[發明專利]一種基于熱力學積分高效計算地下水污染失效概率的方法

在審

• 申請號: 202210496296.5
• 申請日: 2022-05-09
• 公開（公告）號: CN114781172A
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發明（設計）人: 徐騰;張國棟;張石強;王宏玉;魯春輝;謝一凡;葉逾;楊杰;井淼
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/02;G06F111/08;G06F113/08
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明公開了一種基于熱力學積分高效計算地下水污染失效概率的方法，包括以下步驟：通過蒙特卡羅方法計算失效概率公式系數，選擇不同的決定指示函數光滑度的參數作為并行退火算法中的溫度梯度；通過序貫高斯生成相關的服從高斯分布參數初始場；根據預條件克蘭克尼科爾森建議分布生成當前滲透系數場的建議樣本；計算馬爾科夫鏈內接受概率，判斷鏈內是否接受采樣；計算馬爾科夫鏈間接受概率，判斷鏈間是否接受采樣；重復以上過程進行下一個含水層高斯滲透系數場樣本采樣，直至判斷為終止采樣，根據熱力學積分公式計算失效概率。本方法是一種高效的地下水污染失效概率計算方法，在處理地下水污染失效概率問題中，比蒙特卡羅和子集模擬法效率更高。

技術領域

本發明涉及水文統計學技術領域，具體涉及一種基于熱力學積分高效計算地下水污染失效概率的方法。

背景技術

隨著工農業的發展，包括生活垃圾、農藥化肥的使用、工業生產廢水等污染物的排放，地下水環境遭到了一定的破壞，但是由于滲透系數等水文地質參數的不確定性，導致地下水系統具有不確定性，進而使地下水污染計算存在一定的困難，現階段雖然有些先進技術能降低這種不確定性，但是同樣存在一定的概率問題，尤其是一些含量很低但是對人體健康有重要傷害的有毒物質，需要嚴格把控其在地下水中含量，避免其對人類生產和生活造成負面影響。因此計算地下水受到污染的概率可為地下水水質評價和污染修復提供一定的幫助，從而降低地下水污染風險，同時對于構建水環境風險評價體系決策模型具有一定的指導意義。

失效概率是指在考慮系統中各種不確定性的情況下，系統中的某個指標不在其合理閾值內的概率，在土木、石油以及天然氣工程等領域得到應用。在地下水污染失效概率中，是指在考慮地下水系統中各種不確定性的情況下(主要是指滲透系數的不確定性)，在受到污染的情況下，水體中污染物濃度超過某標準的概率。由于各種不確定性的影響，導致計算失效概率存在一定的困難，常用的方法有子集模擬法和蒙特卡羅法，其中蒙特卡羅法是最傳統、最基礎的計算方法，其方法的本質是大數定律，故其計算結果相對來說較準確，但是對于小概率事件，所需要的樣本量很大，導致計算效率低下，在此基礎上有關研究者提出了子集模擬法計算失效概率；子集模擬法需要設置一系列的中間事件，由于其將小概率事件轉化為大概率事件相乘的有效操作，可以提高計算效率，在失效概率問題中得到廣泛應用。子集模擬雖然計算時間效率上相對蒙特卡羅法有優勢，但是計算得到的失效概率精準性相對較差。

發明內容

發明目的：為了克服背景技術的不足，本發明公開了一種基于熱力學積分高效計算地下水污染失效概率的方法，該方法通過熱力學積分耦合并行退火算法，改變原始指示函數，并設置多條鏈，利用熱力學積分公式對結果進行積分，從而得到地下水污染失效概率。

技術方案：本發明所公開的基于熱力學積分高效計算地下水污染失效概率的方法，包括以下步驟：

S1、基于地下含水層，通過蒙特卡羅方法計算地下水污染失效概率公式系數，根據高斯積分準則選擇決定指示函數光滑度的參數以及每個指示函數所對應的馬爾科夫鏈的權重；

S2、通過序貫高斯生成相關的服從高斯分布的地下水含水層滲透系數初始場，計算含水層污染物濃度，根據功能函數求出響應值，將響應值帶入指示函數中計算所得結果；

S3、根據預條件克蘭克尼科爾森建議分布生成當前含水層滲透系數場的建議樣本，計算含水層污染物濃度，根據功能函數求出響應值，將響應值帶入指示函數中計算所得結果；

S4、在馬爾科夫鏈內根據指示函數所得結果計算滲透系數場接受概率，判斷鏈內樣本是否接受采樣；

S5、在馬爾科夫鏈間根據指示函數所得結果計算滲透系數場接受概率，判斷鏈間樣本是否接受采樣；

S6、重復以上過程，進行下一個含水層高斯滲透系數場樣本采樣，直至判斷為終止采樣，根據熱力學積分公式計算地下水污染失效概率。