地表水水質預警預報模型技術規(guī)范

DB23/TXXXX—XXXX

地表水水質預警預報模型技術規(guī)范

1范圍

本文件規(guī)定了黑龍江省地表水水質預警預報模型的術語和定義、水質預警預報模型的基本要求、模

型運算處理、模型效果評估等內容。

本文件適用于黑龍江省內各級生態(tài)環(huán)境監(jiān)測部門利用水質模型開展地表徑流水質預警預報工作。

2規(guī)范性引用文件

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

僅該日期對應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)境質量標準

GB/T9649.20水文地質學

SL420水利地理空間信息元數(shù)據(jù)標準

3術語和定義

下列術語和定義適用于本文件。

3.1

水質預警預報模型

水質預警預報模型是在分析水環(huán)境中所發(fā)生的物理、化學、生物等現(xiàn)象的基礎上，依據(jù)物質質量、

能量和動量守恒的基本原理，應用數(shù)學方法建立的計算模型

3.2

水文模型概化點

利用水文模型和基礎數(shù)據(jù)，基于自然匯水機制，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為水文概化點。

4建立水質預警預報模型的基本要求

4.1模型系統(tǒng)構成

4.1.1水質預警預報模型系統(tǒng)構成：水文模型、水環(huán)境數(shù)值模型、統(tǒng)計模型。模型系統(tǒng)關系參見附錄A。

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

4.1.3水環(huán)境數(shù)值模型基于水動力學、化學反應動力學、生物學等原理，預測地表徑流水質變化。

4.1.4統(tǒng)計模型利用本地化大數(shù)據(jù)深度學習等方法對預測結果進行優(yōu)化和修正。

4.2模型時空分辨率

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)值模型對地表徑流進行二維網格劃分（小尺度可進行更高維度劃分），網格的大小根據(jù)

地表徑流岸線平整度以及劃分總網格數(shù)確定。

a)在保證計算效率的前提下，設定網格大小，一般不得低于10m×10m；通常設置為100m×100m；

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

c)徑流中央網格應大于岸邊網格。

4.2.3基于大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計模型需要地表徑流上下游兩端近3-5個完整年份的歷史水質監(jiān)測數(shù)據(jù)作為訓

練集進行模型訓練。

4.2.4模型的時間分辨率根據(jù)預測業(yè)務的需求可設置為1小時、4小時或1日。

5水質預警預報模型運算處理

5.1水文模型基礎數(shù)據(jù)準備

5.1.1水文模型輸入數(shù)據(jù)包括：流域內空間信息數(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)，應符合SL420要求。

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

5.1.4土壤數(shù)據(jù)必須包括基準年、覆蓋范圍、土地類型、土壤物理和化學參數(shù)等基本屬性。

5.1.5氣象數(shù)據(jù)必須包括起始時刻、時間和空間范圍、降水、氣溫、風速、相對濕度、太陽輻射等基本

屬性。

5.2水環(huán)境數(shù)值模型基礎數(shù)據(jù)準備

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)、網格劃分數(shù)據(jù)、水質監(jiān)測數(shù)據(jù)、污水排水口污水渠排放設施實時數(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網格劃分數(shù)據(jù)必須包括網格定點的經度、緯度的基本屬性。

5.2.5水質監(jiān)測數(shù)據(jù)應符合GB3838要求。

5.2.6污水排水口污水渠排放設施實時數(shù)據(jù)必須包括時間、污染物、指標濃度、流量等基本屬性。

5.3統(tǒng)計模型基礎數(shù)據(jù)準備

5.3.1統(tǒng)計模型基礎數(shù)據(jù)包括：水質歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)質量控制情況等。

5.3.2水質歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)必須包括監(jiān)測時間、指標數(shù)值等基本屬性。

5.3.3數(shù)據(jù)質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、中心標準化基

本屬性。

5.4初始與邊界條件設置

5.4.1初始與邊界設置為水文模型和水環(huán)境數(shù)值模型的運行提供初始值和最外層模式計算區(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置為缺省值。

