【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于水质数值模拟，具体涉及一种空天地联动式水动力水质水生态耦合模型构建和评估方法。
技术介绍
1、目前，随着污染物输移转化数值模型的研究日渐完善，水质模型逐渐成为研究水体中污染物输移转化的主要工具，应用于水环境保护及水污染预防和治理等领域。其中，mike 21、efdc等模型在解决国内外水环境问题的应用中得到广泛验证，是目前国内应用较为广泛的水质数值模拟模型。然而，现有的水质数值模拟模型主要存在以下问题：1)由于模型构建所需要的水下地形、水质等数据难以获取，从而影响了模型的适用性，使其难以精准地运用于大尺度且边界复杂的区域，限制了此类研究区域内实际问题的有效解决。2)从决策时效性而言，上述模型演算耗时长，特别是对于大尺度长河段多网格的计算。3)从运行环境来说，计算资源要求高。伴随管理决策对实时性、多方案情景分析要求的提高，传统水质数值模拟模型难以适应多用户同步在线和多方案同步快速模拟与对比分析。如何创新性地提出一套在本地适用性较高的模型，提高水质模拟模型的效率，是目前需要解决的重点问题。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的缺陷，本专利技术提供一种空天地联动式水动力水质水生态耦合模型构建和评估方法，可有效解决上述问题。
2、本专利技术采用的技术方案如下：
3、本专利技术提供一种空天地联动式水动力水质水生态耦合模型构建和评估方法，包括以下步骤：
4、步骤1，将研究流域栅格化；采用空天地联动方式，获取研究流域的初始数据，所述初始数据包括：研
5、步骤2，构建水动力模型；向所述水动力模型输入所述水动力相关参数观测数据，运行所述水动力模型，输出研究流域每个栅格的水深以及x和y方向的垂向平均流速；
6、步骤3，构建水质模型；向所述水质模型输入所述水动力模型输出的每个栅格的水深以及x和y方向的垂向平均流速，以及所述水质相关参数观测数据，运行所述水质模型，输出研究流域每个栅格的每类水质因子的浓度；
7、步骤4，构建水生态评估模型；将所述水动力模型输出的每个栅格的水深以及所述水质模型输出的每个栅格的每类水质因子的浓度输入所述水生态评估模型，运行所述水生态评估模型，输出每种水质指标的营养状态指数以及水体综合营养状态指数；
8、步骤5，将所述水动力模型、所述水质模型和所述水生态评估模型耦合，得到水动力水质水生态耦合模型；对所述水动力水质水生态耦合模型输出的结果进行验证，判断其是否满足精度要求，如果不满足，则返回步骤1，重新进行参数率定；如果满足，则得到训练完成的所述水动力水质水生态耦合模型；
9、步骤6，确定研究流域情景模拟方案；采用所述研究流域情景模拟方案和训练完成的所述水动力水质水生态耦合模型，对研究流域进行水生态评估，输出水生态评估结果。
10、优选的，所述水动力模型为：
11、
12、
13、
14、其中：x和y分别为研究流域的x和y方向；t为时间；σ为自由水面相对于静水面的升高值；h为水深：u和v分别为x和y方向的垂向平均流速；f为科氏力系数；g为重力加速度；cz为谢才系数；τax和τay分别为风应力在x和y方向的分量；ρ为水体密度；ah为水平涡粘系数。
15、优选的
16、
17、s＝qs(cs-c) (5)
18、其中：c为水质因子的浓度；kx、ky分别为水质因子在x和y方向的扩散系数；r为生物化学过程的反应物；s为外部源汇项；qs为源汇项流量；cs为源汇项处物质浓度。
19、优选的，其特征在于，所述水质因子的种类包括总氮、总磷和高锰酸盐，因此，所述水质模型输出每个栅格的总氮浓度ρtn、总磷浓度ρtp和高锰酸盐浓度ρimn。
20、优选的，将所述水动力模型输出的每个栅格的水深以及所述水质模型输出的每个栅格的总氮浓度ρtn、总磷浓度ρtp和高锰酸盐浓度ρimn，输入以下的所述水生态评估模型：
21、
22、tlichla＝10×(2.5+1.086lnρchla) (7)
