基于多参数校验的干旱-半干旱区湖泊演变耦合模拟方法

1.本发明涉及技术算法技术领域，具体为基于多参数校验的干旱-半干旱区湖泊演变耦合模拟方法。


背景技术：

2.目前针对半干旱区湖泊变化的研究集中在遥感影像解析或者用集总式水均衡模型对年均或者月均的湖泊变化进行模拟预测。遥感影像解析无法预测湖泊的变化，水均衡模型精度较低，无法模拟详细的与湖泊相关的水文过程。因此，为了准确预测气候变化对旱区湖泊的影响，需要精度更高的模型。
3.旱区湖泊对降水和地表径流敏感，且长期接受地下水径流补给，因此选择地表水-地下水耦合模型能达到最好的效果。随着地表水-地下水交互作用受到广泛关注，越来越多国内外学者开始尝试开发和使用地表水-地下水耦合模型来解决流域水循环相关问题。耦合模型的出现和兴起也为研究湖区水循环提供了新思路。地表水与地下水的耦合方式可大致分为紧密耦合与松散耦合两类。紧密耦合通过对地表水与地下水的控制方程同时求解来实现地表、非饱和带与饱和带的完整融合，从而移除传统水文模型与地下水模型之间的边界；而松散耦合则是将地表水与地下水分开计算，并通过建立两者连接而实现。虽然紧密耦合模型能够更准确地体现完整的水循环过程，但是为了描述通过非饱和以及饱和土壤的多相流动，这类模型往往需要较高的数据和时间成本来求解高度非线性的流动方程组，且需要采用较短的时间步长来保证模拟的稳定性。与之相比，现有的松散耦合模型多为不同水文模型与modflow的整合，由于其求解方程相对简单，稳定性更强，因此更多被用于模拟大尺度区域长时间序列的水循环过程。然而，耦合模型虽具备上述优点，但目前多用于模拟河流与地下水之间的交互作用。
4.综上可知，现有的集总式和半分布式水文模型无法准确模拟湖泊的时空分布，分布式模型的应用易受时间成本限制，而紧密耦合模型则存在模拟的稳定性问题。此外，干旱-半干旱地区缺乏径流观测资料，增加了模拟该类地区湖泊时空变化规律的难度。因此，如何准确有效地模拟湖泊的时空分布并构建合理的模型校验方案，是利用地表水-地下水耦合模型分析干旱-半干旱地区湖泊连续变化及其对人类活动和气候变化响应的主要障碍。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供基于多参数校验的干旱-半干旱区湖泊演变耦合模拟方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于多参数校验的干旱-半干旱区湖泊演变耦合模拟方法，包括构建干旱-半干旱湖区耦合模型和构建干旱-半干旱去耦合模拟多参数校验方案，所述干旱-半干旱湖区耦合模型将流域分为多个子流域，每个子流域又细分为主河道及pbu和cbu；
7.所述干旱-半干旱湖区耦合模型通过hydrol-dc计算每个pbu中的湖泊补给量和排泄量，并采用离散的二维网格确定每个pbu内具体的贮水位置；
8.所述干旱-半干旱区耦合模拟多参数校验方案使用地下水水位、流域月均实际蒸散发量以及湖泊面积作为湖区水文模型校验的参数，进行综合性对比分析。
9.优选的，所述cbu根据其与主河道的位置可分为与主河道直接相连的on-streamcbu和与主河道不存在直接联系的off-streamcbu。
10.优选的，所述pbu由贮水区pa和汇水区ca构成，而每个cbu则由一条河段及其ca构成，所述pbu中地表径流由ca汇集到pa，最终当pa储水量达到最大储水量时向下游单元释水，所述cbu中地表径流会汇集到河道并向下游传递。
11.优选的，所述cbu在垂向上每个单元被分为冠状层、积雪层、地表层和非饱和层，每个子流域内的所有单元共享同一个地下水层；
12.由于部分地区为多条河流汇向同一湖泊的内流流域，将对hydrol-dc结构进行调整，以体现上述水文特征。
