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1、中国科学院流域地理学重点实验室 中国科学院南京地理与湖泊研究所 洪泛平原区氮磷污染源解析 第五届中国水环境模型与智能决策研讨会,2018年10月25-27日,云南玉溪 2018-10-26 黄佳聪、高俊峰 自我介绍 黄佳聪,博士、副研究员,从事流域污染物输移及其水环境效应模拟研究。Field monitoring and sampling ANN for capturing complex process GA for parameter optimization EnKF for data assimilation 1.Tracking nutrient dynamics in lowlan
2、d artificial watersheds(polders)2.Modeling the response of lake water quality to watershed management Tracking nutrient sources and sinks for polders Developing a hydrological,hydrodynamic and water quality model for lake-watershed ecosystems 3.Developing a framework for model integration based on a
3、rtificial intelligence algorithms Identifying the key factors determining nutrient export from polders?Developing a coupled hydrological and nutrient dynamic model for polders Developing a hydrodynamic indicator to quantify the response of lake water quality to pollution loading How water transfer p
4、rojects affected lake ecosystems?When and where to reduce nutrient for controlling algal blooms in a lake?提纲 1.科学问题提出科学问题提出 2.机理模型构建机理模型构建 3.模型优化与同化模型优化与同化 4.氮磷污染源解析氮磷污染源解析 5.研究结论研究结论 1.科学问题提出 研究背景 重要性:平原区分布广泛,圩区是平原区的重要地理单元,氮磷流失严重;圩区氮磷输移过程模型可用于准确解析河湖氮磷污染来源,进而识别流域氮磷污染的重点防控区域。1.科学问题提出 研究背景 挑战性:平原圩区氮磷输
5、移过程受自然条件和人工控制水文过程的双重影响,水体流向不明,过程模拟十分困难,尚无精确模拟方法,是流域模拟的热点与难点。Complex hydrological processes of polders 1.科学问题提出 以太湖流域圩区为研究对象,采用水环境监测与模型模拟相结合手段,研究平原圩区氮磷污染负荷的时空格局及其关键影响因子,具体包括:平原圩区氮磷流失通量 平原圩区氮磷流失的空间差异 平原圩区氮磷流失的季节变化 平原圩区氮磷流失的关键影响因子 提纲 1.科学问题提出科学问题提出 2.机理模型构建机理模型构建 3.模型优化与同化模型优化与同化 4.氮磷污染源解析氮磷污染源解析 5.研究结
6、论研究结论 2.机理模型构建 过程分析 降雨径流、作物蒸腾、农田水体下渗等 农田灌溉、涵洞排水、洪涝排水等 农田施肥、农田氮硝化与反硝化、农田氨挥发、沟塘氮磷沉降、沟塘水生植物吸收、沟塘氮反硝化等 2.机理模型构建 关键过程概化:构建了水位驱动的圩区物质输移模式,开发了圩区人工调控的水文模块。Mass transport process Water exchange rate Huang et al.,2016.Ecological Engineering.2.机理模型构建 概念模型构建:实现了圩区氮磷迁移转化的多尺度与多过程精准化刻画:圩区产汇流、水量人工控制、氮磷迁移转化、沟渠-坑塘氮磷滞
7、留等 圩区氮磷迁移转化的多尺度与多过程精准化刻画 2.机理模型构建 数学与计算机模型构建:面向过程的模块化开发方法。圩区磷素输移过程模型:5个状态变量、31个中间变量、24个模型参数 圩区氮素输移过程模型:10个状态变量、82个中间变量、53个模型参数 提纲 1.科学问题提出科学问题提出 2.机理模型构建机理模型构建 3.模型优化与同化模型优化与同化 4.氮磷污染源解析氮磷污染源解析 5.研究结论研究结论 3.模型优化与同化 关键参数获取:通过典型圩区的长期定点观测与野外试验(2012-2018),识别出模型关键过程(洪涝排水、涵洞排水、农田灌溉、农田渗漏等),获得了模型的关键参数(农田径流参
8、数等)与校验数据(水文与水质等)。典型圩区溧阳尖圩 3.模型优化与同化 关键参数获取:通过典型圩区的长期定点观测与野外试验(2012-2018),识别出模型关键过程(洪涝排水、涵洞排水、农田灌溉、农田渗漏等),获得了模型的关键参数(农田径流参数等)与校验数据(水文与水质等)。圩区氮磷输移的关键过程识别 (洪涝排水、农田灌溉等)参数化实验(圩区农田径流参数等)长期定点监测(水文与水质等)3.模型优化与同化 参数敏感性分析:识别影响模拟结果的关键参数,分析敏感参数的季节变化 00.10.20.30.40.50.60.70.8敏感参数|10%TestBaseiiBaseiCCSaC敏感参数列表 3.
