本發(fā)明涉及一種雨洪徑流氮磷輸出負(fù)荷估算方法,屬于水文監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
降雨是流域面源污染發(fā)生的主要驅(qū)動(dòng)因子,面源污染物一般隨流域雨洪徑流過(guò)程輸出。我國(guó)東部位于東亞季風(fēng)氣候區(qū),雨洪過(guò)程主要集中在6月至9月。研究氮磷隨雨洪徑流過(guò)程輸出特征對(duì)于流域氮磷污染控制具有重要意義。由于面源污染的發(fā)生和降雨徑流過(guò)程有關(guān),在開(kāi)展面源污染輸出負(fù)荷估算時(shí)需要同時(shí)監(jiān)測(cè)水量和水質(zhì),這需要投入大量的人力物力和財(cái)力。若能在已有監(jiān)測(cè)資料基礎(chǔ)上,利用水文監(jiān)測(cè)要素與氮磷輸出負(fù)荷之間的關(guān)系,建立基于水文要素的次洪過(guò)程氮磷輸出負(fù)荷預(yù)測(cè)模型,估算次洪過(guò)程氮磷輸出負(fù)荷,可以節(jié)省面源污染負(fù)荷估算成本。
經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn),專(zhuān)利號(hào)cn201110109508.1、授權(quán)公告號(hào)cn102201034b、名稱(chēng)《一種臨河村落非點(diǎn)源污染負(fù)荷的估算方法》的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利,其方法包括:1)基礎(chǔ)資料收集:獲取某地小雨、中雨、大到暴雨等三種情況的多年累積平均雨量r1、r2、r3,以及村莊面積a等基本情況;2)野外實(shí)地的監(jiān)測(cè):對(duì)有效降雨場(chǎng)次的降雨歷時(shí)、降雨量和降雨徑流的次徑流系數(shù)、徑流歷時(shí)、產(chǎn)流面積進(jìn)行監(jiān)測(cè),收集的水樣進(jìn)行化學(xué)需氧量、總氮、總磷的監(jiān)測(cè);3)非點(diǎn)源污染負(fù)荷的模型估算:采用公式計(jì)算臨河村落非點(diǎn)源污染物化學(xué)需氧量、總氮、總磷的年污染負(fù)荷。
然而,以上述技術(shù)方案為代表的現(xiàn)有技術(shù)并沒(méi)有提供專(zhuān)門(mén)針對(duì)雨洪徑流的估算方法,亟待加以研究。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題,提供一種雨洪徑流氮磷輸出負(fù)荷估算方法,針對(duì)性強(qiáng),且能根據(jù)實(shí)際情況選擇更加合適的估算模型。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下:
一種雨洪徑流氮磷輸出負(fù)荷估算方法,其特征是,包括以下步驟:
第一步、選定目標(biāo)流域,并選定該流域出口處的監(jiān)測(cè)斷面;選定歷史時(shí)期,獲取目標(biāo)流域在該歷史時(shí)期內(nèi)的歷史降水量數(shù)據(jù),并獲取該監(jiān)測(cè)斷面在該歷史時(shí)期內(nèi)的歷史流量數(shù)據(jù)、總氮濃度數(shù)據(jù)以及總磷濃度數(shù)據(jù);
第二步、根據(jù)歷史降水量數(shù)據(jù),篩選出次降水事件;所述次降水事件指單次且連續(xù)的降水事件;所述次降水事件中,從降水開(kāi)始的時(shí)刻至降水結(jié)束的時(shí)刻,為次降水事件期間;
第三步、在第二步所得的所有次降水事件期間:
根據(jù)相應(yīng)的歷史流量數(shù)據(jù)、總氮濃度數(shù)據(jù)以及總磷濃度數(shù)據(jù),計(jì)算出總氮輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)以及總磷輸出負(fù)荷數(shù)據(jù);根據(jù)歷史流量數(shù)據(jù)按預(yù)定算法計(jì)算出歷史直接徑流量數(shù)據(jù);將歷史降水量數(shù)據(jù)與總氮輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)、歷史降水量數(shù)據(jù)與總磷輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)、歷史直接徑流量數(shù)據(jù)與總氮輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)、歷史直接徑流量數(shù)據(jù)與總磷輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)分別一一對(duì)應(yīng);
第四步、根據(jù)第三步得出的所有對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù),擬合數(shù)學(xué)模型:
