本發(fā)明涉及水文模擬，尤其涉及一種生態(tài)水文數(shù)據(jù)處理方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、水文模擬技術(shù)領(lǐng)域涉及應(yīng)用數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)仿真來模擬水循環(huán)及其組成部分，包括降水、蒸發(fā)、地表徑流和地下水流。技術(shù)領(lǐng)域的核心在于通過精確的數(shù)據(jù)處理和模擬方法，來預(yù)測和管理水資源的分布、流動(dòng)和質(zhì)量。水文模擬技術(shù)對于制定有效的水資源管理策略、預(yù)測洪水和干旱等自然災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)、以及評(píng)估氣候變化對水資源的影響至關(guān)重要。

2、其中，生態(tài)水文數(shù)據(jù)處理方法是指收集、分析和處理與水循環(huán)及其對生態(tài)系統(tǒng)影響相關(guān)的數(shù)據(jù)的一套技術(shù)和程序，其目的在于通過對生態(tài)系統(tǒng)和水文過程的深入理解，支持水資源的可持續(xù)管理和保護(hù)。包括預(yù)測水資源的可用性、評(píng)估污染負(fù)荷、監(jiān)測生態(tài)環(huán)境健康狀態(tài)以及制定恢復(fù)和保護(hù)措施。通過對數(shù)據(jù)的精確處理，旨在達(dá)成有效預(yù)測和管理水資源的效果，同時(shí)確保生態(tài)系統(tǒng)的健康和生物多樣性的保護(hù)。

3、傳統(tǒng)生態(tài)水文數(shù)據(jù)處理方法在處理復(fù)雜水文系統(tǒng)和預(yù)測極端氣候事件對水資源影響方面存在一定的局限性，主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)方法依賴于較為簡化的模型和假設(shè)，難以充分捕捉到水文系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)復(fù)雜性和多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成處理。此外，傳統(tǒng)技術(shù)在空間和時(shí)間分辨率上的限制，以及在模擬氣候變化影響時(shí)所采用的一般性假設(shè)，導(dǎo)致對水資源動(dòng)態(tài)的預(yù)測不夠精確，難以為水資源管理和決策提供充分的信息支持，方法的不足導(dǎo)致水資源分配的效率低下，以及對極端事件的響應(yīng)能力不足，影響到水資源的可持續(xù)管理和生態(tài)系統(tǒng)健康。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本技術(shù)通過提供了一種生態(tài)水文數(shù)據(jù)處理方法及系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)生態(tài)水文數(shù)據(jù)處理方法在處理復(fù)雜水文系統(tǒng)和預(yù)測極端氣候事件對水資源影響方面存在一定的局限性，主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)方法依賴于較為簡化的模型和假設(shè)，難以充分捕捉到水文系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)復(fù)雜性和多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成處理。此外，傳統(tǒng)技術(shù)在空間和時(shí)間分辨率上的限制，以及在模擬氣候變化影響時(shí)所采用的一般性假設(shè)，導(dǎo)致對水資源動(dòng)態(tài)的預(yù)測不夠精確，難以為水資源管理和決策提供充分的信息支持，方法的不足導(dǎo)致水資源分配的效率低下，以及對極端事件的響應(yīng)能力不足，影響到水資源的可持續(xù)管理和生態(tài)系統(tǒng)健康的問題。

2、鑒于上述問題，本技術(shù)提供了一種生態(tài)水文數(shù)據(jù)處理方法及系統(tǒng)。

3、本技術(shù)提供了一種生態(tài)水文數(shù)據(jù)處理方法，其中，所述方法包括：

4、s1：整合差異化來源的生態(tài)水文數(shù)據(jù)，包括地表水、地下水和降雨量測量，對數(shù)據(jù)進(jìn)行格式統(tǒng)一和范圍對齊，通過對時(shí)間戳和空間坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)一，得到統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型；

5、s2：基于所述統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，構(gòu)建水文站點(diǎn)和河流連接的網(wǎng)絡(luò)圖，水文站點(diǎn)作為圖中的節(jié)點(diǎn)，河流流向定義節(jié)點(diǎn)之間的邊，為網(wǎng)絡(luò)圖分配權(quán)重，反映河流流速，得到水文網(wǎng)絡(luò)圖；

6、s3：對所述水文網(wǎng)絡(luò)圖執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)分析，識(shí)別圖中的水文子集，捕捉圖中的差異化連通組件，為連通組件分配標(biāo)識(shí)，區(qū)分差異化的水文管理區(qū)域，獲取子集標(biāo)識(shí)集合；