9、模型优化与同化 算法误差分析 智能优化流程 参数智能优化 改进了遗传算法,实现了模型参数的多目标全局智能优化,提高了模型的模拟精度与稳定性。3.模型优化与同化 算法稳定性测试 参数智能优化 改进了遗传算法,实现了模型参数的多目标全局智能优化,提高了模型的模拟精度与稳定性。3.模型优化与同化 模型数据同化 改进集合卡尔曼滤波,构建了模型的数据同化模式,实现了模型的实时同化,提高了模型的峰值模拟效果。数据同化框架 参数同化结果 3.模型优化与同化 模型优化与同化效果 与传统方法比较,模拟精度提高了63%。Water level Phosphorus 3.模型优化与同化 Nitrogen 模型优化与
10、同化效果 与传统方法比较,模拟精度提高了63%。提纲 1.科学问题提出科学问题提出 2.机理模型构建机理模型构建 3.模型优化与同化模型优化与同化 4.氮磷污染源解析氮磷污染源解析 5.研究结论研究结论 4.氮磷污染源解析 揭示了太湖流域圩区氮磷污染负荷的时空格局。2539 polders in Lake Taihu Basin Huang et al.,2017.Environmental Pollution.4.氮磷污染源解析 揭示了太湖流域圩区氮磷污染负荷的时空格局。数据空间离散化 多模型并行计算 污染负荷空间分布估算 4.氮磷污染源解析 揭示了太湖流域圩区氮磷污染负荷的时空格局。氮磷流
11、失通量估算 4.氮磷污染源解析 揭示了太湖流域圩区氮磷污染负荷的时空格局。氮磷流失机理 4.氮磷污染源解析 揭示了太湖流域圩区氮磷污染负荷的时空格局。圩区氮磷平衡分析 4.氮磷污染源解析 揭示了太湖流域圩区氮磷污染负荷的时空格局。圩区氮磷平衡分析 Huang et al.,2018.Water Research.Polder water and nutrient balance 4.氮磷污染源解析 揭示了太湖流域圩区氮磷污染的关键影响因子及其时空差异规律 圩区氮磷污染的关键影响因子存在显著空间差异与季节性变化,分区管理是圩区氮磷污染控制的必要措施。降雨、气温、水面率、水生植被是圩区氮磷污染的重
12、要影响因子,合理施肥与沟塘拦截是圩区氮磷污染控制的重要手段。提纲 1.科学问题提出科学问题提出 2.机理模型构建机理模型构建 3.模型优化与同化模型优化与同化 4.氮磷污染源解析氮磷污染源解析 5.研究结论研究结论 5.研究结论 模型研发:分析生态系统的关键特征,结合建模目标,研发水环境模型。本研究开发的圩区水文与氮磷输移过程模型充分体现了圩区水生态系统规律。模型校验:除拟合度分析外,进一步开展氮磷循环过程的物质平衡分析,评估相关过程的合理性,避免模型过参数化。模拟技术:基于人工智能技术,发展了模型优化与数据同化方法,提高了模型模拟与预测精度。水环境管理:研发的模型适用于我国长江中下游平原圩区,已应用于江苏省水资源管理,为平原圩区氮磷污染防控提供量化的技术方案。相关信息 http:/ 相关信息 http:/ 敬请批评指正!第五届中国水环境模型与智能决策研讨会,2018年10月25-27日,云南玉溪 感谢会务组提供的宝贵机会!本研究由国家自然科学基金青年科学基金项目(太湖流域典型圩区磷素流失过程模拟以尖圩为例,2014-2016)、江苏省自然科学基金面上项目(太湖流域平原圩区非点源磷的流失机制研究)资助完成。Email: Homepage:http:/