(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111577940.3 (22)申请日 2021.12.21 (71)申请人 广东工业大 学 地址 510006 广东省广州市番禺区广州大 学城外环西路10 0号 (72)发明人 徐志豪　李韵莹　徐春媛　范文杰　 (74)专利代理 机构 苏州言思嘉信专利代理事务 所(普通合伙) 32385 代理人 安琳 (51)Int.Cl. G06Q 10/04(2012.01) G06Q 10/06(2012.01) C02F 3/32(2006.01) E02B 1/00(2006.01) A01D 44/00(2006.01)C02F 103/00(2006.01) (54)发明名称 一种面向草型湖泊水质 提升的生态补水优 化方法 (57)摘要 本发明公开了一种面向草型湖泊水质提升 的生态补水优化方法， 包括以下步骤： (1)建立湖 泊水量平衡方程并划分淹没区； (2)确定湖泊内 满足植物生长需求的面积； (3)计算整个湖泊植 物群落吸收及根系反硝化作用去除的氮、 磷量； (4)建立湖泊氮、 磷物质平衡方程； (5)采用栖息 地模拟法确定湖泊每月最低生态水位； (6)通过 频率分析方法确定湖泊水位波动幅度的适宜区 间； (7)建立生态补水优化模型； (8)求解该非线 性、 多约束的优化模型。 有 益效果是， 最大程度发 挥植物自身的水质净化功能； 修复水环境同时节 约水资源。 权利要求书3页 说明书8页 CN 114282720 A 2022.04.05 CN 114282720 A 1.一种面向草型湖泊水质提升的生态补水优化方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤(1)： 构建湖 泊水量平衡方程， 来水主要包括上游河道入流、 降雨和生态补水， 水量 损失主要包括蒸散发、 河道出流和底部渗漏， 其中， 每月的生态补水量是优化变量。 划分两 种淹没区， 即持续性淹没区与间歇性淹没区， 最低月水位对应的水面面积即为持续性淹没 区面积， 当月水面 面积与最低月水位对应面积的差值即为当月间歇性淹没区面积； 步骤(2)： 根据植物生长的适宜水深区间， 结合植物发芽期的水位， 确定湖泊中适宜植 物生长的面积， 该面积即为植物生长面积的上限阈值； 为权衡植物对营养盐的吸收与蒸腾 作用耗水， 采用分期收割 方式， 即逐月收割一部分植物； 在植物生长期末， 将所有植物收割 完成， 以防止植物死亡而导致吸收的营养盐重新向水体释放； 生长期内每月收割比例为w1, w2,…wT(T为植物生长季包 含的总月数)， 所有月份收割比例总和为10 0％； 步骤(3)： 考虑持续性淹没区与间歇性淹没区的差异， 根据不同区域植物生长速率的测 定结果， 计算整个湖泊植物群落生长的氮、 磷吸收量； 同时， 根据不同淹没区微生物反硝化 作用强度的测定结果， 计算整个湖泊反硝化作用的氮去除量； 步骤(4)： 构建湖泊总氮与总磷的物质平衡方程， 植物吸收是草型湖泊水体营养盐去除 的关键途径， 同时氮的去除途径还包括微生物反硝化作用和氨挥发； 此外， 部分氮、 磷营养 物质沉降到底泥中埋藏； 氮、 磷来源主要包括上游河道入流、 大气沉降以及补水水体携带的 少量营养物质； 步骤(5)： 采用栖息地模拟法确定湖泊每月最低生态水位， 以物种丰富度为指标， 基于 历史资料， 建立物种丰富度与水位间的关系， 根据物种保护需求确定每月最低生态水位； 步骤(6)： 基于湖泊多年历史水文资料， 采用频率分析方法， 以频率达到80％以上的区 间， 作为湖泊水位波动幅度的适宜区间； 步骤(7)： 建立生态补水优化模型， 优化变量是湖泊每月的生态补水量以及植物生长期 内逐月收割比例； 优化目标是： 最小化所需的年生态补水总量， 同时达到湖泊水质提升目 标， 即控制 湖泊氮、 磷 浓度满足相应的国家水质标准； 步骤(8)： 采用自适应遗传算法求解优化模型， 遗传算法需设置的参数及其通常取值区 间是： 初始群体大小100～1000、 最大迭代次数100～1000、 交叉概率0.4～0.99和变异概率 0.001～0.1； 通过遗传算法求 解步骤(7)的优化模型， 即可确定每月的最佳生态补水量。 2.