將歷史降水量數(shù)據(jù)與總氮輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)、歷史降水量數(shù)據(jù)與總磷輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)分別擬合為總氮輸出負(fù)荷、總磷輸出負(fù)荷與降水量相關(guān)的二次多項(xiàng)式模型;
將歷史直接徑流量數(shù)據(jù)與總氮輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)、歷史直接徑流量數(shù)據(jù)與總磷輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)分別擬合為總氮輸出負(fù)荷、總磷輸出負(fù)荷與直接徑流量相關(guān)的線(xiàn)性模型;
其中,與總氮輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)相關(guān)的二次多項(xiàng)式模型和線(xiàn)性模型屬于總氮負(fù)荷預(yù)測(cè)模型,與總磷輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)相關(guān)的二次多項(xiàng)式模型和線(xiàn)性模型屬于總磷負(fù)荷預(yù)測(cè)模型;
第五步、根據(jù)歷史降水量數(shù)據(jù),篩選出不同于第二步的次降水事件;
在這些次降水事件期間:
根據(jù)相應(yīng)的歷史流量數(shù)據(jù)、總氮濃度數(shù)據(jù)以及總磷濃度數(shù)據(jù),計(jì)算出總氮輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)以及總磷輸出負(fù)荷數(shù)據(jù),作為實(shí)際數(shù)據(jù);根據(jù)歷史流量數(shù)據(jù)按預(yù)定算法計(jì)算出歷史直接徑流量數(shù)據(jù);將歷史降水量數(shù)據(jù)、歷史直接徑流量數(shù)據(jù)分別代入到第四步所得的數(shù)學(xué)模型中,并計(jì)算得出相應(yīng)的總氮輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)以及總磷輸出負(fù)荷數(shù)據(jù),作為各數(shù)學(xué)模型的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù);
第六步、針對(duì)各數(shù)學(xué)模型,將其預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,并計(jì)算得出評(píng)價(jià)因子,所述評(píng)價(jià)因子包括相對(duì)平均誤差、決定系數(shù)和模擬效率系數(shù);根據(jù)評(píng)價(jià)因子,分別在總氮負(fù)荷預(yù)測(cè)模型、總磷負(fù)荷預(yù)測(cè)模型中選擇模擬效果更好的數(shù)學(xué)模型作為最終的總氮負(fù)荷預(yù)測(cè)模型和總磷負(fù)荷預(yù)測(cè)模型;
第七步、將第六步所得的總氮負(fù)荷預(yù)測(cè)模型和總磷負(fù)荷預(yù)測(cè)模型用于估算。
發(fā)明人經(jīng)深入實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn),不同的流域,估算其雨洪徑流氮磷輸出負(fù)荷往往需要不同的預(yù)測(cè)模型;在此發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上,發(fā)明人經(jīng)進(jìn)一步地實(shí)踐研究,終于得出了上述方法,先分別擬合與降水量相關(guān)的二次多項(xiàng)式模型和與直接徑流量相關(guān)的線(xiàn)性模型,再?gòu)闹羞x擇模擬效果更好的模型用于估算,即能專(zhuān)門(mén)針對(duì)雨洪徑流,并實(shí)現(xiàn)良好的估算效果。
本發(fā)明進(jìn)一步完善的技術(shù)方案如下:
優(yōu)選地,第一步中,所述歷史時(shí)期為連續(xù)n年,n為大于或等于3的整數(shù),即從第一年至第n年;第二步中,從第一年起至少兩年中篩選出次降水事件;第五步中,從其余歷史時(shí)期中篩選出次降水事件。
具體而言,第一步中,所述歷史時(shí)期為連續(xù)三年,即第一年、第二年以及第三年;第二步中,從第一年和第二年中篩選出次降水事件;第五步中,從第三年中篩選出次降水事件。
采用該優(yōu)選方案,能進(jìn)一步確保數(shù)學(xué)模型的模擬效果。
優(yōu)選地,第三步及第五步中,所述預(yù)定算法為按以下公式進(jìn)行計(jì)算:
qf(t)=q(t)-qb(t)
且
其中,qb(t)為t時(shí)刻的基流;qb(t-1)為t-1時(shí)刻的基流;q(t)為t時(shí)刻實(shí)測(cè)徑流量,且q(t)來(lái)源于歷史流量數(shù)據(jù);t為時(shí)間,單位為d;qf(t)為t時(shí)刻的直接徑流量,且qf(t)構(gòu)成歷史直接徑流量數(shù)據(jù);bfimax為最大基流指數(shù);α為退水常數(shù);
