河流三相非平衡迁移参数的连续自适应校准方法及系统与流程

本发明涉及河流水质模拟，尤其涉及一种河流三相非平衡迁移参数的连续自适应校准方法及系统。

背景技术：

1、河流水环境中的污染物在水相、悬浮颗粒相和沉积物相之间发生吸附、解吸、沉降与再悬浮等非平衡迁移过程，三相迁移模型是定量刻画这一过程的核心工具。模型中的动力学参数（如水相-颗粒相交换参数、颗粒沉降参数和再悬浮参数）随水动力状态连续变化，其准确赋值直接影响模拟与预测的可靠性。

2、现有参数率定方法通常根据预先划分的水文流态（如常态流、涨水、退水或事件流）分别搜索最优参数组合，在实际应用中存在以下缺陷：第一，水动力状态在时间上是连续演化的，按离散流态标签切换参数容易导致相邻计算时窗之间参数发生非物理突变，模型输出在流态分界附近出现不连续跳跃；第二，传统参数率定多以水相浓度观测误差最小化为目标函数，而未充分利用沉积物相库存这一对三相分配具有累积约束作用的关键信息，导致参数组合虽能较好地拟合水相浓度、却无法准确反映沉积物相的长期质量积累或释放趋势；第三，部分已有研究虽将质量守恒纳入参数筛选条件，但往往缺少对质量状态基准和时间窗的明确界定，或者在没有有效观测数据支撑的时间段仍继续更新参数，使得模型输出的可复核性不足。

3、因此，如何在连续变化的水动力边界条件下，使三相非平衡迁移参数的更新同时具备可复核的沉积物库存依据、可执行的质量守恒筛选条件和可冻结的异常处理路径，是本领域亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明旨在解决上述问题。为此，本发明提供一种河流三相非平衡迁移参数的连续自适应校准方法及系统，本发明以沉积物库存偏离驱动参数更新、以质量守恒残差筛选候选参数、以水动力状态连续驱动参数演化，避免了离散流态切换引起的参数突变，提高了模型输出在连续水文过程中的连续性、稳定性和可复核性。

2、本发明提供一种河流三相非平衡迁移参数的连续自适应校准方法，采用的技术方案如下：包括：

3、s1：获取受纳河的水相浓度、悬浮颗粒相浓度、表层沉积物浓度、表层沉积物厚度、干容重、采样面积、水动力边界、排放负荷和上游边界浓度的历史数据，标定得到参考库存、参考质量、水动力归一化参考、质量守恒残差限值、归一化动力学参数及其参数物理范围；

4、s2：获取水相浓度、悬浮颗粒相浓度、表层沉积物浓度、表层沉积物厚度、干容重、采样面积、水动力边界、排放负荷及上游边界浓度，计算得到当前沉积物相实测库存，同时利用三相迁移模型计算得到模型计算沉积物库存；

5、s3：根据参考库存、模型计算沉积物库存与当前沉积物相实测库存计算库存偏离损失，并对归一化动力学参数执行自动微分更新，得到待筛选参数；

6、s4：基于待筛选参数，再次执行三相迁移模型，并结合参考质量，计算得到三相质量守恒残差，若其小于等于质量守恒残差限值，则将待筛选参数作为守恒筛选参数；否则根据待筛选参数生成多个候选参数组，分别计算对应的三相质量守恒残差，在参数物理范围内选择质量守恒残差不超过质量守恒残差限值且与待筛选参数距离最小的候选参数组，作为守恒筛选参数；

7、s5：根据水动力边界和水动力归一化参考计算得到归一化水动力状态，以守恒筛选参数为回归目标，根据相邻时间窗的归一化水动力状态变化更新归一化动力学参数中的颗粒沉降参数和再悬浮参数，得到演化参数；所述演化参数用于回代至下一时间窗的三相迁移模型。

8、进一步的，在步骤s3中，库存偏离损失的计算公式为：

9、

10、其中，为受纳河的第i个河段的库存偏离损失；为第i个河段的当前沉积物相实测库存，为第i个河段的模型计算沉积物库存，为第i个河段的参考库存。

11、进一步的，在步骤s3中，第k类归一化动力学参数的待筛选更新值的计算公式为：

12、

13、其中，为第i个河段的第k个待筛选参数；为第i个河段的第k类当前归一化动力学参数；为第k类参数的更新步长；为对的梯度值。

14、进一步的，归一化动力学参数包括：水相-颗粒相交换参数、颗粒沉降参数、再悬浮参数和沉积物-水相解吸参数。

15、进一步的，在步骤s4中，三相质量守恒残差为三相总质量变化与输入质量、输出质量、降解损失质量及气水交换损失质量的代数和之差, 再除以参考质量。

16、进一步的，在步骤s4中，若三相质量守恒残差大于质量守恒残差限值，则在各参数物理范围内通过枚举或迭代方式根据待筛选参数生成多个候选参数组，并将每一候选参数组重新代入三相迁移模型计算对应的三相质量守恒残差；在三相质量守恒残差小于等于质量守恒残差限值的候选参数组中，选择与待筛选参数距离最小的候选参数组作为守恒筛选参数。