13.优选的，所述hydrol-dc通过分析pbu和cbu的物理特性，cbu内不存在湖泊，而pbu内可能贮水的位置固定，l2模块仅需在可能贮水的单元格内进行搜索；
14.新湖泊模块的计算步骤如下：输入hydrol-dc地表层pa当前出水量d0，d
max
为pa最大储水量；
15.当d0＞d
max
，则将所有可能贮水的单元格均设置为pa，计算pa的排泄量；
16.当d0＜d
max
，则搜索当前pa周围单元格，确定最低高程的单元格c
l
，并计算将水位升至c
l
高程时的储水量d1，并与d0进行对比；d0＜d1，将c
l
纳入pa单元格列表；d0＞d1，pa单元格列表不变，根据d0确定每个单元格的新水深；
17.当d0＝0，将当前pa单元格列表进行清空；
18.当d0≠0，搜索pa内的边缘单元格，确定最高高程的单元格ch，计算将水位降至ch高程时的储水量d2，并与d0对比；d2＞d0，将c
l
从pa单元格列表中剔除；d2＜d0，pa单元格列表不变，根据d0确定每个pa单元格的新水深。
19.优选的，河流和湖泊将通过hydrol-dc和modflow共同模拟，其中hydrol-dc地表层将为河流或湖泊提供地表径流量，河流模块和湖泊模块将提供河流深度、湖泊位置和水位，而modflow则被用于计算湖泊或河流的下渗或补给量；
20.所述off-streamcbu中的河段仅使用hydrol-dc相关模块进行模拟，不考虑地下水对河段的补给，耦合模型的计算步骤如下：
21.a.运行hydrol-dc计算所有单元冠状层、融雪层、地表层和非饱和层的补排项；
22.b.将hydrol-dc单元数据离散化为modflow网格数据；
23.c.运行modflow计算饱和层相关水文过程；
24.d.将modflow计算的网格数据转换为hydrol-dc的单元数据；
25.e.更新河流与湖泊相关信息；
26.f.模拟湖泊与河流水量运移。
27.优选的，所述干旱-半干旱区耦合模拟多参数校验方案步骤如下：
28.加载地表水-地下水耦合模型主程序，分别将地下水水位数值模拟结果、地下水水位的观测孔监测值、单元日蒸散发量模拟值、流域月均蒸散发量模拟值、流域月均蒸散发量
遥感数据、流域湖泊分布二维网格数据、统计湖泊面积与分布数据和湖泊提取模型数据进行地下水位、流域蒸散发量以及湖泊面积和空间分布综合对比分析，地下水位、蒸散发量和湖泊模拟结果满足要求，则结束模型校验，地下水位、蒸散发量和湖泊模拟结果不满足要求，则再次执行地表水-地下水耦合模型主程序；
29.湖泊提取模型运行流程如下：根据地表反射率数据，计算ndwi指数，采用迭代阈值法提取湖泊信息，并结合彩色遥感印象进行对比分析，满足精度要求则输出数据，不满足要求则手动阈值调节。
30.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过在半分布式水文模型中引入基于二维网格的湖泊搜索算法，利用半分布式模型模拟湖泊补排，使用二维网格确定湖泊具体位置，并与分布式地下水模型进行耦合，最终可在保证模型效率的基础上准确模拟湖泊的时空分布；
31.本发明将地下水水位、月均实际蒸散发量和湖泊的贮水面积和时空分布作为校验模型的参数，结合地表水-地下水耦合数值模拟、gis软件统计分析和湖泊水面遥感数据提取等技术，建立综合性多参数校验方案，大大提高了耦合模拟结果的可靠性；
32.本发明利用水化学同位素分析和遥感影像解译难以量化湖泊的日补排信息和判断湖泊未来变化趋势，本次提出的耦合模型不仅可计算湖泊逐日变化规律，还能准确详细地分析湖泊的时空分布特征及其驱动力。
附图说明
33.图1为本发明的hydro-dc模型结构示意图；