根据权利要求1所述的一种面向草型湖泊水质提升的生态补水优化方法， 其特征在 于， 所述湖泊水量平衡方程 为： Vt＝Vt‑1+It+Pt+EFt–EVt–Ot–Dt 其中， Vt是t月份的湖泊水量(m3)， It是上游河道入流量(m3)， Pt是降雨量(m3)， EFt是t月 份的生态补水量(m3)， EVt是蒸散发损失水量(m3)， Ot是湖泊出流量(m3)， Dt是底部渗漏量 (m3)。 3.根据权利要求2所述的一种面向草型湖泊水质提升的生态补水优化方法， 其特征在 于， 水量与水位的关系方程 为： Vt＝a1×Lt2+b1×Lt+c1 水面面积与水位的关系方程 为： St＝a2×Lt2+b2×Lt+c2 持续性淹没区面积计算方程 为：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114282720 A 2SC＝a2×Lmin2+b2×Lmin+c2 当月间歇性淹没区面积计算方程 为： SJt＝St–SC 其中， Lt是湖泊t月份的水位(m)， Lmin是最低月水位(m)， St是t月份的湖泊水面面积 (m2)， SC是持续性淹没区面积(m2)， SJt是间歇性淹 没区面积(m2)， a1、 b1、 c1、 a2、 b2和c2是通过 拟合确定的湖泊参数。 4.根据权利要求3所述的一种面向草型湖泊水质提升的生态补水优化方法， 其特征在 于， 步骤(3)中植物生长的氮吸 收量计算方程 为： NZ,t＝nct×ASC,t+njt×ASJ,t 植物生长的磷吸 收量计算方程 为： PZ,t＝pct×ASC,t+pjt×ASJ,t 湖泊内反硝化作用去除的氮量计算方程 为： NF,t＝nfct×ASC,t+nfdt×(SC‑ASC,t)+nfjt×ASJ,t+nfkt×(SJt‑ASJ,t) NZ,t和PZ,t分别是t月份植物吸收的总氮和总磷量(kg)， nct(pct)和njt(pjt)分别是持续 性和间歇性淹没区单位面积植物的氮(磷)吸收能力(kg/m2)， ASC,t和ASJ,t分别是持续性和间 歇性淹没区面积(m2)， NF,t是湖泊内反硝化作用去除的氮量(kg)， nfct和nfjt分别是有植物 生长的持续性和间歇性淹没区反硝化作用强度(kg/m2)， nfdt和nfkt分别是无植物 生长的持 续性和间歇性淹没区反硝化作用强度(kg/m2)。 5.根据权利要求4所述的一种面向草型湖泊水质提升的生态补水优化方法， 其特征在 于， 步骤(4)中湖泊总氮 物质平衡 计算方程 为： Nt＝Nt‑1+NI,t+NA,t+NE,t–NZ,t–NF,t–NH,t–NC,t–ND,t 其中， Nt是t月份湖泊水体中的总氮量(kg)， NI,t是河道入 流的氮负荷(kg)， NE,t是补水水 体携带的氮负荷(kg)， NA,t是大气沉降的氮量(kg)， NC,t是湖泊出流的氮量(kg)， ND,t是沉降 到底泥中埋 藏的氮量(kg)， NH,t是氨气挥发去除的氮量(kg)。 6.根据权利要求5所述的一种面向草型湖泊水质提升的生态补水优化方法， 其特征在 于， 步骤(4)中总磷物质平衡 计算方程 为： Pt＝Pt‑1+PI,t+PE,t–PZ,t–PC,t–PD,t 其中， Pt是t月份湖泊水体中的总磷 量(kg)， PI,t是河道入 流的磷负荷(kg)， PE,t是补水水 体携带的磷负荷(kg)， PC,t是湖泊出流的磷量(kg)， PD,t是沉降到底泥中埋 藏的磷量(kg)。 7.根据权利要求6所述的一种面向草型湖泊水质提升的生态补水优化方法， 其特征在 于， 步骤(4)中， 补水 水体中携带的氮负荷(kg)计算方式为： NE,t＝nE,t×EFt 补水水体携带的磷负荷计算方式为： PE,t＝pE,t×EFt 其中， nE,t和pE,t是补水水体的氮、 磷 浓度(kg/m3)。 8.根据权利要求7所述的一种面向草型湖泊水质提升的生态补水优化方法， 其特征在 于， 步骤(6)中湖泊水位波动的适宜区间计算方式为： UB≥max(Lt)–min(Lt)≥LB 其中， UB和LB分别是湖泊水位波动的适宜区间上、 下限(m)。权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114282720 A 3