一种耦合生境适宜模型的高效高精度栖息地模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种耦合生境适宜模型的高效高精度栖息地模拟方法，采用矩形网格的高分辨率DEM地形，由已知条件赋值相关参数；基于Godunov格式中心有限体积法空间离散二维浅水方程，获取更高空间离散精度；由MUSCL重构和Runge

【技术实现步骤摘要】
一种耦合生境适宜模型的高效高精度栖息地模拟方法


[0001]本专利技术属于生物栖息地模拟方法
，具体涉及一种耦合生境适宜模型的高效高精度栖息地模拟方法。

技术介绍

[0002]一直以来，人们采取一系列水库生态运行和河流生态恢复的措施来缓解水利工程对河流生态系统的压力，为此提出许多模拟方法来解决此类问题，其中生境模型成为世界上应用最广泛的方法，如PHABSIM模型和River2D 模型。而生境因子的准确性对于生境模型更准确地模拟河流生态环境和评价水生生境的质量至关重要。近些年，为提高生境变量的时空分辨率，引入越来越多的水力模型与生境适宜性模型相结合，如Delft3D、Mike21、SSIIM 模型等二维或三维流体动力学模型。但对于高分辨率的地形数据，以及大型且具有复杂流态的河流而言，这些模型仍然存在模拟精度不足，模拟时间长等缺点。因此，亟需发展一种具有能够模拟高精度二维水动力过程的生境模型，来评价单种或多种水生生物的生境质量。基于此，构建一种耦合生境适宜模型的高效高精度栖息地模拟方法，以准确模拟河流水力特性和生物栖息地，使其成为评价生物生境本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耦合生境适宜模型的高效高精度栖息地模拟方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、利用Arcgis软件生成高分辨率DEM地形数据表征真实地形，以ascii格式输出；步骤2、调研收集研究河段目标物种以及目标物种的生境因子，利用偏好适宜曲线法确定出目标物种的生境因子适宜曲线，包括水深、流速和底质；步骤3、将高分辨率DEM地形数据离散成矩形网格，根据已知边界条件对相关参数进行赋值；步骤4、将得出的DEM地形数据及各生境因子适宜条件在GPU中分配内存，并复制到GPU变量中；步骤5、基于Godunov格式的中心有限体积法空间离散二维浅水方程，求解通量项、底坡源项和摩阻源项；步骤6、由MUSCL重组法和龙格库塔法进一步实现时间和空间的二阶精度，时间和空间步长计算稳定性由CFL条件限制；步骤7、基于IFIM理论，由得到的目标物种高精度生境因子及目标物种的生境适宜条件，确定各生境因子的适宜性指数HSI计算出综合适宜性指数CSI；步骤8、通过cudaMemcpy函数将GPU计算得到的各生境因子数据及综合适宜指数CSI复制到CPU中，计算目标物种有效栖息地加权可利用面积WUA；步骤9、根据计算得到的水深、流速和底质数据，以及水深、流速和底质三种生境因子的综合适宜指数CSI数据，利用MATLAB软件输出水深、流速、底质和综合适宜性指数CSI分布图；至此，耦合生境适宜模型的高效高精度栖息地模拟方法构建完成。2.根据权利要求1所述的一种耦合生境适宜模型的高效高精度栖息地模拟方法，其特征在于，所述步骤5中二维浅水方程表示如下：征在于，所述步骤5中二维浅水方程表示如下：征在于，所述步骤5中二维浅水方程表示如下：式中：t为时间步长，单位为s；x、y分别为水平坐标和纵向坐标；q为流量变量矢量；h表示水深，单位为m；u、v分别为x、y方向上的平均流速，单位为m/s；F、G分别为x、y方向上的通量矢量；S为源项矢量；其中，S
b
为底坡源项；S
f
为摩阻源项；z
b
为河床高程，m；C
f
为床面糙率系数，C
f
＝gn2/h
1/3
，n为曼宁系数，s/m
1/3
。g为重力加速度，取9.81，单位为m/s2。3.根据权利要求2所述的一种耦合生境适宜模型的高效高精度栖息地模拟方法，其特征在于，所述步骤5具体如下：
步骤5.1、第i个控制单元网格内，采用中心有限体积法对SWEs控制方程组积分，基于高斯散度定理通量项面积线积分形式为：通量F(q)
·
n线积分为：式中：Ω为d第i个控制单元网格的体积，单位为m3；Г为第i个控制单元网格的边界；n为边界Г所对应的外法线方向的单位向量；S
b
表示底坡源项通量；S
f
表示摩阻源项通量；k为控制单元网格边的编号；l
k
为第i个控制单元网格第k个边的边长；步骤5.2、在Godunov方法中实现HLLC黎曼求解器步骤为：左波速S
L
、中间波速S
*
及右波速S
R
计算公式为，计算公式为，计算公式为，其中，中间变量h
*
和根据式计算，根据式计算，从而计算通量F(q)
·
n的HLLC黎曼求解器计算公式为，其中，控制体单元网格界面中间通量F
*
为，控制体单元网格界面通量中间波两侧，F
*L
和F
*R
为，式中，F
L
和F
R
分别为单元网格界面左、右侧的通量；F
*
、F
*L
和F
*R
分别为控制体单元网格界
面通量中间波两侧的左波通量、中间波通量和右波通量；u
⊥
为沿交界面的切向速度，u
⊥
＝
‑
un
y
+vn
x
，u
⊥
L
和u
⊥
R
分别为控制体单元网格交界面的左侧、右侧切向速度，单位为m3/s；n
x
和n
y
分别为沿x和y的指示方向；u和v分别为沿x和y的单宽流量，单位为m/s；变量q
⊥
＝[h,q
x
n
x
+q
y
n
y
]；q
x
和q
y
分别为沿x和y的单宽流量，单位为m2/s；S
L
、S
M
、S
R
分别为左波速、中间波速、右波速，单位为m/s；u
⊥
为通过网格单元界面垂直的速度，单位为m/s；u
⊥
＝un
x
+vn
y
；h
*
和为中间变量；g为重力加速度，取9.81，单位为m/s2；步骤5.3、底坡源项采用底坡通量法求解，将单元内底...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨露，侯精明，王新宏，同玉，王添，栾广学，高徐军，潘占鹏，马勇勇，王峰，李东来，杨宵，王俊辉，周聂，李昌镐，王洁瑜，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
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