[发明专利]一种水环境数据分析方法

权利要求书

1.一种水环境数据分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、基线确定方法；

步骤S101：河流岸线确定

在GIS地图上，根据河流具体形状，描绘河流的岸线；

步骤S102：河流基线确定

河流以中轴线为基线；

步骤S103：湖泊基线绘制方法

以距离湖泊岸线等距的线为湖泊基线；在GIS地图上显示湖泊基线；

步骤二、梯度线确定方法；

步骤S201：河流梯度线

河流梯度线是以河流基线为核心，在同一个时间点检测指标相同的一组平行线；

步骤S202：河流中污染排放梯度线

河流中污染排放梯度线是以污染物排放点为核心，以河流水流方向为偏移方向，以河流基线为变一线的一组曲线；

步骤三、检测点数据时间插值方法；

步骤S301：单指标单检测点数据插值

针对每一个检测指标，任选一个检测点，即以该检测点所采集的每个实际检测指标为基础，采用拉格朗日插值法、牛顿插值法、埃尔米特插值法、分段多项式插值法或样条插值法按时间进行数据插值，将空缺的时间数值补全，补全的数据注明插值；

步骤S302：多点补全

重复步骤S301，把整个流域的该项检测指标所有检测点的全时段检测数据补全，形成该检测指标全时段检测数据集MDX；

步骤S303：多项指标补全

遍历不同的检测指标，重复步骤S301至步骤S302，把所有检测指标数据补全，形成全检测指标全时段检测数据集ZMDX；

步骤S304：基线检测值

默认每个检测点的检测值即为该基线与检测点交汇处的检测值；

步骤四、稳态查找方法；

步骤S401：稳态定义

针对某一个检测点，检查某一个检测指标的数据集C_n；

C_n＝{(ZTW₁，T₁)，(ZTW₂，T₂)，…，(ZTW_n，T_n)}；

式中，Cn为检测指标的数据集，该数据集按时间顺序排列；ZTW₁为该检测点第1个检测值；T₁为该检测点记录的第1个检测时间；ZTW₂为该检测点第2个检测值；T₂为该检测点记录的第2个检测时间；ZTW_n为该检测点第n个检测值；T_n为该检测点记录的第n个检测时间；T₁T₂…T_n；

如果在同一检测点连续n小时以上的检测值在检测指标的误差范围之内，计算该检测指标的平均值ZTWV，则认为在该检测点处为时间稳态，定义稳态起始时间为TW1，稳态截止时间为TW2；

步骤S402：稳态确定规则

检查该检测指标的数据集C_n，任取一点m，其检测值为(ZTW_m，T_m)，以时间点T_m沿时间轴向前查找，查找到k点时，如果ZTW_k-ZTWV检测误差值，则将k点的时间点T_k赋值到变量TWS1中，定义为稳态起始时间；如果k点的时间点为T₁，且该点检测值满足上述条件，则TWS1＝T₁；

式中：m点为起始检查点；P点为截止检查点；m点与p点之间的检测数据为稳态数据；

检查该检测指标的数据集C_n，从m点沿时间轴向后查找，查找到k点时，如果ZTW_k-ZTWV检测误差值，则将k点的时间点T_k赋值到变量TWE1中，定义为稳态起始时间；如果k点的时间点为T_n，且该点检测值满足上述条件，则TWE1＝T_n；

步骤S403：稳态特征

针对步骤S402中的该检测点该项检测指标，指定时间差TWE1-TWS1和该检测指标平均值ZTWV为该检测点该项检测指标的特征稳态时间；

步骤S404：全域稳态查找

针对不同检测点，检查该检测指标的数据集，重复步骤S401-S403，确定不同检测点的稳态起始时间TWS1和稳态截止时间TWE1；

步骤S405：全指标稳态查找

针对不同检测指标，重复步骤S401至步骤S404，确定不同检测点不同检测指标的稳态起始时间TWS1和稳态截止时间TWE1；

步骤S406：数据归集

整合步骤S401至步骤S405中获得的数据，归集到全检测指标全时段检测数据集ZMDX中；

步骤五、递增暂态查找方法；

步骤S501：递增暂态定义

针对某一个检测点，检查某一个检测指标的数据集C_n，如果同一检测点连续n小时以上的检测值是连续递增的，且其起止时间的检测值的增加值大于检测误差值，则认为该检测点为递增暂态，定义递增暂态起始时间为TZ1，递增暂态截止时间为TZ2；

