本发明涉及农业环境污染领域，尤其涉及一种模拟流域面源污染交互效应的优化方法。
背景技术：
随着科学技术的发展，流域的污染问题已经成为重中之重，主要问题是同时受到农业面源污染、长期气候变化以及与周边流域水流的多重交互效应的影响，而现有技术中，在流域面源污染的模拟过程中，往往会出现考虑影响因子单一、交互效应模拟缺乏，模拟效率不高、不足等问题，因此，本发明提出一种模拟流域面源污染交互效应的优化方法以解决现有技术中存在的问题。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明提出一种模拟流域面源污染交互效应的优化方法，利用本发明优化模拟流域面源污染交互效应，有利于发现污染的根源和因素，方便制定合理的治理方案，有利于更高效合理地对农业流域面源的污染进行控制，对构建清洁流域起到了积极的作用。
为了解决上述问题，本发明提出一种模拟流域面源污染交互效应的优化方法，包括以下步骤：
步骤一：确定多效应因子
确定具体流域，根据流域面源污染影响因素特征分析，筛选出7个主要因子作为正交优化的因素，分别是温度、降雨、气候变换模式、温室气体排放情景、水位监测井位置、流域边界与外界有无流量交换，以及面源污染模拟指标；
步骤二：确定出各因素水平
根据研究区实际需求和污染源调查，针对步骤一中的各因素设定水平：对于气温和降雨这两个气候变化因素，根据20个气候变化模式中气候变化数据，根据1950-2099中150年日气温和降雨的长时间序列统计来设置其水平；同时，根据ipccar5选取温室气体排放情景按其典型排放路径由低到高设置4个水平；此外，以水位监测井位置选取其研究区的西北、西南、东南和东北斑块区域为4个水平；然后，以研究区边界与外界有无流量交换为因素设置无流量交换和有流量交换2个水平；最后，对于面源污染模拟指标，根据流域的实际污染情况调查，选取总氮(tn)，总磷(tp)，化学需氧量(cod)和生化需氧量(bod)；
步骤三：设计正交表
将步骤一和步骤二中得出的数据输入至统计分析软件minitab17中，进行质量改善和统计分析，在minitab17中完成流域面源污染交互效应的混合型正交优化因素及水平设置部分，选取因素水平，最终得到流域面源污染交互效应的混合型正交优化设计表；
步骤四：确定流域面源污染过程机理模型
根据流域实际情况，选取能模拟流域面源污染全部物理过程的复杂机理模型mikeshe，实现对污染过程的模拟；
步骤五：执行优化模拟方案
在步骤四中的污染过程的模拟中，执行步骤三得出的流域面源污染交互效应的混合型正交优化设计表，完成正交优化后的机理模型模拟过程。
进一步改进在于：所述步骤一中正交优化的因素即表头列数，为具有代表性的点，具备了“均匀分散，齐整可比”的特点。
进一步改进在于：所述步骤二中，对于气温的变化因素，具体为选取20个气候变化模式中150年日均最低温(低温气候模式)、最高温(高温气候模式)、平均气温(平均温度模式)、和中间(中位数，中间温度模式)气温的气候变化模式，定义为以气温为因素的4个水平，代表以气温为因素的长期极端和正常气候。
进一步改进在于：所述步骤二中，对于降雨的变化因素，具体为选取20个气候变化模式中150年日均最低降雨量(干燥气候模式)、最高降雨量(湿润气候模式)、平均降雨量(平均降雨模式)、和中间(中位数，中间降雨模式)降雨量的气候变化模式，定义为以降雨因素的4个水平。
进一步改进在于：所述步骤二中，根据ipccar5选取温室气体排放情景按其典型排放路径由低到高设置的4个水平为rcp2.6，rcp4.5，rcp6.0和rcp8.5。
进一步改进在于：所述步骤三中，流域面源污染交互效应的混合型正交优化设计表中的表头设计为边界与外界有无流量交换、降雨变化模式、气温变化模式、温室气体排放情景、水位监测井位置和面源污染模拟指标。
进一步改进在于：所述步骤三中，流域面源污染交互效应的混合型正交优化设计表为：用l为正交表的代号，n为模型模拟的次数，t为水平数，c为列数，安排最多的因素个数，各列的水平数可以不相等。
