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第十章 水文-生态耦合系统模拟技术

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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.

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Presentation Transcript
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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

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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。

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地下径流

水文—生态耦合系统关系概念图

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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。

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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。
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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。

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陆面平面分类示意图

流域界限

河流

地面

湖泊(水库)

河流

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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。

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(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。

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(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。

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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

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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。

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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。

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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。

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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。

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其他小河

博斯腾湖流域水资源系统结构图

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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。

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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
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(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)。

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(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。

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(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。

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