关键词:
水环境
河床演变
数值模拟
水动力水质模型
数据驱动模型
遗传算法
支持向量机
模型集成
决策支持系统
闽江河口
摘要:
河口地区是人口最为密集、人类社会经济活动最为频繁的地区之一。在经济社会高速发展的同时,河口地区水环境也遭到人类剧烈活动的干扰和破坏,制约了河口地区的可持续发展。利用数学模型模拟分析河口水环境特征及其变化过程,能够系统地揭示河口水环境变化规律;在此基础上,将多种异构水环境模型进行统一集成,构建河口水环境决策支持系统,为河口水环境管理提供强有力的决策支持,是河口水环境管理重要的非工程措施,具有重要的理论意义和应用价值。本文以闽江河口为研究区,主要从四个方面开展研究工作。(1)基于闽江河口实测的水下地形资料,采用水位、流速等水文观测资料和CODMn浓度、NH3-N浓度等水质观测资料对模型进行率定,建立二维水动力水质模型;设计多个典型情景,对闽江河口水动力和水质的时空分布特征及其运动变化规律进行分析。(2)采用GIS技术,从河道深泓线和断面高程变化两个方面,分析了近年来闽江河口河床演变特征;应用己率定好的水动力水质模型,研究在人类活动剧烈干扰条件下,河床演变的水动力水质响应。(3)采用人工智能的方法构造基于遗传算法和支持向量机的数据驱动模型,以径流量、高潮位和前期盐度为盐度变化主要影响因素,提出并建立了基于遗传支持向量机的河口盐度预报模型,应用于闽江河口盐度预报。(4)提出面向水环境领域知识的模型本体的XML模型表示,结合云计算、WebGIS等多种先进计算机技术搭建系统框架,将多种异构水环境模型一体化集成到系统框架中,开发河口水环境决策支持系统。研究结果表明:(1)二维水动力水质模型可以较好地反映闽江河口水动力和水质的运动变化规律。(2)闽江河口河床演变空间差异明显,南港下切严重、干流次之、北港较为稳定。(3)剧烈的河床演变导致南北港分流比发生显著变化,即使在枯水期间,南港分流比也明显大于北港;在平水和枯水条件下,潮区界、潮流界均己上溯至水口坝下;低潮位显著下降,潮差增大;流量变化幅度加大。(4)南港水质较好;北港水质较差,污染物在一个潮周期过程中呈现往复游荡的特征,金山大桥至马尾河段污染带较为突出。河床演变的水质响应模拟结果表明,在相同的边界条件下,相比于2003年,2013年南港水质略有好转,北港水质有些恶化,污染物浓度升高,污染物上溯距离加大。(5)利用遗传算法可以有效地对支持向量机参数进行优化,所构建的基于遗传支持向量机河口盐度预报模型能够根据高潮位、径流量和前期盐度成功地对闽江河口盐度进行预报;与传统的SVM模型和BP神经网络对比,GA-SVM具有更优的预报精度和计算性能。(6)使用面向水环境领域知识的模型本体的XML模型表示,对异构水环境模型进行统一抽象表达,实现异构水环境模型一体化集成,成功地开发了一个河口水环境决策支持系统,应用于闽江河口水环境管理。系统简化了繁杂的专业操作,强化了模型的模拟和预报能力,为闽江水务管理部门提供决策支持。