本技术涉及水环境数值模拟，具体涉及一种基于iwind-lr模型的目标水体在不同出入流调度情景下水质响应的定量模拟方法，适用于河流、水库、湖泊等水域的出入流调度情景的水质模拟分析。
背景技术：
1、
2、在湖泊水库等的日常管理工作中，水体出入流调度是综合考虑水文、水力、水质等多种因素的一种管控手段，通过引水设施引清水入湖，改善湖泊水环境，从而实现区域社会经济与湖泊生态环境的可持续发展，是最为常用也是最为方便的管理方式，通过出入流的科学调度，能够合理利用水资源，改善水体的水质环境，缓解水资源的短缺和污染问题。不同的出入流调度会对水体水质产生不同的影响，其影响不仅与出入流流量有关，且与气象因素等多种综合因素相关，一直以来，主要以人为主观定性分析，缺乏科学系统定量的依据，这就使得调度决策可靠性和可行性都大打折扣。而湖泊是高度复杂的非线性动态系统，因此无法仅仅依靠经验和定性估计的方法来实现出入流调度对水体水质的模拟评估。
3、为准确定量地评估不同出入流调度方案对水体的水质影响，本技术提供一种能够模拟污染物在湖体中迁移转化过程的三维水动力-水质模型作为科技手段，对不同的出入流调度情景进行数值模拟，形成一种基于iwind-lr模型的目标水体在不同出入流调度情景下水质响应的定量模拟方法。
技术实现思路
1、
2、为了使得水体的调度管理更加科学化、合理化，本技术提供一种基于iwind-lr模型的目标水体在不同出入流调度情景下水质响应的定量模拟方法。
3、为了实现上述目标，本发明采用了以下技术方案：
4、一种基于iwind-lr模型的目标水体在不同出入流调度情景下水质响应的定量模拟方法，包括以下步骤：
5、步骤1，基于iwind-lr模型搭建目标水体的水动力-水质-水生态模型；
6、步骤2，基于出入流调度所对应的机理过程，对上述模型中的动量方程、水质方程和藻类方程进行调整，定量表达出入流对目标水体的水动力水质过程的影响；
7、步骤3，将调整后的动量方程、水质方程、藻类方程与iwind-lr模型的水动力-水质-水生态模拟框架耦合，生成目标水体的出入流调度模型；
8、步骤4，制定出入流调度情景方案；
9、步骤5，通过所述出入流调度模型，模拟所述的不同调度情景，生成每项所述调度情景对应的目标水体水质响应模拟结果。
10、通过以上技术方案，结合基于iwind-lr模型搭建的网格化水动力-水质-水生态模型，建立所述目标水体的网格离散化出入流调度模拟模型，在出入流调度情景评估过程中能够通过设定出入流调度情景的位置、运行模式等情景参数，定量分析调度情景给目标水体带来的水质影响。
11、作为优选，上述步骤1，所述基于iwind-lr模型搭建目标水体的水动力-水质-水生态模型，包含以下子步骤，其特征在于：
12、步骤1-1，基于iwind-lr模型将所述目标水体离散为若干网格单元，考虑到利用曲线网格可以更好地匹配水体的边界形状，在保证空间精度的情况下提高模型的计算效率，因此，在水平方向上，将所述目标水体划分为若干个正交曲线网格；对于每个正交曲线网格，在垂直方向上按西格玛坐标切割为若干个网格单元，并根据所述目标水体的边缘地形数据，对所述网格单元进行地形插值。
13、步骤1-2，基于iwind-lr模型和所述网格单元搭建所述目标水体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；
14、步骤1-3，基于iwind-lr模型对所述网格化水动力模型、网格化水质模型和网格化水生态模型进行耦合，生成所述目标水体的网格化水动力-水质-水生态模型。
15、基于上述技术方案，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，以便于建立各种调度情景与水体内部的水动力、水质与水生态响应的定量关系，为水体管理提供科学的决策依据。