5.4.3邊界值獲取方式：從預報結果中提取，對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)率定是獲取模型運行最佳參數(shù)的過程。

5.5.2水文模型和水環(huán)境數(shù)值模型的參數(shù)率定是在評估模型參數(shù)敏感性的基礎上，通過設計不同的參

數(shù)，評估不同參數(shù)下模型輸出的結果，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深度學習模型通過模型在與訓練數(shù)據(jù)集物理分割的測試數(shù)據(jù)集上的預測表現(xiàn)，確定網絡結構以及

模型參數(shù)。

5.6預警預報產品

5.6.1預警預報產品經過數(shù)據(jù)提取、尺度換算、網格坐標映射和數(shù)據(jù)格式轉換等方式生成，包括：地表

水面源負荷產品、地表水水質預報產品、水文預測產品等。

5.6.2地表水面源負荷產品包括流域內降水期匯水走向，涵蓋有機氮、有機磷、磷酸鹽、總氮、總磷等

污染物的匯集情況。

5.6.3地表水水質預報產品包括徑流水質濃度（總磷、氨氮、總氮、高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧、化學需氧

量等）以及水質類別變化情況。

5.6.4水文預報產品包括徑流流向、水位、流速、流量等情況。

6模型效果評估方法

6.1評估對象：包括水文預報結果和水質預報結果。

6.2評估周期：對預報效果評估的周期可分為：月度、季度和年度。

6.3評估所用實況數(shù)據(jù)包括：地表水水文和水環(huán)境質量監(jiān)測數(shù)據(jù)。

6.4評估計算方法見附錄B。

6.5評估指標參考標準：水文數(shù)據(jù)預報值的平均絕對百分比誤差不高于25%；水質預報數(shù)據(jù)中，污染

物濃度的平均絕對百分比誤差不高于15%，預報值的均方根誤差不高于該指標月均值（季度均值、年

均值）的10%；水質預報數(shù)據(jù)中，水質類別和實測水質類別結果的一致性不低于80%。

3

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附錄A

（規(guī)范性附錄）

水質預警預報模型系統(tǒng)組成關系示意圖

水質預警預報模型系統(tǒng)組成關系示意圖見圖A.1。

水文模型提取水質預報數(shù)據(jù)輸入歷史水質監(jiān)測數(shù)據(jù)

水文預報產品

水質數(shù)值模擬模型統(tǒng)計模型

加載概化點負荷數(shù)據(jù)耦合流域降水數(shù)據(jù)水質預報產品

圖A.1水質預警預報模型及架構示意圖

4

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附錄B

（規(guī)范性附錄）

水質預警預報模型評估計算方法

B.1平均絕對百分比誤差

式中：——平均相對誤差

——參與計算的樣本個數(shù)；

——水質指標的第個實際監(jiān)測值；

——水質指標的第個模型預測值；

B.2均方根誤差

式中：——均方根誤差

——參與計算的樣本個數(shù)；

——水質指標的第個實際監(jiān)測值；

——水質指標的第個模型預測值；

B.3水質類別和真實水質類別的一致性

其中：

式中：——水質類別準確率；

——參與計算的樣本個數(shù)；

——判斷函數(shù)；

5

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——水質指標的第個實際監(jiān)測值對應的水質類別；

