一種超大尺度流域水量水質耦合模擬預測分析方法
2023-06-14 12:36:36
一種超大尺度流域水量水質耦合模擬預測分析方法
【專利摘要】本發明屬於水環境模擬方法【技術領域】，特別涉及一種超大尺度流域水量水質耦合模擬預測分析方法。該方法包括流域多箱劃分、單箱汙染核算、建立單箱水量水質耦合模型、多箱嵌套、多箱水量水質耦合模擬。其主要是將箱體模型與水量水質耦合理論融入超大尺度流域（如三峽流域、長江流域、大型湖泊、水庫等）水質模擬過程，以便對超大尺度流域水量、水質狀況進行系統模擬與預測，該方法計算高效、方便易行、數據資料需求較少，並有效地處理了尺度差異和不確定性帶來的複雜性問題，填補超大尺度流域水量水質耦合模擬技術缺陷，為流域管理提供了水汙染態勢等信息。
【專利說明】一種超大尺度流域水量水質耦合模擬預測分析方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於水環境模擬方法【技術領域】，特別涉及一種超大尺度流域水量水質耦合模擬預測分析方法。
【背景技術】
[0002]超大尺度流域面積大、人類活動覆蓋面廣、汙染源種類眾多、天然河網水文環境交錯，也使得汙染物在流域內輸移和轉化的複雜性大大增加。現有的流域水量水質模擬技術大都適合小尺度流域以及小型河流模擬，個別大尺度模擬技術對於數據及地形資料需求較大，且模型率定驗證困難、計算繁瑣、普及適用程度不高。亟需開發一套計算高效、方便易行且適用於水文水環境耦合模擬模型用於超大尺度流域及支流流域水文水質分析和預測，進而為超大流域水環境保護和水資源管理提供技術條件。
[0003]本發明提出的基於多箱嵌套模式的超大尺度流域水量水質耦合模擬預測分析方法可以有效處理超大尺度流域空間差異和複雜性問題，數據資料需求較少，模型計算高效、方便易行，能夠有效的對超大尺度流域水量、水質狀況進行系統模擬與預測，在保證模擬準確性的前提下，為水量水質聯合調控提供技術支撐。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於提供一種超大尺度流域水量水質耦合模擬預測分析方法，以便對超大尺度流域水量、水質狀況進行系統模擬與預測，並有效地處理了尺度差異和不確定性帶來的複雜性問題，為流域管理提供了水汙染態勢等信息。
[0005]針對現有技術不足，本發明提供了一種超大尺度流域水量水質耦合模擬預測分析方法。
[0006]一種超大尺度流域水量水質耦合模擬預測分析方法，該方法通過流域多箱劃分、單箱汙染核算、建立單箱水量水質耦合模型、多箱嵌套、多箱水量水質耦合模擬對水量、水質狀況進行系統模擬與預測；
[0007]其中，通過所述流域多箱劃分，圈定大尺度流域各箱體，即子流域範圍；
[0008]通過所述單箱汙染核算，核算單個箱體汙染物產量、處理量與排放量，得出用於輸入模型所需的數據；
[0009]通過所述單箱水量水質耦合模型，基於質量平衡方程，形成水量和水質模型用於實現對單個箱體內水質水量的耦合模擬；
[0010]通過所述多箱嵌套，是基於多箱劃分結果，找尋箱體之間的交互關係，實現箱體之間的串聯；
[0011]通過所述多箱水量水質耦合模擬，用於耦合各單箱水量水質模型，實現整體尺度上的流域水量水質耦合模擬。
[0012]該方法具體步驟如下:
[0013]步驟A，基於數字高程模型將超大流域劃分成多個子流域，每個子流域作為水量和水質穩定變化單元，即為「箱體」;
[0014]步驟B，根據收集的經濟活動、汙染源強、人類活動數據，核算單個箱體工業、農業以及生活汙染物產量、處理量與排放量；
[0015]步驟C，根據質量守恆原理，建立單箱水量水質耦合模型；
[0016]步驟D，基於多個箱體劃分結果，找尋箱體之間的交互關係，建立多箱水量水質耦合模型；
[0017]步驟E，根據輸入的水量及汙染核算數據，確定模型參數；
[0018]步驟F，輸入各類水量情況及排汙情況，輸出綜合水量水質模擬結果。
[0019]所述子流域為一級子流域或二級子流域。
