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申请/专利权人：西安理工大学

摘要：本发明公开了一种耦合生境适宜模型的高效高精度栖息地模拟方法，采用矩形网格的高分辨率DEM地形，由已知条件赋值相关参数；基于Godunov格式中心有限体积法空间离散二维浅水方程，获取更高空间离散精度；由MUSCL重构和Runge‑Kutta法进一步实现时空的二阶精度；基于IFIM理论，采用适宜指数HSI构建生境适宜模型，以实现水动力过程与生境适宜模型的耦合；并引入GPU加速技术提高模拟效率。至此，耦合生境适宜模型的高效高精度栖息地模拟方法构建完成。本发明提高了生境模型中生境因子模拟精确性，为准确模拟河流水力特性和生物栖息地提供有效技术支撑，使之成为评价生物生境质量的有力工具。

主权项：1.一种耦合生境适宜模型的高效高精度栖息地模拟方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、利用Arcgis软件生成高分辨率DEM地形数据表征真实地形，以ascii格式输出；步骤2、调研收集研究河段目标物种以及目标物种的生境因子，利用偏好适宜曲线法确定出目标物种的生境因子适宜曲线，包括水深、流速和底质；步骤3、将高分辨率DEM地形数据离散成矩形网格，根据已知边界条件对相关参数进行赋值；步骤4、将得出的DEM地形数据及各生境因子适宜条件在GPU中分配内存，并复制到GPU变量中；步骤5、基于Godunov格式的中心有限体积法空间离散二维浅水方程，求解通量项、底坡源项和摩阻源项；所述步骤5中二维浅水方程表示如下： 式中：t为时间步长，单位为s；x、y分别为水平坐标和纵向坐标；q为流量变量矢量；h表示水深，单位为m；u、v分别为x、y方向上的平均流速，单位为ms；F、G分别为x、y方向上的通量矢量；S为源项矢量；其中，Sb为底坡源项；Sf为摩阻源项；zb为河床高程，m；Cf为床面糙率系数，Cf＝gn2h13，n为曼宁系数，sm13，g为重力加速度，取9.81，单位为ms2；所述步骤5具体如下：步骤5.1、第i个控制单元网格内，采用中心有限体积法对SWEs控制方程组积分，基于高斯散度定理通量项面积线积分形式为： 通量Fq·n线积分为： 式中：Ω为d第i个控制单元网格的体积，单位为m3；Г为第i个控制单元网格的边界；n为边界Г所对应的外法线方向的单位向量；Sb表示底坡源项通量；Sf表示摩阻源项通量；k为控制单元网格边的编号；lk为第i个控制单元网格第k个边的边长；步骤5.2、在Godunov方法中实现HLLC黎曼求解器步骤为：左波速SL、中间波速SM及右波速SR计算公式为， 其中，中间变量h*和根据式计算， 从而计算通量Fq·n的HLLC黎曼求解器计算公式为， 其中，控制体单元网格界面中间通量F*为， 控制体单元网格界面通量中间波两侧，和为， 式中，FL和FR分别为单元网格界面左、右侧的通量；F*、和分别为控制体单元网格界面通量中间波两侧的左波通量、中间波通量和右波通量；u||为沿交界面的切向速度，u||＝-uny+vnx，u||L和u||R分别为控制体单元网格交界面的左侧、右侧切向速度，单位为m3s；nx和ny分别为沿x和y的指示方向；u和v分别为沿x和y的单宽流量，单位为ms；变量q⊥＝[h,qxnx+qyny]；qx和qy分别为沿x和y的单宽流量，单位为m2s；SL、SM、SR分别为左波速、中间波速、右波速，单位为ms；u⊥为通过网格单元界面垂直的速度，单位为ms；u⊥＝unx+vny；h*和为中间变量；g为重力加速度，取9.81，单位为ms2；步骤5.3、底坡源项采用底坡通量法求解，将单元内底坡源项转化为单元边界上的通量；采用底坡通量法得到某一边f处的底坡通量的矢量形式为， 式中，Fsfq·为某一边f处的底坡通量；nf为面f单位外法向量；nfx和nfy是nf与面f单位外法向量的组成部分，hL和zbL分别为网格单元中心处的水深和底部高程，与zML网格边上的水深和底部高程，g为重力加速度，单位为ms2；步骤5.4、摩阻源项采用显隐式摩阻处理法求解，将隐式转化为显式，采用显隐式摩阻处理法求解摩阻源项计算公式为， 