當(dāng)t=1時(shí),qb(t-1)=所選歷史時(shí)期內(nèi)歷史流量數(shù)據(jù)的最小值×調(diào)整系數(shù),1.1≤調(diào)整系數(shù)≤1.5。
具體而言,0<bfimαx<1,且0<α<1。
在具體應(yīng)用時(shí),bfimax=0.97,α=0.8。
采用該優(yōu)選方案,可更加簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確地將各時(shí)刻流量分割為直接徑流量和基流量,進(jìn)而利于確保與直接徑流量相關(guān)數(shù)學(xué)模型的模擬效果。
優(yōu)選地,第四步中,二次多項(xiàng)式模型為:l=a+b·p+c·p2,其中,l為總氮或總磷輸出負(fù)荷,p為降水量,a、b、c為常數(shù);
線(xiàn)性模型為:l=a+b·dr,其中,l為總氮或總磷輸出負(fù)荷,dr為直接徑流量,a、b為常數(shù)。
采用該優(yōu)選方案,可進(jìn)一步簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型,利于提高整個(gè)估算方法的效率。
優(yōu)選地,第六步中,所述評(píng)價(jià)因子由相對(duì)平均誤差rme、決定系數(shù)r2和模擬效率系數(shù)nash-sutcliffe組成。
相對(duì)平均誤差rme按下式計(jì)算:
決定系數(shù)r2按下式計(jì)算:
模擬效率系數(shù)nash-sutcliffe按下式計(jì)算:
其中,poi為第i次觀測(cè)得到的負(fù)荷值,
此外,第六步中,模擬效果的評(píng)價(jià)過(guò)程為:
s1、評(píng)價(jià)原則為:相對(duì)平均誤差的絕對(duì)值接近零者為佳;決定系數(shù)的數(shù)值接近1者為佳;模擬效率系數(shù)的數(shù)值接近1者為佳;
s2、評(píng)價(jià)同屬于總氮或總磷負(fù)荷預(yù)測(cè)模型的二次多項(xiàng)式模型和線(xiàn)性模型:比較兩模型的相對(duì)平均誤差、決定系數(shù)以及模擬效率系數(shù);若其中一個(gè)模型有兩個(gè)以上評(píng)價(jià)因子均更佳,則該模型的模擬效果更好。
采用該優(yōu)選方案,可快速得出評(píng)價(jià)結(jié)果,利于提高整個(gè)估算方法的效率。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明針對(duì)性強(qiáng),且能根據(jù)實(shí)際情況選擇更加合適的估算模型,科學(xué)合理。
附圖說(shuō)明
圖1至圖4為試驗(yàn)案例中的比較結(jié)果圖。
具體實(shí)施方式
下面參照附圖并結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。但是本發(fā)明不限于所給出的例子。
本發(fā)明具體實(shí)施的雨洪徑流氮磷輸出負(fù)荷估算方法,包括:
第一步、選定目標(biāo)流域,并選定該流域出口處的監(jiān)測(cè)斷面;選定歷史時(shí)期,獲取目標(biāo)流域在該歷史時(shí)期內(nèi)的歷史降水量數(shù)據(jù),并獲取該監(jiān)測(cè)斷面在該歷史時(shí)期內(nèi)的歷史流量數(shù)據(jù)、總氮濃度數(shù)據(jù)以及總磷濃度數(shù)據(jù)。
第二步、根據(jù)歷史降水量數(shù)據(jù),篩選出次降水事件;次降水事件指單次且連續(xù)的降水事件;次降水事件中,從降水開(kāi)始的時(shí)刻至降水結(jié)束的時(shí)刻,為次降水事件期間。
第三步、在第二步所得的所有次降水事件期間:
根據(jù)相應(yīng)的歷史流量數(shù)據(jù)、總氮濃度數(shù)據(jù)以及總磷濃度數(shù)據(jù),計(jì)算出總氮輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)以及總磷輸出負(fù)荷數(shù)據(jù);根據(jù)歷史流量數(shù)據(jù)按預(yù)定算法計(jì)算出歷史直接徑流量數(shù)據(jù);將歷史降水量數(shù)據(jù)與總氮輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)、歷史降水量數(shù)據(jù)與總磷輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)、歷史直接徑流量數(shù)據(jù)與總氮輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)、歷史直接徑流量數(shù)據(jù)與總磷輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)分別一一對(duì)應(yīng)。
第四步、根據(jù)第三步得出的所有對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù),擬合數(shù)學(xué)模型:
