一种基于IWIND-LR的碳平衡与追踪模拟方法、装置、设备及存储介质与流程

一种基于iwind-lr的碳平衡与追踪模拟方法、装置、设备及存储介质
技术领域
1.本技术涉及水环境保护领域，尤其体涉及一种基于iwind-lr的碳平衡与追踪模拟方法、装置、设备及存储介质。


背景技术：

2.以河流湖泊为代表的水体生态系统中的碳循环研究一直受到国内外研究者的高度重视，对于水体生产力量化计算、富营养化形成过程分析具有十分重要的作用。但是由于碳循环过程比较复杂，包括大气沉降、陆域输入、光合作用、沉降分解等不同源汇过程，并且每一个源汇过程涉及不同形态的碳，包括颗粒有机碳、溶解有机碳及活体有机碳。目前，碳循环过程的研究通常是根据监测数据进行简单的时空平均估算。在这些方法中，监测指标及监测频率受限、断面数据代表性不强、估算方法差异等因素均会对通量计算结果的准确性产生影响，同时这些方法也缺乏对水体内部碳通量、平衡与循环的动力学过程的定量计算。
3.本发明提出了一种基于iwind-lr建立的水体碳平衡与追踪模拟方法，进行碳通量平衡和追踪数值模拟。通过对水体碳通量与存量的模拟计算，可以深入分析水体中所发生的碳迁移转化过程，识别其响应机制及重要的源、汇过程，为水体富营养化治理提供科学技术支撑。


技术实现要素：

4.为了定量研究水体中各形态碳元素的平衡和循环过程，本技术实施例提供了一种基于iwind-lr的碳通量平衡和追踪的方法、装置、设备及存储介质。
5.第一方面，本技术提供了一种基于iwind-lr的碳通量平衡和追踪的方法，所述技术方案如下：
6.基于iwind-lr构建目标水体的网格化水动力-水质-水生态模型；
7.基于水体中碳循环过程构建碳平衡与追踪模拟模块；所述碳平衡与追踪模拟模块与所述网格化水动力-水质-水生态模型的时间和空间分辨率相同；
8.基于相同的时间和空间分辨率，将所述碳平衡与追踪模拟模块与水动力-水质-水生态模型耦合，得到耦合后的水动力-水质-水生态模型；
9.利用所述耦合后的水动力-水质-水生态模型，对目标水体碳循环过程进行数值模拟，获得目标水体的碳存量和通量的结果。
10.基于以上技术方案，利用目标水体的网格化水动力-水质-水生态模型与碳平衡与追踪模拟模块耦合，通过一次求解，即可获得水体中碳存量和通量的时间序列。
11.可选的，所述基于水体中碳循环过程构建碳平衡与追踪模拟模块，包括：
12.对水体中不同形态碳的存量进行目标水体每个网格的积分计算；
13.对水体中不同形态碳循环过程的通量进行目标水体每个网格的积分计算。
14.可选的，所述碳循环过程具体包括：
15.不同形态碳的陆域输入过程、大气沉降过程、出流过程、内源过程、水中沉降过程、呼吸过程、降解过程、代谢过程、水生植被种植和收割过程，以及水生植被和藻类固碳过程。
16.水体中碳平衡与追踪计算过程如下：
17.陆域输入过程包括藻类活体碳入湖量、颗粒有机碳入湖量、溶解态有机碳入湖量，所述通量计算方法如下：
[0018][0019]
其中：q为入湖流量（m3/d），c为入流中i组分的浓度（g/m3）。
[0020]
大气沉降过程通量计算方法如下：
[0021][0022]
其中，dd为干沉降（g/（m2·
d）），dw为湿沉降（g/（m2·
d））。
[0023]
出流过程包括藻类活体碳出湖量、颗粒态有机碳出湖量、溶解态有机碳出湖量，所述通量计算方法如下：
[0024][0025]
其中，q为出流流量（m3/d），c为出流中i组分的浓度（g/m3）。
[0026]
内源过程包括再悬浮碳通量，所述通量计算方法如下：
[0027][0028]
其中，f
rs
为i组分的再悬浮速率（g/（m2·
d））。
[0029]
沉降过程包括水生植被活体碳沉降量、藻类活体碳沉降量、颗粒态有机碳沉降量，所述通量计算方法如下：
[0030][0031]
其中，fs为i组分的沉降速率（g/（m2·
d））。
[0032]