16、作为优选，上述步骤2，所述基于出入流调度所对应的机理过程，对上述模型中的动量方程、水质方程和藻类方程进行调整，定量表达出入流对目标水体的水动力水质过程的影响，包含以下子步骤，其特征在于：
17、步骤2-1，在所述网格化水动力-水质-水生态模型中的动量方程中，添加定量表达出入流调度过程对目标水体水动力影响的入流流量项和出流流量项；
18、在实施中，在对于网格化水动力-水质-水生态模型中的动量方程进行调整时，可以在动量方程中，添加出入流调度情景的入流流量项和出流流量项，例如，原动量方程可以为：
19、；
20、；
21、其中，mx、my分别表示度量张量沿对角线方向的分量的平方根值；m=mx*my构成了雅克比行列式或是由度量张量的平方根值所形成的行列式；u、v、w分别表示沿x、y、z坐标轴方向的速度分量；h表示总深度（h=ζ+h）；f是指科氏力参数；p表示压力；av是指纵向湍流速度或称涡流粘度，qu与qv是除出入流调度情景调度出入流之外的其它动量源、汇项。
22、调整后的动量方程可以为：
23、；
24、；
25、其中，qu与qv是除出入流调度情景调度出入流之外的其它动量源、汇项；qwdu与qwdv分别表示模型中沿x坐标轴方向和沿y坐标轴方向的出入流调度情景调度入流流量项；qreu与qrev分别表示模型中沿x坐标轴方向和沿y坐标轴方向的出入流调度情景调度出流流量项。
26、步骤2-2，在所述网格化水动力-水质-水生态模型中的水质方程中，添加定量表达出入流调度过程对目标水体水质影响的入流水质项和出流水质项。
27、在网格化水动力-水质-水生态模型中的水质方程中，添加出入流调度情景的入流水质项和出流水质项，包括化学需氧量、总磷、总氮和溶解氧指标。
28、（1）化学需氧量
29、原化学需氧量方程可以为：
30、；
31、其中：其中：cod为化学需氧量，折算成氧的量（mg/l）。ocrpoc为惰性颗粒态有机碳的耗氧量；oclpoc分别不稳定颗粒态有机碳的耗氧量；ocdoc为溶解性有机碳的耗氧量；ocbx为藻x（下标x为c，d，g，对应不同藻类）的耗氧量；sod为内源有机碳的耗氧量（均以o2计，g/m3）。
32、惰性以及不稳定颗粒态有机碳耗氧量的控制方程为：
33、；
34、
35、溶解性有机碳耗氧量的控制方程为：
36、；
37、其中：ocrpoc、oclpoc、ocdoc分别为惰性颗粒有机碳、不稳定颗粒态有机碳与溶解性有机碳的耗氧量（以o2计，g/m3）；fcrp、fclp、fcdp分别为捕食惰性颗粒有机碳、不稳定颗粒态有机碳、溶解性有机碳产生分数；krpoc、klpoc分别为惰性颗粒有机碳、不稳定颗粒态有机碳的溶解速度 (d-1)；wsrp与wslp分别为惰性颗粒态有机碳与不稳定颗粒态有机碳的沉降速度(m/d)；wrpoc、wlpoc、wdoc分别为惰性颗粒态有机碳、不稳定颗粒态有机碳、溶解性有机碳除出入流调度情景调度出入流之外的其它外源负荷 (gc/d)；fcdx为藻类在溶解氧浓度无限大时，代谢分泌的溶解性有机碳分数；khrx 为对应于藻类排泄溶解性有机碳的溶解氧半饱和浓度；do为溶解氧浓度 (go2 /m3)； khr为溶解性有机碳异养呼吸速率(d-1)；denit为反硝化作用速率 (d-1)；roc为碳氧比（2.67go2/ gc）。
38、藻x（下标x为c，d，g，对应不同藻类）耗氧量的控制方程为：
39、
40、其中：下标x为c，d，g，对应不同种属藻类；ocbx为藻x的耗氧量（以o2计，g/m3）；t为时间(d)；px为生产率(d-1)；bmx 为代谢速率(d-1)；prx为捕食速率 (d-1)；wsx 为沉降速度(m/d)；wbx为除出入流调度情景调度出入流之外的其它藻类外源负荷 (gc/d)；v 为计算网格体积 (m3)，roc为碳氧比（2.67go2/gc）。
