[发明专利]多个瞬时污染源的溯源方法

说明书

技术领域

本发明属于环境水力学领域，具体涉及多个瞬时污染源的溯源方法。

技术背景

化工企业通常在河流岸边设置排污口，将工业废水排入河流中，污染物排放口的位置是确定的，但其污染源排放强度却无法确定。排污口优化，污染物总量控制与分配等都需要确定污染源排放强度，这是水环境保护与水污染管理工作中常遇到的问题。根据下游污染物浓度分布情况来确定上游污染源的排放强度就是污染源溯源问题，这一直是环境水力学领域中的热点问题之一。对于污染源溯源问题的研究，韩龙喜提出利用遗传算法确定一维水质模型的源项，刘晓东针对非恒定水流条件，提出河道一维污染源自动识别的FDM-SIM方法，金忠青、陈夕庆等利用脉冲谱-优化法求解一维和二维对流-扩散方程中的污染源控制问题。

污染源排放强度的确定需要通过使水质模型计算的污染物分布数据与实测的污染物分布数据尽可能接近来解决。在已有的研究中需要假定不同的污染源排放强度组合代入到河流水质模型中进行计算，将计算结果和实际测量数据进行比较，如果计算结果和实际测量数据吻合度高则代表污染源排放强度与真实排放强度接近，如果计算结果和实际测量数据吻合度较低则重新假定污染源排放强度组合再次进行比较直到得到比较满意的结果。这往往需要进行大量繁复的试算工作来确定多个污染源排放强度，不仅耗时耗力并且当污染源个数较多的情况下加大了工作难度，有的时候甚至不能找到正确的污染源排放组合。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供多个瞬时污染源的溯源方法，该方法能够快速精确地确定多个瞬时污染源的排放强度。本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

本发明提供多个瞬时污染源的溯源方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.给定观测点污染物浓度观测值C_j^obj、河流水质模型相关参数纵向离散系数E和水流流速u，假定i个瞬时污染源排放强度的初始值M_i(0)(i＝1,2,3,…m₁)以及设定目标函数精度要求tol；

步骤2.将步骤1中i个瞬时污染源的排放强度初始值M_i(0)代入河流水质模型中，得到计算值与观测值的差距J作为目标函数；

步骤3.反向积分伴随方程，计算出目标函数关于瞬时污染源的排放强度M_i的梯度，根据该梯度采用最速下降法得到瞬时污染源的排放强度的搜索方向▽J与步长α，优化瞬时污染源的排放强度；

步骤4.将优化后的各个瞬时污染源排放强度代入河流水质模型方程进行计算得到下游观测断面处污染物浓度值分布C_j，再次计算目标函数J，检查是否满足精度要求，否则返回步骤2，继续循环直到满足精度要求。

本发明提供的多个瞬时污染源的溯源方法，还可以具有以下特征：在步骤2中，将M_i(0)代入河流水质模型中计算得下游观测断面污染物浓度值C_j，其中E是纵向离散系数(m²/s)、u是水流流速(m/s)，t为时间(s)，m1为污染源个数；构造目标函数：将计算得到污染物浓度值C_j与实际观测污染物浓度值C_j^obj代入可得两者之间的距离，m₂是观测数据的个数。

本发明提供的多个瞬时污染源的溯源方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，构造拉格朗日函数：

式中λ_j为拉格朗日算子，

令得到伴随方程

令得到目标函数关于各个瞬时源排放强度的梯度，反向求解伴随方程得到目标函数关于各个瞬时源排放强度的梯度：

将目标函数关于各个瞬时源排放强度的负梯度方向作为各个瞬时源排放强度调整的方向，然后确定最优的下降步长α，

优化各个瞬时污染源排放强度：