[0020]該方法可以獲得更穩定、更可靠的解，大大降低尺度差異和不確定性帶來的複雜性問題；且具有計算高效、方便易行等特點。
[0021]所述的A步驟的具體方案如下:
[0022]劃分箱體:
[0023]依據庫區支流水質水量現狀、支流流域的水量分配現狀、蒸散發、入流水量、出流水量、引用水量、回歸水量把水庫劃分為不同箱體。
[0024]所述的C步驟和D步驟的具體方案如下:
[0025]( I)建立各箱體水量模型與水質模型:
[0026]①水量模型:依據水量平衡原理建立水量平衡模型；
[0027](a)首先找出箱體所有進入、流出水量項；
[0028](b)根據已知變量與未知變量之間的關係，用己知變量近似函數表達未知變量，帶入模型；
[0029](c)採用水文系統識別方法，識別未知參數，再反代入原模型；
[0030]根據計算的復相關係數大小，判斷模型擬合效果好壞；同時，把已識別的參數反代入模型中，再來計算各項水量大小，驗算是否滿足水量平衡原理；只有模型擬合效果較好、計算水量滿足水量平衡原理，才可能確認該模型是可靠的。
[0031]②水質模型:
[0032]針對水體中各組份，依據物質守恆原理，分別建立與水量模型相似的水質模型，其方法與建立水量模型方法相同；
[0033]水質模型與水量模型都是依據物質平衡原理建立，對庫區水資源系統在歷史到現在的條件下進行模擬；如果在未來水資源系統變化不大或者按照歷史的變化趨勢演變，所建模型對未來的預測會很好。
[0034](2)耦合計算方法:
[0035]基本思路:逐個箱體採用水量模型和水質模型循環迭代，直至誤差小於設定值，終止迭代計算；
[0036](3)模型效果檢驗:
[0037]由「先分箱後聚合」的思路建立的模型，模擬效果檢驗的方法是用模擬值作為輸入值反代入模型中，檢驗中間變量的擬合效果；或是進行變量變化的影響分析，假定改變一個或多個變量，檢驗系統變化的靈敏性和可靠性。
[0038]本發明的有益效果為:[0039]本發明的一種超大尺度流域水量水質耦合模擬預測分析方法，能夠針對超大流域可以獲得更穩定、更可靠的水量水環境模擬結果，大大降低尺度差異和不確定性帶來的複雜性問題；且具有計算高效、方便易行等特點，以便對超大尺度流域水量、水質狀況進行系統模擬與預測，在保證模擬準確性的前提下，為水量水質聯合調控提供技術支撐。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0040]圖1是本發明實施例1的一種超大尺度流域水量水質耦合模擬預測分析方法流程示意圖；
[0041]圖2本發明實施例1的多箱劃分不意圖,其中,標號1,2,3,…，44代表各箱體標號。
【具體實施方式】
[0042]本發明提供了一種超大尺度流域水量水質耦合模擬預測分析方法，下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步說明。
[0043]實施例1
[0044]如圖1所示，作為一種可實施方式，本發明實施例的超大尺度流域水量水質耦合模擬預測分析方法，包括流域多箱劃分、單箱汙染核算、建立單箱水量水質耦合模型、多箱嵌套、多箱水量水質耦合模擬；
[0045]其中:流域多箱劃分，用於圈定大尺度流域各箱體(子流域)範圍；
[0046]流域多箱劃分是基於數字高程模型(DEM)把整個流域(大系統)劃分成若干子流域(子系統)，每個子系統可以看成是一個水量和水質穩定變化的單元，視為「箱體」；
[0047]所述單箱汙染核算，核算單個箱體汙染物產量、處理量與排放量，用於輸入模型所需的數據；
[0048]其中，單個箱體汙染物產量、處理量與排放量計算涵蓋工業、農業、生活等汙染源以及相對應的汙染處理技術等信息。
[0049]其中，具體包括子流域面源汙染，城鎮點源，工業汙染排放，子流域產流量，蒸散發量，入江流量等數據，各箱體內工農業及市政生活用水量數據，及各個水質監測斷面監測數據。對於數據缺失的部分河流採用如下方式估算其汙染物排放源強。
[0050]所述單箱水量水質耦合模型，基於質量平衡方程，形成水量和水質模型用於實現對單個箱體內水質水量的耦合模擬；