41、内源有机碳耗氧量的控制方程为：
42、
43、式中，sod为内源有机碳的耗氧量（以o2计，g/m3），do为溶解氧浓度（g/m3），khsod为内源有机碳氧化所需溶解氧的半饱和常数（以o2计，g/m3）；ksod为内源有机碳的氧化速率（d-1）；bfsod 为内源有机碳的沉积通量（以o2计，g/（m2·d））。wsod为除出入流调度情景调度出入流之外的其它内源有机碳的外负荷（以o2计，g/d）。
44、调整后的水质方程可以为：
45、
46、
47、
48、
49、
50、其中，wrpoc、wlpoc、wdoc分别为惰性颗粒态有机碳、不稳定颗粒态有机碳、溶解性有机碳除出入流调度情景调度出入流之外的其它外源负荷 (gc/d)；wbx为除出入流调度情景调度出入流之外的其它藻类外源负荷 (gc/d)；wsod为除出入流调度情景调度出入流之外的其它内源有机碳的外负荷（以o2计，g/d）。、、、分别为惰性颗粒态有机碳、不稳定颗粒态有机碳、溶解性有机碳、不同种属藻类出入流调度情景调度入流负荷 (gc/d)，为内源有机碳的出入流调度情景调度入流负荷（以o2计，g/d）；、、、分别为惰性颗粒态有机碳、不稳定颗粒态有机碳、溶解性有机碳、不同种属藻类出入流调度情景调度出流负荷 (gc/d)，为内源有机碳的出入流调度情景调度出流负荷（以o2计，g/d）。
51、（2）总磷
52、原总磷方程可以为：
53、
54、其中：其中：tp为总磷（mg/l），rpop为惰性颗粒有机磷浓度 (g·p/m3)；lpop为不稳定性颗粒有机磷浓度(g·p/m3)；dop为溶解性有机磷浓度 (gp/m-3)；po4t为总磷酸盐(gp/m-3)。
55、惰性和不稳定性颗粒有机磷的动力学方程为：
56、
57、
58、其中：rpop为惰性颗粒有机磷浓度 (g·p/m3)；lpop为不稳定性颗粒有机磷浓度(g·p/m3)；fprx为藻类的新陈代谢产生的惰性颗粒有机磷分数；fplx为藻类的新陈代谢产生的不稳定性颗粒有机磷分数；fprp为捕食惰性颗粒有机磷产生分数；fplp为捕食不稳定性颗粒有机磷产生分数；apc为所有藻类磷碳平均比 (gp/gc)；krpop为惰性颗粒有机磷水解率 (day-1)；klpop为不稳定性性颗粒有机磷水解率(day-1)；wrpop为除出入流调度情景调度出入流之外的其它惰性颗粒有机磷外源负荷 (p/day)；wlpop为除出入流调度情景调度出入流之外的其它不稳定性性颗粒有机磷外源负荷 (p/day)。
59、溶解性有机磷的动力学方程为：
60、
61、其中：dop为溶解性有机磷浓度 (gp/m-3)；fpdx为藻类新陈代谢产生的溶解性有机磷分数；fpdpx为捕食溶解性有机磷产生分数；kdop为溶解性有机磷矿化速率 (day-1)；wdop为除出入流调度情景调度出入流之外的其它溶解性有机磷外源负荷 (gp/m-3)。
62、总磷酸盐的动力学方程为：
63、
64、其中：po4t为总磷酸盐 (gp/m-3) 为po4d + po4p；po4d为溶解性磷酸盐 (gp/m-3)；po4p为颗粒性 (吸附) 磷酸盐(gp/m-3)；fpix为藻类新陈代谢产生的无机磷分数；fpip为捕食无机磷产生分数；wstss为悬浮固体沉降速度 (m/day)，由水力模型提供；bfpo4d为磷酸盐沉积物-水交换系数(gp/m2/day)，仅存在于底层；wpo4t(wpo4p+wpo4d)为除出入流调度情景调度出入流之外的其它总磷酸盐外源负荷 (gp/day)。
65、调整后的水质方程可以为：
66、
67、
68、
69、
