本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)面源污染防控，具體涉及一種大尺度流域面源磷負(fù)荷和通量的計(jì)算方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、上世紀(jì)60年代開(kāi)始，面源污染研究逐漸得到國(guó)內(nèi)外的關(guān)注，隨著監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的豐富和對(duì)機(jī)理研究的深入，從上世紀(jì)70年代開(kāi)始，分布式水文學(xué)知識(shí)逐漸應(yīng)用于綜合分析流域污染物遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，一系列的水文模型和污染物模擬模型被國(guó)內(nèi)外研究者相繼開(kāi)發(fā)。到20世紀(jì)90年代流域污染模型開(kāi)始逐漸考慮區(qū)域空間和環(huán)境因子的共同作用，發(fā)展至可以綜合量化區(qū)域的氣候、土壤、地形、土地利用等多個(gè)方面的因素。21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)全球不同河段和研究區(qū)的尺度、特征及目的開(kāi)發(fā)并改進(jìn)了許多流域污染物輸出模型，包括agnps模型、answers模型、hspf模型、mike-she模型、swat模型、sparrow模型等。

2、由于研究區(qū)域的特征和數(shù)據(jù)可用性不完全相同，所以采用的研究方法也略有不同。經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)性和機(jī)理模型通常是研究污染物來(lái)源和遷移的有效工具。經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)性模型的一般表達(dá)式為河流監(jiān)測(cè)值與流域污染源及景觀格局特征之間的簡(jiǎn)單線(xiàn)性關(guān)系，模型結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。廣泛使用的經(jīng)驗(yàn)性模型，如質(zhì)量平衡算法、克里金方法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以描繪出河流出口對(duì)磷污染源的直接反饋，并且容易量化模型參數(shù)及預(yù)測(cè)值的誤差。盡管這種方法可以應(yīng)用于大型流域，但往往缺乏對(duì)污染物來(lái)源及其遷移機(jī)理方面的解釋。許多分布式水文模型，如hspf模型、dwsm模型和swat模型已被廣泛應(yīng)用于模擬不同時(shí)空尺度下各種污染物的遷移和歸宿。盡管這些模型具有重現(xiàn)水文、營(yíng)養(yǎng)物輸送和河流路徑的既定能力，但它們往往過(guò)于復(fù)雜，需要將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用于除最密集監(jiān)測(cè)流域外的任何流域。先前的研究也表明，雖然這些機(jī)理性模型使用水污染數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，使得流域出口的校準(zhǔn)誤差很小，但是數(shù)據(jù)來(lái)源和運(yùn)輸過(guò)程造成的誤差則可能很大，使得模擬效果存在諸多不確定性。上述提到的hspf、agnps及swat模型均是側(cè)重于機(jī)理性的模型，復(fù)雜的機(jī)理性使得模型對(duì)輸入數(shù)據(jù)的數(shù)量及質(zhì)量的要求更高，同時(shí)也使得模型在應(yīng)用性方面受到更多制約。而側(cè)重統(tǒng)計(jì)類(lèi)的模型如sparrow、克里金、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等對(duì)輸入數(shù)據(jù)的要求相對(duì)寬松，但仍在污染負(fù)荷的產(chǎn)生、傳輸以及流域管理策略分析方面展現(xiàn)了理想的模擬效果。

3、目前國(guó)內(nèi)的污染輸出模擬側(cè)重于常規(guī)方法的運(yùn)用和小尺度實(shí)驗(yàn)，缺乏流域一級(jí)區(qū)的污染物流失特征的甄別。且我國(guó)一級(jí)流域的流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)還存在子流域數(shù)據(jù)缺失或者監(jiān)測(cè)點(diǎn)位不能完全覆蓋一級(jí)流域劃分的子流域等問(wèn)題，導(dǎo)致對(duì)于一級(jí)流域的水文和污染物模擬比較困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，提供能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)一級(jí)流域的污染物進(jìn)行準(zhǔn)確模擬的一種大尺度流域面源磷負(fù)荷和通量的計(jì)算方法及系統(tǒng)。

2、為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、第一方面，本發(fā)明提出一種大尺度流域面源磷負(fù)荷和通量的計(jì)算方法，包括：

4、s1、采用hspf模型對(duì)水文水質(zhì)數(shù)據(jù)中缺失的徑流量數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬補(bǔ)充；