7、s4：利用所述子集標(biāo)識(shí)集合，對子集內(nèi)的水流動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析，記錄子集的水流入和流出量，評(píng)估多子集對降雨和旱季的響應(yīng)，建立水流動(dòng)態(tài)分析記錄；

8、s5：結(jié)合所述水流動(dòng)態(tài)分析記錄和未來時(shí)間段內(nèi)的氣候情景數(shù)據(jù)，通過隨機(jī)模擬差異化氣候變化對水流動(dòng)態(tài)的影響，為每種氣候情景下的水流變化分配概率，生成氣候影響概率模型；

9、s6：對所述氣候影響概率模型進(jìn)行分析，計(jì)算多子集對氣候變化的敏感度，評(píng)估子集在變化氣候下受到的影響，標(biāo)記敏感度增強(qiáng)的子集，構(gòu)建敏感區(qū)域映射；

10、s7：基于所述敏感區(qū)域映射，設(shè)計(jì)適應(yīng)性管理措施，參照差異化水資源使用者的需求和優(yōu)先級(jí)，模擬多種管理措施的水資源分配效益，確定針對敏感子集的管理策略，形成適應(yīng)性管理策略集。

11、優(yōu)選的，所述統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型包括統(tǒng)一的時(shí)間格式、空間坐標(biāo)系和數(shù)據(jù)類型，所述水文網(wǎng)絡(luò)圖包括節(jié)點(diǎn)的地理位置、節(jié)點(diǎn)間的流向關(guān)系和流速的邊權(quán)重，所述子集標(biāo)識(shí)集合包括差異化連通組件的空間分布、多組件的標(biāo)識(shí)和組件內(nèi)水文站點(diǎn)的聚類，所述水流動(dòng)態(tài)分析記錄包括水文子集的流量變化記錄、子集間水流交換量和對氣候事件的反應(yīng)模式，所述氣候影響概率模型包括氣候情景下水流變化賦予的概率值、預(yù)測的水流動(dòng)態(tài)變化范圍和差異化情景下的影響評(píng)估，所述敏感區(qū)域映射包括識(shí)別的敏感度水文子集、子集的空間分布和敏感度等級(jí)，所述適應(yīng)性管理策略集包括針對敏感區(qū)域的水資源調(diào)配方案、管理措施的優(yōu)先級(jí)排序和預(yù)期的效益分析。

12、優(yōu)選的，整合差異化來源的生態(tài)水文數(shù)據(jù)，包括地表水、地下水和降雨量測量，對數(shù)據(jù)進(jìn)行格式統(tǒng)一和范圍對齊，通過對時(shí)間戳和空間坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)一，得到統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型的步驟，還包括：

13、s101：整合差異化來源的生態(tài)水文數(shù)據(jù)，并從差異化來源搜集地表水、地下水和降雨量的原始數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步篩選，剔除錯(cuò)誤記錄，得到初篩水文數(shù)據(jù)；

14、s102：對所述初篩水文數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化處理，包括將日期和時(shí)間統(tǒng)一格式化，地理坐標(biāo)統(tǒng)一為gps標(biāo)準(zhǔn)格式，保持?jǐn)?shù)據(jù)在后續(xù)處理中的一致性，得到格式化水文數(shù)據(jù)；

15、s103：基于所述格式化水文數(shù)據(jù)，執(zhí)行數(shù)據(jù)融合，將地表水、地下水和降雨量數(shù)據(jù)合并為數(shù)據(jù)集，進(jìn)行時(shí)間和空間的匹配，通過每條記錄的時(shí)間和地點(diǎn)進(jìn)行匹配，得到統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型。

16、優(yōu)選的，基于所述統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，構(gòu)建水文站點(diǎn)和河流連接的網(wǎng)絡(luò)圖，水文站點(diǎn)作為圖中的節(jié)點(diǎn)，河流流向定義節(jié)點(diǎn)之間的邊，為網(wǎng)絡(luò)圖分配權(quán)重，反映河流流速，得到水文網(wǎng)絡(luò)圖的步驟，還包括：

17、s201：利用所述統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，標(biāo)識(shí)水文監(jiān)測站點(diǎn)和河流連接，將站點(diǎn)作為節(jié)點(diǎn)，河流連接作為邊，初始化無權(quán)重的網(wǎng)絡(luò)圖，構(gòu)建初步網(wǎng)絡(luò)圖；

