一种三峡库区水体富营养化风险评估预警系统及其分析方法技术方案

本发明专利技术涉及一种三峡库区水体富营养化风险评估预警系统及其分析方法，属于水资源预警技术领域。该系统包括数据采集子系统、预处理子系统、数据分析子系统、富营养化评估子系统、风险预警子系统和辅助子系统。数据采集子系统采集多种类型的指标参数，并将采集的数据存入到数据库中；预处理子系统将采集的数据归类整理及筛选，并进行数据归一化、去量纲处理，为后续的数据分析提供基础。本发明专利技术评估预警客观准确，能及时高效的实现库区水体富营养化趋势分析和风险预警处置，可提高库区水环境监管效率，为库区水环境安全和富营养化防治提供技术支撑；也可应用于其他类似河湖水库的富营养化风险研究。

A Risk Assessment and Early Warning System for Eutrophication in Three Gorges Reservoir Area and Its Analytical Method

The invention relates to a risk assessment and early warning system for eutrophication of water body in the Three Gorges Reservoir Area and an analysis method thereof, belonging to the technical field of water resources early warning. The system includes data acquisition subsystem, pretreatment subsystem, data analysis subsystem, eutrophication assessment subsystem, risk early warning subsystem and auxiliary subsystem. The data acquisition subsystem collects many kinds of index parameters and stores the collected data into the database. The pre-processing subsystem classifies and filters the collected data, normalizes and de-dimensionalizes the data, which provides the basis for subsequent data analysis. The evaluation and early warning method is objective and accurate, can timely and efficiently realize eutrophication trend analysis and risk early warning disposal in reservoir area, can improve the efficiency of water environment supervision in reservoir area, provide technical support for water environment safety and eutrophication prevention in reservoir area, and can also be applied to eutrophication risk research of other similar river and Lake reservoirs.

