[發明專利]一種流域徑流溯源解析的方法及系統

在審

• 申請號: 202111170955.8
• 申請日: 2021-10-08
• 公開（公告）號: CN113901393A
• 公開（公告）日: 2022-01-07
• 發明（設計）人: 呂玉娟;高磊;張毅敏;高月香;潘慧婷
• 申請（專利權）人: 生態環境部南京環境科學研究所
• 主分類號: G06F17/16
• 分類號: G06F17/16;G06F17/18
• 代理公司: 江蘇瑞途律師事務所 32346
• 代理人: 王琳琳;白曉宇

本發明公開了一種流域徑流溯源解析的方法及系統，屬于流域尺度水文過程研究領域。所述方法包括獲取待解析流域徑流及其各潛在端元水體的示蹤劑數據；根據所述獲取的數據構建徑流水體示蹤劑數據矩陣；根據所述示蹤劑數據矩陣，初步確定徑流潛在端元數量，并選取出適用于該流域徑流溯源的保守性示蹤劑；根據對保守性示蹤劑數據進行的診斷分析，確定該流域徑流主要端元，并計算各主要端元的貢獻比例；根據各主要端元的貢獻比例以及實測的各主要端元的保守性示蹤劑濃度，反演流域徑流的保守性示蹤劑濃度。所述系統包括數據獲取單元、矩陣構建單元、初選單元、第一計算單元和第二計算單元。利用本發明能夠對流域徑流進行更為有效的溯源解析。

技術領域

本發明屬于流域尺度水文過程研究領域，具體涉及一種流域徑流溯源解析的方法及系統。

背景技術

隨著對流域尺度水文過程研究的不斷深入，流域徑流溯源解析作為理解水文過程的重點，可為揭示流域水文循環特征、化學物質的遷移、歸宿與污染負荷提供基本的水分運移機理認識，為水資源管理和水污染控制提供理論指導。基于地球化學離子示蹤劑的混合模型被廣泛應用于流域徑流水源解析和水流路徑的探索，由于多數選用的示蹤劑是水體自身攜帶的且具有保守性，因而能較好將具有不同組分的水體區分開來。不同來源的水體混合時，物質組分遵循質量守恒定律，然而由于混合模型獲得的結果經常沒有實際物理意義而存在各種爭議，而且示蹤劑的選擇多數基于人為主觀判斷。另外，不同示蹤劑組合的端元模型可能導致徑流溯源結果的很大差異。更重要的是，徑流中的化學離子可能是由具有很長滯留時間的地下水中的離子演化而來，而不是人們通常認為的是由來自不同水文單元的多個水體中的離子物理混合。因此，利用現有技術對流域徑流溯源解析時，并不能得到較為理想的結果，需要進一步的改進優化，更加客觀的反映實際。

發明內容

技術問題：針對上述的問題，本發明提供一種流域徑流溯源解析的方法及系統，保守示蹤劑的篩選及端元數量的確定更加客觀，避免人為主觀經驗判斷帶來的差異，同時避免了不同示蹤劑組合的端元模型可能導致徑流溯源結果的差異，從而對流域徑流進行更有效的溯源解析。

技術方案：一方面，本發明提供一種流域徑流溯源解析的方法，獲取待解析流域徑流及各潛在端元水體的示蹤劑數據；

根據所述獲取的數據構建徑流水體示蹤劑數據矩陣；

根據所述示蹤劑數據矩陣，初步確定潛在的端元數量，并選取出適用于該流域徑流溯源的保守性示蹤劑；

根據對保守性示蹤劑的數據進行診斷分析，確定該流域徑流主要端元，并計算各主要端元的貢獻比例；

根據各主要端元的貢獻比例以及實測的各主要端元的保守性示蹤劑濃度，反演流域徑流的保守性示蹤劑濃度。

進一步地，根據所述徑流水體示蹤劑數據矩陣，初步確定潛在端元數量，并選取出適用于該流域徑流溯源的保守性示蹤劑包括：

對示蹤劑數據矩陣進行主成分分析，得到特征向量、特征值和累計貢獻率；

根據所述特征值和累計貢獻率，確定潛在的端元數量；

根據所述特征向量，選取出適用于該流域徑流溯源的保守性示蹤劑。

進一步地，根據所述特征值和累計貢獻率，確定潛在的端元數量包括：

根據累計貢獻率越接近1越好的法則，若原變量有n個，則新變量必須至少解釋1/n方差，從而確定需保留的主成分個數，若需保留m個主成分，則可確定有m+1個端元。

進一步地，根據所述特征向量，選取出適用于該流域徑流溯源的保守性示蹤劑包括：

對流域徑流水體中各示蹤劑的實測值進行映射，所述映射公式為：其中，X^*代表流域徑流各示蹤劑數據標準化后的矩陣，V₁表示前m個特征向量組成的相關矩陣；