18、s202：對所述初步網(wǎng)絡(luò)圖中的邊進(jìn)行流速測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)為邊分配數(shù)值權(quán)重，反映實(shí)時(shí)河流的流速，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)圖的信息含量，得到流速權(quán)重網(wǎng)絡(luò)圖；

19、s203：綜合參照所述流速權(quán)重網(wǎng)絡(luò)圖中的節(jié)點(diǎn)關(guān)系和邊的權(quán)重信息，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)圖反映水系的實(shí)時(shí)流動(dòng)情況和特性，細(xì)化網(wǎng)絡(luò)圖的結(jié)構(gòu)，得到水文網(wǎng)絡(luò)圖。

20、優(yōu)選的，對所述水文網(wǎng)絡(luò)圖執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)分析，識(shí)別圖中的水文子集，捕捉圖中的差異化連通組件，為連通組件分配標(biāo)識(shí)，區(qū)分差異化的水文管理區(qū)域，獲取子集標(biāo)識(shí)集合的步驟，還包括：

21、s301：基于所述水文網(wǎng)絡(luò)圖，創(chuàng)建空列表記錄遇到的連通組件，對圖中未被標(biāo)記的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，將節(jié)點(diǎn)與組件歸屬標(biāo)為已訪問，并記錄節(jié)點(diǎn)與組件歸屬的連通組件，生成分析記錄列表；

22、s302：利用所述分析記錄列表，采用連通組件標(biāo)記算法，對圖中識(shí)別的連通組件進(jìn)行標(biāo)識(shí)分配，通過將連通組件內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量與節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)的哈希值結(jié)合起來，得到連通組件標(biāo)識(shí)映射；

23、連通組件標(biāo)記算法采用公式如下：

24、；

25、其中，代表連通組件的唯一標(biāo)識(shí)符，為索引變量，為節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)的哈希值，為節(jié)點(diǎn)的度數(shù)，為節(jié)點(diǎn)屬性權(quán)重，為圖中節(jié)點(diǎn)度數(shù)的平均值，為圖中連通分量的總數(shù)，為連通組件內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量；

26、s303：根據(jù)所述連通組件標(biāo)識(shí)映射，遍歷圖中節(jié)點(diǎn)和連接的邊，對節(jié)點(diǎn)和邊按照所屬連通組件的標(biāo)識(shí)進(jìn)行分類，通過對圖的部分進(jìn)行歸類，并分配至節(jié)點(diǎn)與組件歸屬對應(yīng)的連通組件中，得到子集標(biāo)識(shí)集合。

27、優(yōu)選的，利用所述子集標(biāo)識(shí)集合，對子集內(nèi)的水流動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析，記錄子集的水流入和流出量，評(píng)估多子集對降雨和旱季的響應(yīng)，建立水流動(dòng)態(tài)分析記錄的步驟，還包括：

28、s401：針對通過所述子集標(biāo)識(shí)集合確定的水文子集，設(shè)定監(jiān)測點(diǎn)收集入口和出口的水流量數(shù)據(jù)，包括使用流速計(jì)測量的河流流速和使用雨量計(jì)記錄的降雨量，為子集的水流動(dòng)態(tài)建立初步數(shù)據(jù)框架，生成水流量監(jiān)測框架；

29、s402：根據(jù)所述水流量監(jiān)測框架，計(jì)算子集在目標(biāo)時(shí)間段內(nèi)的水流入量和流出量，計(jì)算參照降雨量引起的水流增加、蒸發(fā)和植被吸收導(dǎo)致的水流減少，通過累積入口和出口的水流量變化，得到子集水量變化記錄；

30、s403：利用所述子集水量變化記錄，評(píng)估水文子集在差異化季節(jié)對水量變化的響應(yīng)，通過比較差異化子集間的水量變化，識(shí)別子集在極端天氣條件下的調(diào)節(jié)能力，得到水流動(dòng)態(tài)分析記錄。

31、優(yōu)選的，結(jié)合所述水流動(dòng)態(tài)分析記錄和未來時(shí)間段內(nèi)的氣候情景數(shù)據(jù)，通過隨機(jī)模擬差異化氣候變化對水流動(dòng)態(tài)的影響，為每種氣候情景下的水流變化分配概率，生成氣候影響概率模型的步驟，還包括：

