖泊水质扩散模型差分解算)326()/()()316()/()306()1/()()296()286(212111211211211212121212121iiiiikiiiiiiiiiikiiikikiikiikiPrrQrBSPrrrRRrSrAQSRuQuPi121212121111211121101101nnnnnrrrrrrrrrrEOO六、湖泊水质扩散模型差分解算六、湖泊水质扩散模型差分解算流场模型验证流场模型验证流场模型参数识别流场模型参数识别确定边界和起始条件确定边界

27、和起始条件建立流场模型建立流场模型建立数字水深模型建立数字水深模型建立地图坐标系统建立地图坐标系统浓度值输出及应用浓度值输出及应用浓度场模型验证浓度场模型验证浓度场模型参数识别浓度场模型参数识别建立浓度场模型建立浓度场模型确定浓度边界和起始条件确定浓度边界和起始条件否否 程序开始程序开始 输入水深数据输入水深数据确定确定T=0时时u u、v v、的初值的初值 Tep=1T=T+T/2 T e pe p=11？在在 x x 方 向方 向用追赶法用追赶法求求 u u 在在 y 方 向方 向直接直接 求出求出 v vT e p=2在在 y 方 向方 向用追赶法用追赶法求求 v v 在在 x x 方

28、向方 向直接直接 求出求出 u u结束结束?存存u u、v v、值值)336(222)21(,1,1,1,1,1,11kjikjikjikkjikjikjikkjikjiyjikkjikjixkkkCsCCvsCCussCCCEssCCCEtCCtktk达为：时刻浓度场差分显式表在求出流场后，方程六、湖泊水质扩散模型差分解算六、湖泊水质扩散模型差分解算第四节第四节 水质扩散模型应用研究水质扩散模型应用研究一、东湖概况一、东湖概况 表表 9-1 东东湖湖污污水水排排放放类类型型类类型型点点源源数数量量（个个）工工业业废废水水（m3/d）生生活活污污水水（m2/d）工工业业企企业业77728674

29、41科科研研院院校校201601522275医医院院2147503180 表表 9-2 东东湖湖主主要要排排污污口口的的纳纳污污量量（Ty）编编号号地地点点废废水水量量(104m3/d)TNTPCODBOD5石石油油类类LAS1水水果果湖湖3.85174.9815.47221.45379.4231.0558.082茶茶 港港4.59159.1210.98126.5166.07241.25123.13水水 院院0.4200.479.0510.666.789.654武武 大大1.0519.410.612.265.4837.885.295休休干干所所0.3913.961.1357.75293.57.

30、6217.556水水 校校2.5852.237.172.72.7381.7482.017吴吴家家湾湾0.697.190.3150.3613.6231.308华华 工工0.473.90.0111.5311.528.5522.59湖湖 医医0.7530.453.582.994.001.3517.3110天天鹅鹅湖湖0.233.950.135.52.851.233.311黄黄家家大大湾湾0.161.450.170.240.33总总 量量15.16486.5940.02500.34790.15717.41270.12 39282736254232103928273625423210YbXYbYXbXb

31、YbXYbXbYbbbyYaXYaYXaXaYaXYaXaYaaax 4141),(*),()(ijjiWjiIpI 4443424134333231242322211413121144434241343332312423222114131211,WWWWWWWWWWWWWWWWWIIIIIIIIIIIIIIIII第四节第四节 水质扩散模型应用研究水质扩散模型应用研究二、东湖范围确定二、东湖范围确定二、东湖流场及浓度场计算二、东湖流场及浓度场计算 表表 9-6 东湖水质监测数据东湖水质监测数据NoNo3No2NH3TNPO4TPLASTCODBOD5CO3K+NA+CA+MG+10.121 0

32、.0218 0.724 1.995 0.102 0.1850.08130.244.784.205.53022.115 11.665 4.35020.089 0.0094 0.025 1.659 0.069 0.1460.10727.236.016.605.53022.115 11.665 4.35030.058 0.0178 0.021 1.629 0.044 0.0760.08726.455.094.207.74321.115 11.665 4.35040.107 0.0318 0.025 1.678 0.058 0.1170.11526.455.076.607.74322.115 11.6

33、65 4.35050.035 0.0060 0.024 1.476 0.100 0.2150.12424.514.082.407.74321.115 11.665 4.35060.101 0.0280 0.027 1.573 0.034 0.0430.05922.564.284.807.74322.115 11.665 4.35070.027-2.0000.001 1.700 0.031 0.0830.08725.224.197.207.74321.115 11.665 4.35080.087 0.0446 0.023 1.611-2.000.2520.07024.443.994.807.74

34、321.115 11.665 4.35090.019 0.0032-1.001.498 0.033 0.2140.10537.374.134.807.74322.115 11.665 4.350100.016 0.0038 0.001 1.539 0.027 0.2540.09731.144.306.007.74321.115 10.000 4.35011-2.000.0560 0.022 1.293 0.040 0.2460.07518.243.995.407.74321.115 11.665 4.350120.1160.0422 0.049 1.513 0.034 0.1190.10128