本发明的有益效果为：本发明将正交优化方法引入到模拟流域面源污染交互效应的优化方案的制定中，可以实现2个效果，其一是减少优化模型达到最优方案需要完成的次数，从而提高优化效率，本发明制定了一个考虑7个因素，其中5个因素各4个水平，1个因素2个水平,1个因素20个水平的流域面源污染交互效应模拟方案，经过正交优化设计以后仅需640次便能完成，约为原次数的1/64，极大的提高了流域面源污染模拟模型和气候变化模型耦合模拟的工作效率；其二是能够在一个“均匀分散，齐整可比”的方案下实现流域面源污染五因素四水平1因素20水平的多因子交互效应的模拟和对比分析，更加全面，同时，利用本发明优化模拟流域面源污染交互效应，有利于发现污染的根源和因素，方便制定合理的治理方案，有利于更高效合理地对农业流域面源的污染进行控制，对构建清洁流域起到了积极的作用。
具体实施方式
为了使发明实现的技术手段、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
本实施例提供了一种模拟流域面源污染交互效应的优化方法，具体步骤如下：
步骤一：确定多效应因子
确定具体流域，根据流域面源污染影响因素特征分析，筛选出7个主要因子作为正交优化的因素，即表头列数，为具有代表性的点，具备了“均匀分散，齐整可比”的特点，7个主要因子分别是温度、降雨、气候变换模式、温室气体排放情景、水位监测井位置、流域边界与外界有无流量交换，以及面源污染模拟指标；
步骤二：确定出各因素水平
根据研究区实际需求和污染源调查，针对步骤一中的各因素设定水平：对于气温和降雨这两个气候变化因素，根据20个气候变化模式中气候变化数据，根据1950-2099中150年日气温和降雨的长时间序列统计来设置其水平，对于气温的变化因素，具体为选取20个气候变化模式中150年日均最低温(低温气候模式)、最高温(高温气候模式)、平均气温(平均温度模式)、和中间(中位数，中间温度模式)气温的气候变化模式，定义为以气温为因素的4个水平，代表以气温为因素的长期极端和正常气候，对于降雨的变化因素，具体为选取20个气候变化模式中150年日均最低降雨量(干燥气候模式)、最高降雨量(湿润气候模式)、平均降雨量(平均降雨模式)、和中间(中位数，中间降雨模式)降雨量的气候变化模式，定义为以降雨因素的4个水平；同时，根据ipccar5选取温室气体排放情景按其典型排放路径由低到高设置4个水平，分别为rcp2.6，rcp4.5，rcp6.0和rcp8.5；此外，以水位监测井位置选取其研究区的西北、西南、东南和东北斑块区域为4个水平；然后，以研究区边界与外界有无流量交换为因素设置无流量交换和有流量交换2个水平；最后，对于面源污染模拟指标，根据流域的实际污染情况调查，选取总氮(tn)，总磷(tp)，化学需氧量(cod)和生化需氧量(bod)；
步骤三：设计正交表
将步骤一和步骤二中得出的数据输入至统计分析软件minitab17中，进行质量改善和统计分析，在minitab17中完成流域面源污染交互效应的混合型正交优化因素及水平设置部分，选取因素水平，如表1：
表1考虑流域面源污染交互效应的的混合型正交优化因素及水平设置
(其中，空白单元格表示无项目)
然后用l为正交表的代号，n为模型模拟的次数，t为水平数，c为列数，安排最多的因素个数，表头设计为边界与外界有无流量交换、降雨变化模式、气温变化模式、温室气体排放情景、水位监测井位置和面源污染模拟指标，最终得到流域面源污染交互效应的混合型正交优化设计表，如表2：
表2考虑流域面源污染交互效应的混合型正交优化表头设计20×l32
步骤四：确定流域面源污染过程机理模型
根据流域实际情况，选取能模拟流域面源污染全部物理过程的复杂机理模型mikeshe，实现对污染过程的模拟；
步骤五：执行优化模拟方案
在步骤四中的污染过程的模拟中，执行步骤三得出的流域面源污染交互效应的混合型正交优化设计表，完成正交优化后的机理模型模拟过程。
本发明将正交优化方法引入到模拟流域面源污染交互效应的优化方案的制定中，可以实现2个效果，其一是减少优化模型达到最优方案需要完成的次数，从而提高优化效率，本发明制定了一个考虑7个因素，其中5个因素各4个水平，1个因素2个水平,1个因素20个水平的流域面源污染交互效应模拟方案，经过正交优化设计以后仅需640次便能完成，极大的提高了流域面源污染模拟模型和气候变化模型耦合模拟的工作效率；其二是能够在一个“均匀分散，齐整可比”的方案下实现流域面源污染五因素四水平1因素20水平的多因子交互效应的模拟和对比分析，更加全面，同时，利用本发明优化模拟流域面源污染交互效应，有利于发现污染的根源和因素，方便制定合理的治理方案，有利于更高效合理地对农业流域面源的污染进行控制，对构建清洁流域起到了积极的作用。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。