技术特征：
1.城市生态环境气土水耦合模拟预报方法，其特征在于，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：融合多源、多时相、多平台的遥感数据以及野外实测光谱数据，进行土壤关键属性的建模预测，采用偏最小二乘的机器学习方法进行建模预测，以筛选最优的估测模型及参数组合，并对模型估测结果进行精度评价和验证；步骤三：以干湿沉降、土壤水分下渗、水体蒸发原理为基础，将大气污染物扩散模型、土壤属性估算模型、城市水环境模型串联和耦合；并针对不同环境情况构建模拟预测模型，并设置模型运算的不同阈值条件，当阈值条件被触发时进行相应的模型计算以及结果输出。2.根据权利要求1所述的城市生态环境气土水耦合模拟预报方法，其特征在于，还包括步骤四：提供大气-水环境-土壤的模型接口，提供各模块的对应接口以实现耦合时空模型自动化；提供数据处理接口，确保监测数据、卫星/无人机遥感数据、人工监测数据等多源数据能够实时传输到单项模型和耦合模型，实现数据传输自动化；提供各模型参数配置接口，实现模型参数、模型方案远程配置；提供模型计算接口，实现模型计算远程调用；提供模型计算结果展示接口，实现多类型模型结果实时传输。3.根据权利要求1所述的城市生态环境气土水耦合模拟预报方法，其特征在于，所述改进的大气污染物扩散模型构建过程具体包括如下子步骤：1-a.首先获取气象相关数据，替换排放源，将wrf-chem自带的粗糙下垫面替换为精细下垫面；1-b.然后根据区域的计算域边界的复杂程度，选取不同的网格划分方式，选用四面体和金字塔结合的方式；确定网格划分方式后，通过下式确定边界条件：式中，z0、为标准参考高度和标准参考高度处的平均风速；z、为任一高度和任一高度处的平均风速；α为地面粗糙度指数；
1-c.在完成步骤1-b的基础上，根据基础资料，构建大气污染物扩散模拟模型，首先构建wrf的预处理系统，该系统由geogrid、ungrib和metgrid组成；在geogrid中确定模式区域并将静态地形数据插值到格点，然后在ungrib中从grib格式的数据中提取气象要素场，再从metgrid中将提取出的气象要素场水平插值到由geogrid确定的网格点上；预处理系统设置完成后构建wrf-chem模型，首先配置wrf-chem中的namelist.iput参数，主要包括设置模拟的时间控制，输出的的时间间隔，每个文件包含的文件数，模拟的积分时间步长，垂直方向终止格点值，输入数据的垂直层次数以及输入数据的土壤层数；模式选择三层嵌套区域模拟方案，中心经纬度为32.022n，118.7825e，投影方式为lambert投影，两条标准纬度分别为30
°
n和60
°
n；外层网格数为59，水平分辨率为4500km，内层网格数为61，水平分辨率为0.5km，模式顶高为50hpa；物理参数方案采用lin微物理方案、grel
ⅰ‑
3积云对流参数化方案、dudhia短波辐射方案和rrtm长波辐射方案、ysu边界层方案以及noah陆面过程模式；化学参数方案采用radm2气相化学反应机制和mosaic气溶胶机制；将metgrid的输出文件链接到wrf-chem模型的运行路径下，并执行real.exe实现wrf-chem模型初始化，待初始化完成后运行wrf.exe开始模型计算；1-d.在步骤1-c模型中设置模拟时间为24小时，时间间隔为小时，计算得到大气污染物分布特征，并对结果进行验证；验证公式采用平均偏差、标准化平均偏差、标准化平均误差以及均方根误差，具体公式如下：如下：如下：如下：在上述表达式中，c
m
为模拟值，c0为监测值，n为样本个数；其中反映nmb模拟预报值与监测值的平均偏离程度，nme反映模拟值与监测值的平均误差，rmse反映模拟值与监测值的偏离程度。4.根据权利要求1所述的城市生态环境气土水耦合模拟预报方法，其特征在于，所述城市水环境虚拟传感监测与动态预测模型构建过程具体包括如下子步骤：2-a.完成水环境基础数据收集；利用高分遥感，分析提取河流水系的特征参数，作为模型构建的基础底图与特征参数；利用生态环境融合数据平台，对接气象、水文、水动力、水质、土壤含水量等要素实时与预报信息，支撑模型构建与模拟计算；2-b.基于步骤2-a构建河网水动力-水质模型，研究区域水体在河道内的运动具有明显一维特征，河网采用1d模型描述，求解应用st.vennant方程组描述：
