[發明專利]一種基于點源源譜和河道水質信息的未知污染源解析方法

在審

• 申請號: 202210034301.0
• 申請日: 2022-01-13
• 公開（公告）號: CN114519087A
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發明（設計）人: 周冠華;李安琪;景貴飛;李智峰;田晨
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F16/29
• 分類號: G06F16/29;G06F16/22;G06F17/13;G06Q50/26
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1.一種基于點源源譜和河道水質信息的未知污染源解析方法，其特征在于該方法包括以下步驟：

步驟一：在河道實地調研沿岸污染源名稱、污染排放量與周期、污染排放口地理位置、污染來源主要產品等信息，采集排污口附近的廢水樣品并使用國標法檢測水樣的pH值、濁度、電導率、溶解氧、生化需氧量、總氮、總磷、氨氮、銅、汞、鎳、氟化物和糞大腸桿菌數，或根據污染源的類型選擇性檢測特征污染物；

步驟二：利用水質模型正向模擬分析已知點污染源的變化規律，設置降解因子，模擬形成各個點源經過物理、化學和生物降解作用與擴散后在目標斷面的污染源成分譜；

水質模型正向模擬算法由非恒定流圣維南方程組和對流擴散方程構成，算法如下：

式中：Q為流量(m³/s)；A為過水斷面面積(m²)；q為側向入流(m³/s)；x為距離坐標(m)；t為時間坐標(s)；h為水位(m)；R為水力半徑(m)；C為謝才系數；α為動量修正系數；g為重力加速度(m/s²)；

描述物質在水體中的變化用一維對流擴散方程表示：

式中：Q為流量(m³/s)；A為過水斷面面積(m²)；q為側向入流(m³/s)；x為距離坐標(m)；t為時間坐標(s)；C為物質濃度(mg/l)；D為河道縱向擴散系數(m²/s)；K為污染物線性衰減系數；C₂為污染物源匯濃度(mg/l)；

步驟三：將目標斷面受體成分譜代入污染來源解析算法進行運算；

使用正定矩陣因子分析法實現目標斷面的污染來源解析，方法如下：

式中：x_ij為第i個樣品、第j個變量的濃度；e_ij為第i個樣品、第j個變量的濃度殘差；g_ik為第i個樣品、第k個源的貢獻率；f_kj為第k個源、第j個變量的得分；p為主要源的個數；

正定矩陣因子分析算法基于加權最小二乘法進行限定和迭代計算，不斷地分解矩陣以得到最優結果，最優化目標是使目標函數Q達到最小化，目標函數Q定義：

式中，u_ij為第i個樣品中第j種污染物的測量不確定度；

不確定度的計算方法如下：

式中：U_nc為不確定性；MDL為該水質參數的方法檢測限；U_rel為監測項目的相對標準偏差；

步驟四：將步驟三污染解析結果成分譜與步驟二已知點污染源正向模擬成分譜比較，找出污染因子差異；

步驟五：根據地區特征與水化學先驗知識，判定污染因子的差異來源，對未知污染源進行歸納與命名，并記錄污染源名稱、出現時間周期、河段上下游樁號與坐標。