17、进一步的，在步骤s5中，归一化水动力状态为流速和水深分别除以流速归一化参考值和水深归一化参考值，得到的两个商的加权和；

18、水动力边界包括流速和水深；水动力归一化参考包括流速归一化参考值和水深归一化参考值。

19、进一步的，颗粒沉降参数和再悬浮参数的更新关系表示为：

20、

21、其中，为第i个河段第k类下一时间窗参数；为第i个河段的第k类当前归一化动力学参数；为第i个河段第k类守恒筛选参数；为第i个河段第k类参数的第一响应系数；为第i个河段第k类参数的第二响应系数；为第i个河段的相邻时间窗的归一化水动力状态增量。

22、进一步的，所述颗粒沉降参数和再悬浮参数根据相邻时间窗的归一化水动力状态变化量向守恒筛选参数连续回归，不按常态流、涨水、退水或事件流执行离散参数切换。

23、本发明还提供一种河流三相非平衡迁移参数的连续自适应校准系统，采用的技术方案如下：包括：

24、参数标定单元，用于获取受纳河的水相浓度、悬浮颗粒相浓度、表层沉积物浓度、表层沉积物厚度、干容重、采样面积、水动力边界、排放负荷和上游边界浓度的历史数据，标定得到参考库存、参考质量、水动力归一化参考、质量守恒残差限值、归一化动力学参数及其参数物理范围；

25、三相迁移计算单元，用于获取水相浓度、悬浮颗粒相浓度、表层沉积物浓度、表层沉积物厚度、干容重、采样面积、水动力边界、排放负荷及上游边界浓度，计算得到当前沉积物相实测库存，同时利用三相迁移模型计算得到模型计算沉积物库存；

26、自动微分更新单元，用于根据参考库存、模型计算沉积物库存与当前沉积物相实测库存计算库存偏离损失，并对归一化动力学参数执行自动微分更新，得到待筛选参数；

27、守恒筛选单元，用于基于待筛选参数，再次执行三相迁移模型，并结合参考质量，计算得到三相质量守恒残差，若其小于等于质量守恒残差限值，则将待筛选参数作为守恒筛选参数；否则根据待筛选参数生成多个候选参数组，分别计算对应的三相质量守恒残差，在参数物理范围内选择质量守恒残差不超过质量守恒残差限值且与待筛选参数距离最小的候选参数组，作为守恒筛选参数；

28、参数演化单元，用于根据水动力边界和水动力归一化参考计算得到归一化水动力状态，以守恒筛选参数为回归目标，根据相邻时间窗的归一化水动力状态变化更新归一化动力学参数中的颗粒沉降参数和再悬浮参数，得到演化参数；所述演化参数用于回代至下一时间窗的三相迁移模型。

29、本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

30、1.本发明以同一河段、同一时间窗下的模型计算沉积物库存与当前沉积物相实测库存的归一化偏离量构建损失函数，通过自动微分获取参数梯度方向，使参数更新直接响应沉积物相的质量状态变化。相比于仅依赖水相浓度误差的率定方式，沉积物库存对三相非平衡交换过程具有累积约束作用，能有效反映沉降与再悬浮参数的长期漂移，提高了参数更新的可信度。

31、2.本发明将自动微分得到的待筛选参数重新代入三相迁移模型，计算三相同一时间窗内的总质量变化与外部源汇项之代数和相对于参考质量的残差，仅保留残差不超过预设限值的参数组作为守恒筛选参数；筛除了因参数越界或数值积分累积误差导致质量不守恒的参数组合，保证了模型输出的质量状态可在同一河段、同一时间窗内计量闭合，显著提升了模拟结果的可复核性。

32、3.本发明以守恒筛选参数为回归目标，根据相邻时间窗的归一化水动力状态增量对颗粒沉降参数和再悬浮参数进行连续更新，不按传统的常态流、涨水或事件流标签执行离散参数切换；使参数随水动力状态平滑过渡，消除了流态分界处的参数跳跃现象，提高了模型在连续水文过程中输出的连续性和稳定性。

33、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。