呼吸过程包括水生植被呼吸作用转化成二氧化碳的碳通量、藻类呼吸作用转化成二氧化碳的碳通量，所述通量计算方法如下：
[0033][0034]
其中，f
rp
为水生植被与藻类的呼吸作用速率（g/（m3·
d））。
[0035]
降解过程包括有机碳降解去除的碳量，所述通量计算方法如下：
[0036][0037]
其中，f
dy
为有机碳降解速率（g/（m3·
d））。
[0038]
代谢过程包括水生植被代谢转化成溶解态有机碳的碳通量、藻类代谢转化成溶解态有机碳的碳通量，所述通量计算方法如下：
[0039][0040]
其中，fee为水生植被与藻类的代谢作用速率（g/（m3·
d））。
[0041]
水生植被种植过程通量计算方法如下：
[0042][0043]
其中，f
plt
为单位面积种植的水生植被活体中i组分的增加速率（g/（m2·
d））。
[0044]
水生植被收割过程通量计算方法如下：
[0045][0046]
其中，f
hav
为单位面积收割的水生植被活体中i组分的减少速率（g/（m2·
d））。
[0047]
水生植被固碳量和藻类固碳量计算方法如下：
[0048][0049]
其中，f
cfix
为固碳速率（g/（m3·
d））。
[0050]
碳存量包括水生植被活体碳存量、藻类活体碳存量、颗粒态有机碳存量、溶解态有机碳存量。水体存量考虑水质组分的时空分异性，各相关状态变量的存量通过对全湖所有网格进行积分获取：
[0051][0052]
其中，m为i组分的存量；c为湖体中i组分的浓度。
[0053]
通过以上技术方案，对水体中不同形态碳的存量和通量过程进行目标水体每个网格的积分求解，即可实现对水体中不同形态碳的存量和通量过程进行模拟。
[0054]
可选的，不同形态碳包括颗粒态有机碳、溶解态有机碳、藻类活体有机碳和水生植被活体有机碳。通过以上技术方案，可以对水体中不同形态碳的循环过程进行模拟计算。
[0055]
可选的，基于相同的时间和空间分辨率将所述碳通量平衡与追踪模拟模块与水动力-水质-水生态模型耦合，得到耦合后的水动力-水质-水生态模型，包括：
[0056]
根据所述相同的时间和空间分辨率构建与所述网格化水动力-水质-水生态模型的计算时间步长和计算网格的分辨率相一致的碳通量平衡与追踪模拟模块；
[0057]
将所述网格化水动力-水质-水生态模型和所述平衡与追踪模拟模块耦合，得到耦合后的水动力-水质-水生态模型。
[0058]
通过以上技术方案，可获得求解水体中不同形态碳平衡与追踪模拟的基础计算框架。
[0059]
可选的，根据所述耦合后的水动力-水质-水生态模型对所述目标水体进行碳循环过程计算，获得目标水体的碳存量和通量的结果，包括：
[0060]
根据所述耦合后的模型进行目标水体水动力、水质和水生态的求解，在每一个时间步长求解后，对目标水体每个网格进行积分，求解不同形态碳的存量和通量结果，求解完成后，获得目标水体不同形态碳存量和通量的时间序列结果。
[0061]
通过以上技术方案，可实现通过一次求解即可获得水体中水动力、水质和水生态的计算结果，同时能够获得目标水体不同形态碳存量和通量的时间序列结果。
[0062]
第二方面，本技术提供了一种基于iwind-lr的碳通量平衡和追踪的装置，采用如下技术方案：
[0063]
水动力-水质-水生态模型构建模块，基于iwind-lr构建目标水体的网格化水动力-水质-水生态模型；
[0064]
碳平衡与追踪模块，基于水体中碳循环过程构建目标水体的碳平衡与追踪模拟模块；
[0065]
耦合模块，基于相同的时间和空间分辨率，将所述碳通量平衡与追踪模拟模块与水动力-水质-水生态模型耦合，得到耦合后的水动力-水质-水生态模型；
[0066]
结果输出模块，根据所述耦合后的水动力-水质-水生态模型对所述目标水体进行碳循环过程计算，获得目标水体的碳存量和通量的结果。
[0067]
第三方面，本技术提供了一种计算机设备，采用如下技术方案：包括存储器和处理器，所述存储器上存储有能够被处理器加载并执行上述任一种基于iwind-lr的碳通量平衡与追踪方法的计算机程序。
