[发明专利]城市生态环境气土水耦合模拟预报方法

说明书

本发明提供了一种城市生态环境气土水耦合模拟预报方法，基于改进的城市大气污染物扩散模型、城市河网水环境模型以及土壤属性估算模型构建城市生态环境气‑土‑水全耦合模拟模型，以干湿沉降联动城市典型污染物在气土水中的耦合交换，实现城市典型污染物在气土水中迁移转化的全过程模拟预测。本发明基于多源数据，提出了融合CFD和WRF‑Chem模式的城市大气污染物多尺度模拟方法；构建了一维河网与二维湖泊水动力‑水质耦合模型，实现城市水域水环境要素一维水域由点到线，二维水域由点到面的虚拟传感监测与水质动态模拟；利用机器学习技术和遥感图像处理技术对多源遥感数据进行融合，对土壤属性进行建模和制图，实现土壤属性的反演。

技术领域

本发明属于环境监测技术领域，具体涉及城市生态环境气土水耦合模拟预报方法。

背景技术

近年来，伴随着人类活动的不断加剧，各种环境污染问题日益突出。城市大气污染、水体污染、土壤污染等问题相互影响、相互作用，城市生态环境问题存在很多不确定性和复杂性，越来越受到政府、社会公众及科研工作者的关注和重视。

地球表面的环境复杂多变，污染要素产生、传播、转换的过程通常不会在绝对的单介质体中完成。污染物在大气、土壤、水体等多介质环境的分布是通过跨介质迁移来实现的，多介质环境的界面不仅是污染物跨介质迁移的通道，也是污染物和微小生物的高富集区。跨介质迁移涉及到介质与介质间的界面效应，污染物具有在界面附近转化、在单介质环境内部转化并存的特性。如大气中会含有一定量的PM2.5、PM10等固体悬浮物及CO、NO2、SO2等污染要素，在大气中扩散传播的同时伴随着降雨、大风降落或附着于水体、植被、地表等地物单元上，也会随着下渗、径流的作用，渗入土壤或进入水体进行扩散。为简化化学物质在环境介质中的迁移和分配，一些学者在质量守恒定律的基础上，构建环境数学模型模拟污染物在生态环境当中的行为，包括大气污染物扩散模型、土壤属性预测模型、水环境数学模型等，但对气、土、水全过程耦合交互模拟方法的研究相对较少，基于信息耦合的气土水预报模拟方法尚不多见。

发明内容

针对城市典型污染物受大气运动、降雨、径流、下渗等过程影响，在大气、土壤、水体多种介质中相互迁移过程复杂、预警预报难的问题，本发明在充分梳理大气污染物扩散模型、土壤属性预测模型、水环境数学模型的基础上，基于信息耦合的思路，设计并研发城市生态环境气土水耦合预报模拟系统软件，提供城市生态环境气土水耦合模拟预报方法，以信息化手段实现城市生态环境典型指标要素的全过程、自动化预报模拟，进一步提升预报模拟的时空精度和准确性。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

城市生态环境气土水耦合模拟预报方法，包括如下步骤：

步骤一：通过多种手法获取多源数据，并利用数据预处理和数据融合技术对多源数据进行预处理和数据融合，所述多源数据至少包括：遥感数据、环境数据、行政边界数据、土壤属性数据、水利水文数据、气象数据；

步骤二：利用步骤一处理后的多源数据，构建改进的大气污染物扩散模型、城市水环境虚拟传感监测与动态预测模型以及城市多尺度土壤要素监测模拟模型；

所述改进的大气污染物扩散模型通过如下方式构建：

在传统WRF-Chem模型上，通过构建精细化的区域下垫面对WRF-Chem进行改进，将中尺度WRF-Chem模式与CFD模型耦合，对于构建的高分辨率的城市大气污染物扩散模型，验证其对污染物扩散的模拟能力；

所述城市水环境虚拟传感监测与动态预测模型通过如下方式构建：

以河网水系基础资料以及遥感影像融合数据为基础，利用遥感图像处理技术提取圩区内水域面积，以此构建一二维河网水动力水质精细化模型；对模型进行率定与验证，并进行模拟；

所述城市多尺度土壤要素监测模拟模型通过如下方式构建：