CN103823988A - 一种超大尺度流域水量水质耦合模拟预测分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水环境模拟方法技术领域，特别涉及一种超大尺度流域水量水质耦合模拟预测分析方法。该方法包括流域多箱划分、单箱污染核算、建立单箱水量水质耦合模型、多箱嵌套、多箱水量水质耦合模拟。其主要是将箱体模型与水量水质耦合理论融入超大尺度流域（如三峡流域、长江流域、大型湖泊、水库等）水质模拟过程，以便对超大尺度流域水量、水质状况进行系统模拟与预测，该方法计算高效、方便易行、数据资料需求较少，并有效地处理了尺度差异和不确定性带来的复杂性问题，填补超大尺度流域水量水质耦合模拟技术缺陷，为流域管理提供了水污染态势等信息。

Description

一种超大尺度流域水量水质耦合模拟预测分析方法

技术领域

本发明属于水环境模拟方法技术领域，特别涉及一种超大尺度流域水量水质耦合模拟预测分析方法。

背景技术

超大尺度流域面积大、人类活动覆盖面广、污染源种类众多、天然河网水文环境交错，也使得污染物在流域内输移和转化的复杂性大大增加。现有的流域水量水质模拟技术大都适合小尺度流域以及小型河流模拟，个别大尺度模拟技术对于数据及地形资料需求较大，且模型率定验证困难、计算繁琐、普及适用程度不高。亟需开发一套计算高效、方便易行且适用于水文水环境耦合模拟模型用于超大尺度流域及支流流域水文水质分析和预测，进而为超大流域水环境保护和水资源管理提供技术条件。

本发明提出的基于多箱嵌套模式的超大尺度流域水量水质耦合模拟预测分析方法可以有效处理超大尺度流域空间差异和复杂性问题，数据资料需求较少，模型计算高效、方便易行，能够有效的对超大尺度流域水量、水质状况进行系统模拟与预测，在保证模拟准确性的前提下，为水量水质联合调控提供技术支撑。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超大尺度流域水量水质耦合模拟预测分析方法，以便对超大尺度流域水量、水质状况进行系统模拟与预测，并有效地处理了尺度差异和不确定性带来的复杂性问题，为流域管理提供了水污染态势等信息。

针对现有技术不足，本发明提供了一种超大尺度流域水量水质耦合模拟预测分析方法。

一种超大尺度流域水量水质耦合模拟预测分析方法，该方法通过流域多箱划分、单箱污染核算、建立单箱水量水质耦合模型、多箱嵌套、多箱水量水质耦合模拟对水量、水质状况进行系统模拟与预测；

其中，通过所述流域多箱划分，圈定大尺度流域各箱体，即子流域范围；

通过所述单箱污染核算，核算单个箱体污染物产量、处理量与排放量，得出用于输入模型所需的数据；

通过所述单箱水量水质耦合模型，基于质量平衡方程，形成水量和水质模型用于实现对单个箱体内水质水量的耦合模拟；

通过所述多箱嵌套，是基于多箱划分结果，找寻箱体之间的交互关系，实现箱体之间的串联；

通过所述多箱水量水质耦合模拟，用于耦合各单箱水量水质模型，实现整体尺度上的流域水量水质耦合模拟。

该方法具体步骤如下：

步骤A，基于数字高程模型将超大流域划分成多个子流域，每个子流域作为水量和水质稳定变化单元，即为“箱体”；

步骤B，根据收集的经济活动、污染源强、人类活动数据，核算单个箱体工业、农业以及生活污染物产量、处理量与排放量；

步骤C，根据质量守恒原理，建立单箱水量水质耦合模型；

步骤D，基于多个箱体划分结果，找寻箱体之间的交互关系，建立多箱水量水质耦合模型；

步骤E，根据输入的水量及污染核算数据，确定模型参数；

步骤F，输入各类水量情况及排污情况，输出综合水量水质模拟结果。

所述子流域为一级子流域或二级子流域。

该方法可以获得更稳定、更可靠的解，大大降低尺度差异和不确定性带来的复杂性问题；且具有计算高效、方便易行等特点。

所述的A步骤的具体方案如下：

划分箱体：

依据库区支流水质水量现状、支流流域的水量分配现状、蒸散发、入流水量、出流水量、引用水量、回归水量把水库划分为不同箱体。

所述的C步骤和D步骤的具体方案如下：

（1）建立各箱体水量模型与水质模型：

①水量模型：依据水量平衡原理建立水量平衡模型；

(a)首先找出箱体所有进入、流出水量项；

(b)根据已知变量与未知变量之间的关系，用己知变量近似函数表达未知变量，带入模型；

(c)采用水文系统识别方法，识别未知参数，再反代入原模型；

根据计算的复相关系数大小，判断模型拟合效果好坏；同时，把已识别的参数反代入模型中，再来计算各项水量大小，验算是否满足水量平衡原理；只有模型拟合效果较好、计算水量满足水量平衡原理，才可能确认该模型是可靠的。

②水质模型：

针对水体中各组份，依据物质守恒原理，分别建立与水量模型相似的水质模型，其方法与建立水量模型方法相同；

水质模型与水量模型都是依据物质平衡原理建立，对库区水资源系统在历史到现在的条件下进行模拟；如果在未来水资源系统变化不大或者按照历史的变化趋势演变，所建模型对未来的预测会很好。