34.图2为本发明的新湖泊模块计算流程示意图；
35.图3为本发明的耦合模型计算流程示意图；
36.图4为本发明的多参数校验流程图示意图：。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.请参阅图1至图4，本发明提供的两种实施例：
39.实施例一：
40.基于多参数校验的干旱-半干旱区湖泊演变耦合模拟方法，包括构建干旱-半干旱湖区耦合模型和构建干旱-半干旱去耦合模拟多参数校验方案，干旱-半干旱湖区耦合模型将流域分为多个子流域，每个子流域又细分为主河道及pbu和cbu；
41.干旱-半干旱湖区耦合模型通过hydrol-dc计算每个pbu中的湖泊补给量和排泄量，并采用离散的二维网格确定每个pbu内具体的贮水位置。cbu根据其与主河道的位置可分为与主河道直接相连的on-streamcbu和与主河道不存在直接联系的off-streamcbu。pbu由贮水区pa和汇水区ca构成，而每个cbu则由一条河段及其ca构成，pbu中地表径流由ca汇集到pa，最终当pa储水量达到最大储水量时向下游单元释水，cbu中地表径流会汇集到河道
并向下游传递。cbu在垂向上每个单元被分为冠状层、积雪层、地表层和非饱和层，每个子流域内的所有单元共享同一个地下水层；由于部分地区为多条河流汇向同一湖泊的内流流域，将对hydrol-dc结构进行调整，以体现上述水文特征。
42.hydrol-dc通过分析pbu和cbu的物理特性，cbu内不存在湖泊，而pbu内可能贮水的位置固定，l2模块仅需在可能贮水的单元格内进行搜索；
43.请参阅图2，新湖泊模块的计算步骤如下：输入hydrol-dc地表层pa当前出水量d0，d
max
为pa最大储水量；
44.当d0＞d
max
，则将所有可能贮水的单元格均设置为pa，计算pa的排泄量；
45.当d0＜d
max
，则搜索当前pa周围单元格，确定最低高程的单元格c
l
，并计算将水位升至c
l
高程时的储水量d1，并与d0进行对比；d0＜d1，将c
l
纳入pa单元格列表；d0＞d1，pa单元格列表不变，根据d0确定每个单元格的新水深；
46.当d0＝0，将当前pa单元格列表进行清空；
47.当d0≠0，搜索pa内的边缘单元格，确定最高高程的单元格ch，计算将水位降至ch高程时的储水量d2，并与d0对比；d2＞d0，将c
l
从pa单元格列表中剔除；d2＜d0，pa单元格列表不变，根据d0确定每个pa单元格的新水深。
48.河流和湖泊将通过hydrol-dc和modflow共同模拟，其中hydrol-dc地表层将为河流或湖泊提供地表径流量，河流模块和湖泊模块将提供河流深度、湖泊位置和水位，而modflow则被用于计算湖泊或河流的下渗或补给量；
49.请参阅图3，off-streamcbu中的河段仅使用hydrol-dc相关模块进行模拟，不考虑地下水对河段的补给，耦合模型的计算步骤如下：
50.a.运行hydrol-dc计算所有单元冠状层、融雪层、地表层和非饱和层的补排项；
51.b.将hydrol-dc单元数据离散化为modflow网格数据；
52.c.运行modflow计算饱和层相关水文过程；
53.d.将modflow计算的网格数据转换为hydrol-dc的单元数据；
54.e.更新河流与湖泊相关信息；
55.f.模拟湖泊与河流水量运移。
56.实施例二：
57.干旱-半干旱区耦合模拟多参数校验方案使用地下水水位、流域月均实际蒸散发量以及湖泊面积作为湖区水文模型校验的参数，进行综合性对比分析。干旱-半干旱区耦合模拟多参数校验方案步骤如下：