70、其中，wrpop为除出入流调度情景调度出入流之外的其它惰性颗粒有机磷外源负荷 (p/day)；wlpop为除出入流调度情景调度出入流之外的其它不稳定性性颗粒有机磷外源负荷 (p/day)；wdop为除出入流调度情景调度出入流之外的其它溶解性有机磷外源负荷(gp/m-3)；wpo4t(wpo4p+wpo4d)为除出入流调度情景调度出入流之外的其它总磷酸盐外源负荷 (gp/day)。、分别为惰性颗粒态有机磷、不稳定颗粒态有机磷出入流调度情景调度入流负荷 (gp/day)，为溶解性有机磷调度入流负荷(gp/m-3)、为总磷酸盐出入流调度情景调度入流负荷(gp/day)；、分别为惰性颗粒态有机磷、不稳定颗粒态有机磷出入流调度情景调度出流负荷 (gp/day)，为溶解性有机磷出入流调度情景调度出流负荷(gp/m-3)、为总磷酸盐出入流调度情景调度出流负荷(gp/day)。
71、（3）总氮
72、原总氮方程可以为：
73、
74、其中： tn为总氮（mg/l），rpon为惰性颗粒有机氮浓度 (g·n/m3)；lpon为不稳定性颗粒有机氮浓度(g·n/m3)；don为溶解性有机氮浓度(gn/m-3)；为氨氮浓度(gn/m-3)；(gn/m-3)。
75、惰性和不稳定性有机氮的动力学方程为：
76、
77、
78、其中：rpon为惰性颗粒态有机氮浓度 (g·n/m3)；lpon为不稳定性颗粒有机氮浓度(g·n/m3)；fnrx为藻类新陈代谢产生的惰性颗粒有机氮分数；fnlx为经藻类新陈代谢产生的不稳定性颗粒有机氮分数；fnrp为藻类捕食惰性颗粒有机氮产生分数；fnlp为藻类捕食不稳定性颗粒有机氮产生分数；ancx为某种藻类（x）的n/c比 (gn/gc)；krpon为惰性颗粒有机氮水解率(day-1)；klpon为不稳定性颗粒有机氮水解率(day-1)；wrpon为除出入流调度情景调度出入流之外的其它惰性颗粒有机氮外源负荷(gn/day)；wlpon为除出入流调度情景调度出入流之外的其它不稳定性颗粒有机氮外源负荷(gn/day)。
79、溶解性有机氮的动力学方程为：
80、
81、其中：don为溶解性有机氮浓度 (gn/m3)；fndx为经x藻新陈代谢产生的溶解性有机氮分数；fndp为捕食溶解性有机氮产生分数；kdon为溶解性有机氮矿化率 (day-1)；bfdon为只在深水底层发生的溶解性有机氮的交换 (gc/m2/ day)；wdon为除出入流调度情景调度出入流之外的其它溶解性有机氮外源负荷 (gn/day)。
82、氨氮的动力学方程为：
83、
84、其中：fnix为藻类新陈代谢产生的无机氮分数；fnip为藻类捕食无机氮产生分数；pnx为藻类摄取氨氮的偏好系数(0<pnx<1)；knit为硝化率(day-1)；bfnh4为只在深水底层发生的沉积物-水中氨氮交换 (gn/m2/day)；wnh4为除出入流调度情景调度出入流之外的其它氨氮外源负荷 (gn/day)。
85、硝态氮的动力学方程为：
86、
87、其中：andc为氧化单位质量溶解性有机碳消耗的硝态氮质量 (0.933gn/gc)；bfno3为只在深水底层发生的沉积物-水中硝酸盐交换 (gn/m2/day)；wno3为除出入流调度情景调度出入流之外的其它硝酸盐外源负荷 (gn/day)。
88、调整后的水质方程可以为：
89、
90、
91、
92、
93、
94、其中，wrpon为除出入流调度情景调度出入流之外的其它惰性颗粒有机氮外源负荷(gn/day)；wlpon为除出入流调度情景调度出入流之外的其它不稳定性颗粒有机氮外源负荷(gn/day)；wdon为除出入流调度情景调度出入流之外的其它溶解性有机氮外源负荷(gn/day)；wnh4为除出入流调度情景调度出入流之外的其它氨氮外源负荷 (gn/day)；wno3为除出入流调度情景调度出入流之外的其它硝酸盐外源负荷 (gn/day)。、、、分别为惰性颗粒态有机氮、不稳定颗粒态有机氮、溶解性有机氮、氨氮、硝酸盐氮出入流调度情景调度入流负荷(gn/day)；、、、分别为惰性颗粒态有机氮、不稳定颗粒态有机氮、溶解性有机氮、氨氮、硝酸盐氮出入流调度情景调度出流负荷(gn/day)。