5、s2、構(gòu)建包括大尺度流域的水系數(shù)據(jù)、污染源數(shù)據(jù)、空間屬性數(shù)據(jù)以及水文水質(zhì)數(shù)據(jù)的流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)；

6、s3、將流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)輸入sparrow模型，計(jì)算得到大尺度流域的面源磷負(fù)荷；

7、s4、根據(jù)大尺度流域的面源磷負(fù)荷計(jì)算其磷通量。

8、所述s1包括：將氣象、dem、土地利用以及河網(wǎng)數(shù)據(jù)輸入hspf模型得到缺失的徑流量數(shù)據(jù)的模擬值，并通過(guò)比較模擬值與觀測(cè)值評(píng)估模擬精度，若模擬精度無(wú)法滿(mǎn)足要求，則采用改進(jìn)的pest算法進(jìn)行校準(zhǔn)；

9、所述改進(jìn)的pest算法根據(jù)如下公式確定各參數(shù)的敏感系數(shù)：

10、

11、上式中，si為第i個(gè)參數(shù)的敏感系數(shù)，ωi,j為第i個(gè)參數(shù)在第j個(gè)子流域的權(quán)重，qk,j為hspf模型第k次運(yùn)行時(shí)輸出的第j個(gè)子流域的徑流量，q0為率定結(jié)果的初始值，ck,j為hspf模型第k次運(yùn)行時(shí)的運(yùn)算參數(shù)值相對(duì)于率定后的參數(shù)值的變化比例，0＜ck,j＜1，n為hspf模型的運(yùn)行次數(shù)，m為子流域的數(shù)量；

12、對(duì)于敏感系數(shù)低于閾值的參數(shù)，在模型率定時(shí)會(huì)被刪除。

13、所述s3中，在將流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)輸入sparrow模型之前，采用loadest模型對(duì)流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中的非正態(tài)分布數(shù)據(jù)、刪失型數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理；

14、所述s4采用loadest模型計(jì)算大尺度流域的面源磷通量，且對(duì)于loadest模型需要的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)數(shù)據(jù)，優(yōu)先選用干流和主要支流的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，篩除磷濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)缺失數(shù)量在2個(gè)以上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

15、所述水系數(shù)據(jù)包括河流長(zhǎng)度、子流域面積、河流始末節(jié)點(diǎn)、河段編碼和河網(wǎng)密度；

16、所述污染源數(shù)據(jù)包括農(nóng)田、建設(shè)用地、林地、草地的土地利用數(shù)據(jù)；

17、所述空間屬性數(shù)據(jù)包括年平均降雨量、年平均溫度、坡度、河網(wǎng)密度、徑流深度、人口密度、鹽基飽和度、土壤鹽度、土壤容重、粘土比例、粉土比例、沙土比例；

18、所述水文水質(zhì)數(shù)據(jù)包括監(jiān)測(cè)得到的徑流量、磷濃度。

19、所述s3中，輸入sparrow模型的數(shù)據(jù)還包括基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的年均磷負(fù)荷量load：

20、

21、上式中，cn為第n個(gè)月的磷濃度監(jiān)測(cè)值，qn為第n個(gè)月的徑流量，dn第n個(gè)月的天數(shù)。

22、第二方面，本發(fā)明提出一種大尺度流域面源磷負(fù)荷和通量的計(jì)算系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建模塊、磷負(fù)荷計(jì)算模塊、磷通量計(jì)算模塊，所述數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊包括徑流量數(shù)據(jù)補(bǔ)充單元；

23、所述徑流量數(shù)據(jù)補(bǔ)充單元用于采用hspf模型對(duì)水文水質(zhì)數(shù)據(jù)中缺失的徑流量數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬補(bǔ)充；

24、所述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建模塊用于構(gòu)建包括大尺度流域的水系數(shù)據(jù)、污染源數(shù)據(jù)、空間屬性數(shù)據(jù)以及水文水質(zhì)數(shù)據(jù)的流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)；

25、所述磷負(fù)荷計(jì)算模塊用于將流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)輸入sparrow模型，計(jì)算得到大尺度流域的面源磷負(fù)荷；