【技术实现步骤摘要】
一种三峡库区水体富营养化风险评估预警系统及其分析方法
本专利技术属于水资源预警
，涉及一种三峡库区水体富营养化风险评估预警系统及其分析方法。
技术介绍
目前水体富营养化评估预测方法多种多样，主要包括两大类：一类是以数理统计分析为基础的统计模型，如回归分析、灰色决策、人工神经网络法、层次分析与模糊评价法等。这类模型需要的监测数据量大，经过分析计算得到某个监测指标与其它影响因素间的相关性；但由于水质系统是由多个污染变量组成的多层次复杂体系，各指标间具有不同程度的相关性，单个指标只从某一方面反映水质情况，导致上述方法在实际使用中存在一定的缺陷。例如模糊综合评价法无法确定复杂指标体系的权重，权重因子的选择不够客观；人工神经网络法为了提高预测精度需要大量的样本训练，同时易陷入局部最优；灰色决策法易使决策值均化导致方案优选困难；层次分析法的主观判断性较强，可能导致预测结果不准确。另一类是以生态动力学为理论基础的机理模型，如WASP、QUALⅡ、MIKE、SALMO模型，但机理模型通常结构复杂、参数众多。由于富营养化产生机制较为复杂，水体水动力条件、地区气候、水质参数千差万别、基于不同角度的富营养化模型差别较大，数学建模过程繁琐、参数难以估计、数值计算耗时长等限制了模型的运用范围，预测模型的完善度和预测结果的准确度还不尽如人意。随着水质监测手段的日益多元化，海量监测数据间存在着信息冗余及互补，监测数据具有多源异构性、模糊性、不确定性等特征，如何采用适宜的分析方法对监测信息进行全面及时的处理，提高水环境风险评估预警能力已成为急需破解的技术难题。鉴于此，针对三峡库区水体日益突出的富营养化及水华问题，开发一种新的水体富营养化风险评估预警系统及其分析方法显得尤为迫切。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种三峡库区水体富营养化风险评估预警系统及其分析方法，融合多种智能算法提高评估预测模型的精度，实现水质状态实时显示及富营养化演变趋势的远程监管之目的，进而提高库区水质监测与管理的智能化和自动化水平。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种三峡库区水体富营养化风险评估预警系统，包括数据采集子系统、预处理子系统、数据分析子系统、富营养化评估子系统、风险预警子系统和辅助子系统；所述数据采集子系统采集多种类型的指标参数，并将采集的数据存入到数据库中；所述预处理子系统将采集的数据归类整理及筛选，并进行数据归一化、去量纲处理，为后续的数据分析提供基础；所述数据分析子系统采用多种智能算法融合处理数据信息，进行水质参数分析计算；所述富营养化评估子系统进行水体富营养化的定性定量处理，为风险预警提供支撑；所述风险预警子系统分析水体富营养化的风险区域与等级，进行富营养化的险情发布及应急响应决策处置；所述辅助子系统实现系统参数设置、各子系统的控制管理、处理结果的输出查询显示、通讯及远程监控功能。进一步，所述数据采集子系统包括水文信息模块、水质信息模块、气象信息模块和地理信息模块，实现库区水文、水质、气象和地理数据的实时自动采集；所述数据采集子系统由若干种传感器检测设备构成，包括多参数水质检测仪、叶绿素a传感器、声学多普勒水流剖面仪、便携式PH仪和便携式DO仪；所述水文信息包括水温、水位、流速和流量；所述水质信息包括TP、TN、DO、CODMN、Chla、透明度、固体悬浮物、pH值和氨氮；所述气象信息包括气温、风速、风向、光照度和降水；所述地理信息包括监测点的位置信息和经纬度坐标；所述数据采集子系统将采集的数据传输到SQL数据库或云端数据库中，便于辅助子系统进行数据查询、比对及远程共享。进一步，所述预处理子系统包括数据筛选模块和数据预处理模块；数据筛选模块将采集的数据进行归类、整理及筛选，数据预处理模块对筛选出的数据作归一化、去量纲处理，在消除不同类型数据间的量纲影响外，保持原始数据中不同指标间的差异性，为降低数据分析的难度和提高分析的效率提供基础；所述数据预处理模块的预处理方法包括比重法、偏差法、对数变换法和平方根变换法。进一步，所述数据分析子系统包括多种智能算法模块和多源信息融合模块；多种智能算法模块采用改进主成分分析融合多元回归算法、遗传算法融合模糊神经网络、粗糙集约简算法及改进支持向量机多种智能算法融合处理数据信息，进行水质参数分析计算，并将计算结果以图表形式表现出来；通过多源信息融合消除监测信息间的冗余和矛盾,以获得水体监测更完整精确的判断信息，从而降低评估预警推理的模糊程度，和提高评估预警信息的分辨率和时空监测范围。进一步，所述富营养化评估子系统包括评估标准模块和富营养化定性定量评估模块；评估标准模块为富营养化评估提供依据和标准，包括综合营养状态指数标准、叶绿素a浓度标准和营养度评分法；富营养化定性定量评估模块对监测水体进行富营养化的评估分析，得出水体富营养化水平，形成直观显示的富营养化状态变化图，为后续的风险预警提供基础。进一步，所述风险预警子系统包括预警模型、风险等级模块、险情发布模块及应急决策模块；所述预警模型采用模糊神经网络、贝叶斯决策和无监督学习模式的方法构建适合库区水体特征的预警模型，并对水体富营养化状况进行模拟和预测，通过对富营养化变化因素及过程的分析，对其未来发展状况进行风险预警；风险等级模块设置4级预警区间：无富营养化危险、轻度富营养化危险、中度富营养化危险、重度富营养化危险，分别用蓝色、黄色、橙色、红色进行等级显示标识；同时，对预测得到的风险区域与风险等级进行分类登记备案；险情发布模块对不同富营养化风险等级对应的风险分布范围区域、可能的危害程度通过辅助子系统的通讯模块及时上传下达，使决策者掌握富营养化发展趋势，以便制定下一步的应急方案；应急决策模块根据风险预警等级采取相应的应急响应措施，进行及时准确的处置，将富营养化危害的程度和范围减小到最低。进一步，所述辅助子系统包括系统设置模块、结果显示模块、通讯模块和远程监控模块；所述系统设置模块实现系统参数设置、系统权限管理和查询服务功能；结果显示模块将富营养化动态变化过程及风险评估预警结果以曲线图、条形图、数据报表和音频视频的形式在显示终端进行显示，所述的显示终端主要有广播、电视、网络媒体、LED显示屏、手机和电脑；通讯模块包括北斗或GPS定位单元，以及GPRS或无线通讯单元，实现水质监测点位置及检测数据的信息沟通，便于网络环境下信息的查询、下载和共享；远程监控模块将监测点的水质检测信息传输至上级监管中心，以及各监测点进行组网实现水质监测的数字化和网络化，提高监测水平。一种三峡库区水体富营养化风险评估预警分析方法，该方法包括以下步骤：S1：根据系统参数设置，进行库区水体监测指标参数采样，获得不同类型的数据信息，同时将采样信息存入数据库；S2：对数据库中的数据进行归类整理和筛选，获得需要进行分析处理的数据类型，然后采用比重法和偏差法预处理方法进行数据预处理，消除不同数据类型间量纲的影响，并保持数据间的差异化信息；S3：采用多种智能算法融合处理数据信息，并通过多源信息融合技术消除信息间的冗余和提高评估预警信息的分辨率；S4：根据富营养化评估标准，由分析处理的数据得出水体富营养化实时状态及动态演变趋势，为风险预警提供基础；S5：按照预警模型进行富营养化模拟本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三峡库区水体富营养化风险评估预警系统，其特征在于：包括数据采集子系统、预处理子系统、数据分析子系统、富营养化评估子系统、风险预警子系统和辅助子系统；所述数据采集子系统采集多种类型的指标参数，并将采集的数据存入到数据库中；所述预处理子系统将采集的数据归类整理及筛选，并进行数据归一化、去量纲处理，为后续的数据分析提供基础；所述数据分析子系统采用多种智能算法融合处理数据信息，进行水质参数分析计算；所述富营养化评估子系统进行水体富营养化的定性定量处理，为风险预警提供支撑；所述风险预警子系统分析水体富营养化的风险区域与等级，进行富营养化的险情发布及应急响应决策处置；所述辅助子系统实现系统参数设置、各子系统的控制管理、处理结果的输出查询显示、通讯及远程监控功能。