步骤S502：递增暂态查找规则

检查该检测指标的数据集C_n，任取一点m，其检测值为(ZTW_m，T_m)，以时间点T_m沿时间轴向前查找，查找到k点时，如果(ZTW_k-ZTW_k-1+检测误差值/2)0，则将k点的时间点T_k赋值到变量TZS1中，定义为递增起始时间；如果k点的时间点为T₁，且该点检测值满足上述条件，则TZS1＝T₁；

检查该检测指标的数据集C_n，从m点沿时间轴向后查找，查找到k点时，如果(ZTW_k-ZTW_k+1+检测误差值/2)0，则将k点的时间点T_k赋值到变量TZE1中，定义为递增起始时间；如果k点的时间点为T_n，且该点检测值满足上述条件，则TZE1＝T_n；

步骤S503：递增特征

针对步骤S502中的该检测点该项检测指标，指定时间差TZE1-TZS1为该检测点该项检测指标的特征递增时间；

步骤S504：全域递增暂态查找

针对不同检测点，检查该检测指标的数据集，重复步骤S501-S503，确定不同检测点的递增暂态起始时间TZS1和递增暂态截止时间TZE1；

步骤S505：全指标递增暂态查找

针对不同检测指标，重复步骤S501至步骤S504，确定不同检测口不同检测指标的递增暂态起始时间TZS1和递增暂态截止时间TZE1；

步骤S506：递增暂态关联关系查找

计算出每个检测点与其下游的所有检测点之间的关联关系，包括两个检测点之间的距离、递增暂态起始时间TZS1差值和递增暂态截止时间TZE1差值，以及检测指标的增长梯度比例关系、起始值比例关系、峰值比例关系、时间延迟值和检测值衰减系数；

步骤S507：数据归集

整合步骤S501至步骤S506中获得的数据，归集到全检测指标全时段检测数据集ZMDX中；

步骤六、递减暂态查找方法；

步骤S601：递减暂态定义

针对某一个检测点，检查某一个检测指标(JC)的数据集(MDX)，如果同一检测点连续n小时以上的检测值是连续递减的，且其起止时间的检测值的递减值大于检测误差值，则认为该检测点为递减暂态，记载为起始时间记载为TJ1，截止时间记载为TJ2；

步骤S602：递减暂态查找规则

检查该检测指标的数据集C_n，任取一点m，其检测值为(ZTW_m，T_m)，以时间点T_m沿时间轴向前查找，查找到k点时，如果(ZTW_k-ZTW_k-1+检测误差值/2)0，则将k点的时间点T_k赋值到变量TJS1中，定义为递减起始时间；如果k点的时间点为T₁，且该点检测值满足上述条件，则TJS1＝T₁；

检查该检测指标的数据集C_n，从m点沿时间轴向后查找，查找到k点时，如果(ZTW_k-ZTW_k+1+检测误差值/2)0，则将k点的时间点T_k赋值到变量TJE1中，定义为递减起始时间；如果k点的时间点为T_n，且该点检测值满足上述条件，则TJE1＝T_n；

步骤S603：递减特征

针对步骤S602中的该检测点该项检测指标，指定时间差TJE1-TJS1为该检测点该项检测指标的特征递减时间；

步骤S604：全域递减暂态查找

针对不同检测点，检查该检测指标的数据集，重复步骤S601-S603，确定不同检测点的递增暂态起始时间TJS1和递增暂态截止时间TJE1；

步骤S605：全指标递减暂态查找

针对不同检测指标，重复步骤S601至步骤S604，确定不同检测口不同检测指标的递减暂态起始时间TJS1和递减暂态截止时间TJE1；

步骤S606：递减暂态关联关系查找

计算出每个检测点A与其下游的所有检测点B之间的关联关系，包括两个检测点之间的距离、递减暂态起始时间TJS1差值和递减暂态截止时间TJE1差值，以及检测指标的减少斜率、检测指标最大值比例关系即A点最大值与B点最大值的比值、检测指标最小值比例关系即A点最大值与B点最大值的比值、时间延迟值和检测值衰减系数；

步骤S607：数据归集

整合步骤S601至步骤S606中获得的数据，归集到全检测指标全时段检测数据集ZMDX中；

步骤七、波峰、波谷暂态查找方法；

步骤S701：拐点时间查找

从全检测指标全时段检测数据集ZMDX中，任意选取一个检测点的一种检测指标，检测指标对检测时间求导，求出数值为零的检测时间点TJZD；

步骤S702：波峰波谷时间查找

检测指标对检测时间二次求导，如果检测时间点TJZD的二次求导数值大于零，则定义该检测时间点TJZD为峰值点TJFZSJ，如果检测时间点TJZD的二次求导数值小于零，则定义该检测时间点TJZD为波谷点TJBGD；

