Download
1 / 27
270 likes | 390 Views
第十章 水文－生态耦合系统模拟技术. 第十章 水文－生态耦合系统模拟技术. 主要内容. 10.1. 研究意义. 10.2. MBM 建模原理与思路. 10.3. MBM 建模步骤. 10.4. 应用举例. 10.1 研究意义.
E N D
第十章 水文－生态耦合系统模拟技术 主要内容 10.1 研究意义 10.2 MBM建模原理与思路 10.3 MBM建模步骤 10.4 应用举例
10.1 研究意义 人类生存所依赖的生态环境质量与当地乃至区域水文气象条件（包括水量、水质）息息相关。自然界的水量多少、水质好坏会直接影响到生态系统状况。反过来，生态系统状况（如，植被覆盖率）又会影响到水循环（如水土流失）及其他组分的循环。这就要求生态学家与水文学家共同合作，积极探讨水循环与生态系统变化等一系列问题，把水量、水质统一考虑、统一管理，把水量变化、水质变化与生态环境保护有机地结合起来，以期实现“资源可持续利用，生态系统完整性保护”等目标。
地下径流 水文—生态耦合系统关系概念图
10.2 MBM建模原理与思路 为了研究的需要，同时又要尊重客观实际，可以依据系统论的观点，把大系统划分成子系统，再进一步划分为子子系统等。把每个子子系统看成一个类型接近的单元（如河段、灌区），称之为“箱体”；可以根据实际资料分别建立各箱体的水量、水质、生态系统模型，并进行耦合计算；根据模型集成方法，把子系统模型耦合集成为大系统模型。从而得到整个系统的最终水文—生态耦合系统模型。这就是本书所指的“多箱模型 (Multi-box modeling method)”建模基本原理。
MBM建模思路是：将研究区划分为多个单元（亦称为箱体），箱与箱之间存在水流、水质及相关物质交换；箱体内可以分别建立水量、水质、生态系统模型；然后，根据质量守恒原理，依照一定的计算顺序和准则，进行所有箱体的耦合计算。
10.3 MBM建模步骤 10.3.1 划分箱体 首先按照陆面上河流、湖泊（水库）、地面进行分类，然后对各类进一步分块（段）（统称“箱”）。分类、分块方法可参考下表。
陆面平面分类示意图 流域界限 河流 地面 湖泊（水库） 河流
10.3.2 建立各箱体水量、水质、生态系统模型 （1）水量模型 依据水量平衡原理建立的水量平衡模型，其建模方法比较简单，在资料较缺乏、精度要求不高时常采用。其基本方法是：首先找出箱体所有进入、流出的水量项；根据已知变量与未知变量之间的关系，用已知变量的近似函数来表达未知变量，并代入模型；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，检验是否满足水量平衡原理。只有模型拟合效果较好、计算结果满足水量平衡原理时，才能确认该模型是可靠的。
（2）水质模型 关于水质模型的建立方法，也可以依据物质平衡原理（针对具体的某一组分，如盐分），建立与水量模型类似的水质模型。其建模方法与水量平衡模型类似。实际上，用此方法建立的水质模型，就是完全混合型水质模型，亦称零维水质模型。
（3）生态系统模型 生态系统是一个十分复杂的系统，建立精确的数学模型比较困难。本书第八章已介绍采用人工神经网络（ANN）建立模型的方法。运用该方法建立生态系统模型的特点是：可描述生态系统复杂的非线性关系；模型建立主要依赖于资料，不需要单个实验和识别参数；模型有很强的学习功能，当系统环境发生变化时，只需输入新的资料让模型再学习，即可很快跟踪系统的变化，可操作性强；可以预测未来当输入因子发生变化时生态系统输出因子的变化趋势。通过第八章应用实例的介绍，可以看出，建模效果较好。
水量、水质、生态系统模型耦合关系示意图 参数 水量模型 水质模型 参数 参数 生态系统模型
10.3.3 耦合计算方法 基本思路：逐个箱体采用三模型循环迭代，直至误差小于某一预定值，终止迭代。
10.3.4 模型效果检验 检验的方法之一，是用模拟值作为输入值反代入模型中，检测主要中间变量的拟合效果；检验的方法之二，是进行变量变化的影响分析，假定改变某一个或几个变量，来检验系统变化的灵敏性和可靠性。经检验，如果模型应用效果较好时，就可以被使用。
10.4 应用举例 10.4.1 博斯腾湖流域概况 博斯腾湖位于新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州境内，是目前我国最大的内陆淡水湖泊。它既是开都河的尾闾，又是孔雀河的源头，兼有开都河来水的水资源调控、孔雀河流域农田灌溉、工业及城乡生活用水、流域生态环境保护和向塔里木河中下游紧急调水等多种功能。在水资源十分珍贵的新疆南部地区，有着十分重要的地位。
10.4.2 流域水资源系统结构 博斯腾湖分为大、小两个湖区。两湖区在20世纪70年代以前相连，80年代以后基本以围堤相隔。所以，可以把两湖区分开考虑。开都河入湖在宝浪苏木分水枢纽处分成东、西两支，东支注入大湖，西支注入小湖。以开都河为界（宝浪苏木分水枢纽以下，以东支为界），把开都河流域分成左、右两个灌区。各灌区从开都河引水进行农田灌溉，并不断向大、小湖排水（盐）。 整个流域系统入流为开都河大山口水文站（自然径流）入流以及西北山系小河等。出流由大湖西泵站扬水、小湖达吾堤闸出流以及开都河经解放渠输水等汇合在塔什店水文站，向孔雀河下游输水。
其他小河 博斯腾湖流域水资源系统结构图
10.4.3 建模过程 （1）划分箱体 根据前面介绍的方法，结合博斯腾湖流域实际，把该流域分成：大湖、小湖、开都河河段、开都河左灌区、开都河右灌区等箱体。箱体间的连接关系如下图。
博斯腾湖流域水文－生态耦合系统分箱模型关系图博斯腾湖流域水文－生态耦合系统分箱模型关系图
（2）分箱建立模型 根据研究问题的需要并考虑该流域实际情况，对各箱体建立模型，包括：开都河河段水量模型、水质模型（该流域属于干旱区，目前主要的水质问题是盐量，因此，本例计算仅考虑含盐量，即矿化度指标，建立盐量模型）；开都河左灌区、右灌区水量模型；大、小湖水量模型、水质模型、芦苇生态系统模型（选择芦苇生态系统作为主要特征因子来进行研究）。
（3）耦合计算 根据博斯腾湖流域水资源系统结构，把前面建立的各个模型（作为子模型）有机地结合在一起，组成了整个流域水文~生态耦合系统模型。针对研究问题的需要，在建立的耦合系统模型中，设置了五个控制变量：①开都河灌区灌溉引水量；②开都河灌区地下水开采量；③宝浪苏木东西支分水比；④大湖水位；⑤大湖出流流量。这五个控制变量，在编制的计算机程序中作为五个接口，可以随时接受用户所选定的数值参与运算。
（4）模型检验 关于模拟结果及模型变量影响分析的论述，这里不作详细介绍，仅给出两个主要输出变量（大湖出流水量、大湖出流盐量）实际值与模型计算值对比曲线图。从模拟结果来看，针对如此大面积和较复杂的全流域来说，得到如此的计算结果，应该说建模是成功的。作者亦把该模型作为“流域水文—生态系统”的代表代入可持续水资源管理优化模型中，应用效果亦较好。
Thank You ! ZHENGZHOU UNIVERSITY