连续方程：运动方程：式中：q为流量(m3/s)；h为断面水深(m)；s0为源项；a为断面面积(m2)；b为河面总宽度(m)；vx为旁侧入流在水流方向上的流速分量(m/s)；k为流量模数：g为重力加速度；α为动量修正系数：一维河道非恒定流的基本方程是一组拟线性偏微分方程组，采用数值计算方法为有限差分法；非点源污染的产生包括干期累积和雨期冲刷两个过程，污染物累积和冲刷过程均使用指数方程刻画，分别如下所示：m＝b
max
(1-e-kbt
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)式中：m是污染物实际累积量，其变化量等于径流污染物负荷，单位是kg
·
ha-1；b
max
为污染物最大累积量，单位是kg
·
ha-1；k
b
为污染物累积速率，单位是day-1；c1和c2分别为非点源污染冲刷系数和冲刷指数；2-c.基于步骤2-b对模型进行率定与验证，并对进行模拟；选取历史水位观测数据完成模型的初始参数率定工作，分别选取汛期高水位、非汛期低水位开展原型观测实验，对模型进行率定与验证，率定验证中采用nash-sutcliffe系数nse和可决系数r2对模型有效性进行评定，nash-sutcliffe系数用于表示模拟计算值系列与实测系列数量级近似程度，可决系数r2用来表示模拟计算值系列与实测系列形状吻合程度，其主要公式如下：式中：nse为模拟场次洪水过程nash-sutcliffe系数；y
iobs
为实测序列第i位数据；y
isim
为计算序列第i位数据；y
imean
为实测序列均值；n为实测数据总数；式中：r2为模拟场次洪水过程可决系数；y
obs
为实测序列数据；为实测序列均值；y
sim
为计算序列数据；为计算序列均值；2-d.根据步骤2-c对水流污染物迁移扩散进行模拟研究，基于河道断面、排口水质实时监测数据，选取水体感官指标、典型水质指标作为分析对象，建立水体浊度和透明度关系，模拟污染物在水体中的迁移扩散过程，分析对流、扩散、弥散物理过程以及糙率、降解系数等相关参数对污染物运移过程的影响，基于物联感知数据结合历史水质资料完成模型率定验证，分析研究污染物二维扩散演进过程及关注点污染物随时间浓度变化过程。
5.根据权利要求1所述的城市生态环境气土水耦合模拟预报方法，其特征在于，所述城市水环境虚拟传感监测与动态预测模型在构建过程中按照一定标准进行，所述标准至少包括：河道断面命名标准、点命名标准、水利工程命名标准、河段命名标准、堤防命名标准、道路命名标准、多边形命名标准、2d区间命名标准。6.根据权利要求1所述的城市生态环境气土水耦合模拟预报方法，其特征在于，所述城市多尺度土壤要素监测模拟模型构建过程具体包括如下子步骤：3-a.获取主要研究数据，在研究区内采集地表光谱、无人机成像数据以及遥感影像数据，并拍摄数码照片用以提取植被信息，同时采集土壤样品；除布设土壤采样点外，在道路交叉口处布设地面控制点以对遥感影像进行几何精校正；3-b.基于步骤3-a构建偏最小二乘回归模型模拟土壤墒情；3-c.基于步骤3-b获得的模拟预测结果，采用验证集决定系数、验证集均方根误差和实测值标准偏差与预测值标准偏差的比值，具体公式如下：测值标准偏差与预测值标准偏差的比值，具体公式如下：rpd＝sd/rmse
p (14)μ
d
和分别为实测值和预测值，为实测值的平均值，a为建模集的样本数，b为验证集的样本数，sd为验证集样本的实测值标准偏差。7.根据权利要求1所述的城市生态环境气土水耦合模拟预报方法，其特征在于，所述步骤三中模型以精细化下垫面数据、城市河道基础数据、动态时序监测数据为基础，基于大气污染物扩散模型、土壤属性估算模型、城市水环境模型，在干湿沉降、土壤水分下渗、水体蒸发等原理的基础上将大气、水环境以及土壤模型进行串联耦合，其中干湿沉降公式如下：qj沉降＝(cj湿
×
vj湿+cj干
×
vj干)
×
a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)其中qj沉降为大气干湿沉降j元素的沉降通量密度，cj湿为湿沉降j元素的含量，vj湿为测试容器中湿沉降的体积，cj干为干沉降j元素的含量，vj为测试容器中干沉降的重量，a为换算常数，最终以耦合结果对污染物在多介质中的转移过程进行分析和预测。
技术总结
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。的反演。的反演。
技术研发人员：金有杰 丁炜 高佳琦 刘娜 邓超 俞蕊 杨帆 林艳燕 陈季 舒林新 张日
受保护的技术使用者：江苏南水科技有限公司
技术研发日：2021.12.15
技术公布日：2022/5/16