（2）耦合计算方法：

基本思路：逐个箱体采用水量模型和水质模型循环迭代，直至误差小于设定值，终止迭代计算；

（3）模型效果检验：

由“先分箱后聚合”的思路建立的模型，模拟效果检验的方法是用模拟值作为输入值反代入模型中，检验中间变量的拟合效果；或是进行变量变化的影响分析，假定改变一个或多个变量，检验系统变化的灵敏性和可靠性。

本发明的有益效果为：

本发明的一种超大尺度流域水量水质耦合模拟预测分析方法，能够针对超大流域可以获得更稳定、更可靠的水量水环境模拟结果，大大降低尺度差异和不确定性带来的复杂性问题；且具有计算高效、方便易行等特点，以便对超大尺度流域水量、水质状况进行系统模拟与预测，在保证模拟准确性的前提下，为水量水质联合调控提供技术支撑。

附图说明

图1是本发明实施例1的一种超大尺度流域水量水质耦合模拟预测分析方法流程示意图；

图2本发明实施例1的多箱划分示意图，其中，标号1，2，3，…，44代表各箱体标号。

具体实施方式

本发明提供了一种超大尺度流域水量水质耦合模拟预测分析方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

实施例1

如图1所示，作为一种可实施方式，本发明实施例的超大尺度流域水量水质耦合模拟预测分析方法，包括流域多箱划分、单箱污染核算、建立单箱水量水质耦合模型、多箱嵌套、多箱水量水质耦合模拟；

其中：流域多箱划分，用于圈定大尺度流域各箱体（子流域）范围；

流域多箱划分是基于数字高程模型（DEM）把整个流域（大系统）划分成若干子流域（子系统），每个子系统可以看成是一个水量和水质稳定变化的单元，视为“箱体”；

所述单箱污染核算，核算单个箱体污染物产量、处理量与排放量，用于输入模型所需的数据；

其中，单个箱体污染物产量、处理量与排放量计算涵盖工业、农业、生活等污染源以及相对应的污染处理技术等信息。

其中，具体包括子流域面源污染，城镇点源，工业污染排放，子流域产流量，蒸散发量，入江流量等数据，各箱体内工农业及市政生活用水量数据，及各个水质监测断面监测数据。对于数据缺失的部分河流采用如下方式估算其污染物排放源强。

所述单箱水量水质耦合模型，基于质量平衡方程，形成水量和水质模型用于实现对单个箱体内水质水量的耦合模拟；

所述多箱嵌套，是基于多箱划分结果，找寻箱体之间的交互关系，实现箱体之间的串联；

其中，箱体之间存在着水流、水质及相关物质交换；在单独的箱体内可以分别建立水量和水质模型；然后，根据质量守恒原理，依照一定的计算顺序和准则，进行所有箱体耦合计算；

所述多箱水量水质耦合模拟，用于耦合各单箱水量水质模型，实现整体尺度上的流域水量水质耦合模拟；按本发明实例构建模型结构如下：

箱体1：

$V_1\frac{d{C}_1}{\mathrm{dt}}=Q_1{C}_1+Q_{\mathrm{6,1}}{C}_6-Q_{\mathrm{1,6}}{C}_1-K_1{V}_1{C}_1-D{Q}_1{C}_1;$

$\frac{d{V}_1}{\mathrm{dt}}=Q_1+Q_{\mathrm{6,1}}-Q_{\mathrm{1,6}}-Q{E}_1-D{Q}_1;$

箱体2：

$V_2\frac{d{C}_2}{\mathrm{dt}}=Q_2{C}_2+Q_{6,2}{C}_6-Q_{2,6}{C}_2-K_2{V}_2{C}_2-D{Q}_2{C}_2;$

$\frac{d{V}_2}{\mathrm{dt}}=Q_2+Q_{6,2}-Q_{2,6}-Q{E}_2-D{Q}_2;$

箱体3：

$V_3\frac{d{C}_3}{\mathrm{dt}}=Q_3{C}_3+Q_{6,3}{C}_6-Q_{3,6}{C}_3-K_3{V}_3{C}_3-D{Q}_3{C}_3;$

$\frac{d{V}_3}{\mathrm{dt}}=Q_3+Q_{\mathrm{6,3}}-Q_{3,6}-Q{E}_3-D{Q}_3;$

箱体4：

$V_4\frac{d{C}_4}{\mathrm{dt}}=Q_4{C}_4+Q_{6,4}{C}_6-Q_{4,6}{C}_4-K_4{V}_4{C}_4-D{Q}_4{C}_4;$

$\frac{d{V}_4}{\mathrm{dt}}=Q_4+Q_{6,4}-Q_{\mathrm{4,6}}-Q{E}_4-D{Q}_4;$

箱体5：

$V_5\frac{d{C}_5}{\mathrm{dt}}=Q_5{C}_5+Q_{6,5}{C}_6-Q_{5,6}{C}_5-K_5{V}_5{C}_5-D{Q}_5{C}_5;$

