地表水水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)模型技術(shù)規(guī)范

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地表水水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)模型技術(shù)規(guī)范

1范圍

本文件規(guī)定了黑龍江省地表水水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)模型的術(shù)語(yǔ)和定義、水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)模型的基本要求、模

型運(yùn)算處理、模型效果評(píng)估等內(nèi)容。

本文件適用于黑龍江省內(nèi)各級(jí)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)部門(mén)利用水質(zhì)模型開(kāi)展地表徑流水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)工作。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，

僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本

文件。

GB3838地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

GB/T9649.20水文地質(zhì)學(xué)

SL420水利地理空間信息元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

3術(shù)語(yǔ)和定義

下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。

3.1

水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)模型

水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)模型是在分析水環(huán)境中所發(fā)生的物理、化學(xué)、生物等現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，依據(jù)物質(zhì)質(zhì)量、

能量和動(dòng)量守恒的基本原理，應(yīng)用數(shù)學(xué)方法建立的計(jì)算模型

3.2

水文模型概化點(diǎn)

利用水文模型和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基于自然匯水機(jī)制，模擬出被研究地表徑流的子流域，該子流域與被研

究地表徑流的交匯點(diǎn)為水文概化點(diǎn)。

4建立水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)模型的基本要求

4.1模型系統(tǒng)構(gòu)成

4.1.1水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)模型系統(tǒng)構(gòu)成：水文模型、水環(huán)境數(shù)值模型、統(tǒng)計(jì)模型。模型系統(tǒng)關(guān)系參見(jiàn)附錄A。

4.1.2水文模型基于水量平衡建立計(jì)算方法，生成后續(xù)模型所需水文數(shù)據(jù)。

4.1.3水環(huán)境數(shù)值模型基于水動(dòng)力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、生物學(xué)等原理，預(yù)測(cè)地表徑流水質(zhì)變化。

4.1.4統(tǒng)計(jì)模型利用本地化大數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)等方法對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化和修正。

4.2模型時(shí)空分辨率

4.2.1水文模型模擬的空間需要包括影響地表徑流水質(zhì)的流域范圍，空間尺度可分為小尺度、中尺度和

大尺度。

a)小尺度空間范圍通常小于200km2；

1

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b)中尺度空間范圍通常為200-2000km2；

c)大尺度空間范圍通常為大于2000km2。

4.2.2水環(huán)境數(shù)值模型對(duì)地表徑流進(jìn)行二維網(wǎng)格劃分（小尺度可進(jìn)行更高維度劃分），網(wǎng)格的大小根據(jù)

地表徑流岸線平整度以及劃分總網(wǎng)格數(shù)確定。

a)在保證計(jì)算效率的前提下，設(shè)定網(wǎng)格大小，一般不得低于10m×10m；通常設(shè)置為100m×100m；

b)具有漫灘、濕地等其他復(fù)雜情況，根據(jù)計(jì)算效果劃分網(wǎng)格大?。?/p>

c)徑流中央網(wǎng)格應(yīng)大于岸邊網(wǎng)格。

4.2.3基于大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)模型需要地表徑流上下游兩端近3-5個(gè)完整年份的歷史水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)

練集進(jìn)行模型訓(xùn)練。

4.2.4模型的時(shí)間分辨率根據(jù)預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)的需求可設(shè)置為1小時(shí)、4小時(shí)或1日。

5水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)模型運(yùn)算處理

5.1水文模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

5.1.1水文模型輸入數(shù)據(jù)包括：流域內(nèi)空間信息數(shù)據(jù)、水系數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、土壤種類(lèi)數(shù)據(jù)、氣象

數(shù)據(jù)等。

5.1.2空間信息數(shù)據(jù)、水系數(shù)據(jù)，應(yīng)符合SL420要求。

5.1.3土地利用數(shù)據(jù)必須包括基準(zhǔn)年、覆蓋范圍、類(lèi)型等基本屬性。

5.1.4土壤數(shù)據(jù)必須包括基準(zhǔn)年、覆蓋范圍、土地類(lèi)型、土壤物理和化學(xué)參數(shù)等基本屬性。

5.1.5氣象數(shù)據(jù)必須包括起始時(shí)刻、時(shí)間和空間范圍、降水、氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射等基本

屬性。

5.2水環(huán)境數(shù)值模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

5.2.1水環(huán)境數(shù)值模型輸入數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)包括：地表徑流的地形數(shù)據(jù)、岸線數(shù)據(jù)、主要支流數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、