32、s501：基于所述水流動(dòng)態(tài)分析記錄，搜集未來時(shí)間段內(nèi)的氣候情景預(yù)測數(shù)據(jù)，包括預(yù)期的降雨量變化、溫度波動(dòng)和氣候因素，對氣候因素進(jìn)行初步篩選和分類，通過對水流動(dòng)態(tài)影響的氣候變量，得到氣候情景數(shù)據(jù)集；

33、s502：基于所述氣候情景數(shù)據(jù)集，采用蒙特卡羅模擬方法，設(shè)定模擬范圍和參數(shù)，包括設(shè)定差異化氣候情景下溫度和降雨量的變化區(qū)間，對氣候情景進(jìn)行的水流動(dòng)態(tài)模擬，模擬采用隨機(jī)選擇氣候參數(shù)的方法，反映未來時(shí)間段內(nèi)氣候變化的不確定性，生成模擬水流動(dòng)態(tài)集合；

34、所述蒙特卡羅模擬方法采用公式如下：

35、；

36、其中，表示徑流量，為降雨量，為蒸發(fā)量，為流域面積，為降雨-徑流轉(zhuǎn)化率，為地形坡度，為植被覆蓋率，為土地利用類型；

37、s503：利用所述模擬水流動(dòng)態(tài)集合，分析在多個(gè)氣候情景下水流變化的頻率和幅度，通過比較差異化情景下的模擬結(jié)果，計(jì)算多情景下水流變化的概率，評(píng)估極端降雨和干旱情況下的水流響應(yīng)，得到氣候影響概率模型。

38、優(yōu)選的，對所述氣候影響概率模型進(jìn)行分析，計(jì)算多子集對氣候變化的敏感度，評(píng)估子集在變化氣候下受到的影響，標(biāo)記敏感度增強(qiáng)的子集，構(gòu)建敏感區(qū)域映射的步驟，還包括：

39、s601：基于所述氣候影響概率模型，搜集未來時(shí)間段內(nèi)的氣候模型預(yù)測數(shù)據(jù)，包括降雨量、溫度、濕度，從數(shù)據(jù)中提取對水流動(dòng)態(tài)有影響的因素，包括降雨量的增減和溫度的升降，得到氣候變化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；

40、s602：將所述氣候變化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與現(xiàn)有水流動(dòng)態(tài)分析記錄結(jié)合，通過設(shè)置差異化的氣候變化參數(shù)，模擬變化對水文子集水流動(dòng)態(tài)的影響，生成水流動(dòng)態(tài)影響模擬記錄；

41、s603：對所述水流動(dòng)態(tài)影響模擬記錄中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算在差異化氣候情景下水文子集水流量變化的概率，包括降雨量增加導(dǎo)致水流量增加的概率，為差異化氣候變化情景下的水流變化賦予概率值，得到敏感區(qū)域映射。

42、優(yōu)選的，基于所述敏感區(qū)域映射，設(shè)計(jì)適應(yīng)性管理措施，參照差異化水資源使用者的需求和優(yōu)先級(jí)，模擬多種管理措施的水資源分配效益，確定針對敏感子集的管理策略，形成適應(yīng)性管理策略集的步驟，還包括：

43、s701：分析所述敏感區(qū)域映射，識(shí)別預(yù)測氣候變化情景下對水流變化反應(yīng)敏感的水文子集，包括識(shí)別水流量變化概率子集，將子集標(biāo)記為敏感度區(qū)域，生成敏感度水文子集列表；

44、s702：基于所述敏感度水文子集列表，收集多水資源使用者的需求，包括農(nóng)業(yè)、工業(yè)和居民用水，評(píng)估需求在差異化水文子集中的優(yōu)先級(jí)，生成需求優(yōu)先級(jí)分析結(jié)果；

45、s703：依據(jù)所述需求優(yōu)先級(jí)分析結(jié)果，通過調(diào)整水庫管理策略、改善水質(zhì)監(jiān)測和推廣節(jié)水技術(shù)，并通過模擬措施對敏感子集的影響，評(píng)估多措施的有效性，形成適應(yīng)性管理策略集。

46、一種生態(tài)水文數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)源標(biāo)準(zhǔn)化模塊、水文關(guān)系映射模塊、子集識(shí)別與分類模塊、流向動(dòng)態(tài)分析模塊、氣候變化響應(yīng)模塊、水文敏感性分析模塊、策略制定與評(píng)價(jià)模塊、管理策略實(shí)施模塊；