26、所述磷通量計(jì)算模塊用于根據(jù)大尺度流域的面源磷負(fù)荷計(jì)算其磷通量。

27、所述徑流量數(shù)據(jù)補(bǔ)充單元的運(yùn)行流程包括：將氣象、dem、土地利用以及河網(wǎng)數(shù)據(jù)輸入hspf模型得到缺失的徑流量數(shù)據(jù)的模擬值，并通過(guò)比較模擬值與觀測(cè)值評(píng)估模擬精度，若模擬精度無(wú)法滿(mǎn)足要求，則采用改進(jìn)的pest算法進(jìn)行校準(zhǔn)；

28、所述改進(jìn)的pest算法根據(jù)如下公式確定各參數(shù)的敏感系數(shù)：

29、

30、上式中，si為第i個(gè)參數(shù)的敏感系數(shù)，ωi,j為第i個(gè)參數(shù)在第j個(gè)子流域的權(quán)重，qk,j為hspf模型第k次運(yùn)行時(shí)輸出的第j個(gè)子流域的徑流量，q0為率定結(jié)果的初始值，ck,j為hspf模型第k次運(yùn)行時(shí)的運(yùn)算參數(shù)值相對(duì)于率定后的參數(shù)值的變化比例，0＜ck,j＜1，n為hspf模型的運(yùn)行次數(shù)，m為子流域的數(shù)量；

31、對(duì)于敏感系數(shù)低于閾值的參數(shù)，在模型率定時(shí)會(huì)被刪除。

32、所述數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊還包括規(guī)范處理單元；

33、所述規(guī)范處理單元用于在將流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)輸入sparrow模型之前，采用loadest模型對(duì)流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中的非正態(tài)分布數(shù)據(jù)、刪失型數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理；

34、所述磷通量計(jì)算模塊采用loadest模型計(jì)算大尺度流域的面源磷通量，且對(duì)于loadest模型需要的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)數(shù)據(jù)，優(yōu)先選用干流和主要支流的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，篩除磷濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)缺失數(shù)量在2個(gè)以上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

35、所述水系數(shù)據(jù)包括河流長(zhǎng)度、子流域面積、河流始末節(jié)點(diǎn)、河段編碼和河網(wǎng)密度；

36、所述污染源數(shù)據(jù)包括農(nóng)田、建設(shè)用地、林地、草地的土地利用數(shù)據(jù)；

37、所述空間屬性數(shù)據(jù)包括年平均降雨量、年平均溫度、坡度、河網(wǎng)密度、徑流深度、人口密度、鹽基飽和度、土壤鹽度、土壤容重、粘土比例、粉土比例、沙土比例；

38、所述水文水質(zhì)數(shù)據(jù)包括監(jiān)測(cè)得到的徑流量、磷濃度。

39、輸入所述sparrow模型的數(shù)據(jù)還包括基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的年均磷負(fù)荷量load：

40、

41、上式中，cn為第n個(gè)月的磷濃度監(jiān)測(cè)值，qn為第n個(gè)月的徑流量，dn第n個(gè)月的天數(shù)。

42、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

43、1、本發(fā)明一種大尺度流域面源磷負(fù)荷和通量的計(jì)算方法先采用hspf模型對(duì)水文水質(zhì)數(shù)據(jù)缺失的徑流量數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬補(bǔ)充，然后構(gòu)建包括大尺度流域的水系數(shù)據(jù)、污染源數(shù)據(jù)、空間屬性數(shù)據(jù)以及水文水質(zhì)數(shù)據(jù)的流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，再將流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)輸入sparrow模型，計(jì)算得到大尺度流域的面源磷負(fù)荷，最后根據(jù)大尺度流域的面源磷負(fù)荷計(jì)算其磷通量。該方法將hspf模型與sparrow模型進(jìn)行耦合，與單一模型相比，有效提高了大尺度流域面源磷負(fù)荷以及通量計(jì)算的準(zhǔn)確度。

44、2、本發(fā)明一種大尺度流域面源磷負(fù)荷和通量的計(jì)算方法在采用hspf模型對(duì)水文水質(zhì)數(shù)據(jù)中缺失的徑流量數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬的過(guò)程中，若模擬精度無(wú)法滿(mǎn)足要求，則采用改進(jìn)的pest算法進(jìn)行校準(zhǔn)，該改進(jìn)的pest算法提出了基于敏感系數(shù)進(jìn)行參數(shù)篩選的方法，對(duì)于敏感系數(shù)低的參數(shù)，在模型率定時(shí)刪除，該方法有效提高了大尺度流域模擬過(guò)程中參數(shù)篩選的效率以及模擬結(jié)果的精度。