氣象數(shù)據(jù)、網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)據(jù)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、污水排水口污水渠排放設(shè)施實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等，其中氣象數(shù)據(jù)要求

與水文模型相同。

5.2.2地表徑流的地形數(shù)據(jù)、岸線數(shù)據(jù)、主要支流數(shù)據(jù)地表徑流的地形數(shù)據(jù)，應(yīng)符合GB/T9649.20要

求。

5.2.3水文數(shù)據(jù)必須包括流速、水位、水溫、流量等基本屬性。

5.2.4網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)據(jù)必須包括網(wǎng)格定點(diǎn)的經(jīng)度、緯度的基本屬性。

5.2.5水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)符合GB3838要求。

5.2.6污水排水口污水渠排放設(shè)施實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)必須包括時(shí)間、污染物、指標(biāo)濃度、流量等基本屬性。

5.3統(tǒng)計(jì)模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

5.3.1統(tǒng)計(jì)模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：水質(zhì)歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制情況等。

5.3.2水質(zhì)歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)必須包括監(jiān)測(cè)時(shí)間、指標(biāo)數(shù)值等基本屬性。

5.3.3數(shù)據(jù)質(zhì)量控制必須包括非法數(shù)據(jù)及異常數(shù)值剔除，缺失值填充、最大最小歸一化、中心標(biāo)準(zhǔn)化基

本屬性。

5.4初始與邊界條件設(shè)置

5.4.1初始與邊界設(shè)置為水文模型和水環(huán)境數(shù)值模型的運(yùn)行提供初始值和最外層模式計(jì)算區(qū)域的邊界

值。

2

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5.4.2初始值獲取方式：從5.1、5.2、5.3已獲得的分析資料提取處理，對(duì)于部分難以獲得的初始數(shù)據(jù)

在不引起較大影響的情況下可設(shè)置為缺省值。

5.4.3邊界值獲取方式：從預(yù)報(bào)結(jié)果中提取，對(duì)于部分難以獲得的初始數(shù)據(jù)在不引起較大影響的情況下

可設(shè)置為缺省值。

5.5模型參數(shù)率定

5.5.1模型參數(shù)率定是獲取模型運(yùn)行最佳參數(shù)的過(guò)程。

5.5.2水文模型和水環(huán)境數(shù)值模型的參數(shù)率定是在評(píng)估模型參數(shù)敏感性的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)不同的參

數(shù)，評(píng)估不同參數(shù)下模型輸出的結(jié)果，選擇得到最優(yōu)效果的參數(shù)作為最終模型參數(shù)。

5.5.3深度學(xué)習(xí)模型通過(guò)模型在與訓(xùn)練數(shù)據(jù)集物理分割的測(cè)試數(shù)據(jù)集上的預(yù)測(cè)表現(xiàn)，確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及

模型參數(shù)。

5.6預(yù)警預(yù)報(bào)產(chǎn)品

5.6.1預(yù)警預(yù)報(bào)產(chǎn)品經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)提取、尺度換算、網(wǎng)格坐標(biāo)映射和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等方式生成，包括：地表

水面源負(fù)荷產(chǎn)品、地表水水質(zhì)預(yù)報(bào)產(chǎn)品、水文預(yù)測(cè)產(chǎn)品等。

5.6.2地表水面源負(fù)荷產(chǎn)品包括流域內(nèi)降水期匯水走向，涵蓋有機(jī)氮、有機(jī)磷、磷酸鹽、總氮、總磷等

污染物的匯集情況。

5.6.3地表水水質(zhì)預(yù)報(bào)產(chǎn)品包括徑流水質(zhì)濃度（總磷、氨氮、總氮、高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧、化學(xué)需氧

量等）以及水質(zhì)類(lèi)別變化情況。

5.6.4水文預(yù)報(bào)產(chǎn)品包括徑流流向、水位、流速、流量等情況。

6模型效果評(píng)估方法

6.1評(píng)估對(duì)象：包括水文預(yù)報(bào)結(jié)果和水質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果。

6.2評(píng)估周期：對(duì)預(yù)報(bào)效果評(píng)估的周期可分為：月度、季度和年度。

6.3評(píng)估所用實(shí)況數(shù)據(jù)包括：地表水水文和水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

6.4評(píng)估計(jì)算方法見(jiàn)附錄B。

6.5評(píng)估指標(biāo)參考標(biāo)準(zhǔn)：水文數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)值的平均絕對(duì)百分比誤差不高于25%；水質(zhì)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)中，污染