95、（4）溶解氧
96、原溶解氧方程可以为：
97、
98、其中：aont为单位数量的氨氮硝化作用所消耗的溶解氧的数量(4.33go2/gn)；aocr为呼吸作用中溶解氧-碳比 (2.67go2/gc)；kr为复氧系数 (day-1)，复氧项只适用于表层；dos为溶解氧饱和浓度 (go2/m3)；sod为沉积物需氧量(go2/m2 /day)，只适用于底层；wdo为除出入流调度情景调度出入流之外的其它溶解氧外源负荷 (go2/day)；pnx为x 藻摄取氨氮的偏好 (0<pnx<1)。
99、调整后的水质方程可以为：
100、
101、其中，wdo为除出入流调度情景调度出入流之外的其它溶解氧外源负荷 (go2/day)。为溶解氧出入流调度情景调度入流负荷(go2/day)；为溶解氧出入流调度情景调度出流负荷(go2/day)。
102、步骤2-3，在所述网格化水动力-水质-水生态模型中的藻类方程中，添加定量表达出入流调度过程对目标水体藻类影响的入流藻类项和出流藻类项。
103、（5）藻类
104、原藻类方程可以为：
105、
106、其中，x下标对应不同藻类：bx为藻x的生物量（g·c/m3）；t为时间（days）；px为生产率（day-1）；bmx为代谢速率（day-1）；prx为捕食速率（day-1）；wsx为沉降速度（m/day）；wbx为除出入流调度情景调度出入流之外的其它藻类外源负荷（g·c /day）；v为模型的计算单位体积。
107、调整后的水质方程可以为：
108、
109、其中，wbx为除出入流调度情景调度出入流之外的其它藻类外源负荷（g·c /day）。为不同藻类出入流调度情景调度入流负荷（g·c /day）；为不同藻类出入流调度情景调度出流负荷（g·c /day）。
110、基于上述技术方案，在iwind-lr中参数化表达出入流调度情景中入流调度和出流调度过程，可以便于定量分析调度情景给目标水体带来的水质影响。
111、作为优选，上述步骤3，所述将调整后的动量方程、水质方程、藻类方程与iwind-lr模型的水动力-水质-水生态模拟框架耦合，生成目标水体的出入流调度模型，包含以下子步骤，其特征在于：
112、步骤3-1，基于调整后的动量方程重新搭建所述目标水体的网格化水动力模拟模块；
113、步骤3-2，基于调整后的水质方程重新搭建所述目标水体的网格化水质模拟模块，动态模拟水体中的化学需氧量、总氮、总磷和溶解氧的浓度变化；
114、步骤3-3，基于调整后的藻类方程重新搭建所述目标水体的网格化水生态模拟模块；
115、步骤3-4，利用重新搭建的所述网格化水动力模拟模块、网格化水质模拟模块和网格化水生态模拟模块，基于iwind-lr模型的模拟框架进行耦合，通过边界条件设置，建立所述目标水体的网格化出入流调度模型。
116、基于上述技术方案，对网格化水动力-水质-水生态模型进行调整，可以结合实际调度情景情况，与水体三维水质模型耦合构建出入流调度情景评估模拟计算内核，形成出入流调度情景评估计算引擎，以分析对水体水质影响。
117、作为优选，上述步骤4，所述制定出入流调度方案，包含以下子步骤，其特征在于：