步骤S703：全域波峰波谷查找

从全检测指标全时段检测数据集ZMDX中，任意选取其他所有检测点的该种检测指标，重复步骤S701至步骤S702，计算出所有检测点的峰值点TJFZSJ和波谷点TJBGD；

步骤S704：相邻检测点关联关系查找

通过流域上下游关系、距离和水流速度，判断流域上下游的相邻两个检测点之间的波峰、波谷时间延迟和检测指标关系；

步骤S705：全指标波峰波谷查找

从全检测指标全时段检测数据集ZMDX中，选取其他检测指标，重复步骤S701至步骤S704，计算出所有检测点所有检测指标的峰值点TJFZSJ和波谷点TJBGD；

步骤S706：数据归集

整合步骤S701至步骤S705获得的数据，归集到全检测指标全时段检测数据集ZMDX中；

步骤八、周期性暂态查找方法；

步骤S801：周期性暂态确定

分析每个检测点每个检测指标的特征稳态、特征递增暂态和特征递减暂态，如果在一定时间段内，特征递增暂态、检测指标波峰值、特征递减暂态和检测指标波谷值四种状态按时间规律重复出现，且发生三次以上周期性变化，则认为该时间段发生了周期性变化，确定周期起始时间TXS1、周期截止时间TXE1、单个周期时间长度TCC、单个周期组成；

所述检测指标波峰值是指某一个检测点在一定时间范围内检测指标检测值的最大值；

所述检测指标波谷值是指某一个检测点在一定时间范围内检测指标检测值的最小值；

步骤S802：周期性暂态关联关系查找

计算出每个检测点与其下游的所有检测点之间的关联关系，包括两个检测点之间的距离、每个周期起始时间TXS1差值和周期截止时间TXE1差值，以及检测指标的减少斜率、波峰值比例关系、波谷值比例关系、时间延迟值和检测值衰减系数；

步骤S803：数据归集

整合步骤S801至步骤S802获得的数据，归集到全检测指标全时段检测数据集ZMDX中；

步骤九、时空延迟计算方法；

步骤S901：断面延迟计算方法

通过流域上下游关系、距离和水流速度，判断流域上下游的相邻两个检测点之间的波峰或波谷时间延迟TJG符合以下关系式，则认为该波峰具有时间和空间的相关性；

式中：S为两个检测点之间的距离，单位：米；Vs为水流速度，单位：米/小时；N为该项检测指标的粘滞因子，无单位；TJFZSJ_下为下游波峰出现时间，单位：小时；TJFZSJ_上为上游波峰出现时间，单位：小时；

步骤S902：粘滞因子计算方法

粘滞因子计算可以用示踪物计算，即水流速度与示踪物在水中速度的比值即为粘滞因子；

步骤S903：波峰衰减因子计算方法

波峰衰减因子为单位长度检测指标的检测值衰减程度，波峰衰减因子的计算公式如下：

式中：C_上为上游检测点的检测指标，单位为该检测指标的法定单位；C_下为由于水流作用使上游检测点的检测波峰转移到下游检测点的检测指标，单位为该检测指标的法定单位；S为两个检测点之间的距离，单位：米；UJ为波峰衰减因子，无单位；

步骤S904：波谷衰减因子计算方法

波谷递增因子为单位长度检测指标的检测值递增程度，波谷衰减因子的计算公式采用公式计算，C_上为上游检测点的检测指标，单位为该检测指标的法定单位；C_下为由于水流作用使上游检测点的检测波峰转移到下游检测点的检测指标，单位为该检测指标的法定单位；S为两个检测点之间的距离，单位：米；UG为波谷衰减因子，无单位；

步骤S905：其他衰减因子计算方法

分别计算出稳态的衰减因子、递增暂态的衰减因子、递减暂态的衰减因子、周期性暂态的衰减因子和非特征衰减因子，

稳态衰减因子：

递增衰减因子：

递减衰减因子：

式中，C_上为上游检测点的检测指标，单位为该检测指标的法定单位；C_下为由于水流作用使上游检测点的检测波峰转移到下游检测点的检测指标，单位为该检测指标的法定单位；S为两个检测点之间的距离，单位：米；