物濃度的平均絕對(duì)百分比誤差不高于15%，預(yù)報(bào)值的均方根誤差不高于該指標(biāo)月均值（季度均值、年

均值）的10%；水質(zhì)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)中，水質(zhì)類(lèi)別和實(shí)測(cè)水質(zhì)類(lèi)別結(jié)果的一致性不低于80%。

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附錄A

（規(guī)范性附錄）

水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)模型系統(tǒng)組成關(guān)系示意圖

水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)模型系統(tǒng)組成關(guān)系示意圖見(jiàn)圖A.1。

水文模型提取水質(zhì)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)輸入歷史水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

水文預(yù)報(bào)產(chǎn)品

水質(zhì)數(shù)值模擬模型統(tǒng)計(jì)模型

加載概化點(diǎn)負(fù)荷數(shù)據(jù)耦合流域降水?dāng)?shù)據(jù)水質(zhì)預(yù)報(bào)產(chǎn)品

圖A.1水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)模型及架構(gòu)示意圖

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附錄B

（規(guī)范性附錄）

水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)模型評(píng)估計(jì)算方法

B.1平均絕對(duì)百分比誤差

式中：——平均相對(duì)誤差

——參與計(jì)算的樣本個(gè)數(shù)；

——水質(zhì)指標(biāo)的第個(gè)實(shí)際監(jiān)測(cè)值；

——水質(zhì)指標(biāo)的第個(gè)模型預(yù)測(cè)值；

B.2均方根誤差

式中：——均方根誤差

——參與計(jì)算的樣本個(gè)數(shù)；

——水質(zhì)指標(biāo)的第個(gè)實(shí)際監(jiān)測(cè)值；

——水質(zhì)指標(biāo)的第個(gè)模型預(yù)測(cè)值；

B.3水質(zhì)類(lèi)別和真實(shí)水質(zhì)類(lèi)別的一致性

其中：

式中：——水質(zhì)類(lèi)別準(zhǔn)確率；

——參與計(jì)算的樣本個(gè)數(shù)；

——判斷函數(shù)；

5

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——水質(zhì)指標(biāo)的第個(gè)實(shí)際監(jiān)測(cè)值對(duì)應(yīng)的水質(zhì)類(lèi)別；

——水質(zhì)指標(biāo)的第個(gè)模型預(yù)測(cè)值對(duì)應(yīng)的水質(zhì)類(lèi)別。

____________________________

6

ICS13.060.99

CCSZ50

DB23

黑龍江省地方標(biāo)準(zhǔn)

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地表水水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)模型技術(shù)規(guī)范

（征求意見(jiàn)稿）

XXXX-XX-XX發(fā)布XXXX-XX-XX實(shí)施

黑龍江省市場(chǎng)監(jiān)督管理局發(fā)布

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地表水水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)模型技術(shù)規(guī)范

1范圍

本文件規(guī)定了黑龍江省地表水水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)模型的術(shù)語(yǔ)和定義、水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)模型的基本要求、模

型運(yùn)算處理、模型效果評(píng)估等內(nèi)容。

本文件適用于黑龍江省內(nèi)各級(jí)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)部門(mén)利用水質(zhì)模型開(kāi)展地表徑流水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)工作。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，

僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本

文件。

GB3838地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

GB/T9649.20水文地質(zhì)學(xué)

SL420水利地理空間信息元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

3術(shù)語(yǔ)和定義

下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。

3.1

水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)模型

水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)模型是在分析水環(huán)境中所發(fā)生的物理、化學(xué)、生物等現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，依據(jù)物質(zhì)質(zhì)量、

能量和動(dòng)量守恒的基本原理，應(yīng)用數(shù)學(xué)方法建立的計(jì)算模型

3.2

水文模型概化點(diǎn)

利用水文模型和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基于自然匯水機(jī)制，模擬出被研究地表徑流的子流域，該子流域與被研

究地表徑流的交匯點(diǎn)為水文概化點(diǎn)。

4建立水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)模型的基本要求

4.1模型系統(tǒng)構(gòu)成

4.1.1水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)模型系統(tǒng)構(gòu)成：水文模型、水環(huán)境數(shù)值模型、統(tǒng)計(jì)模型。模型系統(tǒng)關(guān)系參見(jiàn)附錄A。

4.1.2水文模型基于水量平衡建立計(jì)算方法，生成后續(xù)模型所需水文數(shù)據(jù)。

4.1.3水環(huán)境數(shù)值模型基于水動(dòng)力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、生物學(xué)等原理，預(yù)測(cè)地表徑流水質(zhì)變化。

4.1.4統(tǒng)計(jì)模型利用本地化大數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)等方法對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化和修正。