118、步骤4-1，在时间尺度上，出入流调度情景以天为最小时间单位，出流和入流既可以同步进行也可以分步进行，可以分为 4 种类别：(1) 只是调度入流，不进行主动的出流控制；(2) 先主动放水，而后调度入流，二者交替，但入流时候不放水，放水时候不调度入流；(3) 先调度入流，后主动放水，二者交替，并且调度入流时候不放水，放水时候不调度入流；(4) 既调度入流，也放水，二者既可同步，也可交替。
119、步骤4-2，在空间尺度上，出入流调度情景可以根据入流口个数灵活组合。具体而言可以分为3种类别：(1) 单点入流；(2) 多点入流；(3) 所有入流口同时入流。
120、步骤4-3，基于目标水体的出入流过流能力，结合决策者的调度需求设定不同的入流量与出流量，形成不同的水量调度情景。
121、基于上述技术方案，考虑到出入流调度入流和出流的时间和空间分布，将水体入流和出流设定为可变的边界条件，根据决策者的调度需求设定不同的入流量与出流量，形成不同的水量调度情景。
122、作为优选，上述步骤5，所述通过所述出入流调度模型，模拟所述的不同调度情景，生成每项所述调度情景对应的目标水体水质响应模拟结果，包含以下子步骤，其特征在于：
123、步骤5-1，向出入流调度模拟模块传输出入流调度情景数据；
124、步骤5-2，模型模拟结果输出，包含目标水体水质响应的时间序列图，二维、三维可视化图层对比图等。
125、基于上述技术方案，通过模型结果输出，空间站点水质结果的时间序列图，目标水体空间二维、三维可视化图层对比图等，可直观查看不同出入流调度情景方案对水体水质的影响。
126、本发明相对现有技术具有以下有益效果：
127、1、采用本技术公开的一种基于iwind-lr模型的不同出入流调度情景下水质响应模拟方法，通过iwind-lr模型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-水生态模型上引入出入流调度情景的相关因素，构建适用于目标水体的网格化出入流调度模拟模型。
128、2、通过模型的动态模拟，考虑到出入流调度过程的时间及空间分布，将水体入流和出流设定为可变的边界条件，根据决策者的调度需求设定不同的入流量与出流量，从而生成模拟调度方案，通过模型模拟验证调度方案对水质的影响，从而提高水质管理的科学性和准确性。
129、3、通过调度方案的精准表达和水动力-水质-水生态过程的定量动态模拟，能够有效克服仅依靠专家经验进行水质调度管理时准确性不足的局限，对于水质不稳定，需要依靠调度补水来实现水质达标的水体具有重要意义。
1.一种基于iwind-lr模型的目标水体在不同出入流调度情景下水质响应的定量模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于出入流调度情景，对所述水动力-水质-水生态模型中的动量方程、水质方程和藻类方程进行调整，包括：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将调整后的动量方程、水质方程和藻类方程与所述iwind-lr模型网格化水动力-水质-水生态模拟框架耦合，生成所述目标水体的网格化出入流调度模型，包括：
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制定出入流调度方案，结合目标水体的出入流过流能力，兼顾出入流调度入流和出流的时间和空间分布，将水体入流和出流设定为可变的边界条件，根据决策者的调度需求设定不同的调度入流量与出流量，形成不同的水量调度情景，作为出入流调度模拟模块的输入数据，包括：
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过所述出入流调度模型，模拟所述的调度情景，生成每项所述调度情景下目标水体的水质响应模拟结果。模型模拟结果包含目标水体水质响应的时间序列图，二维、三维可视化图层对比图等。
