分布式流域抗生素迁移归趋过程模型建模方法

本发明涉及流域水环境过程与模拟，具体为分布式流域抗生素迁移归趋过程模型建模方法。

背景技术：

1、抗生素因近数十年的广泛使用在土壤、沉积物、地下水和地表水中大量残留，对生态环境和人类健康产生了不利影响，因此定量评估流域尺度抗生素在高时空分辨率下的动态变化，对抗生素污染防治和风险管控至关重要；然而，相关研究模型在刻画大尺度异质性景观单元中抗生素的动态过程与机制存在不足；

2、一方面，目前常用的两类模型中，多介质逸度模型作为质量平衡模型，可描述不同环境介质中的抗生素浓度和质量分布和介质间的传输通量，然而模型将各介质视为均质化灰箱，缺乏对流域单元异质性结构的准确描述；过程模型在为数不多的研究中被用于模拟抗生素在地表水(河流和海湾)中的迁移过程，但目前仍缺乏一种模型能刻画陆域范围内的抗生素源-流-汇动态过程；

3、另一方面，在农业流域，面源排放的抗生素占总排放量的绝大多数，但现有模拟技术采用排放清单估算法计算来自面源的排放负荷，并将其在空间和时间上均化处理后作为边界条件输入至河流，未能明确刻画不同面源污染来源其特有的动态排放模式和污染输出特征，阻碍了对流域尺度抗生素迁移归趋过程的系统认识，是抗生素动态过程模拟的重要技术缺口。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供分布式流域抗生素迁移归趋过程模型建模方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

3、分布式流域抗生素迁移归趋过程模型建模方法，包括以下步骤：

4、步骤s100：将流域进行嵌套式划分，确定计算域的时空范围，搜集模型运行的栅格数据及属性数据，并设定各概化对象的初始状态与理化性质；

5、步骤s200：根据步骤s100中设定的数据使用分布式流域抗生素迁移归趋过程模型建模方法模拟抗生素的迁移归趋过程，分析预测抗生素在划分后的流域网格的迁移量与浓度数据；其中，抗生素的迁移归趋过程模拟包括流域水文过程模拟、流域泥沙输运过程模拟、抗生素排放源强时空动态模拟、包气带抗生素迁移归趋过程模拟、浅层地下水抗生素迁移归趋过程模拟、河道抗生素迁移归趋过程模拟；

6、步骤s300：采集实际区域中抗生素浓度数据与所述分布式流域抗生素迁移归趋过程模型模拟的抗生素浓度数据进行比对，并利用均方根误差、偏差百分比验证模型可靠性。

7、根据上述技术方案，步骤s100中，对流域进行嵌套式划分，在平面上，将流域剖分为矩形网格、子流域与河网；在垂向上，将网格剖分为冠层、混合层、包气带与浅层地下水；其中，包气带划分为三层土壤层，混合层用以表征外源抗生素与陆域直接交互的区域；

8、通过对地理区域进行嵌套式栅格划分，对抗生素迁移归趋过程中各个子环节进行分布式模拟，再将各分布式计算的模拟过程汇总获取抗生素在陆域范围内的整体迁移量数据，在对各空间范围内各区域细化分析的同时，实现了抗生素各区域间迁移过程的整体分析模拟，能够完整刻画陆域范围内抗生素源-流-汇的动态迁移过程。

9、根据上述技术方案，步骤s200中，所述流域水文过程模拟中，陆面水文模拟包括垂向上模拟落地雨、冠层截留、蒸散发、入渗、渗漏和补给过程及纵向上模拟地表径流、壤中流和地下径流的产流和汇流过程，并计算土壤与河流水体温度；河道部分采用马斯京根-康吉算法进行河道水文模拟。；

10、所述流域泥沙输运过程模拟中，陆面土壤侵蚀模拟包括陆域分析降雨溅蚀、径流剥蚀、重力沉降和水流挟沙能力的共同作用以计算土壤侵蚀量；河道泥沙输移模拟指模拟悬浮泥沙平流、沉降和再悬浮过程；

11、所述抗生素排放源强时空动态模拟中，点源排放负荷直接作为河道的边界条件输入；面源排放源考虑大气干湿沉降和农业源，针对农业源划定其影响范围，根据源的排放模式和动态特征模拟输入至网格的面源抗生素通量，获取面源进入网格区域的迁移量；

12、采取抗生素污染源点面区分式模拟方法，将针对面源排放模拟的现行的排放清单估算法计算面源排放负荷优化，对不同面源进行细致分析，精确刻画排放模式与抗生素输出特征，进而对流域尺度抗生素排放源强时空动态进行精细化模拟；

13、所述包气带抗生素迁移归趋过程模拟中，针对混合层和每一层土壤层定义抗生素稳定库和活性库，每个库均由溶解相和吸附相组成，基于分配系数计算每一相的浓度和含量，根据公式：

14、

15、

16、其中，conclab,dis和concsta,dis分别为活性库和稳定库中溶解相抗生素浓度，mlab和msta分别为活性库和稳定库中抗生素质量，θsat为土壤饱和含水量，kp,soil为土壤中抗生素在土壤水-颗粒之间的分配系数，ρb为土壤容重，thicksoil为土壤层厚度；

17、利用扩散系数计算活性库和稳定库之间的质量交换，根据公式：

18、

19、其中，fex为活性库和稳定库之间的抗生素交换通量，mlab,dis和msta,dis分别为活性库和稳定库中溶解相抗生素质量，kex为交换速率，φsol为土壤孔隙度；