將歷史降水量數(shù)據(jù)與總氮輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)、歷史降水量數(shù)據(jù)與總磷輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)分別擬合為總氮輸出負(fù)荷、總磷輸出負(fù)荷與降水量相關(guān)的二次多項(xiàng)式模型;
將歷史直接徑流量數(shù)據(jù)與總氮輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)、歷史直接徑流量數(shù)據(jù)與總磷輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)分別擬合為總氮輸出負(fù)荷、總磷輸出負(fù)荷與直接徑流量相關(guān)的線(xiàn)性模型;
其中,與總氮輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)相關(guān)的二次多項(xiàng)式模型和線(xiàn)性模型屬于總氮負(fù)荷預(yù)測(cè)模型,與總磷輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)相關(guān)的二次多項(xiàng)式模型和線(xiàn)性模型屬于總磷負(fù)荷預(yù)測(cè)模型。
具體而言,二次多項(xiàng)式模型為:l=a+b·p+c·p2,其中,l為總氮或總磷輸出負(fù)荷,p為降水量,a、b、c為常數(shù);
線(xiàn)性模型為:l=a+b·dr,其中,l為總氮或總磷輸出負(fù)荷,dr為直接徑流量,a、b為常數(shù)。
第五步、根據(jù)歷史降水量數(shù)據(jù),篩選出不同于第二步的次降水事件;
在這些次降水事件期間:
根據(jù)相應(yīng)的歷史流量數(shù)據(jù)、總氮濃度數(shù)據(jù)以及總磷濃度數(shù)據(jù),計(jì)算出總氮輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)以及總磷輸出負(fù)荷數(shù)據(jù),作為實(shí)際數(shù)據(jù);根據(jù)歷史流量數(shù)據(jù)按預(yù)定算法計(jì)算出歷史直接徑流量數(shù)據(jù);將歷史降水量數(shù)據(jù)、歷史直接徑流量數(shù)據(jù)分別代入到第四步所得的數(shù)學(xué)模型中,并計(jì)算得出相應(yīng)的總氮輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)以及總磷輸出負(fù)荷數(shù)據(jù),作為各數(shù)學(xué)模型的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù);
第六步、針對(duì)各數(shù)學(xué)模型,將其預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,并計(jì)算得出評(píng)價(jià)因子,評(píng)價(jià)因子包括相對(duì)平均誤差、決定系數(shù)和模擬效率系數(shù);根據(jù)評(píng)價(jià)因子,分別在總氮負(fù)荷預(yù)測(cè)模型、總磷負(fù)荷預(yù)測(cè)模型中選擇模擬效果更好的數(shù)學(xué)模型作為最終的總氮負(fù)荷預(yù)測(cè)模型和總磷負(fù)荷預(yù)測(cè)模型。
具體而言,評(píng)價(jià)因子由相對(duì)平均誤差rme、決定系數(shù)r2和模擬效率系數(shù)nash-sutcliffe組成。
相對(duì)平均誤差rme按下式計(jì)算:
決定系數(shù)r2按下式計(jì)算:
模擬效率系數(shù)nash-sutcliffe按下式計(jì)算:
其中,poi為第i次觀測(cè)得到的負(fù)荷值,
模擬效果的評(píng)價(jià)過(guò)程為:
s1、評(píng)價(jià)原則為:相對(duì)平均誤差的絕對(duì)值接近零者為佳;決定系數(shù)的數(shù)值接近1者為佳;模擬效率系數(shù)的數(shù)值接近1者為佳;
s2、評(píng)價(jià)同屬于總氮或總磷負(fù)荷預(yù)測(cè)模型的二次多項(xiàng)式模型和線(xiàn)性模型:比較兩模型的相對(duì)平均誤差、決定系數(shù)以及模擬效率系數(shù);若其中一個(gè)模型有兩個(gè)以上評(píng)價(jià)因子均更佳,則該模型的模擬效果更好。
第七步、將第六步所得的總氮負(fù)荷預(yù)測(cè)模型和總磷負(fù)荷預(yù)測(cè)模型用于估算。
其中,第一步中,歷史時(shí)期為連續(xù)n年,n為大于或等于3的整數(shù),即從第一年至第n年;第二步中,從第一年起至少兩年中篩選出次降水事件;第五步中,從其余歷史時(shí)期中篩選出次降水事件。
比如,第一步中,歷史時(shí)期為連續(xù)三年,即第一年、第二年以及第三年;第二步中,從第一年和第二年中篩選出次降水事件;第五步中,從第三年中篩選出次降水事件。
第三步及第五步中,預(yù)定算法為按以下公式進(jìn)行計(jì)算:
qf(t)=q(t)-qb(t)