58.加载地表水-地下水耦合模型主程序，分别将地下水水位数值模拟结果、地下水水位的观测孔监测值、单元日蒸散发量模拟值、流域月均蒸散发量模拟值、流域月均蒸散发量遥感数据、流域湖泊分布二维网格数据、统计湖泊面积与分布数据和湖泊提取模型数据进行地下水位、流域蒸散发量以及湖泊面积和空间分布综合对比分析，地下水位、蒸散发量和湖泊模拟结果满足要求，则结束模型校验，地下水位、蒸散发量和湖泊模拟结果不满足要求，则再次执行地表水-地下水耦合模型主程序；
59.湖泊提取模型运行流程如下：根据地表反射率数据，计算ndwi指数，采用迭代阈值法提取湖泊信息，并结合彩色遥感印象进行对比分析，满足精度要求则输出数据，不满足要求则手动阈值调节，计算公式为：ndwi＝(green-nir)/(green+nir)，green和nir分别为绿
光和近红外波段的反射率。
60.通过不断调整输入hydrol-dc和modflow耦合模型中的相关参数，如降水、蒸发、地下水开采以及土壤参数等。每次调整后使用模型运行模拟的结果，然后分析这一时段模拟的模拟运行结果与遥感影像数据(日均蒸散发、湖泊面积、土壤含水率)以及地下水水位的误差，反复调整，直到最后模拟结果和遥感影像数据及地下水水位之间的误差满足要求为止。
61.应用于红碱淖流域，通过资料收集和野外调查初步探明研究区水循环特征；利用新的耦合模型和校验方案模拟红碱淖的时空变化规律，并分析红碱淖对气候变化和人类活动的响应。
62.基于以日为时间步长的连续模拟结果，对研究区进行如下分析：计算流域内各补给项和排泄项的多年平均值，确定水量基本转化规律，量化分析流域水循环特征；对红碱淖的水均衡进行逐一分析，确定其补排特征；分析红碱淖贮水面积和储水量的逐日变化特征，并根据变化趋势将其演变过程进行划分，使用mann-kendall检验法量化分析各阶段变化趋势；在红碱淖的不同演变阶段进行线性回归分析，确定其贮水面积和储水量与降水、气温和蒸散发的相关性，分析其主要气象驱动力。
63.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

技术特征：
1.基于多参数校验的干旱-半干旱区湖泊演变耦合模拟方法，其特征在于：包括构建干旱-半干旱湖区耦合模型和构建干旱-半干旱去耦合模拟多参数校验方案，所述干旱-半干旱湖区耦合模型将流域分为多个子流域，每个子流域又细分为主河道及pbu和cbu；所述干旱-半干旱湖区耦合模型通过hydrol-dc计算每个pbu中的湖泊补给量和排泄量，并采用离散的二维网格确定每个pbu内具体的贮水位置；所述干旱-半干旱区耦合模拟多参数校验方案使用地下水水位、流域月均实际蒸散发量以及湖泊面积作为湖区水文模型校验的参数，进行综合性对比分析。2.根据权利要求1所述的基于多参数校验的干旱-半干旱区湖泊演变耦合模拟方法，其特征在于：所述cbu根据其与主河道的位置可分为与主河道直接相连的on-streamcbu和与主河道不存在直接联系的off-streamcbu。3.根据权利要求1所述的基于多参数校验的干旱-半干旱区湖泊演变耦合模拟方法，其特征在于：所述pbu由贮水区pa和汇水区ca构成，而每个cbu则由一条河段及其ca构成，所述pbu中地表径流由ca汇集到pa，最终当pa储水量达到最大储水量时向下游单元释水，所述cbu中地表径流会汇集到河道并向下游传递。4.根据权利要求1所述的基于多参数校验的干旱-半干旱区湖泊演变耦合模拟方法，其特征在于：所述cbu在垂向上每个单元被分为冠状层、积雪层、地表层和非饱和层，每个子流域内的所有单元共享同一个地下水层；由于部分地区为多条河流汇向同一湖泊的内流流域，将对hydrol-dc结构进行调整，以体现上述水文特征。5.根据权利要求1所述的基于多参数校验的干旱-半干旱区湖泊演变耦合模拟方法，其特征在于：所述hydrol-dc通过分析pbu和cbu的物理特性，cbu内不存在湖泊，而pbu内可能贮水的位置固定，l2模块仅需在可能贮水的单元格内进行搜索；新湖泊模块的计算步骤如下：输入hydrol-dc地表层pa当前出水量d0，d