[0051]所述多箱嵌套，是基於多箱劃分結果，找尋箱體之間的交互關係，實現箱體之間的串聯;
[0052]其中，箱體之間存在著水流、水質及相關物質交換；在單獨的箱體內可以分別建立水量和水質模型；然後，根據質量守恆原理，依照一定的計算順序和準則，進行所有箱體耦合計算；
[0053]所述多箱水量水質耦合模擬，用於耦合各單箱水量水質模型，實現整體尺度上的流域水量水質耦合模擬；按本發明實例構建模型結構如下:
[0054]箱體1:
【權利要求】
1.一種超大尺度流域水量水質耦合模擬預測分析方法，其特徵在於:該方法通過流域多箱劃分、單箱汙染核算、建立單箱水量水質耦合模型、多箱嵌套、多箱水量水質耦合模擬對水量、水質狀況進行系統模擬與預測； 其中，通過所述流域多箱劃分，圈定大尺度流域各箱體，即子流域範圍； 通過所述單箱汙染核算，核算單個箱體汙染物產量、處理量與排放量，得出用於輸入模型所需的數據； 通過所述單箱水量水質耦合模型，基於質量平衡方程，形成水量和水質模型用於實現對單個箱體內水質水量的耦合模擬； 通過所述多箱嵌套，是基於多箱劃分結果，找尋箱體之間的交互關係，實現箱體之間的串聯; 通過所述多箱水量水質耦合模擬，用於耦合各單箱水量水質模型，實現整體尺度上的流域水量水質耦合模擬。
2.根據權利要求1所述的一種超大尺度流域水量水質耦合模擬預測分析方法，其特徵在於，具體步驟如下: 步驟A，基於數字高程模型將超大流域劃分成多個子流域，每個子流域作為水量和水質穩定變化單元，即為「箱體」； 步驟B，根據收集的經濟活動、汙染源強、人類活動數據，核算單個箱體工業、農業以及生活汙染物產量、處理量與排放量； 步驟C，根據質量守恆原理，建立單箱水量水質耦合模型； 步驟D，基於多個箱體劃分結果，找尋箱體之間的交互關係，建立多箱水量水質耦合模型； 步驟E，根據輸入的水量及汙染核算數據，確定模型參數； 步驟F，輸入各類水量情況及排汙情況，輸出綜合水量水質模擬結果。
3.根據權利要求2所述的一種超大尺度流域水量水質耦合模擬預測分析方法，其特徵在於:所述子流域為一級子流域或二級子流域。
4.根據權利要求2所述的一種超大尺度流域水量水質耦合模擬預測分析方法，其特徵在於，所述的A步驟的具體方案如下: 劃分箱體: 依據庫區支流水質水量現狀、支流流域的水量分配現狀、蒸散發、入流水量、出流水量、引用水量、回歸水量把水庫劃分為不同箱體。
5.根據權利要求2所述的一種超大尺度流域水量水質耦合模擬預測分析方法，其特徵在於，所述的C步驟和D步驟的具體方案如下: (O建立各箱體水量模型與水質模型: ①水量模型:依據水量平衡原理建立水量平衡模型； (a)首先找出箱體所有進入、流出水量項； (b)根據已知變量與未知變量之間的關係，用己知變量近似函數表達未知變量，帶入模型； (c)採用水文系統識別方法，識別未知參數，再反代入原模型； 根據計算的復相關係數大小，判斷模型擬合效果好壞；同時，把已識別的參數反代入模型中，再來計算各項水量大小，驗算是否滿足水量平衡原理； ②水質模型: 針對水體中各組份，依據物質守恆原理，分別建立水質模型，其方法與建立水量模型方法相同； 水質模型與水量模型都是依據物質平衡原理建立，對庫區水資源系統在歷史到現在的條件下進行模擬； (2)耦合計算方法: 基本思路:逐個箱體採用水量模型和水質模型循環迭代，直至誤差小於設定值，終止迭代計算； (3)模型效果檢驗: 由「先分箱後聚合」的思路建立的模型，模擬效果檢驗的方法是用模擬值作為輸入值反代入模型中，檢驗中間變量的擬合效果；或是進行變量變化的影響分析，假定改變一個或多個變量，檢驗系 統變化的靈敏性和可靠性。
【文檔編號】G06F19/00GK103823988SQ201410081636
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月7日 優先權日:2014年3月7日
【發明者】李薇, 解玉磊, 付正輝, 王冰 申請人:華北電力大學