——水質指標的第個模型預測值對應的水質類別。

____________________________

6

ICS13.060.99

CCSZ50

DB23

黑龍江省地方標準

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地表水水質預警預報模型技術規(guī)范

（征求意見稿）

XXXX-XX-XX發(fā)布XXXX-XX-XX實施

黑龍江省市場監(jiān)督管理局發(fā)布

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地表水水質預警預報模型技術規(guī)范

1范圍

本文件規(guī)定了黑龍江省地表水水質預警預報模型的術語和定義、水質預警預報模型的基本要求、模

型運算處理、模型效果評估等內容。

本文件適用于黑龍江省內各級生態(tài)環(huán)境監(jiān)測部門利用水質模型開展地表徑流水質預警預報工作。

2規(guī)范性引用文件

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

僅該日期對應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)境質量標準

GB/T9649.20水文地質學

SL420水利地理空間信息元數(shù)據(jù)標準

3術語和定義

下列術語和定義適用于本文件。

3.1

水質預警預報模型

水質預警預報模型是在分析水環(huán)境中所發(fā)生的物理、化學、生物等現(xiàn)象的基礎上，依據(jù)物質質量、

能量和動量守恒的基本原理，應用數(shù)學方法建立的計算模型

3.2

水文模型概化點

利用水文模型和基礎數(shù)據(jù)，基于自然匯水機制，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為水文概化點。

4建立水質預警預報模型的基本要求

4.1模型系統(tǒng)構成

4.1.1水質預警預報模型系統(tǒng)構成：水文模型、水環(huán)境數(shù)值模型、統(tǒng)計模型。模型系統(tǒng)關系參見附錄A。

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

4.1.3水環(huán)境數(shù)值模型基于水動力學、化學反應動力學、生物學等原理，預測地表徑流水質變化。

4.1.4統(tǒng)計模型利用本地化大數(shù)據(jù)深度學習等方法對預測結果進行優(yōu)化和修正。

4.2模型時空分辨率

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)值模型對地表徑流進行二維網格劃分（小尺度可進行更高維度劃分），網格的大小根據(jù)

地表徑流岸線平整度以及劃分總網格數(shù)確定。

a)在保證計算效率的前提下，設定網格大小，一般不得低于10m×10m；通常設置為100m×100m；

b)具有漫灘、濕地等其他復雜情況，根據(jù)計算效果劃分網格大??；

c)徑流中央網格應大于岸邊網格。

4.2.3基于大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計模型需要地表徑流上下游兩端近3-5個完整年份的歷史水質監(jiān)測數(shù)據(jù)作為訓

練集進行模型訓練。

4.2.4模型的時間分辨率根據(jù)預測業(yè)務的需求可設置為1小時、4小時或1日。

5水質預警預報模型運算處理

5.1水文模型基礎數(shù)據(jù)準備

5.1.1水文模型輸入數(shù)據(jù)包括：流域內空間信息數(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)，應符合SL420要求。

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

5.1.4土壤數(shù)據(jù)必須包括基準年、覆蓋范圍、土地類型、土壤物理和化學參數(shù)等基本屬性。

5.1.5氣象數(shù)據(jù)必須包括起始時刻、時間和空間范圍、降水、氣溫、風速、相對濕度、太陽輻射等基本

屬性。

5.2水環(huán)境數(shù)值模型基礎數(shù)據(jù)準備

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)、網格劃分數(shù)據(jù)、水質監(jiān)測數(shù)據(jù)、污水排水口污水渠排放設施實時數(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網格劃分數(shù)據(jù)必須包括網格定點的經度、緯度的基本屬性。

5.2.5水質監(jiān)測數(shù)據(jù)應符合GB3838要求。

5.2.6污水排水口污水渠排放設施實時數(shù)據(jù)必須包括時間、污染物、指標濃度、流量等基本屬性。

5.3統(tǒng)計模型基礎數(shù)據(jù)準備

5.3.1統(tǒng)計模型基礎數(shù)據(jù)包括：水質歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)質量控制情況等。

5.3.2水質歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)必須包括監(jiān)測時間、指標數(shù)值等基本屬性。

5.3.3數(shù)據(jù)質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、中心標準化基

本屬性。

5.4初始與邊界條件設置

5.4.1初始與邊界設置為水文模型和水環(huán)境數(shù)值模型的運行提供初始值和最外層模式計算區(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置為缺省值。

5.4.3邊界值獲取方式：從預報結果中提取，對于部分難以獲得的初始數(shù)據(jù)在不引