非特征衰减因子采用波峰衰减因子、波谷衰减因子、稳态衰减因子、递增暂态的衰减因子、递减暂态的衰减因子的平均值计算；

非特征衰减因子

式中：a为修订因子，默认为0；

步骤S906：未定状态衰减因子计算方法

未定状态衰减因子采用波峰衰减因子、波谷衰减因子、稳态衰减因子、递增暂态的衰减因子、递减暂态的衰减因子的平均值计算；

未定状态衰减因子

式中：b修订因子，默认为0；

步骤S907：数据归集

整合步骤S901至步骤S906获得的数据，归集到全检测指标全时段检测数据集ZMDX中；

步骤十、基线插值计算方法；

步骤S1001：起、止检测点定义

将河流上游监测点、污染物排放点和湖泊出水口均定义为起始检测点；将河流下游监测点、污染物排放点和湖泊入水口均定义为终止检测点；

步骤S1002：起、止检测点数据整理

在全检测指标全时段检测数据集ZMDX中，分别按照时间顺序，即从原始时间点T0到预测时间点的起始检测点和终止检测点的全部数据；同时将该起始检测点和终止检测点稳态、递增暂态、递减暂态、波峰波谷暂态、周期暂态的衰减因子分别找出来；

步骤S1003：基线时空插值

首先按照起始检测点的起始检测值C_t0起进行全流域插值，选取一种检测指标，在起始检测点，分别根据当前状态(稳态、递增暂态、递减暂态、波峰波谷暂态或周期暂态)，计算出其下游某一个基线点的检测值C_t下，计算公式如下：

式中：S_下为起始检测点沿基线至拟插值点距离，单位：米；V_水为水流速度，单位：米/小时；N为该检测指标的粘滞因子，无单位；t为拟插值时间；UJ为波峰衰减因子，无单位；C_t0起为起始检测点起始检测值C_t0起，单位为该检测指标的法定单位；C_t下为下游某一个基线点的检测值C_t下，单位为该检测指标的法定单位；

步骤S1004：基线时空插值终点确定

重复步骤S1003沿基线进行插值，直至下一个检测点、终止检测点或者时间为当前时间加上预测时长，如果插值遇到污染物排污点时，污染平衡点检测值等于排污口基线实际检测值，后续计算将C_t0起替换成C_t下，计算污染平衡点和污染物排污点基线检测值时由污染物排污点实际检测值确定；

步骤S1005：检测点时间误差纠偏

当基线插值时，遇到下一个检测点时，将其时间和检测值与下一个检测点的时间和检测值进行对比，如果稳态特征、递增暂态特征、递减暂态特征、波峰特征、波谷特征或周期性暂态特征存在时间差异超过0.1小时，则调整增减粘滞因子，调整后重新调用步骤S1003，对基线进行插值，直至时间差异小于5％为止，将调整后的粘滞因子进行该河流段标识，并归集到全检测指标全时段检测数据集ZMDX中；

步骤S1006：检点检测值误差纠偏

如果检测值差异超过检测误差值，则调整衰减因子，调整后重新调用步骤S1003，对基线进行插值，直至时间差异小于误差值为止，将调整后的衰减因子进行该河流段标识，并归集到全检测指标全时段检测数据集ZMDX中；

步骤S1007：数据归集

将纠偏后的插值数据归集到全检测指标全时段检测数据集ZMDX中；

步骤S1008：全检测指标数据插值

重复步骤S1003至步骤S1007，将全流域全指标数据沿着基线进行数据插值，并归集到全检测指标全时段检测数据集ZMDX中；

步骤S1009：湖泊污染处理

将湖泊出水口和湖泊入水口分别作为一个检测点对待；

步骤十一、流域检测指标展示方法；

步骤S1101：基线展示

从全检测指标全时段检测数据集ZMDX中，提取一个检测指标在同一个时间点的检测数据，在GIS地图上用该检测指标的检测值对应的颜色展示出来；

步骤S1102：梯度线展示

在基线即河流方向向两岸延伸，沿梯度线形态，从基线检测值向两岸时间和空间延迟插值，展现不同检测点的检测值情况；

步骤S1103：单指标全流域基线展示

重复步骤S1101至步骤S1102，按时间顺序将污染物检测值按照对应的颜色展示，可以按照时间间隔将检测指标的变化展示出来；

步骤S1104：其他检测指标展示

重复步骤S1101至步骤S1103，将其他检测指标展示出来；也可以同时选择两个或者两个以上的指标，按照预先设置的合成颜色，展现两个检测指标的检测值情况。