其中，单宽流量更新为时间步长n+1时刻计算公式为， 式中，Sf为摩阻源项通量，Sfx和Sfy分别为x和y方向的摩阻源项通量；Cf为床面糙率系数，Cf＝gn2h13，n为曼宁系数，sm13；h为水深，单位为m；qx、qy分别为x、y方向上平均流速，单位为m2s；qxn+1、qyn+1分别为时间步长n+1时刻在x、y方向上的单宽流量，单位为m2s；qxn、qyn分别为时间步长n时刻在x、y方向上的单宽流量，单位为m2s；Δt为时间步长，单位为s；Δqx为时间步长n时刻和n+1时刻的x方向上单宽流量之差，即Δqx＝qxn+1-qxn，单位为m2s；为了避免分母为零，θ取1.0e-12；步骤5.5、引入静水重构法求解干湿边界问题，即将界面处重构的负水深值强制为零来维持非负水深，并修改相应地水位、底坡高程和界面两侧的流量，并将重构的新值代入近似黎曼求解器中来计算质量和动量的通量，保证干湿界面处的平衡状态和质量守恒；步骤6、由MUSCL重组法和龙格库塔法进一步实现时间和空间的二阶精度，时间和空间步长计算稳定性由CFL条件限制；所述步骤6具体如下：步骤6.1、求解出通量项、底坡源项和摩阻源项之后，采用MUSCL重构法在第i个控制单元网格通过同一限制变量梯度插值求解出第i个控制单元网格界面上的变量值；步骤6.2、由两步Runge-Kutta方法获得二阶时间精度，在新时间步长中第i个控制单元网格的值为： 中间变量值为 式中：i为控制单元网格数；Ω为第i个控制单元网格的体积，单位为m3；qn+1为时间步长n+1时刻的单宽流量，单位为m2s，qn为时间步长n时刻的单宽流量，单位为m2s；Δt为时间步长，单位为s；Sqn为时间步长n时刻的源项；步骤6.3、在空间步长Δx下，时间步长Δt的取值的计算公式如下： 式中：Δxmin表示网格单元中心到对应界面的最小距离，单位为m；u为流速，单位为ms；g为重力加速度，取值9.8ms2；h为水深，单位为m；步骤7、基于IFIM理论，由得到的目标物种高精度生境因子及目标物种的生境适宜条件，确定各生境因子的适宜性指数HSI计算出综合适宜性指数CSI；所述步骤7具体如下：步骤7.1、根据目标物种高精度生境因子及目标物种适宜条件，采用偏好适宜曲线法，确定出目标物种各生境因子适宜指数HSI，具体为，根据第i个控制单元网格内水深depi、流速veli和底质subi三种生境因子的模拟数据，采用偏好适宜曲线法，计算出目标物种水深、流速和底质的适宜指数和规定生境适宜指数范围为0～1，最适宜生境适宜指数为1，最不适宜生境适宜指数为0；步骤7.2、第i个控制单元网格内综合适宜指数CSI由下式得出： 式中：i为控制单元网格数；CSI为第i个控制单元网格内的综合适宜指数；HSI为水深、流速和底质等每个生境因子在第i个控制单元网格内的生境适宜指数；depi,veli,subi分别为第i个控制单元网格内水深、流速、底质或覆盖物，分别为第i个控制单元网格内水深、流速、底质或覆盖物的适宜指数；式22将所选择的生境因子适宜指数相乘，表示影响因子综合作用结果；式23考虑当某一生境因子较为不利时，组成栖息地生境因子之间的补偿影响；式24将最不适于鱼种生存的生境因子适宜指数作为组合适宜指数；步骤8、通过cudaMemcpy函数将GPU计算得到的各生境因子数据及综合适宜指数CSI复制到CPU中，计算目标物种有效栖息地加权可利用面积WUA；所述步骤8具体如下：加权可利用面积WUA计算式； 式中：WUA为栖息地加权可利用面积，单位为m2；i为控制单元网格数；ai为第i个控制单元网格的面积，单位为m2；步骤9、根据计算得到的水深、流速和底质数据，以及水深、流速和底质三种生境因子的综合适宜指数CSI数据，利用MATLAB软件输出水深、流速、底质和综合适宜性指数CSI分布图；至此，耦合生境适宜模型的高效高精度栖息地模拟方法构建完成。

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