且
其中,qb(t)為t時(shí)刻的基流;qb(t-1)為t-1時(shí)刻的基流;q(t)為t時(shí)刻實(shí)測(cè)徑流量,且q(t)來(lái)源于歷史流量數(shù)據(jù);t為時(shí)間,單位為d;qf(t)為t時(shí)刻的直接徑流量,且qf(t)構(gòu)成歷史直接徑流量數(shù)據(jù);bfimax為最大基流指數(shù);α為退水常數(shù)。當(dāng)t=1時(shí),qb(t-1)=所選歷史時(shí)期內(nèi)歷史流量數(shù)據(jù)的最小值×調(diào)整系數(shù),1.1≤調(diào)整系數(shù)≤1.5。
0<bfimax<1,且0<α<1。
注:根據(jù)水文學(xué)基本原理,將總徑流分割為基流和直接徑流,其中,基流包括深層壤中流和地下徑流,直接徑流流包括表層徑流和淺層壤中流。
以下為具體試驗(yàn)案例。
以花某山流域?yàn)槟繕?biāo)流域,并選定其出口處的某監(jiān)測(cè)斷面。選定歷史時(shí)期為2012-2014年,通過(guò)當(dāng)?shù)厮木肢@取:該歷史時(shí)期內(nèi)的歷史降水量數(shù)據(jù),該監(jiān)測(cè)斷面在該歷史時(shí)期內(nèi)的歷史流量數(shù)據(jù)、總氮濃度數(shù)據(jù)以及總磷濃度數(shù)據(jù)。
篩選出2012年、2013年的全部次降水事件,在這些次降水事件期間,根據(jù)相應(yīng)的歷史流量數(shù)據(jù)、總氮濃度數(shù)據(jù)以及總磷濃度數(shù)據(jù),計(jì)算出總氮輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)以及總磷輸出負(fù)荷數(shù)據(jù);根據(jù)歷史流量數(shù)據(jù)按預(yù)定算法計(jì)算出歷史直接徑流量數(shù)據(jù)(bfimax=0.97,α=0.8);將歷史降水量數(shù)據(jù)與總氮輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)、歷史降水量數(shù)據(jù)與總磷輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)、歷史直接徑流量數(shù)據(jù)與總氮輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)、歷史直接徑流量數(shù)據(jù)與總磷輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)分別一一對(duì)應(yīng)。
然后根據(jù)這些對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù),擬合數(shù)學(xué)模型如下:
l總氮=-8.84+0.25×p+0.0015×p2
l總磷=8.61-0.1697×p+0.00125×p2
l總氮=-2.47+1.78×dr
l總磷=0.34+0.27×dr。
之后,篩選出2014年的全部次降水事件,在這些次降水事件期間:
根據(jù)相應(yīng)的歷史流量數(shù)據(jù)、總氮濃度數(shù)據(jù)以及總磷濃度數(shù)據(jù),計(jì)算出總氮輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)以及總磷輸出負(fù)荷數(shù)據(jù),作為實(shí)際數(shù)據(jù);
根據(jù)歷史流量數(shù)據(jù)按預(yù)定算法計(jì)算出歷史直接徑流量數(shù)據(jù);將歷史降水量數(shù)據(jù)、歷史直接徑流量數(shù)據(jù)分別代入到上述數(shù)學(xué)模型中,并計(jì)算得出相應(yīng)的總氮輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)以及總磷輸出負(fù)荷數(shù)據(jù),作為各數(shù)學(xué)模型的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。
針對(duì)各數(shù)學(xué)模型,將其預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,并計(jì)算得出評(píng)價(jià)因子,評(píng)價(jià)因子由相對(duì)平均誤差rme、決定系數(shù)r2和模擬效率系數(shù)nash-sutcliffe組成。結(jié)果如圖1至圖4所示。
采用前文提到的模擬效果評(píng)價(jià)辦法進(jìn)行評(píng)價(jià),可知,總氮負(fù)荷預(yù)測(cè)模型、總磷負(fù)荷預(yù)測(cè)模型均應(yīng)采用與直接徑流量相關(guān)的線(xiàn)性模型用于估算。
除上述實(shí)施例外,本發(fā)明還可以有其他實(shí)施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案,均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍。