地表水水质预警预报模型技术规范

DB23/TXXXX—XXXX

地表水水质预警预报模型技术规范

1范围

本文件规定了黑龙江省地表水水质预警预报模型的术语和定义、水质预警预报模型的基本要求、模

型运算处理、模型效果评估等内容。

本文件适用于黑龙江省内各级生态环境监测部门利用水质模型开展地表径流水质预警预报工作。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，

仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本

文件。

GB3838地表水环境质量标准

GB/T9649.20水文地质学

SL420水利地理空间信息元数据标准

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1

水质预警预报模型

水质预警预报模型是在分析水环境中所发生的物理、化学、生物等现象的基础上，依据物质质量、

能量和动量守恒的基本原理，应用数学方法建立的计算模型

3.2

水文模型概化点

利用水文模型和基础数据，基于自然汇水机制，模拟出被研究地表径流的子流域，该子流域与被研

究地表径流的交汇点为水文概化点。

4建立水质预警预报模型的基本要求

4.1模型系统构成

4.1.1水质预警预报模型系统构成：水文模型、水环境数值模型、统计模型。模型系统关系参见附录A。

4.1.2水文模型基于水量平衡建立计算方法，生成后续模型所需水文数据。

4.1.3水环境数值模型基于水动力学、化学反应动力学、生物学等原理，预测地表径流水质变化。

4.1.4统计模型利用本地化大数据深度学习等方法对预测结果进行优化和修正。

4.2模型时空分辨率

4.2.1水文模型模拟的空间需要包括影响地表径流水质的流域范围，空间尺度可分为小尺度、中尺度和

大尺度。

a)小尺度空间范围通常小于200km2；

1

DB23/TXXXX—XXXX

b)中尺度空间范围通常为200-2000km2；

c)大尺度空间范围通常为大于2000km2。

4.2.2水环境数值模型对地表径流进行二维网格划分（小尺度可进行更高维度划分），网格的大小根据

地表径流岸线平整度以及划分总网格数确定。

a)在保证计算效率的前提下，设定网格大小，一般不得低于10m×10m；通常设置为100m×100m；

b)具有漫滩、湿地等其他复杂情况，根据计算效果划分网格大小；

c)径流中央网格应大于岸边网格。

4.2.3基于大数据的统计模型需要地表径流上下游两端近3-5个完整年份的历史水质监测数据作为训

练集进行模型训练。

4.2.4模型的时间分辨率根据预测业务的需求可设置为1小时、4小时或1日。

5水质预警预报模型运算处理

5.1水文模型基础数据准备

5.1.1水文模型输入数据包括：流域内空间信息数据、水系数据、土地利用数据、土壤种类数据、气象

数据等。

5.1.2空间信息数据、水系数据，应符合SL420要求。

5.1.3土地利用数据必须包括基准年、覆盖范围、类型等基本属性。

5.1.4土壤数据必须包括基准年、覆盖范围、土地类型、土壤物理和化学参数等基本属性。

5.1.5气象数据必须包括起始时刻、时间和空间范围、降水、气温、风速、相对湿度、太阳辐射等基本

属性。

5.2水环境数值模型基础数据准备

5.2.1水环境数值模型输入数据数据包括：地表径流的地形数据、岸线数据、主要支流数据、水文数据、

气象数据、网格划分数据、水质监测数据、污水排水口污水渠排放设施实时数据等，其中气象数据要求

与水文模型相同。

5.2.2地表径流的地形数据、岸线数据、主要支流数据地表径流的地形数据，应符合GB/T9649.20要

求。

5.2.3水文数据必须包括流速、水位、水温、流量等基本属性。

5.2.4网格划分数据必须包括网格定点的经度、纬度的基本属性。

5.2.5水质监测数据应符合GB3838要求。

5.2.6污水排水口污水渠排放设施实时数据必须包括时间、污染物、指标浓度、流量等基本属性。

5.3统计模型基础数据准备

5.3.1统计模型基础数据包括：水质历史监测数据、数据质量控制情况等。

5.3.2水质历史监测数据必须包括监测时间、指标数值等基本属性。

5.3.3数据质量控制必须包括非法数据及异常数值剔除，缺失值填充、最大最小归一化、中心标准化基

本属性。

5.4初始与边界条件设置

5.4.1初始与边界设置为水文模型和水环境数值模型的运行提供初始值和最外层模式计算区域的边界

值。

2

DB23/TXXXX—XXXX

5.4.2初始值获取方式：从5.1、5.2、5.3已获得的分析资料提取处理，对于部分难以获得的初始数据

在不引起较大影响的情况下可设置为缺省值。

5.4.3边界值获取方式：从预报结果中提取，对于部分难以获得的初始数据在不引起较大影响的情况下

可设置为缺省值。

5.5模型参数率定

5.5.1模型参数率定是获取模型运行最佳参数的过程。

5.5.2水文模型和水环境数值模型的参数率定是在评估模型参数敏感性的基础上，通过设计不同的参

数，评估不同参数下模型输出的结果，选择得到最优效果的参数作为最终模型参数。

5.5.3深度学习模型通过模型在与训练数据集物理分割的测试数据集上的预测表现，确定网络结构以及

模型参数。

5.6预警预报产品

5.6.1预警预报产品经过数据提取、尺度换算、网格坐标映射和数据格式转换等方式生成，包括：地表

水面源负荷产品、地表水水质预报产品、水文预测产品等。

5.6.2地表水面源负荷产品包括流域内降水期汇水走向，涵盖有机氮、有机磷、磷酸盐、总氮、总磷等

污染物的汇集情况。

5.6.3地表水水质预报产品包括径流水质浓度（总磷、氨氮、总氮、高锰酸盐指数、溶解氧、化学需氧

量等）以及水质类别变化情况。

5.6.4水文预报产品包括径流流向、水位、流速、流量等情况。

6模型效果评估方法

6.1评估对象：包括水文预报结果和水质预报结果。

6.2评估周期：对预报效果评估的周期可分为：月度、季度和年度。

6.3评估所用实况数据包括：地表水水文和水环境质量监测数据。

6.4评估计算方法见附录B。

6.5评估指标参考标准：水文数据预报值的平均绝对百分比误差不高于25%；水质预报数据中，污染

物浓度的平均绝对百分比误差不高于15%，预报值的均方根误差不高于该指标月均值（季度均值、年

均值）的10%；水质预报数据中，水质类别和实测水质类别结果的一致性不低于80%。

3

DB23/TXXXX—XXXX

附录A

（规范性附录）

水质预警预报模型系统组成关系示意图

水质预警预报模型系统组成关系示意图见图A.1。

水文模型提取水质预报数据输入历史水质监测数据

水文预报产品

水质数值模拟模型统计模型

加载概化点负荷数据耦合流域降水数据水质预报产品

图A.1水质预警预报模型及架构示意图

4

DB23/TXXXX—XXXX

附录B

（规范性附录）

水质预警预报模型评估计算方法

B.1平均绝对百分比误差

式中：——平均相对误差

——参与计算的样本个数；

——水质指标的第个实际监测值；

——水质指标的第个模型预测值；

B.2均方根误差

式中：——均方根误差

——参与计算的样本个数；

——水质指标的第个实际监测值；

——水质指标的第个模型预测值；

B.3水质类别和真实水质类别的一致性

其中：

式中：——水质类别准确率；

——参与计算的样本个数；

——判断函数；

5

DB23/TXXXX—XXXX

——水质指标的第个实际监测值对应的水质类别；

——水质指标的第个模型预测值对应的水质类别。

____________________________

6

ICS13.060.99

CCSZ50

DB23

黑龙江省地方标准

DB23/TXXXX—XXXX

地表水水质预警预报模型技术规范

（征求意见稿）

XXXX-XX-XX发布XXXX-XX-XX实施

黑龙江省市场监督管理局发布

DB23/TXXXX—XXXX

地表水水质预警预报模型技术规范

1范围

本文件规定了黑龙江省地表水水质预警预报模型的术语和定义、水质预警预报模型的基本要求、模

型运算处理、模型效果评估等内容。

本文件适用于黑龙江省内各级生态环境监测部门利用水质模型开展地表径流水质预警预报工作。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，

仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本

文件。

GB3838地表水环境质量标准

GB/T9649.20水文地质学

SL420水利地理空间信息元数据标准

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1

水质预警预报模型

水质预警预报模型是在分析水环境中所发生的物理、化学、生物等现象的基础上，依据物质质量、

能量和动量守恒的基本原理，应用数学方法建立的计算模型

3.2

水文模型概化点

利用水文模型和基础数据，基于自然汇水机制，模拟出被研究地表径流的子流域，该子流域与被研

究地表径流的交汇点为水文概化点。

4建立水质预警预报模型的基本要求

4.1模型系统构成

4.1.1水质预警预报模型系统构成：水文模型、水环境数值模型、统计模型。模型系统关系参见附录A。

4.1.2水文模型基于水量平衡建立计算方法，生成后续模型所需水文数据。

4.1.3水环境数值模型基于水动力学、化学反应动力学、生物学等原理，预测地表径流水质变化。

4.1.4统计模型利用本地化大数据深度学习等方法对预测结果进行优化和修正。

4.2模型时空分辨率

4.2.1水文模型模拟的空间需要包括影响地表径流水质的流域范围，空间尺度可分为小尺度、中尺度和

大尺度。

a)小尺度空间范围通常小于200km2；

1

DB23/TXXXX—XXXX

b)中尺度空间范围通常为200-2000km2；

c)大尺度空间范围通常为大于2000km2。

4.2.2水环境数值模型对地表径流进行二维网格划分（小尺度可进行更高维度划分），网格的大小根据

地表径流岸线平整度以及划分总网格数确定。

a)在保证计算效率的前提下，设定网格大小，一般不得低于10m×10m；通常设置为100m×100m；

b)具有漫滩、湿地等其他复杂情况，根据计算效果划分网格大小；

c)径流中央网格应大于岸边网格。

4.2.3基于大数据的统计模型需要地表径流上下游两端近3-5个完整年份的历史水质监测数据作为训

练集进行模型训练。

4.2.4模型的时间分辨率根据预测业务的需求可设置为1小时、4小时或1日。

5水质预警预报模型运算处理

5.1水文模型基础数据准备

5.1.1水文模型输入数据包括：流域内空间信息数据、水系数据、土地利用数据、土壤种类数据、气象

数据等。

5.1.2空间信息数据、水系数据，应符合SL420要求。

5.1.3土地利用数据必须包括基准年、覆盖范围、类型等基本属性。

5.1.4土壤数据必须包括基准年、覆盖范围、土地类型、土壤物理和化学参数等基本属性。

5.1.5气象数据必须包括起始时刻、时间和空间范围、降水、气温、风速、相对湿度、太阳辐射等基本

属性。

5.2水环境数值模型基础数据准备

5.2.1水环境数值模型输入数据数据包括：地表径流的地形数据、岸线数据、主要支流数据、水文数据、

气象数据、网格划分数据、水质监测数据、污水排水口污水渠排放设施实时数据等，其中气象数据要求

与水文模型相同。

5.2.2地表径流的地形数据、岸线数据、主要支流数据地表径流的地形数据，应符合GB/T9649.20要

求。

5.2.3水文数据必须包括流速、水位、水温、流量等基本属性。

5.2.4网格划分数据必须包括网格定点的经度、纬度的基本属性。

5.2.5水质监测数据应符合GB3838要求。

5.2.6污水排水口污水渠排放设施实时数据必须包括时间、污染物、指标浓度、流量等基本属性。

5.3统计模型基础数据准备

5.3.1统计模型基础数据包括：水质历史监测数据、数据质量控制情况等。

5.3.2水质历史监测数据必须包括监测时间、指标数值等基本属性。

5.3.3数据质量控制必须包括非法数据及异常数值剔除，缺失值填充、最大最小归一化、中心标准化基

本属性。

5.4初始与边界条件设置

5.4.1初始与边界设置为水文模型和水环境数值模型的运行提供初始值和最外层模式计算区域的边界

值。

2

DB23/TXXXX—XXXX

5.4.2初始值获取方式：从5.1、5.2、5.3已获得的分析资料提取处理，对于部分难以获得的初始数据

在不引起较大影响的情况下可设置为缺省值。

5.4.3边界值获取方式：从预报结果中提取，对于部分难以获得的初始数据在不引