$\frac{d{V}_5}{\mathrm{dt}}=Q_5+Q_{6,5}-Q_{\mathrm{5,6}}-Q{E}_5-D{Q}_5;$

箱体6：

$\begin{array}{c}{V}_6\frac{d{C}_6}{\mathrm{dt}}=Q_u{C}_u+Q_6{C}_6+Q_{\mathrm{1,6}}{C}_1+Q_{\mathrm{2,6}}{C}_2+Q_{\mathrm{3,6}}{C}_3+Q_{\mathrm{4,6}}{C}_4+Q_{\mathrm{5,6}}{C}_5\\ -Q_{\mathrm{6,1}}{C}_6-Q_{\mathrm{6,2}}{C}_6-Q_{\mathrm{6,3}}{C}_6-Q_{\mathrm{6,4}}{C}_6-Q_{\mathrm{6,5}}{C}_6-Q_{\mathrm{6,16}}{C}_6-K_6{V}_6{C}_6-D{Q}_6{C}_6\end{array};$

$\begin{array}{c}\frac{d{V}_6}{\mathrm{dt}}=Q_u+Q_6+Q_{\mathrm{1,6}}+Q_{\mathrm{2,6}}+Q_{\mathrm{3,6}}+Q_{\mathrm{4,6}}+Q_{\mathrm{5,6}}\\ -Q_{\mathrm{6,1}}-Q_{\mathrm{6,2}}-Q_{\mathrm{6,3}}{-Q}_{\mathrm{6,4}}-Q_{\mathrm{6,5}}-Q_{\mathrm{6,16}}-Q{E}_6-D{Q}_6\end{array};$

箱体7：

$V_7\frac{d{C}_7}{\mathrm{dt}}=Q_7{C}_7+Q_{16,7}{C}_{16}-Q_{\mathrm{7,16}}{C}_7-K_7{V}_7{C}_7-D{Q}_7{C}_7;$

$\frac{d{V}_7}{\mathrm{dt}}=Q_7+Q_{16,7}-Q_{\mathrm{7,16}}-Q{E}_7-D{Q}_7;$

箱体8：

$V_8\frac{d{C}_8}{\mathrm{dt}}=Q_8{C}_8+Q_{16,8}{C}_{16}-Q_{\mathrm{8,16}}{C}_8-K_8{V}_8{C}_8-D{Q}_8{C}_8;$

$\frac{d{V}_8}{\mathrm{dt}}=Q_8+Q_{16,8}-Q_{8,16}-Q{E}_8-D{Q}_8;$

箱体9：

$V_9\frac{d{C}_9}{\mathrm{dt}}=Q_9{C}_9+Q_{16,9}{C}_{16}-Q_{9,16}{C}_9-K_9{V}_9{C}_9-D{Q}_9{C}_9;$

$\frac{d{V}_9}{\mathrm{dt}}=Q_9+Q_{16,9}-Q_{9,16}-Q{E}_9-D{Q}_9;$

箱体10：

$V_{10}\frac{d{C}_{10}}{\mathrm{dt}}=Q_{10}{C}_{10}+Q_{\mathrm{16,10}}{C}_{16}-Q_{\mathrm{10,16}}{C}_{10}-K_{10}{V}_{10}{C}_{10}-D{Q}_{10}{C}_{10};$

$\frac{d{V}_{10}}{\mathrm{dt}}=Q_{10}+Q_{\mathrm{16,10}}-Q_{\mathrm{10,16}}-Q{E}_{10}-D{Q}_{10};$

箱体11：

$V_{11}\frac{d{C}_{11}}{\mathrm{dt}}=Q_{11}{C}_{11}+Q_{\mathrm{16,11}}{C}_{16}-Q_{\mathrm{11,16}}{C}_{11}-K_{11}{V}_{11}{C}_{11}-D{Q}_{11}{C}_{11};$

$\frac{d{V}_{11}}{\mathrm{dt}}=Q_{11}+Q_{\mathrm{16,11}}-Q_{11,16}-Q{E}_{11}-D{Q}_{11};$

箱体12：

$V_{12}\frac{d{C}_8}{\mathrm{dt}}=Q_{12}{C}_{12}+Q_{\mathrm{16,12}}{C}_{16}-Q_{\mathrm{12,16}}{C}_{12}-K_{12}{V}_{12}{C}_{12}-D{Q}_{12}{C}_{12};$

$\frac{d{V}_{12}}{\mathrm{dt}}=Q_{12}+Q_{\mathrm{16,12}}-Q_{\mathrm{12,16}}-Q{E}_{12}-D{Q}_{12};$

箱体13：

$V_{13}\frac{d{C}_{13}}{\mathrm{dt}}=Q_{13}{C}_{13}+Q_{\mathrm{16,13}}{C}_{16}-Q_{\mathrm{13,16}}{C}_{13}-K_{13}{V}_{13}{C}_{13}-D{Q}_{13}{C}_{13};$

$\frac{d{V}_{13}}{\mathrm{dt}}=Q_{13}+Q_{\mathrm{16,13}}-Q_{\mathrm{13,16}}-Q{E}_{13}-D{Q}_{13};$

箱体14：

$V_{14}\frac{d{C}_{14}}{\mathrm{dt}}=Q_{14}{C}_{14}+Q_{\mathrm{16,14}}{C}_{16}-Q_{\mathrm{14,16}}{C}_{14}-K_{14}{V}_{14}{C}_{14}-D{Q}_{14}{C}_{14};$

$\frac{d{V}_{14}}{\mathrm{dt}}=Q_{14}+Q_{\mathrm{16,14}}-Q_{\mathrm{14,16}}-Q{E}_{14}-D{Q}_{14};$