47、所述數(shù)據(jù)源標(biāo)準(zhǔn)化模塊收集差異化來源的生態(tài)水文數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)執(zhí)行時(shí)間序列匹配和空間坐標(biāo)對齊，調(diào)整數(shù)據(jù)分辨率并匹配公倍數(shù)，生成標(biāo)準(zhǔn)水文數(shù)據(jù)集；

48、所述水文關(guān)系映射模塊利用標(biāo)準(zhǔn)水文數(shù)據(jù)集，識(shí)別多水文站點(diǎn)間的物理連接性，包括河流流向和地下水流，根據(jù)地形特征劃定流域邊界，建立水文元素的空間關(guān)聯(lián)，得到水文元素關(guān)系圖；

49、所述子集識(shí)別與分類模塊在水文元素關(guān)系圖基礎(chǔ)上，分析水文站點(diǎn)間的互動(dòng)強(qiáng)度，采用流域劃分原則區(qū)分關(guān)鍵和次要水文循環(huán)結(jié)構(gòu)，根據(jù)功能和地理位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)標(biāo)記，構(gòu)建水文功能區(qū)域映射；

50、所述流向動(dòng)態(tài)分析模塊根據(jù)水文功能區(qū)域映射，測定多區(qū)域內(nèi)部的水流方向和速度，記錄水文周期內(nèi)的變化情況，包括季節(jié)性流量波動(dòng)，建立區(qū)域流向動(dòng)態(tài)庫；

51、所述氣候變化響應(yīng)模塊使用區(qū)域流向動(dòng)態(tài)庫，結(jié)合歷史氣候數(shù)據(jù)和未來時(shí)間段內(nèi)的氣候預(yù)測，分析差異化氣候情景下水文周期的響應(yīng)模式，識(shí)別區(qū)域面臨極端事件的風(fēng)險(xiǎn)，生成氣候響應(yīng)分析結(jié)果；

52、所述水文敏感性分析模塊通過氣候響應(yīng)分析結(jié)果，判斷多水文功能區(qū)域?qū)ξ磥頃r(shí)間段內(nèi)氣候變化的敏感程度，識(shí)別對降水模式變化、溫度升高的敏感區(qū)域，獲取敏感區(qū)域列表；

53、策略制定與評(píng)價(jià)模塊依據(jù)敏感區(qū)域列表，制定針對未來時(shí)間段內(nèi)氣候變化的水文管理策略，評(píng)估差異化策略對改善水資源可持續(xù)性的潛在效益，為敏感區(qū)域設(shè)計(jì)定制化管理計(jì)劃，構(gòu)建管理策略方案；

54、所述管理策略實(shí)施模塊根據(jù)管理策略方案，規(guī)劃執(zhí)行步驟，包括資源配置、監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置和時(shí)間規(guī)劃，確定實(shí)施計(jì)劃的要求，形成適應(yīng)性管理策略集。

55、本技術(shù)中提供的一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案，至少具有包括下技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)：

56、通過整合差異化來源的生態(tài)水文數(shù)據(jù)并構(gòu)建水文網(wǎng)絡(luò)圖，以及通過對水文網(wǎng)絡(luò)圖執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)分析，識(shí)別水文子集的方法，對于水資源管理和預(yù)測提供顯著的優(yōu)勢，當(dāng)氣候情景數(shù)據(jù)集被用于隨機(jī)模擬氣候變化對水流動(dòng)態(tài)的影響時(shí)，能夠?yàn)槊糠N氣候情景下的水流變化分配概率，生成氣候影響概率模型，允許管理者預(yù)測水資源的未來狀態(tài)，特別是在極端氣候事件下的表現(xiàn)。通過這種精細(xì)化的預(yù)測能力，能夠有效地識(shí)別和標(biāo)記出對氣候變化特別敏感的水文區(qū)域，并針對敏感區(qū)域設(shè)計(jì)適應(yīng)性管理措施，實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化分配和保護(hù)，通過細(xì)致的水流動(dòng)態(tài)分析，支持對不同氣候情景下出現(xiàn)的水資源分布和流動(dòng)變化的深入理解，增強(qiáng)對水資源管理策略的適應(yīng)性和靈活性。

57、上述說明僅是本技術(shù)技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本技術(shù)的技術(shù)手段，而可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，并且為了讓本技術(shù)的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更明顯易懂，以下特舉本技術(shù)的具體實(shí)施方式。