[发明专利]一种追溯水体环境污染源的后向概率模型方法

权利要求书

1.一种追溯水体环境污染源的后向概率模型，其特征在于：包含如下步骤：

一、对进行污染源追溯的水体进行概化：按照正常的模型构建程序，模拟出准确的水体水动力过程；将模型所有节点的水动力过程导出，按时间后向排序生成后向的水动力条件；选取合适的水环境数值模拟模型并修改其的源代码，使其读取后向的水动力条件，将水质模块变成后向概率模型；

二、在监测时间所对应的后向时间节点处浓度变量按1来驱动后向概率模型，则生成该时间节点处所有空间节点的后向概率场；

三、按不同时间监测点位驱动后向概率模型获得不同概率场后，假设质量场满足正态分布规律，以监测浓度值作为条件通过贝叶斯定理可将单一概率场合并成总条件概率场；

四、总条件概率场公式中的因子值保证概率的总和为1，该因子值表征污染源释放时间的可能概率，因子值越小，其倒数值越大，象征该后向驱动时间值为污染源释放时间的可能性越大；

五、污染源释放时间确定后，绘制该时间节点的条件概率场，概率值高的空间节点为污染源释放位置的可能性越大；

六、污染源释放时间、位置确定后，按照正态分布规律，计算每个质量值对该点概率值的贡献率，贡献率高的质量值则更有可能为污染源的质量。

2.根据权利要求1所述一种追溯水体环境污染源的后向概率模型方法，其特征在于：所述的水环境数值模拟模型选取FVCOM海洋水动力及水质模拟模型。

3.根据权利要求1所述一种追溯水体环境污染源的后向概率模型方法，其特征在于：依次确定污染源释放时间、位置和质量的基于后向概率模型方法论的公式如下：

4.根据权利要求1至3任一项所述一种追溯水体环境污染源的后向概率模型方法，其特征在于：所述追溯水体污染源的后向概率模型具体操作步骤如下：

Ⅰ、获取河流河底高程、流速、流量水动力边界条件，对研究区域水体环境进行数值建模，使用FVCOM获得时段内相应的空间流场；

Ⅱ、将流场数据按照FVCOM设定格式以二进制格式保存到dat文件中；

Ⅲ、通过FVCOM模拟获取流场后，按照FVCOM的代码编写架构通过Fortran语言将FVCOM水质计算模块进行独立提取，按照保存的流场格式自行编写流场数据读取模块，使水质模块能够单独运行，已编写流场数据读取格式如下：

READ(10)(U(I,K),V(I,K),K＝1,KBM1)

READ(10)D(I),(WTS(I,K),KH(I,K),K＝2,KBM1)

Ⅳ、流场数据读取后，根据独立的水质模块，通过调用FVCOM这三个模块即可模拟出已知流场下的污染物浓度变化场：

CALL VISCOF_H

CALL ADV_S

CALL VDIF_TS(SF1)

以上三个原生模块分别计算涡粘系数、对流作用和扩散作用；

Ⅴ、至此，水质模块已单独提取，在已有流场的基础上，无需再驱动计算量巨大的FVCOM整体模型，即可模拟任意位置发生的瞬时点源排放情景，后续的后向概率模型也是基于该模块的改造；

Ⅵ、上述水质单独模块前向模拟出的是浓度场，如果将其进行后向处理，按照伴随偏微分方程，后向模拟结果将会是概率场：

也即是说，初始条件为1总概率，后向模拟出的各节点的值将是该点为污染源的概率值；

Ⅶ、根据伴随方程的推导结果，将流场逆转，并以1作为初始条件，时间进行后向，模拟出的结果将为后向概率场，在独立水质模块中实现的方式如下，先将读取指针指到流场数据dat文件末尾：

DO IT＝1,NSTEPS

DO I＝1,N

READ(10)

END DO

DO I＝1,M

READ(10)

END DO

END DO

然后用BACKSPACE进行指针回移读取相应位置水动力参数：

DO I＝1,N

BACKSPACE(10)

END DO

DO I＝1,M

BACKSPACE(10)

END DO

DO I＝1,N

READ(10)(U(I,K),V(I,K),K＝1,KBM1)

END DO

读取完一个时间节点的水动力数据后，将流场进行逆转：

U＝-U；V＝-V；WTS＝-WTS

最后，驱动原生模块即可完成后向概率的模拟：

CALL VISCOF_H

CALL ADV_S

CALL VDIF_TS(SF1)

Ⅷ、该溯源方法基于现场实测数据，在具有监测浓度值的位置和时间节点上驱动后向概率模型，获得不同后向时间节点的空间概率分布场，此时结合具体监测时间、监测点位位置和浓度数据，通过贝叶斯理论可计算出条件概率空间分布场：

在浓度等已知条件下计算出的概率场空间分布将更具指向性；Ⅸ、上式中β值是保证概率场求和后等于1，即概率100％的参数，它是关于后向时间的变量，每个后向时间节点都对应一个β值，该值越大对应的后向时间节点就越可能是污染源排放的时间，具体定量公式如下：

Ⅹ、先计算不同后向时间节点的β值，比较β值确定最大概率发生污染源排放的后向时间；确定污染源排放时间后，按照Ⅷ中贝叶斯公式可计算出条件概率场的空间分布，继而确定概率大的污染源排放位置；污染源位置确定后，由Ⅷ中公式知对质量进行了积分，现将质量按照正态分布进行离散，计算每个离散量对该后向时间整个条件概率分布场的贡献率：

该贡献率大的质量值确定为污染源排放的量。