max
为pa最大储水量；当d0＞d
max
，则将所有可能贮水的单元格均设置为pa，计算pa的排泄量；当d0＜d
max
，则搜索当前pa周围单元格，确定最低高程的单元格c
l
，并计算将水位升至c
l
高程时的储水量d1，并与d0进行对比；d0＜d1，将c
l
纳入pa单元格列表；d0＞d1，pa单元格列表不变，根据d0确定每个单元格的新水深；当d0＝0，将当前pa单元格列表进行清空；当d0≠0，搜索pa内的边缘单元格，确定最高高程的单元格c
h
，计算将水位降至c
h
高程时的储水量d2，并与d0对比；d2＞d0，将c
l
从pa单元格列表中剔除；d2＜d0，pa单元格列表不变，根据d0确定每个pa单元格的新水深。6.根据权利要求1所述的基于多参数校验的干旱-半干旱区湖泊演变耦合模拟方法，其特征在于：河流和湖泊将通过hydrol-dc和modflow共同模拟，其中hydrol-dc地表层将为河流或湖泊提供地表径流量，河流模块和湖泊模块将提供河流深度、湖泊位置和水位，而modflow则被用于计算湖泊或河流的下渗或补给量；所述off-streamcbu中的河段仅使用hydrol-dc相关模块进行模拟，不考虑地下水对河段的补给，耦合模型的计算步骤如下：a.运行hydrol-dc计算所有单元冠状层、融雪层、地表层和非饱和层的补排项；
b.将hydrol-dc单元数据离散化为modflow网格数据；c.运行modflow计算饱和层相关水文过程；d.将modflow计算的网格数据转换为hydrol-dc的单元数据；e.更新河流与湖泊相关信息；f.模拟湖泊与河流水量运移。7.根据权利要求1所述的基于多参数校验的干旱-半干旱区湖泊演变耦合模拟方法，其特征在于：所述干旱-半干旱区耦合模拟多参数校验方案步骤如下：加载地表水-地下水耦合模型主程序，分别将地下水水位数值模拟结果、地下水水位的观测孔监测值、单元日蒸散发量模拟值、流域月均蒸散发量模拟值、流域月均蒸散发量遥感数据、流域湖泊分布二维网格数据、统计湖泊面积与分布数据和湖泊提取模型数据进行地下水位、流域蒸散发量以及湖泊面积和空间分布综合对比分析，地下水位、蒸散发量和湖泊模拟结果满足要求，则结束模型校验，地下水位、蒸散发量和湖泊模拟结果不满足要求，则再次执行地表水-地下水耦合模型主程序；湖泊提取模型运行流程如下：根据地表反射率数据，计算ndwi指数，采用迭代阈值法提取湖泊信息，并结合彩色遥感印象进行对比分析，满足精度要求则输出数据，不满足要求则手动阈值调节。

技术总结
本发明公开了基于多参数校验的干旱-半干旱区湖泊演变耦合模拟方法，包括构建干旱-半干旱湖区耦合模型和构建干旱-半干旱去耦合模拟多参数校验方案，所述干旱-半干旱湖区耦合模型将流域分为多个子流域，每个子流域又细分为主河道及PBU和CBU；所述干旱-半干旱湖区耦合模型通过HYDROL-DC计算每个PBU中的湖泊补给量和排泄量，并采用离散的二维网格确定每个PBU内具体的贮水位置；所述干旱-半干旱区耦合模拟多参数校验方案使用地下水水位、流域月均实际蒸散发量以及湖泊面积作为湖区水文模型校验的参数，进行综合性对比分析。本发明通过在半分布式水文模型中引入基于二维网格的湖泊搜索算法，建立综合性多参数校验方案，大大提高了耦合模拟结果的可靠性。提高了耦合模拟结果的可靠性。提高了耦合模拟结果的可靠性。


技术研发人员：王宁 张在勇 杨京博 冉彬
受保护的技术使用者：长安大学
技术研发日：2023.03.17
技术公布日：2023/7/18