箱体15：

$V_{15}\frac{d{C}_{15}}{\mathrm{dt}}=Q_{15}{C}_{15}+Q_{\mathrm{16,15}}{C}_{16}-Q_{\mathrm{15,16}}{C}_{15}-K_{15}{V}_{15}{C}_{15}-D{Q}_{15}{C}_{15};$

$\frac{d{V}_{15}}{\mathrm{dt}}=Q_{15}+Q_{\mathrm{16,15}}-Q_{\mathrm{15,16}}-Q{E}_{15}-D{Q}_{15};$

箱体16：

$\begin{array}{c}{V}_{16}\frac{d{C}_{16}}{\mathrm{dt}}=Q_{\mathrm{6,16}}{C}_6+Q_{16}{C}_{16}+Q_{\mathrm{7,16}}{C}_7+Q_{\mathrm{8,16}}{C}_8+Q_{\mathrm{9,16}}{C}_9\\ +Q_{\mathrm{10,16}}{C}_{10}+Q_{\mathrm{11,16}}{C}_{11}+Q_{\mathrm{12,16}}{C}_{12}+Q_{\mathrm{13,16}}{C}_{13}+Q_{\mathrm{14,16}}{C}_{14}+Q_{\mathrm{15,16}}{C}_{15}\\ -Q_{\mathrm{16,7}}{C}_{16}-Q_{\mathrm{16,8}}{C}_{16}-Q_{\mathrm{16,9}}{C}_{16}-Q_{\mathrm{16,10}}{C}_{16}-Q_{\mathrm{16,11}}{C}_{16}-Q_{\mathrm{16,12}}{C}_{16}\\ -Q_{\mathrm{16,13}}{C}_{16}-Q_{\mathrm{16,14}}{C}_{16}-Q_{\mathrm{16,15}}{C}_{16}-Q_{\mathrm{16,25}}{C}_{16}-K_{16}{V}_{16}{C}_{16}-D{Q}_{16}{C}_{16}\end{array};$

$\begin{array}{c}\frac{d{V}_{16}}{\mathrm{dt}}=Q_{\mathrm{6,16}}+Q_{16}+Q_{\mathrm{7,16}}+Q_{\mathrm{8,16}}+Q_{\mathrm{9,16}}+Q_{\mathrm{10,16}}\\ +Q_{\mathrm{11,16}}+Q_{\mathrm{12,16}}+Q_{\mathrm{13,16}}+Q_{\mathrm{14,16}}+Q_{\mathrm{15,16}}\\ -Q_{\mathrm{16,7}}-Q_{\mathrm{16,8}}-Q_{\mathrm{16,9}}-Q_{\mathrm{16,10}}-Q_{\mathrm{16,11}}-Q_{\mathrm{16,12}}\\ -Q_{\mathrm{16,13}}-Q_{\mathrm{16,14}}-Q_{\mathrm{16,15}}-Q_{\mathrm{16,25}}-{\mathrm{QE}}_{16}-D{Q}_{16}\end{array};$

箱体17：

$V_{17}\frac{d{C}_{17}}{\mathrm{dt}}=Q_{17}{C}_{17}+Q_{25,17}{C}_{25}-Q_{17,25}{C}_{17}-K_{17}{V}_{17}{C}_{17}-D{Q}_{17}{C}_{17};$

$\frac{d{V}_{17}}{\mathrm{dt}}=Q_{17}+Q_{25,17}-Q_{17,25}-Q{E}_{17}-D{Q}_{17};$

箱体18：

$V_{18}\frac{d{C}_{18}}{\mathrm{dt}}=Q_{18}{C}_{18}+Q_{25,18}{C}_{25}-Q_{18,25}{C}_{18}-K_{18}{V}_{18}{C}_{18}-D{Q}_{18}{C}_{18};$

$\frac{d{V}_{18}}{\mathrm{dt}}=Q_{18}+Q_{25,18}-Q_{18,25}-Q{E}_{18}-D{Q}_{18};$

箱体19：

$V_{19}\frac{d{C}_{19}}{\mathrm{dt}}=Q_{19}{C}_{19}+Q_{25,19}{C}_{25}-Q_{19,25}{C}_{19}-K_{19}{V}_{19}{C}_{19}-D{Q}_{19}{C}_{19};$

$\frac{d{V}_{19}}{\mathrm{dt}}=Q_{19}+Q_{25,19}-Q_{19,25}-Q{E}_{19}-D{Q}_{19};$

箱体20：

$V_{20}\frac{d{C}_{20}}{\mathrm{dt}}=Q_{20}{C}_{20}+Q_{25,20}{C}_{20}-Q_{20,25}{C}_{20}-K_{20}{V}_{20}{C}_{20}-D{Q}_{20}{C}_{20};$

$\frac{d{V}_{20}}{\mathrm{dt}}=Q_{20}+Q_{25,20}-Q_{\mathrm{20,25}}-Q{E}_{20}-D{Q}_{20};$

箱体21：

$V_{21}\frac{d{C}_{21}}{\mathrm{dt}}=Q_{21}{C}_{21}+Q_{25,21}{C}_{25}-Q_{21,25}{C}_{21}-K_{21}{V}_{21}{C}_{21}-D{Q}_{21}{C}_{21};$

$\frac{d{V}_{21}}{\mathrm{dt}}=Q_{21}+Q_{25,21}-Q_{21,25}-Q{E}_{21}-D{Q}_{21};$

箱体22：

$V_{22}\frac{d{C}_{22}}{\mathrm{dt}}=Q_{22}{C}_{22}+Q_{25,22}{C}_{25}-Q_{22,25}{C}_{22}-K_{22}{V}_{22}{C}_{22}-D{Q}_{22}{C}_{22};$

$\frac{d{V}_{22}}{\mathrm{dt}}=Q_{22}+Q_{25,22}-Q_{22,25}-Q{E}_{22}-D{Q}_{22};$

箱体23：

$V_{23}\frac{d{C}_{23}}{\mathrm{dt}}=Q_{23}{C}_{23}+Q_{25,23}{C}_{25}-Q_{\mathrm{23,25}}{C}_{23}-K_{23}{V}_{23}{C}_{23}-D{Q}_{23}{C}_{23};$

$\frac{d{V}_{23}}{\mathrm{dt}}=Q_{23}+Q_{25,23}-Q_{23,25}-Q{E}_{23}-D{Q}_{23};$

箱体24：

$V_{24}\frac{d{C}_{24}}{\mathrm{dt}}=Q_{24}{C}_{24}+Q_{25,24}{C}_{25}-Q_{24,25}{C}_{24}-K_{24}{V}_{24}{C}_{24}-D{Q}_{24}{C}_{24};$

$\frac{d{V}_{24}}{\mathrm{dt}}=Q_{24}+Q_{25,24}-Q_{24,25}-Q{E}_{24}-D{Q}_{24};$

箱体25：

$\begin{array}{c}{V}_{25}\frac{d{C}_{25}}{\mathrm{dt}}=Q_{\mathrm{16,25}}{C}_{16}+Q_{25}{C}_{25}+Q_{\mathrm{17,25}}{C}_{17}+Q_{\mathrm{18,25}}{C}_{18}+Q_{\mathrm{19,25}}{C}_{19}\\ +Q_{\mathrm{20,25}}{C}_{20}+Q_{\mathrm{21,25}}{C}_{21}+Q_{\mathrm{22,25}}{C}_{22}+Q_{\mathrm{23,25}}{C}_{23}+Q_{\mathrm{24,25}}{C}_{24}\\ -Q_{\mathrm{25,17}}{C}_{25}-Q_{\mathrm{25,18}}{C}_{25}-Q_{\mathrm{25,19}}{C}_{25}-Q_{\mathrm{25,20}}{C}_{25}-Q_{\mathrm{25,21}}{C}_{25}\\ -Q_{\mathrm{25,22}}{C}_{25}-Q_{\mathrm{25,23}}{C}_{25}-Q_{\mathrm{25,24}}{C}_{25}-Q_{\mathrm{25,44}}{C}_{25}-K_{25}{V}_{25}{C}_{25}-D{Q}_{25}{C}_{25}\end{array};$

$\begin{array}{c}\frac{d{V}_{25}}{\mathrm{dt}}=Q_{\mathrm{16,25}}+Q_{25}+Q_{\mathrm{17,25}}+Q_{\mathrm{18,25}}+Q_{\mathrm{19,25}}\\ +Q_{\mathrm{20,25}}+Q_{\mathrm{21,25}}+Q_{\mathrm{22,25}}+Q_{\mathrm{23,25}}+Q_{\mathrm{24,25}}\\ -Q_{\mathrm{25,17}}-Q_{\mathrm{25,18}}-Q_{\mathrm{25,19}}-Q_{\mathrm{25,20}}-Q_{\mathrm{25,21}}\\ -Q_{\mathrm{25,22}}-Q_{\mathrm{25,23}}-Q_{\mathrm{25,24}}-Q_{\mathrm{25,44}}-Q{E}_{25}-D{Q}_{25}\end{array};$

箱体26：

$V_{26}\frac{d{C}_{26}}{\mathrm{dt}}=Q_{26}{C}_{26}+Q_{44,26}{C}_{44}-Q_{26,44}{C}_{26}-K_{26}{V}_{26}{C}_{26}-D{Q}_{26}{C}_{26};$

$\frac{d{V}_{26}}{\mathrm{dt}}=Q_{26}+Q_{44,26}-Q_{26,44}-Q{E}_{26}-D{Q}_{26};$

箱体27：

$V_{27}\frac{d{C}_{27}}{\mathrm{dt}}=Q_{27}{C}_{27}+Q_{44,27}{C}_{44}-Q_{27,44}{C}_{27}-K_{27}{V}_{27}{C}_{27}-D{Q}_{27}{C}_{27};$

$\frac{d{V}_{27}}{\mathrm{dt}}=Q_{27}+Q_{44,27}-Q_{27,44}-Q{E}_{27}-D{Q}_{27};$

箱体28：

$V_{28}\frac{d{C}_{28}}{\mathrm{dt}}=Q_{28}{C}_{28}+Q_{44,28}{C}_{44}-Q_{28,44}{C}_{28}-K_{28}{V}_{28}{C}_{28}-D{Q}_{28}{C}_{28};$

$\frac{d{V}_{28}}{\mathrm{dt}}=Q_{28}+Q_{44,28}-Q_{28,44}-Q{E}_{28}-D{Q}_{28};$

箱体29：

$V_{29}\frac{d{C}_{29}}{\mathrm{dt}}=Q_{29}{C}_{29}+Q_{44,29}{C}_{44}-Q_{29,44}{C}_{29}-K_{29}{V}_{29}{C}_{29}-D{Q}_{29}{C}_{29};$

$\frac{d{V}_{29}}{\mathrm{dt}}=Q_{29}+Q_{44,29}-Q_{29,44}-Q{E}_{29}-D{Q}_{29};$

箱体30：

$V_{30}\frac{d{C}_{30}}{\mathrm{dt}}=Q_{30}{C}_{30}+Q_{44,30}{C}_{30}-Q_{30,44}{C}_{30}-K_{30}{V}_{30}{C}_{30}-D{Q}_{30}{C}_{30};$

$\frac{d{V}_{30}}{\mathrm{dt}}=Q_{30}+Q_{44,30}-Q_{30,44}-Q{E}_{30}-D{Q}_{30};$

箱体31：

$V_{31}\frac{d{C}_{31}}{\mathrm{dt}}=Q_{31}{C}_{31}+Q_{44,31}{C}_{44}-Q_{31,44}{C}_{31}-K_{31}{V}_{31}{C}_{31}-D{Q}_{31}{C}_{31};$

$\frac{d{V}_{31}}{\mathrm{dt}}=Q_{31}+Q_{\mathrm{44,31}}-Q_{31,44}-Q{E}_{31}-D{Q}_{31};$

箱体32：

$V_{32}\frac{d{C}_{32}}{\mathrm{dt}}=Q_{32}{C}_{32}+Q_{44,32}{C}_{44}-Q_{32,44}{C}_{32}-K_{32}{V}_{32}{C}_{32}-D{Q}_{32}{C}_{32};$

$\frac{d{V}_{32}}{\mathrm{dt}}=Q_{32}+Q_{\mathrm{44,32}}-Q_{32,44}-Q{E}_{32}-D{Q}_{32};$

箱体33：

$V_{33}\frac{d{C}_{33}}{\mathrm{dt}}=Q_{33}{C}_{33}+Q_{44,33}{C}_{44}-Q_{33,44}{C}_{33}-K_{33}{V}_{33}{C}_{33}-D{Q}_{33}{C}_{33};$

$\frac{d{V}_{33}}{\mathrm{dt}}=Q_{33}+Q_{\mathrm{44,33}}-Q_{33,44}-Q{E}_{33}-D{Q}_{33};$

箱体34：

$V_{34}\frac{d{C}_{34}}{\mathrm{dt}}=Q_{34}{C}_{34}+Q_{44,34}{C}_{44}-Q_{34,44}{C}_{34}-K_{34}{V}_{34}{C}_{34}-D{Q}_{34}{C}_{34};$

$\frac{d{V}_{34}}{\mathrm{dt}}=Q_{34}+Q_{44,34}-Q_{34,44}-Q{E}_{34}-D{Q}_{34};$

箱体35：

$V_{35}\frac{d{C}_{35}}{\mathrm{dt}}=Q_{35}{C}_{35}+Q_{44,35}{C}_{44}-Q_{35,44}{C}_{35}-K_{35}{V}_{35}{C}_{35}-D{Q}_{35}{C}_{35};$

$\frac{d{V}_{35}}{\mathrm{dt}}=Q_{35}+Q_{\mathrm{44,35}}-Q_{35,44}-Q{E}_{35}-D{Q}_{35};$

箱体36：

$V_{36}\frac{d{C}_{36}}{\mathrm{dt}}=Q_{36}{C}_{36}+Q_{44,36}{C}_{44}-Q_{36,44}{C}_{36}-K_{36}{V}_{36}{C}_{36}-D{Q}_{36}{C}_{36};$

$\frac{d{V}_{36}}{\mathrm{dt}}=Q_{36}+Q_{\mathrm{44,36}}-Q_{36,44}-Q{E}_{36}-D{Q}_{36};$

箱体37：

$V_{37}\frac{d{C}_{37}}{\mathrm{dt}}=Q_{37}{C}_{37}+Q_{44,37}{C}_{44}-Q_{37,44}{C}_{37}-K_{37}{V}_{37}{C}_{37}-D{Q}_{37}{C}_{37};$

$\frac{d{V}_{37}}{\mathrm{dt}}=Q_{37}+Q_{\mathrm{44,37}}-Q_{37,44}-Q{E}_{37}-D{Q}_{37};$

箱体38：

$V_{38}\frac{d{C}_{38}}{\mathrm{dt}}=Q_{38}{C}_{38}+Q_{44,38}{C}_{44}-Q_{38,44}{C}_{38}-K_{38}{V}_{38}{C}_{38}-D{Q}_{38}{C}_{38};$

$\frac{d{V}_{38}}{\mathrm{dt}}=Q_{38}+Q_{\mathrm{44,38}}-Q_{38,44}-Q{E}_{38}-D{Q}_{38};$

箱体39：

$V_{39}\frac{d{C}_{39}}{\mathrm{dt}}=Q_{39}{C}_{39}+Q_{44,39}{C}_{44}-Q_{39,44}{C}_{39}-K_{39}{V}_{39}{C}_{39}-D{Q}_{39}{C}_{39};$

$\frac{d{V}_{39}}{\mathrm{dt}}=Q_{39}+Q_{\mathrm{44,39}}-Q_{39,44}-Q{E}_{39}-D{Q}_{39};$

箱体40：

$V_{40}\frac{d{C}_{40}}{\mathrm{dt}}=Q_{40}{C}_{40}+Q_{44,40}{C}_{44}-Q_{40,44}{C}_{40}-K_{40}{V}_{40}{C}_{40}-D{Q}_{40}{C}_{40};$

$\frac{d{V}_{40}}{\mathrm{dt}}=Q_{40}+Q_{\mathrm{44,40}}-Q_{\mathrm{40,44}}-Q{E}_{40}-D{Q}_{40};$

箱体41：

$V_{41}\frac{d{C}_{41}}{\mathrm{dt}}=Q_{41}{C}_{41}+Q_{44,41}{C}_{44}-Q_{41,44}{C}_{41}-K_{41}{V}_{41}{C}_{41}-D{Q}_{41}{C}_{41};$

$\frac{d{V}_{41}}{\mathrm{dt}}=Q_{41}+Q_{44,41}-Q_{41,44}-Q{E}_{41}-D{Q}_{41};$

箱体42：

$V_{42}\frac{d{C}_{42}}{\mathrm{dt}}=Q_{42}{C}_{42}+Q_{44,42}{C}_{44}-Q_{42,44}{C}_{42}-K_{42}{V}_{42}{C}_{42}-D{Q}_{42}{C}_{42};$

$\frac{d{V}_{42}}{\mathrm{dt}}=Q_{42}+Q_{44,42}-Q_{42,44}-Q{E}_{42}-D{Q}_{42};$

箱体43：

$V_{43}\frac{d{C}_{43}}{\mathrm{dt}}=Q_{43}{C}_{43}+Q_{44,43}{C}_{44}-Q_{43,44}{C}_{43}-K_{43}{V}_{43}{C}_{43}-D{Q}_{43}{C}_{43};$

$\frac{d{V}_{43}}{\mathrm{dt}}=Q_{43}+Q_{44,43}-Q_{\mathrm{43,44}}-Q{E}_{43}-D{Q}_{43};$

箱体44：

$\begin{array}{c}{V}_{44}\frac{d{C}_{44}}{\mathrm{dt}}=Q_{\mathrm{25,44}}{C}_{25}+Q_{44}{C}_{44}+Q_{\mathrm{26,44}}{C}_{26}+Q_{\mathrm{27,44}}{C}_{27}+Q_{\mathrm{28,44}}{C}_{28}+Q_{\mathrm{29,44}}{C}_{29}\\ +Q_{\mathrm{30,44}}{C}_{30}+Q_{\mathrm{31,44}}{C}_{31}+Q_{\mathrm{32,44}}{C}_{32}+Q_{\mathrm{33,44}}{C}_{33}+Q_{\mathrm{34,44}}{C}_{34}+Q_{\mathrm{35,44}}{C}_{35}+Q_{\mathrm{36,44}}{C}_{36}\\ +Q_{\mathrm{37,44}}{C}_{37}+Q_{\mathrm{38,44}}{C}_{38}+Q_{\mathrm{39,44}}{C}_{39}+Q_{\mathrm{40,44}}{C}_{40}+Q_{\mathrm{41,44}}{C}_{41}+Q_{\mathrm{42,44}}{C}_{42}+Q_{\mathrm{43,44}}{C}_{43}\\ -Q_{\mathrm{44,26}}{C}_{44}-Q_{\mathrm{44,27}}{C}_{44}-Q_{\mathrm{44,28}}{C}_{44}-Q_{\mathrm{44,29}}{C}_{44}-Q_{\mathrm{44,30}}{C}_{30}-Q_{\mathrm{44,31}}{C}_{44}-Q_{\mathrm{44,32}}{C}_{44}\\ -Q_{\mathrm{44,33}}{C}_{44}-Q_{\mathrm{44,34}}{C}_{44}-Q_{\mathrm{44,35}}{C}_{44}-Q_{\mathrm{44,36}}{C}_{44}-Q_{\mathrm{44,37}}{C}_{44}-Q_{\mathrm{44,38}}{C}_{44}-Q_{\mathrm{44,39}}{C}_{44}\\ -Q_{\mathrm{44,40}}{C}_{44}-Q_{\mathrm{44,41}}{C}_{44}-Q_{\mathrm{44,42}}{C}_{44}-Q_{\mathrm{44,43}}{C}_{44}-Q_L{C}_{44}-K_{44}{V}_{44}{C}_{44}-D{Q}_{44}{C}_{44}\end{array};$

$\begin{array}{c}\frac{d{V}_{44}}{\mathrm{dt}}=Q_{\mathrm{25,44}}+Q_{44}+Q_{26,44}+Q_{\mathrm{27,44}}+Q_{\mathrm{28,44}}+Q_{\mathrm{29,44}}\\ +Q_{\mathrm{30,44}}+Q_{\mathrm{31,44}}+Q_{\mathrm{32,44}}+Q_{\mathrm{33,44}}+Q_{\mathrm{34,44}}+Q_{\mathrm{35,44}}+Q_{\mathrm{36,44}}\\ +Q_{\mathrm{37,44}}+Q_{\mathrm{38,44}}+Q_{\mathrm{39,44}}+Q_{\mathrm{40,44}}+Q_{\mathrm{41,44}}+Q_{\mathrm{42,44}}+Q_{\mathrm{42,44}}\\ +Q_{\mathrm{43,44}}-Q_{\mathrm{44,26}}-Q_{\mathrm{44,27}}-Q_{\mathrm{44,28}}-Q_{\mathrm{44,29}}-Q_{\mathrm{44,30}}-Q_{\mathrm{44,31}}\\ -Q_{\mathrm{44,32}}-Q_{\mathrm{44,33}}-Q_{\mathrm{44,34}}-Q_{\mathrm{44,35}}-Q_{\mathrm{44,36}}-Q_{\mathrm{44,37}}-Q_{\mathrm{44,38}}\\ -Q_{\mathrm{44,39}}-Q_{\mathrm{44,40}}-Q_{\mathrm{44,41}}-Q_{\mathrm{44,42}}-Q_{\mathrm{44,43}}-Q_L-{\mathrm{QE}}_{44}-D{Q}_{44}\end{array};$

