[發明專利]基于擬牛頓法的二維水污染擴散源溯源定位方法及系統

有效

• 申請號: 201811541104.8
• 申請日: 2018-12-17
• 公開（公告）號: CN109670146B
• 公開（公告）日: 2020-09-04
• 發明（設計）人: 王勇;王迎彬;王劍橋;王典洪;陳振興
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（武漢）
• 主分類號: G06F17/18
• 分類號: G06F17/18;G01N27/02
• 代理公司: 武漢知產時代知識產權代理有限公司 42238
• 代理人: 金慧君

本發明公開了一種基于擬牛頓法的二維水污染擴散源溯源定位方法及系統，實施本發明的有益效果是，利用擬牛頓法進行二維水污染擴散源溯源定位能有效提高精度，準確識別污染源位置、釋放強度及釋放時間。首先，對待測水域建立參考坐標系，對各個節點的位置坐標進行標定。然后，使用電導率傳感器對各監測點的電導率值進行測量，通過電導率和濃度的函數關系將其轉化為濃度值，將各個節點處的濃度值以及位置坐標帶入所建立的差值函數中。最后，利用擬牛頓法求得差值函數在無約束條件下的極值點，即求得污染物釋放質量、釋放時間以及污染源位置。

技術領域

本發明涉及污染源定位領域，更具體地說，涉及一種基于擬牛頓法的二維水污染擴散源溯源定位方法及系統。

背景技術

水體污染會嚴重破壞生態環境，直接影響社會的發展和經濟水平的提高，污染源定位追蹤成為了近些年的研究熱點。文獻基于相關系數優化法的河流突發污染源項識別中利用了相關系數優化法設計了單點源識別算法，但是當濃度噪聲較大時，計算結果與真實值偏差較大；文獻基于PSO-DE算法的突發水域污染溯源研究中采用了粒子群算法和微分進化算法實現點源污染的移動定位，但在定位過程中隨著水流流速的增長，其定位精度越低；上述兩種方法都存在不穩定的問題。在文獻對流-擴散方程源項識別反問題的MCMC方法中采用貝葉斯-蒙特卡洛方法來識別對流擴散問題中的源項，文獻突發性水污染事件溯源方法中基于貝葉斯-蒙特卡洛方法提出了微分進化蒙特卡洛方法，雖然這兩種方法精度較高，但是對于多參數反演問題有一定局限性；文獻基于遺傳算法的水污染事故污染源識別模型中采用遺傳算法與數學分析方法相結合的方法，雖然其誤差較小，但該方法對于二維水域也具有局限性。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于，針對現有技術的局限性和不穩定性缺陷，提供一種基于擬牛頓法的二維水污染擴散源溯源定位方法及系統。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：構造一種基于擬牛頓法的二維水污染擴散源溯源定位方法，所述方法具體包括以下步驟：

S1、選定n個節點監測待測水域，節點的位置坐標分別標注為(x₁,y₁)，(x₂,y₂)...(x_n,y_n)，其中n≥1；

S2、使用電導率傳感器對各監測點的電導率值進行測量，通過電導率和濃度的函數關系將各監測點的電導率值轉化為對應的濃度觀測值Z_i，所有濃度觀測值Z_i組成了濃度觀測值向量Z＝[Z₁,Z₂...Z_n]^T，其中i＝1,2...n；

S3、在T₀時刻向無限域水體空間內點(ε,η)投入質量為M的污染物，在t時刻計算監測點(x_i,y_i)處污染物的濃度理論值為：

其中，μ_x和μ_y分別為點x和點y方向的水流速度，D為擴散系數；在選定的n個節點處的濃度理論值向量即為C＝[C₁,C₂...C_n]^T；

S4、將步驟S3得到的濃度理論值向量C和步驟S2得到的濃度觀測值向量Z以及步驟S1標定的位置坐標帶入差值函數；所述的差值函數為各個節點濃度觀測值與理論濃度值的差值函數，定義為：

f(M,t,ε,η)＝[(Z-C)^T(Z-C)]；

S5、利用擬牛頓法求得差值函數在無約束條件下的極值點，所求的極值點即為污染物釋放質量、釋放時間以及污染源位置。

進一步的，步驟S5中擬牛頓法求解差值函數的步驟為：