【技术特征摘要】
1.一种三峡库区水体富营养化风险评估预警系统，其特征在于：包括数据采集子系统、预处理子系统、数据分析子系统、富营养化评估子系统、风险预警子系统和辅助子系统；所述数据采集子系统采集多种类型的指标参数，并将采集的数据存入到数据库中；所述预处理子系统将采集的数据归类整理及筛选，并进行数据归一化、去量纲处理，为后续的数据分析提供基础；所述数据分析子系统采用多种智能算法融合处理数据信息，进行水质参数分析计算；所述富营养化评估子系统进行水体富营养化的定性定量处理，为风险预警提供支撑；所述风险预警子系统分析水体富营养化的风险区域与等级，进行富营养化的险情发布及应急响应决策处置；所述辅助子系统实现系统参数设置、各子系统的控制管理、处理结果的输出查询显示、通讯及远程监控功能。2.根据权利要求1所述的一种三峡库区水体富营养化风险评估预警系统，其特征在于：所述数据采集子系统包括水文信息模块、水质信息模块、气象信息模块和地理信息模块，实现库区水文、水质、气象和地理数据的实时自动采集；所述数据采集子系统由若干种传感器检测设备构成，包括多参数水质检测仪、叶绿素a传感器、声学多普勒水流剖面仪、便携式PH仪和便携式DO仪；所述水文信息包括水温、水位、流速和流量；所述水质信息包括TP、TN、DO、CODMN、Chla、透明度、固体悬浮物、pH值和氨氮；所述气象信息包括气温、风速、风向、光照度和降水；所述地理信息包括监测点的位置信息和经纬度坐标；所述数据采集子系统将采集的数据传输到SQL数据库或云端数据库中，便于辅助子系统进行数据查询、比对及远程共享。3.根据权利要求1所述的一种三峡库区水体富营养化风险评估预警系统，其特征在于：所述预处理子系统包括数据筛选模块和数据预处理模块；数据筛选模块将采集的数据进行归类、整理及筛选，数据预处理模块对筛选出的数据作归一化、去量纲处理，在消除不同类型数据间的量纲影响外，保持原始数据中不同指标间的差异性，为降低数据分析的难度和提高分析的效率提供基础；所述数据预处理模块的预处理方法包括比重法、偏差法、对数变换法和平方根变换法。4.根据权利要求1所述的一种三峡库区水体富营养化风险评估预警系统，其特征在于：所述数据分析子系统包括多种智能算法模块和多源信息融合模块；多种智能算法模块采用改进主成分分析融合多元回归算法、遗传算法融合模糊神经网络、粗糙集约简算法及改进支持向量机多种智能算法融合处理数据信息，进行水质参数分析计算，并将计算结果以图表形式表现出来；通过多源信息融合消除监测信息间的冗余和矛盾,以获得水体监测更完整精确的判断信息，从而降低评估预警推理的模糊程度，和提高评估预警信息的分辨率和时空监测范围。5.根据权利要求1所述的一种三峡库区水体富营养化风险评估预警系统，其特征在于：所述富营养化评估子系统包括评估标准模块和富营养化定性定量评估模块；评估标准模块为富营养化评估...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈昭明，王伟，邹劲松，赵迎，
申请(专利权)人：中国科学院重庆绿色智能技术研究院，
类型：发明
国别省市：重庆,50