[0068]
第四方面，本技术提供了一种计算机存储介质，采用如下技术方案：存储有能够被处理器加载并执行上述任一种基于iwind-lr的碳通量平衡与追踪方法的计算机程序。
[0069]
综上所述，本技术具有以下有益效果：
[0070]
采用本技术公开的基于iwind-lr的碳平衡与追踪模拟方法，通过iwind-lr搭建目标水体的网格化水动力-水质-水生态模型，并在网格化水动力-水质-水生态模型的基础上耦合碳平衡与追踪模拟模块，构建适用于目标水体的碳平衡与追踪模型，可实现对水体不同形态碳过程存量和通量过程的计算及追踪，可以深入分析水体中所发生的碳迁移转化过程，识别其响应机制及重要的源、汇过程，为水体富营养化治理提供科学技术支撑。
附图说明
[0071]
图1为本技术实施例中的一种基于iwind-lr的碳平衡与追踪模拟方法的流程示意图；
[0072]
图2为本技术实施例中的一种湖泊网格化水动力-水质-水生态模型构建流程示意图；
[0073]
图3为本技术实施例中的湖泊碳循环过程概化示意图；
[0074]
图4为本技术实施例中的湖泊碳存量结果时间序列图；
[0075]
图5为本技术实施例中的一种基于iwind-lr的碳平衡与追踪模拟装置的结构框图。
具体实施方式
[0076]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-5，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
[0077]
下面将结合具体实施方式，对图1所示的处理流程进行详细的说明，内容如下：
[0078]
步骤101，基于iwind-lr搭建目标湖泊的网格化水动力-水质-水生态模型。
[0079]
其中，目标水体可以是任一需要研究碳平衡与追踪的湖泊、水库或河流，此处以湖泊为例进行说明。
[0080]
在实施中，利用iwind-lr模型软件，对需要进行碳存量和通量开展分析的目标湖泊搭建网格化水动力-水质-水生态模。其中，iwind-lr是iwind系列软件中的三维湖泊、水库、河流水动力、水质和水生态模型，以环境流体力学代码（efdc）作为计算内核，可用于一维、二维及三维河流、湖泊及水库等水体的水动力、水质和水生态的模拟。iwind-lr包括水动力、水质、水生态等模块，可以模拟水动力场、温度、盐度、泥沙运输、水质、有毒污染物质。
[0081]
网格化水动力-水质-水生态模型的建立过程如图2所示，具体如下：基于iwind-lr将目标湖泊离散为若干网格单元；基于iwind-lr和网格单元搭建目标湖泊的网格化水动力
模型、网格化水质模型和网格化水生态模型；校准、率定所述网格离散化水动力-水质-水生态模型，形成目标水体的网格化水动力-水质-水生态模型。
[0082]
在实施中，在搭建了目标湖泊的网格化水动力-水质-水生态模型后，可进行网格离散化水动力-水质-水生态模型的校准和率定。
[0083]
根据实际的水位和流量监测数据，对所述网格离散化水动力-水质-水生态模型进行水动力模块校准与率定，实现水动力参数本地化；
[0084]
在水动力模块校准、率定的基础上，根据实际的水质指标监测数据，对所述网格离散化水动力-水质-水生态模型进行水质模块校准与率定，实现水质参数本地化；
[0085]
在水动力、水质校准、率定的基础上，根据实际的水生态指标监测数据，对所述网格离散化水动力-水质-水生态模型进行水生态模块校准与率定，实现水生态参数本地化。
[0086]
通过上述技术方案，基于iwind-lr模型实现对水体内部动力学、水质与水生态的动态过程的数值再现，对于水体内部的动态变化进行全方位跟踪，以便于建立碳循环与水体内部的水动力、水质与水生态响应的定量关系。
[0087]
步骤102，基于湖泊中碳循环动力学过程构建碳平衡与追踪模拟模型，湖泊碳循环动力学过程概化过程如图3所示。
