[發明專利]基于CA模型的河道污染源定位系統及方法

在審

• 申請號: 202210001957.2
• 申請日: 2022-01-04
• 公開（公告）號: CN114330170A
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 李林;陳丞璐;陳文洪;黃晨旭;趙紅梅
• 申請（專利權）人: 江西師范大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F17/18;G06Q50/26;G06F113/08
• 代理公司: 北京壹川鳴知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11765
• 代理人: 范慶國

1.基于CA模型的河道污染源定位系統及方法，其特征是，包括有水質自動監測站，在河道各個主要排污口附近分別布置有斷面監測點；當監測到河道中的污染物的濃度超標時，自動記錄斷面監測點的水文信息和實時監測數據，主要流程包括：

1)監測站處河流的斷面面積A、河底高程、土地利用類型、水流流速、斷面監測流量、以及監測站監測到的某段離散時間內污染物濃度變化數據，記為Mi(i＝1，2，...，n)。

2)利用EXCEL軟件分析連續日變化數據，得出污染物排放的周期規律，記為H；

3)實地探測河道主要排污口的空間位置分布，記為L。

2.按照權利要求1所述的基于CA模型的河道污染源定位系統及方法，其特征是，還包括有構建元胞自動機模型，CA模型主要包括元胞空間、鄰域類型、元胞狀態、轉換規則和時間；設定輸入值并輸出結果，主要步驟如下：

S01通常情況，污染物在河道的擴散方向中垂向擴散較小，橫向水流速度也較小，在此忽略河道污染物擴散的垂向和橫向擴散系數，即構建的河道污染物擴散方式可簡化為二維元胞空間；

S02二維元胞空間適合采用Moor鄰域，其每個元胞以與其相鄰的上下左右和對角線上的8個元胞作為鄰域元胞進行信息傳遞；

S03河流CA模型元胞狀態的參數集，包括有靜態參數集和動態參數集；

S04轉換規則包括水流擴散、隨流輸移和衰減過程；水流作用的擴散規則輪污染物隨流輸移規則S_n，隨水輸移的速度及方向同水流流速流向相同，但每一步的輸移距離L隨流向的不同而變化；衰減規則，引入衰減系數,以修正各元胞間的擴散作用；

S05再根據MATLAB軟件程序進行CA模型的運算以及輸出結果的可視化表達。

3.按照權利要求2所述的基于CA模型的河道污染源定位系統及方法，其特征是，步驟S05具體流程如下：

S0501數據輸入，主要有元胞坐標、河底高程、土地利用類型、斷面監測流量值，所有數據以EXCEL格式儲存，每個元胞對應一組數據，存儲在元胞狀態參數中；

S0502假設一個排污質量m；

S0503全局參數的設定，主要指時間步長、元胞邊長，元胞邊長關系到模型精度，邊長越小CA模型越精確；

S0504相關修正系數設置，包括有靜態擴散系數、斜角系數、水流影響系數和污染物的衰減系數；

S0505狀態矩陣初始化，元胞狀態參數需要存儲在狀態矩陣中，狀態矩陣在MATLAB中以ceLL數據類型形式，讀取每個元胞的參數集并賦值到ceLL數組的每一維中心元胞中；

S0506設定輸出結果，指定某些位置，研宄該元胞的污染物濃度在周期時間段內隨時間變化過程線；

S0507結果輸出。

4.按照權利要求1所述的基于CA模型的河道污染源定位系統及方法，其特征是，所述假設排污質量m的取值可根據斷面監測點一個周期時間內的排污總量；m取偏大于計算值，使得斷面監測點的周期時間段始終包含在步驟S0507的結果輸出曲線的時間段內。

5.按照權利要求1所述的基于CA模型的河道污染源定位系統及方法，其特征是，還包括有污染源至斷面點的距離∣L∣的計算步驟如下：

1)由于步驟S01中的斷面點的污染物濃度隨時間變化數據的特征曲線Mi與步驟S0507結果輸出曲線的變量數據類型相同，均為濃度隨時間變化的曲線；可采用與已知數據相吻合的曲線擬合方法，取斷面點監測值(t,Mi)進行插值，在步驟S0507的結果輸出曲線中查找污染物濃度Mi對應的時間t’；

2)再由實際監測的連續日變化圖可知，總氮、總磷均從每日的8點的限定值以下開始逐漸增加，直至12點達到最大值，再到20點降解至低于限定值，即往前推算至8點，∣t∣＝(8，t)，t≤12，得出在該截取時間段，污染物模擬的擴散時間段為((t’-∣t∣)，t’)；

3)重新設定步驟S0506的輸出結果，指定(t’-∣t∣)，輸出該區域內所有元胞的污染物濃度值；重復指定t’時刻，輸出該區域內所有元胞的污染物濃度值；兩個輸出結果曲線相交段的區域長度即為實際斷面監測點到污染源的距離L；

4)根據該河道主要排污口的空間位置分布表查找距離斷面監測點L的污染源位置。