4.2模型時(shí)空分辨率

4.2.1水文模型模擬的空間需要包括影響地表徑流水質(zhì)的流域范圍，空間尺度可分為小尺度、中尺度和

大尺度。

a)小尺度空間范圍通常小于200km2；

1

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b)中尺度空間范圍通常為200-2000km2；

c)大尺度空間范圍通常為大于2000km2。

4.2.2水環(huán)境數(shù)值模型對(duì)地表徑流進(jìn)行二維網(wǎng)格劃分（小尺度可進(jìn)行更高維度劃分），網(wǎng)格的大小根據(jù)

地表徑流岸線平整度以及劃分總網(wǎng)格數(shù)確定。

a)在保證計(jì)算效率的前提下，設(shè)定網(wǎng)格大小，一般不得低于10m×10m；通常設(shè)置為100m×100m；

b)具有漫灘、濕地等其他復(fù)雜情況，根據(jù)計(jì)算效果劃分網(wǎng)格大?。?/p>

c)徑流中央網(wǎng)格應(yīng)大于岸邊網(wǎng)格。

4.2.3基于大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)模型需要地表徑流上下游兩端近3-5個(gè)完整年份的歷史水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)

練集進(jìn)行模型訓(xùn)練。

4.2.4模型的時(shí)間分辨率根據(jù)預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)的需求可設(shè)置為1小時(shí)、4小時(shí)或1日。

5水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)模型運(yùn)算處理

5.1水文模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

5.1.1水文模型輸入數(shù)據(jù)包括：流域內(nèi)空間信息數(shù)據(jù)、水系數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、土壤種類(lèi)數(shù)據(jù)、氣象

數(shù)據(jù)等。

5.1.2空間信息數(shù)據(jù)、水系數(shù)據(jù)，應(yīng)符合SL420要求。

5.1.3土地利用數(shù)據(jù)必須包括基準(zhǔn)年、覆蓋范圍、類(lèi)型等基本屬性。

5.1.4土壤數(shù)據(jù)必須包括基準(zhǔn)年、覆蓋范圍、土地類(lèi)型、土壤物理和化學(xué)參數(shù)等基本屬性。

5.1.5氣象數(shù)據(jù)必須包括起始時(shí)刻、時(shí)間和空間范圍、降水、氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射等基本

屬性。

5.2水環(huán)境數(shù)值模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

5.2.1水環(huán)境數(shù)值模型輸入數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)包括：地表徑流的地形數(shù)據(jù)、岸線數(shù)據(jù)、主要支流數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、

氣象數(shù)據(jù)、網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)據(jù)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、污水排水口污水渠排放設(shè)施實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等，其中氣象數(shù)據(jù)要求

與水文模型相同。

5.2.2地表徑流的地形數(shù)據(jù)、岸線數(shù)據(jù)、主要支流數(shù)據(jù)地表徑流的地形數(shù)據(jù)，應(yīng)符合GB/T9649.20要

求。

5.2.3水文數(shù)據(jù)必須包括流速、水位、水溫、流量等基本屬性。

5.2.4網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)據(jù)必須包括網(wǎng)格定點(diǎn)的經(jīng)度、緯度的基本屬性。

5.2.5水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)符合GB3838要求。

5.2.6污水排水口污水渠排放設(shè)施實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)必須包括時(shí)間、污染物、指標(biāo)濃度、流量等基本屬性。

5.3統(tǒng)計(jì)模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

5.3.1統(tǒng)計(jì)模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：水質(zhì)歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制情況等。

5.3.2水質(zhì)歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)必須包括監(jiān)測(cè)時(shí)間、指標(biāo)數(shù)值等基本屬性。

5.3.3數(shù)據(jù)質(zhì)量控制必須包括非法數(shù)據(jù)及異常數(shù)值剔除，缺失值填充、最大最小歸一化、中心標(biāo)準(zhǔn)化基

本屬性。

5.4初始與邊界條件設(shè)置

5.4.1初始與邊界設(shè)置為水文模型和水環(huán)境數(shù)值模型的運(yùn)行提供初始值和最外層模式計(jì)算區(qū)域的邊界

值。

2

DB23/TXXXX—XXXX

5.4.2初始值獲取方式：從5.1、5.2、5.3已獲得的分析資料提取處理，對(duì)于部分難以獲得的初始數(shù)據(jù)

在不引起較大影響的情況下可設(shè)置為缺省值。

5.4.3邊界值獲取方式：從預(yù)報(bào)結(jié)果中提取，對(duì)于部分難以獲得的初始數(shù)據(jù)在不引