申请/专利权人：中国环境科学研究院

申请日：2021-09-14

公开（公告）日：2024-04-30

公开（公告）号：CN113780826B

主分类号：G06Q10/0631

分类号：G06Q10/0631;G06Q50/26;G06F16/25;G06F16/28

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.30#授权;2021.12.28#实质审查的生效;2021.12.10#公开

摘要：一种基于长江流域水环境模型的集成及可视化决策分析方法，包括以下步骤：步骤一，模型封装；步骤二，模型注册；步骤三，模型参数配置；步骤四,模型计算与监控；步骤五，模型结果输出；步骤六，模型可视化。本申请集成不同类型水环境模型，对模型运算进行三维可视化展示，增强渲染可视化效果，更直观，产生身临其境效果，辅助水环境管理决策。

主权项：1.基于长江流域水环境模型的集成及可视化决策分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，模型封装，模型系统的模型封装模块将不同水环境模型进行封装，实现模型的对象化和组件化，并对模型进行组合、集成，形成不同的使用模型；模型封装模块基于OGCWPS协议对不同水环境模型进行封装，按照WPS协议，每个模型被封装成一个对象；模型封装模块将每个封装后的模型根据不同用途分别进行组合、集成，形成不同的使用模型，使用模型供业务功能系统进行查询、调用和管理；步骤二，模型注册，模型系统的模型整合模块将步骤一中组合、集成后形成的使用模型加载到模型注册中心，并对于不同的使用模型定义统一规范，得到网络化模型；步骤三，模型参数配置，模型系统的参数配置模块将网络化模型不同数据源的参数进行配置；所述参数包括：气象参数、污染源参数、水质参数、水文参数、土地利用、土壤类型以及DEM这些基础地理参数；步骤四，模型计算与监控，所述业务功能系统的模型服务模块对模型计算任务进行运算得到第一模型结果，所述业务功能系统的预警服务模块对模型计算任务结果进行分析，对不同水环境异常情况进行预警；步骤五，模型结果输出，所述业务功能系统的模型服务模块将第一模型结果转换为统一格式的数据，得到第二模型数据，并将第一模型数据、第二模型数据分别存储在数据库系统；步骤六，模型可视化，所述业务功能系统的模型服务模块将第二模型数据通过前端界面进行三维可视化；模型服务模块对输出的水文水质及污染物响应情况进行三维可视化，并在客户端的显示屏或可视化系统上进行显示；模型的可视化包括：预测预报、水质预警、情景模拟、情景对比、风险评估以及模式评估统计；预测预报根据实际模型的不同时间尺度进行预报；根据流域模型子流域出口点的水质浓度或类别结果插值得到河流的水质浓度或类别，根据类别或浓度对应的类别进行颜色渲染；类别用六种颜色，浓度用六种颜色插值；点选水质类别、COD、氨氮指标，当选定单因子指标时，地图对应显示相应指标的结果图；用户通过客户端进一步切换时间或通过时间进度条详细查看该流域未来不同时间水质预报结果及变化情况，包括单指标类别、单指标浓度、水质类别结果；在功能设计方面，系统支持选择不同的起报和预测时间，以及不同水文水质要素，以查看流域各断面及各子流域出流口的水文水质预测结果；将模型计算时间序列模拟结果与实测数据进行对比，并添加水质标准控制线做辅助展示，进行关键站点和流域污染源之间响应关系分析；水质预警是根据模型模拟预测结果，根据业务需求设置预警指标参数，基于实测水质数据和预报数据，结合实时监测数据，实现平时运行监测中水质趋势预报预警、超标提醒，并将预警信息通过客户端的前端界面进行显示；还能够对一定时间周期内的超过设定参数的污染物偷排、断面通量异常、水质趋势性异常变化进行实时预警；其中，偷排预警是当预报断面主要污染物自动监测日平均浓度超过预报浓度3倍偏差上限范围且该污染物浓度超过地表水Ⅲ类标准时，触发偷排预警提示；断面通量预警是当预报断面主要污染物日通量预报结果超过历史最大值的75％和90％通量水平时，触发通量预警提示；趋势性预警是以水文期、季度或年为单位，当预报断面污染物主要污染物浓度预报结果超过去年同期10％时，触发趋势性预警提示；预警提示展示：在客户端的前端界面的地图上展示所有断面位置，用不同符号和颜色标识预警类型和级别；情景模拟建立在模型之上，是模型实现的具体化；通过改变外部参数条件，定义模型计算模拟的起始时间、水质边界、水动力边界、降雨边界以及其他参数，新增或关停污染源，枯水期、丰水期，实现模型的模拟计算；所述其他参数包括：河网参数、断面参数、边界参数、水动力参数、水质参数；情景设置提供决策者对控制单元内不同管控措施情景的设置，包括不同气象条件、不同点源、面源控制措施；根据情景模拟时间段，系统自动列出对应时间段内的累积降雨量、平均风速与风向气象条件，供决策者选择参考，能够有针对性选择不同气象条件，以进一步获得气象条件对控制单元水质影响；点源防控措施输入：选择某个县域内的工业企业，企业按贡献率大小排序，每个企业显示名称、行业、排放量、贡献率、削减率，勾选需设置的企业，输入削减率完成点源防控措施情景设置；面源防控措施输入：按照子流域或区县选择面源，对农业种植、农村生活、畜禽养殖不同面源设置削减率，完成面源防控措施情景设置；情景对比能够直观的看到针对流域水质改善进行污染负荷削减后对不同断面