35、.324.143.007.74321.115 11.665 4.028130.129 0.0328 0.356 1.861 0.088 0.1020.08528.405.257.80-2.00-2.000-2.000-2.00140.088 0.0240-1.001.454 0.037 0.2190.11225.084.154.805.53022.115 11.665 4.583150.084 0.0251 0.083 1.424 0.053 0.2470.09825.693.151.205.53022.115 1.0004.853160.133 0.0374 0.172 1.386 0.06

36、1 0.1490.15221.413.071.805.53022.115 11.665 4.583170.016 0.0090 0.001 1.509 0.077 0.1950.18729.984.067.205.53023.075 11.665 4.853180.1150.0378 0.024 1.491-2.000.2800.07224.443.593.004.42521.115 11.665 4.583190.034 0.0120 0.021 1.513-2.000.0830.13323.284.527.804.42521.115 10.000 4.305200.156 0.0512 0

37、.026 1.674 0.043 0.1090.07621.353.614.80-2.00-2.000-2.000-2.00210.255 0.0296 0.120 0.669-2.00-2.000.05911.641.232.403.3189.61510.000 3.473220.336 0.0260 0.137 1.446-2.000.1080.04218.621.841.742.2136.73010.000 2.918230.341 0.0714 0.108 1.353-2.000.0470.08718.622.211.262.21313.463 10.000 3.473240.285

38、0.0303 0.125-2.00-2.00-2.000.06713.971.641.802.21311.538 10.000 3.473250.263 0.0293 0.159 1.001-2.000.0270.03911.641.431.202.21312.500 10.000 3.473 表表 9-6A：氮氮浓浓度度计计算算值值与与实实际际值值比比较较点点号号 33 32 20 12 5 3 8 17 14 45 40 43 35 10实实际际值值 2.450 2.481 1.674 1.513 1.470 1.629 1.611 1.500 1.454 0.978 2.575 1.13

39、2 0.609 1.539计计算算值值 2.444 2.481 1.986 1.572 1.487 1.566 1.576 1.459 1.446 0.971 2.412 1.138 0.627 1.508误误 差差 0.006 0.000 0.312 0.059 0.017 0.063 0.035 0.041 0.008 0.008 0.163 0.006 0.018 0.031_ 表表 9-7 9-7 东湖氮污染统计分类东湖氮污染统计分类浓度浓度(mg/l)多边形个数多边形个数面积面积(ha)分类分类占有面积比占有面积比0.49-0.693384.35225911.5%0.69-0.896

40、134.1291620.89-1.099613.99553222.5%1.09-1.2911514.3259351.29-1.4915542.7525981.49-1.699710.0527911.69-1.8911111.4115261.89-2.09899.20277059.4%2.09-2.29729.5268172.29-2.492163.725520 2.49127.7784206.6%表表 9-8 东东湖湖磷磷污污染染统统计计分分类类浓浓度度(mg/l)多多边边形形个个数数面面积积(ha)分分类类占占有有面面积积比比0.004-0.054111387.79131541.6%0.05

41、4-0.10413 437.0261330.104-0.1549 416.3298590.154-0.20412 388.11614137.3%0.204-0.25418 532.7470070.254-0.3046 112.14844530.304-0.3543 15.0857090.354-0.4042 6.9856540.404-0.4543 11.064816 0.4541 23.95887021.1%表表 9-9 东东湖湖 COD 污污染染统统计计分分类类浓浓度度(mg/l)多多边边形形个个数数面面积积(ha)分分类类占占有有面面积积比比11.0-16.09893.87504226.

42、8%16.0-21.011857.68538725.7%21.0-26.07743.49276826.0-31.014543.56062731.0-36.08146.73619436.0-41.07101.32199441.0-46.01 3.126529 46.01 41.45516047.5%赤赤湖铜浓度计算湖铜浓度计算 湖泊数字水深模型湖泊数字水深模型DDHDDH（Digital Depth ModelDigital Depth Model）的建立可以解决如下问题：的建立可以解决如下问题：(1)(1)确定湖泊的体积及水下断面；确定湖泊的体积及水下断面；(2)(2)通过不同时期的水深监测数

43、据能够确定通过不同时期的水深监测数据能够确定湖泊的淤积速率；湖泊的淤积速率；(3)(3)满足满足 湖泊运动方程和浓度场计算需要；湖泊运动方程和浓度场计算需要；(4)(4)形成边界条件形成边界条件第五节第五节 数字水深模型数字水深模型DDMDDM建立建立一、概述一、概述0,0,)()()(11iiiniiiuiniiuidDZdDdZdPf对某个对所有 （1 1）当数据点数目非常大时）当数据点数目非常大时,权计算变得十分艰巨权计算变得十分艰巨,甚至使甚至使该方法无法实现；该方法无法实现；（2 2）模型只考虑从）模型只考虑从D Di i到到P P的距离的距离,而没有考虑数据点的布局而没有考虑数据点

