基于数据同化技术的湖库生态动力学模型参数率定方法研究

Because of the complex processes in ecosystem dynamics，there are many parameters need to be calibrated in the ecological dynamic modelling. To improve the accuracy and adaptablity of the model， data assimilation technique will be used here. Based on the interdiscipline between fuzzy mathematics and environmental science， a parameter calibration method is hoped to be introduced in the numerical simulation of lake and reservoir. Firstly， parameter sensitivity analysis will be studied， and assimilation variables then be determined. Secondly， the adjoint equations will be derived based on the Lagrange method. The last step is to disperse the adjoint equations with the three dimensional Environmental Fluid Dynamics Code(EFDC). After the numerical simulation code is developed， it will be used in the Three Gorges Reservoir. About 100km river reach before the dam will be choosed as the research area. The way of nutrient richment， the mechanism of water bloom will be studied with the model. It will give some advices to the water environment protection of Three Gorges Reservoir.

针对湖库生态动力学模型参数多、难率定的问题，拟将数据同化技术与湖库生态动力学模型耦合，模糊数学与环境科学进行学科交叉，构建出一种基于数据同化技术的湖库生态动力学模型参数的率定方法。研究将以三维富营养化动力学模型EFDC为基础，利用基于Lagrange乘子法的伴随同化技术，在参数敏感性分析的基础上，确定同化变量，推导伴随方程，构建代价函数，并对其进行离散求解，优化特定参数，完善湖库水环境数值模拟技术体系。以三峡水库中水动力条件变化明显、多次爆发水华的典型支流- - 香溪河与干流的交汇区约100km的河段为研究区域，探索三峡水库这类超大型水库的水环境演化机理和变化趋势，识别富营养化主要控制因子和高风险区域，为三峡水库水资源保护、水环境治理，以及坝前水位调度运行方式的优化提供技术参考。

本项目针对湖库生态动力学模型参数多、难率定的问题，拟将数据同化技术与湖库生态动力学模型耦合，模糊数学与环境科学进行学科交叉，构建出一种基于数据同化技术的湖库生态动力学模型参数的率定方法。研究将以三维富营养化动力学模型EFDC为基础，利用伴随同化技术，在参数敏感性分析的基础上，确定同化变量，推导伴随方程，构建代价函数，并对其进行离散求解，优化特定参数，完善湖库水环境数值模拟技术体系。以三峡水库中香溪河与干流的交汇区为研究区域，探索三峡水库这类超大型水库的水环境演化机理和变化趋势，识别富营养化主要控制因子和高风险区域，旨在为三峡水库水资源保护、水环境治理，以及坝前水位调度运行方式的优化提供技术参考。. 本项目研究期为2013年1月至2015年12月，研究工作基本根据研究计划正常进行，经过3年的研究，本项目基本完成了研究内容和成果指标要求。取得的主要成果包括：第一，开展了数据同化技术与水动力学模型的耦合研究，采用粒子滤波数据同化方法优化了水动力学模型的输入条件和参数，有效提高了模型的预测的实时性及预测精度；第二，深入分析了叶绿素与各类水质指标的关系，研发了预测水库叶绿素浓度的基于RBF-ANN的模型和多元线性回归模型，较为准确的预测了水库的叶绿素浓度；第三，基于EFDC模型，构建了水库三维生态动力学模型，分析了三峡水库支流库湾的水动力水质特征，开展了数据同化技术与水质模块的耦合研究。项目共撰写论文6篇，已发表4篇，其中1篇SCI收录，2篇EI收录,1篇国际会议论文；获得发明专利1项；项目期间，项目负责人获得国家留学基金委资助赴美留学1年，获国家自然科学基金面上项目1项；项目组毕业1名博士，在读2名博士。项目利用数据同化技术，优化了模型输入条件和关键参数，实现数值模型与观测数据相结合，研究成果对进一步提高复杂多参数模型的模拟能力有明显借鉴意义；项目构建的水库水生态动力学模拟，可以模拟超大型水库支流库湾的水质时空变化，对了解水库水环境演化机理，优化水库调度方案，减缓环境和生态影响有积极意义。