的水质浓度影响情况；针对不同控制断面，选择COD、氨氮指标，以曲线展示基准情景和其它比对情景污染物浓度及浓度差时间变化结果；地图上，提供多个视图同时展示不同模拟情景污染负荷情况；环境风险评估模块具有点源和面源风险评估功能；依据污染源排放清单和污水综合排放标准，对点源污染类型、特点和排放量大小进行环境风险分级分类和空间标识；应用面源污染模型，对氮、磷营养元素进行定量匡算，拟合面源污染负荷的入河量、对水体污染的贡献量及贡献率；分析面源污染特征趋势及空间分布特征；根据设定阈值参数，识别出面源污染关键源区和高风险区；面源污染风险评估的水质指标包括化学需氧量、氨氮、总磷、总氮污染物；在系统展示时，采用不同颜色对区域面源风险结果进行渲染展示，其中区域颜色越红，说明区域的面源风险越高；选择不同时间尺度查看不同时间的面源风险评估结果，时间尺度包括年度、季度、月度；在系统中，在参数选择框中“类型选择”部分，选择“子流域”或“区县”，以查看不同类型的评估结果；系统中，在参数选择框中“展示类型”部分，选择“贡献量”或“贡献率”，以查看各区域面源风险评估结果或各区域面源风险占比情况，以识别面源污染有限控制区；系统提供要素筛选，选择不同污染物，查看流域该污染物的面源风险评估结果；模式评估统计是对长江流域各区域各断面的水环境模型预报结果与实测值的分析统计；支持时间段、区域、断面、水质指标、评估时效，以及水环境质量模型的选择，展示当前评估时间段内某断面该水质指标各个水环境模型的预报浓度与实际监测浓度的对比分析结果；预报评估提供水环境模型的水质预报精准性分析，包括水环境模型对水质类别的预报准确率，以及水质指标浓度预测的相对误差、相关系数、NS系数；单个断面、河流、流域的水质类别预测评估，采用类别预测准确率作为评估指标，以日为评估的时间单位，如果当日实测水质类别与预测水质类别相符，则记为准确；如评价对象为自动监测数据，则以当日自动监测结果的累积水质评价结果为评估对象；以月、季度或年为单位计算单个断面点位、河流、流域的水质类别预测准确率P类别；对于评估污染物浓度预测采用污染物浓度预测结果与实测数据的相对误差B、相关系数R2统计量来评估；对于水文评估预测，采用水文预测结果与实测数据的相对误差、相关系数R2、Nash-Sutcliffe效率系数统计量来评估；所述业务功能的预警服务模块根据计算任务的运算结果反向推算该计算任务输入的计算参数，并将反向推算的计算参数与计算任务的初始参数进行核对；所述预警服务模块预设有参数核对阈值，所述预警服务模块计算反向推算的计算参数与计算任务的初始参数的差值得到第一核对值，取第一核对值的绝对值为第二核对值，将第二核对值与参数核对阈值进行比较，当第二核对值小于等于参数核对阈值时，所述业务功能系统不做任何操作，当第二核对值大于参数核对阈值时，所述业务功能系统对问题模型进行预警；所述业务功能系统的模型服务模块还包括配置模块、查找模块和创建模块，用于加快目标模型获取的速度；所述配置模块用于接收对目标模型的第一开关及第二开关的配置操作，所述第一开关用于配置目标数据的源模型参数，所述第二开关控制模型处理管线的查找规则；所述查找模块从所述网络化模型中查找目标模型；所述创建模块利用目标模型创建目标数据的提取管线；其中，岷沱江流域模型基于SWAT模型，主要步骤如下：子流域划分、水文响应单元划分、气象数据库构建、参数设置；子流域划分是利用SWAT模型的流域划分模块对研究区进行河网的提取及子流域的划分，根据山区的高程及自然汇水特性，选定山区流域出流点，将山区部分划分为多个子流域，以确定基本计算单元；水文响应单元是SWAT的最小计算单元，具有统一的土壤、土地利用属性和坡度等级；在划分水文响应单元之前，先利用ArcSWAT的土地利用、土壤和坡度定义模块加载土地利用与土壤图，并选择对应的索引关系表进行空间叠加分析，根据山区的土地利用类型分布、土壤类型分布、坡度分类进一步将子流域划分为多个水文响应单元；然后，采用多水文响应单元划分方法，设置土地利用阈值、土壤面积阈值和坡度等级；气象数据库构建是根据气象测站的分布及监测数据建立用于山区水文模拟的气象数据库；参数设置是设置流域一般性参数、水质参数；模型计算结果输出为山区与城区交界断面处的水量水质变化过程，以作为城区河道的入流边界条件；其中，一般性参数包括：水量平衡、地表径流及河道参数；长江下游段模型采用MIKE21进行构建，为水环境容量计算模型；通过概化长江下游段河道，在考虑了污染源入江的情况下，对长江下游段水动力及水质进行模拟；长江流域水环境模型封装包括：通用模型封装调用、岷沱江SWAT模型封装、MIKE21模型封装调用；长江流域水环境模型库包括长江全流域水环境模型、岷沱江流域模型、长江下游段模型；长江全流域水环境模型覆盖长江全流域河网，采用流域+河网链接计算，格网分辨率2km，适应环支混合状河网，支撑湖库、控制单元、污水厂计算，为混合产流模式+流域产污模型，多驻点往复流及物质求解，采用线性和动态优化，模型自动化程度高，各个对象自动连接和计算，模型参数自动提取。

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百度查询： 中国环境科学研究院 基于长江流域水环境模型的集成及可视化决策分析方法

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