一种水资源短缺评估方法、系统及计算机可读存储介质技术方案

本发明专利技术公开了一种水资源短缺评估方法、系统及计算机可读存储介质，包括：共享社会经济发展路径提供的气象数据与VIC水文模型进行耦合，模拟天然径流过程并计算月水资源量；采用滑动窗口和月变流量法计算环境需水量的动态变化时间序列；基于H08水文模型结合气象数据、共享社会经济数据和水资源公报资料，计算人类取水量；基于机器学习算法，构建水质模型并模拟污染指标浓度，采用稀释法计算指标浓度不达标所需要额外稀释水量；采用净水压力公式计算净水压力指数，评估气候变化影响下水短缺严重程度。本发明专利技术能充分解释气候变化通过改变环境需求和人类要求对水资源短缺的影响，可为推求气候变化情景下的自适应水资源调配提供参考依据。依据。依据。

【技术实现步骤摘要】
一种水资源短缺评估方法、系统及计算机可读存储介质


[0001]本专利技术属于地表水资源评估
，具体地说涉及一种水资源短缺评估方法、系统及计算机可读存储介质。

技术介绍

[0002]水安全保障维系着生态系统安全和人类社会健康发展。过去的几十年里，不断增加的人口、日益频繁的极端气候事件和耕地面积扩张改变了水文循环和营养物质的运输过程。为了揭示气候变化对水短缺的影响，需要一种能同时动态评估环境水量需求、人类取水的水量和水质要求对水资源短缺协同影响的方法，从而提高水资源评估的精度。
[0003]近年来，国内外水文学领域在考虑环境需求对水短缺影响的研究主要分为两类。一类是采用水文模型与Tennant法组合进行计算环境水资源需求量，计算了每个月份环境所需水资源量，并设为固定参数值用于水短缺评估。该方法能表征不同水禀赋、不同下垫面条件、不同生态特征背景下的区域环境水资源需求量。然而，该方法假设径流变化满足一致性要求，未考虑气候变化引起天然径流和环境需水量的非一致性变化。另一类是将环境需水量设为固定比率推求气候变化情景下的水短缺程度。该类方法一般假定环境需水量为水资源量的80%，未充分考虑环境需水量的物理机制和区域时空差异性，不能适应气候变化情景下的水短缺评估求，在工程实践中难以推广使用。
[0004]在工程设计实践中，通过对天然径流量和气象要素的时空规律分析，发现环境需水量对气候变化十分敏感。现阶段水短缺评估技术方法基于径流序列一致性的假设条件，将环境需水量设为固定值或者固定比率，未考虑气候变化情景下环境需水量的动态变化对水短缺的影响。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种网格尺度水资源短缺评估计算方法，该方法克服了现有水短缺评估方法存在气候模式影响下的一致性难以满足的技术问题，能够识别环境水量需求、人类取水的水量和水质要求对水压力值的动态影响，提供了一种可以考虑气候变化情景下的非一致性水资源短缺评估方法。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种水资源短缺评估方法，包括以下步骤：步骤1：基于共享社会经济发展路径SSPs提供的气象数据并进行偏差校正，建立SSPs与可变下渗能力水文模型VIC的耦合模型，以模拟不同气候变化情景下的天然径流过程，并基于网格产流量计算月水资源量；步骤2：基于VIC模型模拟得到的天然径流数据，采用滑动窗口法和月变流量法逐网格计算环境需水量的动态变化时间序列；步骤3：基于H08水文模型，结合气象数据、共享社会经济数据和水资源公报资料，推求对应不同SSPs情景的人类取水量的估计值；
步骤4：基于XGBoost机器学习算法，构建水质模型以模拟不同气候变化情景下的污染指标浓度，采用稀释法计算污染指标浓度不达标情况下所需要的额外稀释水量；步骤5：基于推求得到的不同SSPs情景下的水资源量、环境需水量、人类取水量和稀释用水量，采用净水压力公式计算净水压力指数，评估气候变化影响下水短缺的严重程度。
[0007]进一步地，所述的步骤1具体包括：步骤1.1：采用分位数偏差校正法对SSPs输出的日降水、日最高气温、日平均气温、日最低气温和日风速在各个分位数上的偏差进行校正；步骤1.2：基于偏差校正处理后的气象数据作为分布式水文模型VIC的输入，模拟不同SSPs情景下流域的天然径流过程，基于网格产流量计算月累积水资源量。
[0008]进一步地，所述步骤1 .1包括：计算SSPs输出变量和气象观测值在各分位数上的相对偏差，并将该偏差在SSPs情景输出气候变量的各分位数上去除，得到校正后的SSPs气象数据，计算公式如下：
[0009][0010][0011]式中：表示校正后的日降水值，表示SSP情景输出的日降水值，表示历史参考期日降水观测数据的分位数，表示SSP输出的日降水数据在历史参考期的分位数,表示校正后的日气温值，表示SSP情景输出的日气温值，表示历史参考期日气温观测数据的分位数，表示SSP输出的气温数据在历史参考期的分位数,表示校正后的日风速值，表示SSP情景输出的日风速值，表示历史参考期日风速观测数据的分位数，表示SSP输出的日风速数据在历史参考期的分位数。
[0012]进一步地，所述的步骤2具体包括：基于步骤1计算的天然径流过程的月水资源量，采用滑动窗口法计算逐三十年的多年平均流量值和各月均流量值，采用月变流量法划分不同类型流量月，计算每个月的环境需水量。
[0013]进一步地，所述的步骤3具体包括如下子步骤：步骤3.1：筛选人类活动的取水部门，其中用水部门包括农业取用水部门、工业取用水部门和家庭取用水部门；步骤3.2：采用H08模型计算三个取水部门的月人类取水量，再根据气温与家庭用水关系校正生活取水量。
