[发明专利]基于区域地下水流场方向的水质类别评价方法

权利要求书

1.一种基于区域地下水流场方向的水质类别评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，确定需要进行水质类别评价的研究区域，对所述研究区域进行格网化处理，形成r×d＝n₁个网格；其中，r为网格的行数；d为网格的列数；n₁为网格的总数量；确定待研究的至少一种水质监测参数；对于每种水质监测参数，均执行步骤2-步骤6；

步骤2，对于格网化的研究区域，确定n₂个已知采样点以及n₃个未知采样点；其中，n₂+n₃＝n₁；所述已知采样点是指已测量到对应的水质监测参数实测值的采样点；所述未知采样点是指水质监测参数值待求解计算的采样点；所述已知采样点和所述未知采样点均具有位置坐标；

步骤3，n₂个已知采样点的水质监测参数实测值组成数据集M(n₂)；判断数据集M(n₂)是否符合正态分布，如果不符合，则执行步骤4；如果符合，则执行步骤5；

步骤4，对数据集M(n₂)进行数据变换，使其符合正态分布，然后执行步骤5；

步骤5，对于每一个未知采样点x₀，均采用以下方法得到其水质监测参数估计值Z(x₀)：

步骤5.1，所述研究区域的实际地下水流场方向为θ₀；实际地下水流场方向θ₀的垂直方向为θ₁；

步骤5.2，对于方向θ_i，i为0或1，构建得到θ_i参数的半变异函数模型：

其中：

h为步长；

N(h)为n₂个已知采样点中，间隔为h并且连线方向为θ_i的已知采样点数据对的个数；

Z(u_i)和Z(u_i+h,θ_i)分别为θ_i方向间隔为h的已知采样点u_i和已知采样点u_i+h的水质监测参数实测值；

γ(h,θ_i)为θ_i方向，步长h对应的半变异函数值；

步骤5.3，对于n₂个已知采样点，当步长h依次按设定规则选取h₁,h₂,…,h_f时,其中,f为步长选取的总数量，按照公式1，分别计算得到半变异函数值γ(h₁,θ_i),γ(h₂,θ_i),…,γ(h_f,θ_i)；

步骤5.4，因此，当方向θ_i等于实际地下水流场方向θ₀时，得到与步长h₁,h₂,…,h_f分别对应的半变异函数值γ(h₁,θ₀),γ(h₂,θ₀),…,γ(h_f,θ₀)；然后，以步长h为横坐标，以半变异函数值γ为纵坐标，将f个步长与半变异函数值间的离散点表示于坐标系；再采用半变异函数数学模型对离散点进行曲线拟合，得到与实际地下水流场方向θ₀对应的地下水流场方向半变异函数拟合曲线；

当方向θ_i等于实际地下水流场方向θ₀的垂直方向θ₁时，得到与步长h₁,h₂,…,h_f分别对应的半变异函数值γ(h₁,θ₁),γ(h₂,θ₁),…,γ(h_f,θ₁)；然后，以步长h为横坐标，以半变异函数值γ为纵坐标，将f个步长与半变异函数值间的离散点表示于坐标系；再采用半变异函数数学模型对离散点进行曲线拟合，得到与实际地下水流场方向θ₀的垂直方向θ₁对应的地下水流场垂直方向半变异函数拟合曲线；

步骤5.5，对所述地下水流场方向半变异函数拟合曲线进行分析，得到块金值c₀、基台值c以及第一变程a_s1；

对所述地下水流场垂直方向半变异函数拟合曲线进行分析，得到第二变程a_s2；

步骤5.6，以第一变程a_s1为椭圆长轴，以第二变程a_s2为椭圆短轴，则得到的椭圆方程为半变异函数变程a_s和任意方向θ之间的关系式：

步骤5.7，当半变异函数数学模型采用球形拟合模型时，将公式2代入球形拟合模型，得到考虑各项异性角度的半变异函数拟合方程为：

其中，L为采样点之间的距离；

步骤5.8，对于未知采样点x₀，以未知采样点x₀的位置为中心，以第一变程a_s1为搜索半径，从而确定搜索范围；假设搜索范围内包含已知采样点的个数为m个，依次表示为：已知采样点p₁,已知采样点p₂,…,已知采样点p_m；

步骤5.9，根据公式3计算γ_jk的值，其中，γ_jk代表已知采样点p_j和已知采样点p_k之间的半变异函数值；j＝1,2,...,m；k＝1,2,...,m；γ_jk的计算方式为：

1)根据已知采样点p_j和已知采样点p_k的位置坐标，得到已知采样点p_j和已知采样点p_k连线的方向θ_jk；将方向θ_jk作为公式2的θ值代入公式2，从而得到a_s(θ_jk)的值；

2)计算已知采样点p_j和已知采样点p_k之间的距离L_jk；

3)如果L_jk等于0，则γ_jk等于c₀；

如果L_jk≤a_s(θ_jk)，则γ_jk等于

如果L_jka_s(θ_jk)，则γ_jk等于c；

步骤5.10，根据公式3计算γ_j0的值，其中，γ_j0代表已知采样点p_j和未知采样点x₀之间的半变异函数值；j＝1,2,...,m；γ_j0的计算方式为：

1)根据已知采样点p_j和未知采样点x₀的位置坐标，得到已知采样点p_j和未知采样点x₀连线的方向θ_j0；将方向θ_j0作为公式2的θ值代入公式2，从而得到a_s(θ_j0)的值；

2)计算已知采样点p_j和未知采样点x₀之间的距离L_j0；

3)如果L_j0等于0，则γ_j0等于c₀；

如果L_j0≤a_s(θ_j0)，则γ_j0等于

如果L_j0a_s(θ_j0)，则γ_j0等于c；

步骤5.11，将γ_jk、γ_j0代入公式4，根据公式4求解得到λ₁,λ₂,...,λ_m：

其中：

λ₁：已知采样点p₁对未知采样点x₀影响的权重系数；

λ₂：已知采样点p₂对未知采样点x₀影响的权重系数；

依此类推

λ_m：已知采样点p_m对未知采样点x₀影响的权重系数；

μ：拉格朗日乘数；

步骤5.12，依照公式5计算得到未知采样点x₀的水质监测参数估计值Z(x₀)：

其中：Z(p_j)代表已知采样点p_j的水质监测参数实测值；

步骤6，因此，对于n₃个未知采样点，每个未知采样点均计算得到对应的水质监测参数估计值；对于n₂个已知采样点，每个已知采样点均具有水质监测参数实测值；所以，对于格网化的研究区域，每个网格均对应水质监测参数值；

对研究区域进行单指标水质类别评价，方法为：预设定水质类别评价等级；将每个网格的水质监测参数值对应为水质类别评价等级；在GIS地图中，采用不同色彩表示不同网格的水质类别评价等级，从而得到单指标水质类别评价结果。

2.根据权利要求1所述的基于区域地下水流场方向的水质类别评价方法，其特征在于，还包括多指标水质类别综合评价，方法为：

预设定q个水质监测参数；对于研究区域的每个网格，均得到q个水质监测参数值，每个水质监测参数值均对应为水质类别评价等级；因此，每个网格可对应q个水质类别评价等级，将q个水质类别评价等级中的最大值，作为该网格的最终水质类别评价等级；

然后，在GIS地图中，采用不同色彩表示不同网格的最终水质类别综合评价等级，从而得到多指标水质类别综合评价结果。