23、tlitp＝10×(9.436+1.624lnρtp) (8)
24、tlitn＝10×(5.453+1.694lnρtn) (9)
25、tlisd＝10×(5.118-1.94×lndsd) (10)
26、tliimn＝10(0.109+2.661ρimn) (11)
27、其中：
28、代表综合营养状态指数；tli，j代表第j种指标的营养状态指数；j＝12，3，4，5，分别代表叶绿素a指标、总磷指标、总氮指标、水体透明度指标和高锰酸盐指标；wj代表第j种指标的营养状态指数的相关权重；tlij代表第j种指标的营养状态指数；tlichla代表叶绿素a指标的营养状态指数；ρchla代表叶绿素a指标的浓度；其中，ρchl～rf(ρtn，ρtp，h)，为叶绿素a指标的浓度与主要影响因素总氮总磷浓度和水深之间的函数关系式；tlitp代表总磷指标的营养状态指数；ρtp代表总磷指标的浓度；tlitn代表总氮指标的营养状态指数；ρtn代表总氮指标的浓度；tlisd代表水体透明度指标的营养状态指数；dsd代表水体的透明度；其中，ln[ρchla]＝-1.5533lndsd+4.777，为叶绿素a指标的浓度和水体透明度的函数关系式；tliimn代表高锰酸盐指标的营养状态指数；ρimn代表高锰酸盐的浓度。
29、本专利技术提供的空天地联动式水动力水质水生态耦合模型构建和评估方法具有以下优点：
30、本专利技术通过水动力模型、水质模型和水生态评估模型的耦合，将水动力模型的输出作为水质模型的输入，将水动力模型和水质模型的输出作为水生态评估模型的输入，从而可以使水生态评估模型快速获得准确全面的输入数据，提高对研究水体水环境评估的效率；水动力模型、水质模型和水生态评估模型耦合，各个模型可同时对不同栅格模拟运行，从而可精准地运用于大尺度且边界复杂的区域；从决策时效性而言，具有模型演算时长低的优点。
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1.一种空天地联动式水动力水质水生态耦合模型构建和评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种空天地联动式水动力水质水生态耦合模型构建和评估方法，其特征在于，所述水动力模型为：
3.根据权利要求2所述的一种空天地联动式水动力水质水生态耦合模型构建和评估方法，其特征在于，所述水质模型为：
4.根据权利要求3所述的一种空天地联动式水动力水质水生态耦合模型构建和评估方法，其特征在于，所述水质因子的种类包括总氮、总磷和高锰酸盐，因此，所述水质模型输出每个栅格的总氮浓度ρTN、总磷浓度ρTP和高锰酸盐浓度ρIMN。
5.根据权利要求4所述的一种空天地联动式水动力水质水生态耦合模型构建和评估方法，其特征在于，将所述水动力模型输出的每个栅格的水深以及所述水质模型输出的每个栅格的总氮浓度ρTN、总磷浓度ρTP和高锰酸盐浓度ρIMN，输入以下的所述水生态评估模型：
【技术特征摘要】
1.一种空天地联动式水动力水质水生态耦合模型构建和评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种空天地联动式水动力水质水生态耦合模型构建和评估方法，其特征在于，所述水动力模型为：
3.根据权利要求2所述的一种空天地联动式水动力水质水生态耦合模型构建和评估方法，其特征在于，所述水质模型为：
4.根据权利要求3所述的一种空天地联动式水动力水质水生态耦合模型构建...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈靓，南林江，杨明祥，邓晓雅，刘博，董宁澎，唐颖复，张俊洁，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：
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