以上各式中，t代表单位时间；Vi表示箱体i的体积(m³)，Q_i表示单位时间内箱体i产生的流量(m³)；Q_i,j表示从单位时间内第i箱流入第j箱的流量(m³);QE_i表示单位时间内第i箱蒸发水量(m³)；DQ_i表示单位时间内第i箱体取水量（消耗水量）(m³)；C_i表示第i箱污染物浓度(mg/L)；Q_i,iC_i表示单位时间内从第i箱流入第j箱的污染物总量(mg)；K_i表示沉降、释放和生物化学综合分解系数(1/单位时间)；K_iV_iC_i表示单位时间内第i箱污染物综合降解量(mg);DQ_iC_i表示单位时间内第i箱体取水量带走的污染物总量(mg)；上述符号中i取1～44的整数，j取1～44的整数；QL表示单位时间内最后一个箱体的下泄水量(m³)；

表示单位时间内第i箱体积变化(m³)；

表示单位时间内第i箱污染物总量变化(mg)。

输入水量及污染核算数据，反求参数，而后将已识别参数反带入模型，率定模型参数；

输入给类水量情景及排污情景，输出多情景水量水质模拟结果，为水量水质联合调控提供技术支撑。

Claims (5)

1.一种超大尺度流域水量水质耦合模拟预测分析方法，其特征在于：该方法通过流域多箱划分、单箱污染核算、建立单箱水量水质耦合模型、多箱嵌套、多箱水量水质耦合模拟对水量、水质状况进行系统模拟与预测；

其中，通过所述流域多箱划分，圈定大尺度流域各箱体，即子流域范围；

通过所述单箱污染核算，核算单个箱体污染物产量、处理量与排放量，得出用于输入模型所需的数据；

通过所述单箱水量水质耦合模型，基于质量平衡方程，形成水量和水质模型用于实现对单个箱体内水质水量的耦合模拟；

通过所述多箱嵌套，是基于多箱划分结果，找寻箱体之间的交互关系，实现箱体之间的串联；

通过所述多箱水量水质耦合模拟，用于耦合各单箱水量水质模型，实现整体尺度上的流域水量水质耦合模拟。

2.根据权利要求1所述的一种超大尺度流域水量水质耦合模拟预测分析方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤A，基于数字高程模型将超大流域划分成多个子流域，每个子流域作为水量和水质稳定变化单元，即为“箱体”；

步骤B，根据收集的经济活动、污染源强、人类活动数据，核算单个箱体工业、农业以及生活污染物产量、处理量与排放量；

步骤C，根据质量守恒原理，建立单箱水量水质耦合模型；

步骤D，基于多个箱体划分结果，找寻箱体之间的交互关系，建立多箱水量水质耦合模型；

步骤E，根据输入的水量及污染核算数据，确定模型参数；

步骤F，输入各类水量情况及排污情况，输出综合水量水质模拟结果。

3.根据权利要求2所述的一种超大尺度流域水量水质耦合模拟预测分析方法，其特征在于：所述子流域为一级子流域或二级子流域。

4.根据权利要求2所述的一种超大尺度流域水量水质耦合模拟预测分析方法，其特征在于，所述的A步骤的具体方案如下：

划分箱体：

依据库区支流水质水量现状、支流流域的水量分配现状、蒸散发、入流水量、出流水量、引用水量、回归水量把水库划分为不同箱体。

5.根据权利要求2所述的一种超大尺度流域水量水质耦合模拟预测分析方法，其特征在于，所述的C步骤和D步骤的具体方案如下：

（1）建立各箱体水量模型与水质模型：

①水量模型：依据水量平衡原理建立水量平衡模型；

(a)首先找出箱体所有进入、流出水量项；

(b)根据已知变量与未知变量之间的关系，用己知变量近似函数表达未知变量，带入模型；

(c)采用水文系统识别方法，识别未知参数，再反代入原模型；

根据计算的复相关系数大小，判断模型拟合效果好坏；同时，把已识别的参数反代入模型中，再来计算各项水量大小，验算是否满足水量平衡原理；

②水质模型：

针对水体中各组份，依据物质守恒原理，分别建立水质模型，其方法与建立水量模型方法相同；

水质模型与水量模型都是依据物质平衡原理建立，对库区水资源系统在历史到现在的条件下进行模拟；

（2）耦合计算方法：

基本思路：逐个箱体采用水量模型和水质模型循环迭代，直至误差小于设定值，终止迭代计算；

（3）模型效果检验：

由“先分箱后聚合”的思路建立的模型，模拟效果检验的方法是用模拟值作为输入值反代入模型中，检验中间变量的拟合效果；或是进行变量变化的影响分析，假定改变一个或多个变量，检验系统变化的灵敏性和可靠性。

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