[0088]
将湖泊中碳的形态概化为：颗粒态有机碳、溶解态有机碳、藻类活体有机碳和水生植被活体有机碳。
[0089]
将湖泊中碳循环过程概化为：陆域输入过程、大气沉降过程、出流过程、内源过程、水中沉降过程、呼吸过程、降解过程、代谢过程、水生植被种植和收割过程，以及水生植被和藻类固碳过程。
[0090]
基于碳形态和循环过程构建湖泊中碳平衡与追踪模拟模块，实现对湖泊中不同形态碳的存量进行目标水体每个网格的积分计算；实现对湖泊中不同形态碳循环过程的通量进行目标水体每个网格的积分计算。
[0091]
步骤103，耦合碳通量平衡与追踪模拟模块和网格离散化水动力-水质-水生态模型。
[0092]
根据所述相同的时间和空间分辨率构建与所述网格化水动力-水质-水生态模型的计算时间步长和计算网格的分辨率相一致的碳通量平衡与追踪模拟模块；
[0093]
将所述网格化水动力-水质-水生态模型和所述通量平衡与追踪模拟模块耦合，得到耦合后的水动力-水质-水生态模型。
[0094]
步骤104，根据耦合后的水动力-水质-水生态模型对所述目标湖泊进行碳循环过程计算，获得目标水体的碳存量和通量的结果。
[0095]
在实施中，根据所述耦合后的模型进行目标湖泊水动力、水质和水生态的求解，在每一个时间步长求解后，对目标湖泊每个网格进行积分，求解不同形态碳的存量和通量结果，求解完成后，获得目标湖泊不同形态碳循环过程的时间序列，存量结果如图4所示。
[0096]
根据各形态碳湖泊存量和通量的结果对水体碳来源进行整理，相应的，步骤104之后可以存在如下处理：基于目标水体的碳通量平衡与追踪模拟结果由大至小对所有过程进行排序，将排序靠前的多个过程作为水体碳的主要源、汇，为目标湖泊后续的富营养化治理提供依据。
[0097]
基于相同的技术构思，本技术实施例还提供了一种基于iwind-lr的碳平衡与追踪
模拟装置，如图5所示，所述装置包括：
[0098]
模型搭建模块201，用于基于iwind-lr搭建目标水体的网格化水动力-水质-水生态模型；
[0099]
方程调整模块202，用于基于水体中碳循环过程构建目标水体的碳平衡与追踪模拟模块；
[0100]
模型耦合模块203，用于基于相同的时间和空间分辨率，将所述碳通量平衡与追踪模拟模块与水动力-水质-水生态模型耦合，得到耦合后的水动力-水质-水生态模型；
[0101]
结果输出模块204，根据所述耦合后的水动力-水质-水生态模型对所述目标水体进行碳循环过程计算，获得目标水体的碳存量和通量的结果。
[0102]
本技术实施例还提供了一种工程评估设备，所述工程评估设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一段程序、所述代码集或指令集由所述处理器加载并执行以实现如步骤101-步骤104的处理。
[0103]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
[0104]
以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，本说明书（包括摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其它等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

技术特征：
