[發明專利]一種基于藻類生物等效能量模型的水華趨勢預估方法

有效

• 申請號: 202110007253.1
• 申請日: 2021-01-05
• 公開（公告）號: CN112817950B
• 公開（公告）日: 2022-08-16
• 發明（設計）人: 周紅華
• 申請（專利權）人: 福建省廈門環境監測中心站（九龍江流域生態環境監測中心）
• 主分類號: G06F16/215
• 分類號: G06F16/215;G06F17/11;G06Q10/04
• 代理公司: 廈門市首創君合專利事務所有限公司 35204
• 代理人: 連耀忠;王婷婷

本發明公開了一種基于藻類生物等效能量模型的水華趨勢預估方法，所述方法包括：篩選出有效特征樣本；定義水華的生物等效能量，獲取有效樣本中的葉綠素α濃度和藻密度連續數據，進行前后2日平均值修正擬合和隨機增長率進行增強型尖角圓滑修正；根據所述日平均值修正數據得到水華趨勢的等效勢能，根據所述修正后的相對增長率得到水華趨勢的等效動能；依據水華的生物等效能量模型，利用水華趨勢的等效勢能和水華趨勢的等效動能，得到生物相對增長能量，進行水華趨勢的預估。且本發明提出的生物等效能量模型，對水華形成的過程的數學描述更符合實際且簡易通用，使水華趨勢預判更加準確，提高了預測方法的適應性。

技術領域

本發明涉及水環境預測技術領域(生物-物理-數學建模)，特別是指基于藻類生物等效能量的水華趨勢預估方法。

背景技術

目前針對基于時序隨機數，例如對水體中藻類水華爆發短期預測較困難,主要原因是要準確預測短期水華的爆發比較困難。因為水體當中的藻類增殖過程非常復雜。盡管很多生物是進行指數增長，例如微囊藻Microcystis，細胞一分為二，二分四……；但是也有一些藻類，如通過藻殖段分裂的絲狀藍藻，以及通過孢子分裂的硅甲藻和綠藻，并不是嚴格的指數增殖,而是按照一定時間后暴增的高倍指數增長；同時，水體中有增殖的也有不增殖的藻類，在同一水體中受到多種條件的影響，實時的水體整體相對增長率指數極難確定，但都有各自量累積的過程。目前利用神經網絡計算繁復，無簡易實用有效的方法，且僅至靜態穩定湖庫短期預測實現，對于目前準確預測湖庫河流匯流短期水華的爆發的報道沒有發現。

發明內容

本發明的主要目的在于克服現有技術中的上述缺陷，提出一種基于藻類生物等效能量模型的水華趨勢預估方法，模型簡單且預測準確，實現通用的更加簡易藻類生物整體預測。

本發明采用如下技術方案：

一種基于藻類生物等效能量模型的水華趨勢預估方法，包括如下步驟：

利用水質監測數據指標，根據影響水華的因素，篩選出有效特征樣本；

定義水華的生物等效能量，獲取有效樣本中的葉綠素α濃度和藻密度連續數據，進行前后兩日平均值修正擬合，過濾平滑數據隨機性，得到日平均值修

正數據，并采用乘積平方根平滑法對前后兩日的葉綠素α濃度和藻密度隨機增長率進行修正，得到修正后的相對增長率；

根據所述日平均值修正數據得到水華趨勢的等效勢能，根據所述修正后的相對增長率得到水華趨勢的等效動能，利用水華趨勢的等效勢能和水華趨勢的等效動能計算得出生物等效增長能量；并利用水華形成初始的歷史有效等效勢能設定預測目標值；

依據水華的生物等效能量模型，利用水華趨勢的等效勢能和水華趨勢的等效動能，進行水華趨勢的預估。

具體地，所述影響水華的因素包括但不限于：溫度、氮水平和磷水平。

具體地，定義水華的生物等效能量，具體為：

根據愛因斯坦質能公式：

E＝mc²

ΔE＝Δmc²

Δm(t)＝m(t)-m(t-Δt)＝m(t-Δt)r(t)Δt

令：E_b＝m(t-Δt)R(t)

e_b＝m(t-Δt)r(t)

r(t)＝R(t)-1

其中，E為藻類生物能量，m代表質量，c代表光的速度，近似值為3×10^8m/s，R(t)為時序增長率，r(t)為時序相對增長率，定義E_b為單位時間水華等效能量，定義e_b為單位時間水華動勢能乘積能量因子，簡稱生物等效增長能量。