20、基于半衰期和土壤温度计算抗生素在包气带的降解量进而分析抗生素在包气带的迁移量，根据公式：

21、

22、

23、其中，fdeg,lab和fdeg,sta分别为抗生素在活性库和稳定库的降解量，mlab和msta分别为活性库和稳定库中抗生素质量，dt50,soil为抗生素半衰期，kt为温度修正系数，t为土壤温度；

24、计算可迁移抗生素浓度，根据公式：

25、

26、其中，concmob为包气带中可迁移抗生素浓度，mlab为土壤中活性库抗生素质量，wmob为土壤中可移动的水量，θsat为饱和土壤含水量，kp,soil为土壤中抗生素在土壤水-颗粒之间的分配系数，ρb为土壤容重，thicksoil是所属土壤层的厚度；

27、基于该浓度和重力排水在垂向上计算抗生素淋溶量，根据公式：

28、flch,ly＝concmob,ly*wperc,ly；

29、其中，ly为土壤层编号，flch,ly为来自第ly层的抗生素淋溶量，concmob,ly为第ly层的可迁移抗生素浓度，wperc,ly为第ly层的渗漏水量；

30、再基于抗生素浓度、径流深和土壤侵蚀速率在纵向上计算抗生素入河量，获取抗生素从包气带进入河流中的迁移量，根据公式：

31、fsurf|ly＝0＝concmob,ly*rsurf*βsurf；

32、fintf|ly>0＝concmob,ly*rintf；

33、fero|ly＝0＝conclab,dis|ly＝0*kp,soil*erosed*ε；

34、其中，ly＝0代表混合层，ly>0代表土壤层，fsurf|ly＝0为混合层抗生素入河量，fintf|ly>0为土壤层抗生素入河量，fero|ly＝0为随土壤侵蚀的抗生素入河量，conclab,dis|ly＝0为混合层活性库溶解相抗生素浓度，rsurf为地表径流水量，βsurf为地表径流稀释系数，rintf为壤中流水量，erosed为土壤侵蚀速率，ε为富集系数。

35、所述浅层地下水抗生素迁移归趋过程模拟中，定义浅层地下水抗生素库，根据浅层地下水补给和排泄量计算其质量平衡，基于混合系数计算该库中抗生素浓度，根据公式：

36、

37、其中，concgw为浅层地下水抗生素库的浓度，mshallow为库质量，mrchrg为浅层地下水补给量，θgw为浅层地下水含量，α为混合系数，rgwro为浅层地下水排泄量；

38、所述河道抗生素迁移归趋过程模拟中，基于分配系数计算上覆水和沉积物中溶解相和悬浮泥沙相抗生素的占比，根据公式：

39、

40、

41、其中，frdis,wat和frdis,sed分别为上覆水和沉积物中溶解相抗生素占比，kp,wat和kp,sed分别为上覆水和沉积物中的抗生素分配系数，concsps为上覆水悬浮泥沙浓度，φsed为沉积物孔隙度，ρsed为沉积物容重；

42、根据上覆水和沉积物的抗生素质量梯度计算上覆水和沉积物间的扩散通量，再通过模拟抗生素随悬浮泥沙运动的沉降和再悬浮过程，并计算抗生素降解量，进而得到河道抗生素迁移归趋过程中的迁移量数据，根据公式：

43、fdif＝kdif*(frdis,sed*mpool,sed-frdis,wat*mpool,wat)*v；

44、

45、

46、其中，fdif为扩散通量，fdeg,wat和fdeg,sed分别为上覆水和沉积物抗生素降解通量,kdif为扩散系数，dt50,wat和dt50,sed分别为上覆水和沉积物中抗生素半衰期，mpool,sed和mpool,wat分别为沉积物和上覆水中抗生素质量，τ为水流传输时间。

47、根据上述技术方案，步骤s300中，通过所述分布式流域抗生素迁移归趋过程模型对抗生素的迁移归趋过程进行模拟，模拟分析河道抗生素浓度，再与实测的河道中抗生素浓度数据进行比对，验证所述分布式流域抗生素迁移归趋过程模型的可靠性；

48、根据公式计算模拟结果数据的均方根误差；其中，s模拟结果数据的均方根误差，x1,x2,…,xn为模拟结果数据，x′1,x′2,…,x′n为实测数据，n为数据样本数量；设定均方根误差阈值为ts，当模拟结果数据均方根误差小于等于阈值ts，输出模型数据可靠信号；当模拟结果数据均方根误差大于阈值ts，输出模型数据不可靠信号；

49、根据公式计算模拟结果数据的偏差百分比；其中，p为模拟结果输出值与实际观测值的偏差百分比，为模拟结果数据，为实测数据；设定偏差百分比阈值范围为当模拟结果数据偏差百分比在阈值范围内，输出模型数据可靠信号；当模拟结果数据偏差百分比在阈值范围内，输出模型数据不可靠信号；

50、当获取到两种验证方法结果数据可靠信号时，判定所述分布式流域抗生素迁移归趋过程模型结果数据可靠；当获取到一种验证方法结果数据不可靠信号时，判定所述分布式流域抗生素迁移归趋过程模型结果数据可靠但存在误差；当获取到两种验证方法结果数据不可靠信号时，判定所述分布式流域抗生素迁移归趋过程模型结果数据不可靠。

51、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

52、以往的流域抗生素模拟研究缺乏对面源抗生素排放-累积-反应-入河多阶段复杂过程的刻画，与现有技术相比，本发明提供了一种有效的分布式流域抗生素迁移归趋过程模拟建模方法，对陆-水系统中多种典型环境介质多相态抗生素储库与通量进行数学概化，并耦合流域水文循环和泥沙输运对抗生素运移的作用机制，量化了自然-人类叠加驱动下的抗生素源-流-汇动态响应特征，模拟了流域尺度高时空精度抗生素迁移归趋过程。