1.一种基于iwind-lr的碳平衡与追踪模拟方法，其特征在于，所述方法包括：基于iwind-lr构建目标水体的网格化水动力-水质-水生态模型；基于水体中碳循环过程构建碳平衡与追踪模拟模块；所述碳平衡与追踪模拟模块与所述网格化水动力-水质-水生态模型的时间和空间分辨率相同；基于相同的时间和空间分辨率将所述碳平衡与追踪模拟模块与水动力-水质-水生态模型耦合，得到耦合后的水动力-水质-水生态模型；利用所述耦合后的水动力-水质-水生态模型对目标水体碳循环过程进行数值模拟计算，获得目标水体的碳存量和通量的结果。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于水体中碳循环过程构建碳平衡与追踪模拟模块，包括：对水体中不同形态碳的存量进行目标水体每个网格的积分计算；对水体中不同形态碳循环过程的通量进行目标水体每个网格的积分计算。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述碳循环过程具体包括：不同形态碳的陆域输入过程、大气沉降过程、出流过程、内源过程、水中沉降过程、呼吸过程、降解过程、代谢过程、水生植被种植和收割过程，以及水生植被和藻类固碳过程。4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述不同形态碳包括颗粒态有机碳、溶解态有机碳、藻类活体有机碳和水生植被活体有机碳。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于相同的时间和空间分辨率将所述碳通量平衡与追踪模拟模块与水动力-水质-水生态模型耦合，得到耦合后的水动力-水质-水生态模型，包括：根据所述相同的时间和空间分辨率构建与所述网格化水动力-水质-水生态模型的计算时间步长和计算网格的分辨率相一致的碳通量平衡与追踪模拟模块；将所述网格化水动力-水质-水生态模型和所述通量平衡与追踪模拟模块耦合，得到耦合后的水动力-水质-水生态模型。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述耦合后的水动力-水质-水生态模型对所述目标水体进行碳循环过程计算，获得目标水体的碳存量和通量的结果，包括：根据所述耦合后的模型进行目标水体水动力、水质和水生态过程的数值求解，在每一个时间步长求解后，对目标水体的每个网格进行积分，求解不同形态碳的存量和通量结果，求解完成后，获得目标水体不同形态碳循环过程的时间序列。7.一种基于iwind-lr的碳平衡与追踪模拟装置，其特征在于，所述装置包括：水动力-水质-水生态模型构建模块，基于iwind-lr构建目标水体的网格化水动力-水质-水生态模型；碳平衡与追踪模块，基于水体中碳循环过程构建目标水体的碳平衡与追踪模拟模块；耦合模块，基于相同的时间和空间分辨率将所述碳通量平衡与追踪模拟模块与水动力-水质-水生态模型耦合，得到耦合后的水动力-水质-水生态模型；结果输出模块，根据所述耦合后的水动力-水质-水生态模型对所述目标水体进行碳循环过程计算，获得目标水体的碳存量和通量的结果。8.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有能够被处理器加载并执行如权利要求1至6中任一种方法的计算机程序。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，存储有能够被处理器加载并执行如权利要求1至6中任一种方法的计算机程序。

技术总结
本申请涉及一种基于IWIND-LR的碳平衡与追踪模拟方法、装置、设备及存储介质，所述方法包括：基于IWIND-LR构建目标水体的网格化水动力-水质-水生态模型；基于水体中碳循环过程构建碳平衡与追踪模拟模块；基于相同的时间和空间分辨率将碳平衡与追踪模拟模块与水动力-水质-水生态模型耦合，得到耦合后的水动力-水质-水生态模型；利用耦合后的水动力-水质-水生态模型对目标水体碳循环过程进行数值模拟计算，获得目标水体的碳存量和通量的结果。采用本申请，可通过数值模型的方法对水体中不同形态碳循环过程的存量和通量进行动态追踪和平衡计算，为水体富营养化治理提供技术支撑。为水体富营养化治理提供技术支撑。


技术研发人员：邹锐 林宁亚 张晓玲
受保护的技术使用者：南京智水环境科技有限公司
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/7/20