44、的布局即方向的影响；即方向的影响；（3 3）在每个数据点上对曲面没有附加任何导数约束；）在每个数据点上对曲面没有附加任何导数约束；（4 4）在）在D Di i的邻域中即的邻域中即D Di i00时，则计算变得非常困难时，则计算变得非常困难,计算计算误差将变得非常敏感。误差将变得非常敏感。第五节第五节 数字水深模型数字水深模型DDMDDM建立建立 二、距离内插模型分析二、距离内插模型分析mCnCmCnmCmCnpmCCpmppppp)()(22)(02当当当mCnCrmCnmrmCnCrrpmpppmPp)()(22)(02当当当0,0,)()()(22iiiiiCDiiCDiiidDZdDSZ

45、Spf对于对于第五节第五节 数字水深模型数字水深模型DDMDDM建立建立三、模型修正三、模型修正 cDjcDjijijjSPDDSt)cos(1jijijijiddyyyyxxxxPDD)cos(Wi=(Si)2(1+ti)0,0,)(iiiiiCDiiCDiiidDZdDWZWpf对某个对所有第五节第五节 数字水深模型数字水深模型DDMDDM建立建立三、模型修正三、模型修正 ijijijijcDjcDjiijijjicDjcDjiijijjiWdyyzzWBWdxxzzWA22)()(dvvyyBxxAZiiiii 2122)(maxminmax1.0iiiiBAZZv 0,0,)(iiii

46、iCDiiCDiiiidDZdDWZZWpf对某个对所有第五节第五节 数字水深模型数字水深模型DDMDDM建立建立三、模型修正三、模型修正iipNDiCDiiiiCDiiCDiiiidDZdDWZZWpf,)()(对某些对所有第五节第五节 数字水深模型数字水深模型DDMDDM建立建立三、模型修正三、模型修正第六节第六节 基于人工神经网络水质评价模型建立基于人工神经网络水质评价模型建立一、问题的提出一、问题的提出目前进行水环境质量评价时，存在主要问题包括：目前进行水环境质量评价时，存在主要问题包括：迄今没有一个被大家公认通用的具有可比性的水环迄今没有一个被大家公认通用的具有可比性的水环境质量评价

47、数学模型，各部门进行评价时，选用数学模境质量评价数学模型，各部门进行评价时，选用数学模型的任意性很大，常常造成不能反映本地区污染状态，型的任意性很大，常常造成不能反映本地区污染状态，同时也不便于与其他地区水质状况进行比较；同时也不便于与其他地区水质状况进行比较；多因子综合评价中确定环境因子权重存在任意性，多因子综合评价中确定环境因子权重存在任意性，缺乏比较客观确定环境因子权重的方法研究；缺乏比较客观确定环境因子权重的方法研究；水质评价只能以点代面以点代湖，难以对湖泊进行水质评价只能以点代面以点代湖，难以对湖泊进行二维区域评价和显示。二维区域评价和显示。X1(0)O O O X1(Q)X2(0)

48、O O O X2(Q).:Xn0(0)O O O XnQ(Q)图 7-1：多层 BP 网PpniPppQpipiQExdE1112)(21二、二、BPBP神经网络神经网络0)1()()1()()()(kDkWkWqijqijqijPpqpiqpiijxD1)1()()()(1)1()1()(11qpiqpinkqkiqkqpixxWq1)()()()(,2,1;,2,1;1,1,1qqQpiQpiQpipiQpinjniQQqxxxdBP网络存在的缺陷：1.收敛速度慢2.隐节点无法确定二、二、BPBP神经网络神经网络其它当当)(0)1()()()(0)1()()()()1(11tttOtttt

49、Otttijpjppiijpjppiijij其它当当)(0)1()()(0)1()()()1(22ttttttttijppiijppiiji三、三、BPBP神经网络改进神经网络改进 k k k k O.O.O O.O.O O O wkb wki wkj wkb+bwkj wki+awkj wkb wki wkb+o wkiO O O O O O O O O OBias i j Bias i j bias i bias i 图 7-2 隐节点 i和 j 的合并 图 7-3 隐节点 i 的删除 PpjjpPpiipPpijpipijOOPOOPOjOOOPr1221221111jillklKjKb

50、iKjKijillklkbjKjiKikOWbWWOaWWOWWOWOWNetin,11illklikikbillkikbiKikOWOWWOWWOWNetin11根据 9 个子区年平均监测数据得到实测样本矩阵 X，其单位为 mg/L。喻家湖汤林湖筲箕湖牛草湖庙湖菱角湖后湖郭郑湖水果湖汊45.0807.656.540.27021.0131.0521.1324.084.0831.179.144.14006.0039.0995.0040.061.0906.095.403.27036.0278.0679.1135.005.1728.178.142.13049.0027.0859.0055.047.0