[0014]进一步地，步骤3.2包括：收集研究区的人口密度和气温数据，先计算分配系数，再计算生活取水量，其中由Coe
m
=((T
m
‑
T
mean
)/(T
max
‑
T
min
)ｘR+1)/12计算分配系数，由D
dom
=POPｘ(i
dom,t0
+s
dom,cat
ｘ(t
‑
t0))
计算生活用水数据，其中，Coe
m
表示每网格每月家庭取水分配系数，T
m
表示年内各月份的月均气温，T
max
、T
mean
和T
min
分别为年内月均气温的最大值、平均值和最小值，R表示一个振幅系数，D
dom
表示生活取水量，POP表示人口数，i
dom,t0
表示初始年份t0人均生活取水量，s
dom,cat
表示人均生活取水量的年际变率，t表示计算年份。
[0015]进一步地，所述的步骤4具体包括如下子步骤：步骤4.1：采用机器学习方法XGBoost构建水质模型，模拟关键污染指标的浓度；步骤4.2：采用稀释法计算污染物浓度不达标所需要的额外稀释水量，计算公式为：
[0016][0017]式中：表示第个取水部门因水质不达标而额外所需的稀释水量；为第个取水部门因第项水质指标因不达标所需稀释水量；为第项取用水部门的取水量；为水质模型模拟的第项水质指标浓度；为取用水部门规定的水质指标的可用浓度阈值。
[0018]进一步地，所述的步骤5具体包括如下子步骤：步骤5.1：根据步骤1至4计算得到的水资源量、环境需水量、人类取水量和水质稀释水量，计算净水压力值，公式如下：
[0019]式中：为净水压力值，单位立方米每月；WA为水资源量，单位立方米每月；为环境需水量，单位立方米每月；为人类取水量，单位立方米每月；为水质稀释水量，单位立方米每月；
[0020]步骤5.2：根据净水压力值划分水短缺程度，<1则无水短缺；=1.0~1.5为轻度水短缺；=1.5~2.0为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水资源短缺评估方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：基于共享社会经济发展路径SSPs提供的气象数据并进行偏差校，建立SSPs与可变下渗能力水文模型VIC的耦合模型，以模拟不同气候变化情景下的天然径流过程，并基于网格产流量计算月水资源量；步骤2：基于VIC模型模拟得到的天然径流数据，采用滑动窗口法和月变流量法逐网格计算环境需水量的动态变化时间序列；步骤3：基于H08水文模型，结合气象数据、共享社会经济数据和水资源公报资料，推求对应不同SSPs情景的人类取水量的估计值；步骤4：基于XGBoost机器学习算法，构建水质模型以模拟不同气候变化情景下的污染指标浓度，采用稀释法计算污染指标浓度不达标情况下所需要的额外稀释水量；步骤5：基于推求得到的不同SSPs情景下的水资源量、环境需水量、人类取水量和稀释用水量，采用净水压力公式计算净水压力指数，评估气候变化影响下水短缺的严重程度。2.根据权利要求1所述的一种水资源短缺评估方法，其特征在于，所述的步骤1具体包括：步骤1.1：采用分位数偏差校正法对SSPs输出的日降水、日最高气温、日平均气温、日最低气温和日风速在各个分位数上的偏差进行校正；步骤1.2：基于偏差校正处理后的气象数据作为分布式水文模型VIC的输入，模拟不同SSPs情景下流域的天然径流过程，基于网格产流量计算月累积水资源量。3. 根据权利要求2所述的一种水资源短缺评估方法，其特征在于，步骤1 .1包括：计算SSPs输出变量和气象观测值在各分位数上的相对偏差，并将该偏差在SSPs情景输出气候变量的各分位数上去除，得到校正后的SSPs气象数据，计算公式如下：出气候变量的各分位数上去除，得到校正后的SSPs气象数据，计算公式如下：出气候变量的各分位数上去除，得到校正后的SSPs气象数据，计算公式如下：式中：表示校正后的日降水值，表示SSP情景输出的日降水值，表示历史参考期日降水观测数据的分位数，表示SSP输出的日降水数据在历史参考期的分位数,表示校正后的日气温值，表示SSP情景输出的日气温值，表示历史参考期日气温观测数据的分位数，表示SSP输出的气温数据在历史参考期的分位数, 表示校正后的日风速值，表示SSP情景输出的日风速值，表示历史参考期日风速观测数据的分位数，表示SSP输出的日风速数据在历史参考期的分位数。4.根据权利要求1所述的一种水资源短缺评估方法，其特征在于，所述的步骤2具体包括：基于步骤1计算的天然径流过程的月水资源量，采用滑动窗口法计算逐三十年的多年平均流量值和各月均流量值，采用月变流量法划分不同类型流量月，计算每个月的环境需
水量。5.根据权利要求1所述的一种水资源短缺评估方法，其特征在于，所述的步骤3具体包括如下子步骤：步骤3.1：筛选人类活动的取水部门，其中用水部门包括农业取用水部门、工业取用水部门和家庭取用水部门；步骤3.2：采用H08模型计算三个取水部门的月人类取水量，再根据气温与家庭用水关系校正生活取水量。6.根据权利要求5所述的一种水资源短缺评估方法，其特征在于，步骤3.2包括：收集研究区的人口密度和气温数据，先计算分配系数，再计算生活取水量，其中由Coe
m
=((T
m
‑
T
mean
)/(T

【专利技术属性】
技术研发人员：童山琳，陈杰，陈焰，贾蕊宁，胡强，尹瑛泽，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：