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湖泊富营养化响应与流域优化调控决策的模型研究进展 被引量：23
1
作者 刘永 蒋青松 +5 位作者 梁中耀 吴桢 刘晓钰 冯秋园 邹锐 郭怀成 《湖泊科学》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第1期49-63,共15页
湖泊富营养化是全球水环境领域面临的长期挑战,富营养化响应与流域优化决策模型是制定经济和高效调控方案的关键.然而已有的模型研究综述主要集中于模型开发、案例应用、敏感性分析、不确定性分析等单一方面,而缺少针对非线性响应、生... 湖泊富营养化是全球水环境领域面临的长期挑战,富营养化响应与流域优化决策模型是制定经济和高效调控方案的关键.然而已有的模型研究综述主要集中于模型开发、案例应用、敏感性分析、不确定性分析等单一方面,而缺少针对非线性响应、生态系统长期演变等最新湖泊治理挑战的研究总结.本文对数据驱动的统计模型、因果驱动的机理模型和决策导向的优化模型进行了综述.其中,统计模型包含经典统计、贝叶斯统计和机器学习模型,常用于建立响应关系、时间序列特征分析以及预报预警;机理模型包含流域的水文与污染物输移模拟以及湖泊的水文、水动力、水质、水生态等过程的模拟,用于不同时空尺度的变化过程模拟,其中复杂机理模型的敏感性分析、参数校验、模型不确定性等需要较高的计算成本;优化模型结合机理模型形成“模拟优化”体系,在不确定性条件下衍生出随机、区间优化等多种方法,通过并行计算、简化与替代模型可一定程度上解决计算时间成本的瓶颈.本文识别了湖泊治理面临的挑战,包括:①如何定量表征外源输入的非线性叠加和湖泊氮、磷、藻变化的非均匀性?②如何提高优化调控决策和水质目标的关联与精准性?③如何揭示湖泊生态系统的长期变化轨迹与驱动因素?最后,本文针对这些挑战提出研究展望,主要包括:①基于多源数据融合与机器学习算法以提升湖泊的短期水质预测精度;②以生物量为基础的机理模型与行为驱动的个体模型的升尺度或降尺度耦合以表达多种尺度的物质交互过程;③机器学习算法与机理模型的直接耦合或数据同化以降低模拟误差;④时空尺度各异的多介质模拟模型融合以实现精准和动态的优化调控. 展开更多
关键词 湖泊富营养化 非线性 统计模型 机理模型 优化模型 模型融合
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基于贝叶斯优化的三维水动力-水质模型参数估值方法 被引量：17
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作者 任婷玉 梁中耀 +1 位作者 刘永 邹锐 《环境科学学报》 CAS CSCD 北大核心 2019年第6期2024-2032,共9页
随着水质目标管理要求的提升,基于复杂的三维水动力-水质模型的决策成为流域精准治理的必需.水质模型通常具有复杂的结构,包含大量的方程和参数,而参数取值的准确性会影响模型对水体系统表征的可靠性,进而影响根据模型结果进行水环境管... 随着水质目标管理要求的提升,基于复杂的三维水动力-水质模型的决策成为流域精准治理的必需.水质模型通常具有复杂的结构,包含大量的方程和参数,而参数取值的准确性会影响模型对水体系统表征的可靠性,进而影响根据模型结果进行水环境管理的效果,因此,有必要探究适用于复杂水质模型的高效参数估值方法.传统的自动参数估值方法应用于复杂的水质模型时会面临计算瓶颈,而贝叶斯优化适用于高运算成本模型的优化问题.本研究提出基于贝叶斯优化的复杂水质模型参数估值方法,主要包括:①重要影响参数识别;②重要参数敏感性排序与筛选;③采用贝叶斯优化对筛选出的参数进行估值;④方法的适用性评估.同时,将该方法应用于云南异龙湖的三维水动力-水质模型的参数估值中,发现进行参数估值后模型lg(NSE)均大于0.65,表明模型达到了满意的级别.研究表明,当贝叶斯优化算法的采集函数为EI时,仅需要141次迭代lg(NSE)即可达到0.766,该方法对复杂水质模型的参数估值具有一定的借鉴意义. 展开更多
关键词 水质模型 参数估值 贝叶斯优化 高斯过程 采集函数
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基于数值模拟的负荷削减–水体水质响应的非线性强度指标
3
作者 苏晗 邹锐 +3 位作者 梁中耀 叶瑞 王志芸 刘永 《北京大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第4期695-703,共9页
基于现有研究中典型的水质响应非线性行为,定义基于交叉样本熵、傅里叶变化、乱序计数和调整R2的4种负荷削减–水质响应非线性强度指标。在典型水质响应样本的基础上进行指标的计算和比选,为基于数值模拟的水质管理提供可参考的非线性... 基于现有研究中典型的水质响应非线性行为,定义基于交叉样本熵、傅里叶变化、乱序计数和调整R2的4种负荷削减–水质响应非线性强度指标。在典型水质响应样本的基础上进行指标的计算和比选,为基于数值模拟的水质管理提供可参考的非线性强度衡量指标和非线性判断依据。研究结果表明,4种水质响应非线性强度指标虽然有一定的重叠,但不可以互相替代,它们分别指示季节差异、峰值变化、短期水质恶化以及水质均值变化等不同类型的非线性行为。结合计算结果,给出使用4种非线性指标判断非线性行为的方法,并讨论非线性定义的局限性以及所提指标的应用前景。研究结果有助于进一步区分和认识水体水质响应不同类型的非线性行为,以便针对非线性水质响应行为的特定类型进行分析。 展开更多
关键词 非线性 水质响应 负荷削减 数值模拟
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滇池溶解氧浓度变化的氮磷循环响应模拟研究 被引量：3
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作者 胡梦辰 朱滔 +5 位作者 蒋青松 邹锐 吴桢 张晓玲 叶瑞 刘永 《北京大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第3期481-488,共8页
基于滇池外海的三维水动力‒水质模型,模拟湖泊水动力及水质的动态过程,识别湖泊水体中溶解氧特征,并通过设置外部负荷削减情景,探究溶解氧浓度对底泥内源释放以及氮磷循环的影响。结果表明:1)由于藻类爆发与水体氧传输受阻的共同作用,... 基于滇池外海的三维水动力‒水质模型,模拟湖泊水动力及水质的动态过程,识别湖泊水体中溶解氧特征,并通过设置外部负荷削减情景,探究溶解氧浓度对底泥内源释放以及氮磷循环的影响。结果表明:1)由于藻类爆发与水体氧传输受阻的共同作用,滇池底层水体6—9月间存在较严重的缺氧现象;2)溶解氧调控底泥氮、磷营养物质的释放,进而显著地影响底层水体中氮、磷浓度;3)滇池底层缺氧状况的改善对外部负荷削减要求较高;4)底泥的磷吸收‒释放平衡点溶解氧浓度约为3.3 mg/L,滇池水体中氮浓度的变化更易受外源负荷作用影响。 展开更多
关键词 水质模型 溶解氧 氮磷循环 底泥释放 滇池
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