基于数据同化校正参数的河流磷迁移估计研究-清华大学方红卫教授.pdfVIP

水 利 学 报 2017年2月 SHUILI XUEBAO 第48卷 第2期 文章编号：0559-9350（2017）02-0157-11 基于数据同化校正参数的河流磷迁移估计研究 1 1 1 2 3 徐兴亚 ，方红卫 ，黄 磊 ，赖瑞勋 ，刘晓波 （1. 清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084； 2. 黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003；3. 中国水利水电科学研究院 水环境研究所，北京 100038） 摘要：通过磷迁移数学模型合理估计磷在河流中的时空分布，对防治水体富营养化，抑制水华暴发具有重要的科 学和工程意义。数据同化方法可以将模型和观测两种研究手段有机地结合起来，将观测数据融入模型，优化模型 状态变量，校正模型参数，进而提高数学模型的模拟预报精度，并依托物联网技术将传统数学模型发展为实时数 学模型。本文将粒子滤波数据同化算法引入到水动力-泥沙-磷迁移模型中，以实测的断面磷含量作为观测数 据，在观测时刻优化磷含量估计结果，同时校正模型参数磷相平衡分配系数Kd，构建了水动力-泥沙-磷迁移模 型同化系统。将其应用于长江上游寸滩至坝前河段的计算结果表明，所构建的同化系统在真实的河流中计算效果 良好，可以有效地优化更新状态变量各相磷含量浓度，并反演出模型参数Kd随水沙水环境条件变化的动态变化 过程，同化之后模型模拟预报磷输移过程的精度显著提升，为水质实时模型打下基础。 关键词：河流泥沙；磷迁移；粒子滤波；数据同化；物联网 中图分类号：X143 文献标识码：A doi ：10.13243/ki.slxb 1 研究背景 随着我国水利水电工程建设的快速发展，水利水电工程在国民经济中发挥了巨大综合效益，但 同时也带来了一系列的生态环境问题。由于水坝的拦蓄作用，上游河流水动力条件减弱，大量的营 养物质被滞留在水库中，造成水库水体的富营养化，在一定的水文气象条件下容易暴发“水华”现 ［1-3］ 象，导致水质恶化和水生态系统的破坏 。磷是“水华”暴发时藻类生长的最主要的营养盐限制因 子。磷在河流中既会随着水体输移扩散，也会吸附在泥沙上随着泥沙颗粒沉降或起悬，同时溶解态 的磷和吸附态的磷相互之间还会发生吸附解吸的转化作用。研究磷在河流中随水流泥沙的迁移转化 过程，合理地估计磷在河流中的时空分布，对防治水体富营养化，抑制水华暴发具有重要的科学和工 ［4-7］ 程意义。对此，已有部分学者进行了不同层次的研究，建立了一些河流系统中磷迁移的数学模型 。 ［8-9］ 最近，黄磊等人 对磷在河流中的迁移转化过程进行了深入地机理性研究，根据泥沙颗粒表面电荷 的非均匀性，用修正后的表面络合模型来刻画悬移质泥沙对磷的吸附，同时考虑河床冲淤变形对磷 在床面沉积与再释放的影响，进一步提升和完善了河流中磷迁移过程的数学模型结构。当前，随着 观测和通信技术的进步，水利领域已经跨入了大数据时代，将数学模型和观测数据相结合的数据同 化技术不仅可以为进一步提升已有数学模型的模拟精度提供新的研究思路，同时也是依托物联网技 术将传统水利数学模型发展为实时数学模型的重要基础。 ［10］ 数据同化技术，是将观测数据信息合理地融入到数学模型中的方法 。利用数据同化方法，可 收稿日期：2016-03-06；网络出版日期：2016-10-21 网络出版地址：http：///kcms/detail/11.1882.TV1622.007.html 基金项目：国家自然科学基金项目11372161） 作者简介：徐兴亚（1989-），男，江苏大